[發明專利]一種細化Al?Si?Fe?Cu?Mg合金組織及其制備方法

在審

• 申請號: 201710017497.1
• 申請日: 2017-01-11
• 公開（公告）號: CN106811632A
• 公開（公告）日: 2017-06-09
• 發明（設計）人: 馬盼;于治水;趙健;李崇桂;楊尚磊;黃立新
• 申請（專利權）人: 上海工程技術大學
• 主分類號: C22C21/02
• 分類號: C22C21/02;B22F3/105;B22F3/20;B33Y10/00;B33Y80/00
• 代理公司: 上海伯瑞杰知識產權代理有限公司31227
• 代理人: 曹莉

技術領域

本發明涉及一種細化Al-Si-Fe-Cu-Mg合金組織及其制備方法，特別是屬于材料加工技術領域。

背景技術

過共晶Al-Si合金因具有低密度、高比強度、低的熱膨脹系數、高的導熱以及優異的耐磨耐蝕性能，廣泛應用于航空、航天、汽車等領域。大量的研究表明在過共晶Al-Si合金中添加一定量的Fe元素可形成AlSiFe金屬間化合物，有利于提高合金的高溫力學性能；同時在合金中添加少量的Cu、Mg元素能夠形成固溶體相，經時效析出后形成細小的彌散相，可提高合金的室溫力學性能。此外，這些合金元素的添加還能改善合金的熱穩定性。但是傳統的熔鑄方法由于較慢的冷卻速度，很容易形成大尺寸的含Fe相(金屬間化合物相)和Si相(初晶硅相和共晶硅相)(如附圖1所示)，嚴重惡化合金的機械性能，阻礙其廣泛應用。而且傳統工藝熔煉時還需要模具，工藝復雜，耗時較長。

發明內容

本發明克服上述工藝局限，本發明提出采用激光選區熔化技術(Selective Laser Melting,SLM)制備高Fe含量的過共晶Al-Si合金，并通過后續熱擠壓的方法進一步改善合金物相的尺寸，從而提高合金的機械性能。

為了實現以上技術效果，本發明的細化Al-Si-Fe-Cu-Mg合金組織的制備方法是通過如下步驟實現：

本發明提供的細化Al-Si-Fe-Cu-Mg合金組織的制備方法，包括以下步驟：

S1.將Al、Si、Fe、Cu和Mg熔煉，除氣、除渣后澆鑄成型，得到熔配的鑄錠；所述Al、Si、Fe、Cu和Mg的重量百分比為Si 19～22wt.％，Fe 4～5wt.％，Cu 2～3wt.％，Mg 0.5～1wt.％，余量為Al。其中，Al、Si、Fe、Cu和Mg優選為工業純Al(99.7％)，純Si(99.5％)，工業純Mg(99.7％)、電解Cu(99.97％)，工業純Fe(99.8％)。其中，熔煉可以為將金屬料放入鎂砂坩堝采用感應熔煉，并實時用熱電偶測試熔體的溫度，在熔煉的過程中利用石墨攪拌棒攪拌，使合金元素能夠均勻分布。其中，澆鑄成型可以為澆注到金屬模具。此時，初晶硅呈現多邊形狀，鑄態組織中含Fe金屬間化合物呈現長條狀，平均尺寸在165μm。

S2.在惰性氣體保護下，將步驟S1中的熔配的鑄錠氣體霧化后，過篩得到合金粉末；所述氣體霧化的過程可以使用噴射沉積設備，將熔配的鑄錠放入噴射沉積熔化坩堝中，調整坩堝的角度，安裝霧化器，對設備抽真空，并沖入0.5atm的氬氣進行保護；升溫使鑄錠熔化，然后將合金熔體轉移到具有一定溫度的保溫坩堝內，熔體經過導液管流出被高速的氣體霧化成細小的液滴，導液管的材料為氮化硼，內徑在3.0～3.5mm之間，保持氣體壓力；收集霧化后粉末，經過250目篩子后，去除尺寸偏大的粉末。

S3.在惰性氣體保護下，利用激光選區熔化技術將步驟S2中的合金粉末制備成所需構件形狀的成形合金。激光選區熔化的方法可以為安裝沉積盤，將粉末放入激光熔覆的漏斗中，調試漏斗的移動裝置；對設備抽真空，并沖入一定量的氬氣作為保護氣體，減少合金的氧化；調試激光參數，開始實驗；實驗結束，取出成形合金，對粉末進行回收。

S4.將步驟S3中的合金構件進行熱擠壓后，得到所述高Fe含量的過共晶Al-Si-Fe-Cu-Mg鋁合金。熱擠壓的過程可以為調整擠壓的尺寸，將樣品放入銅管中，然后將銅管放入熱擠壓模具中，調整上壓頭的距離，打開熱擠壓設備施加少量的壓力；對熱擠壓設備抽真空，并沖入一定量的氬氣作為保護氣體，減少合金在擠壓過程中氧化；對模具和樣品進行加熱，到設定溫度后保溫10min開始擠壓；擠壓結束后，關閉加熱電源，等待模具冷卻至室溫后卸真空，取出樣品，進行組織和性能觀察。熱擠壓處理后，針狀Al-Si-Fe金屬間化合物被擠碎，尺寸減小至1.6μm，熱影響區消失不見，組織變得均勻。

其中，在步驟S1中所述熔煉之前，先將Fe與Al按質量比1:5，Cu與Al按質量比1:2制成Fe-Al和Cu-Al中間合金。

其中，在步驟S1中所述熔煉溫度為800-850℃，熔煉時間為使所有組分熔化后保溫20-30min，熔煉時保持攪拌。

其中，在步驟S2中所述氣體霧化時，熔化溫度控制在820±10℃，霧化時氣體壓力控制在1.2MPa。

其中，在步驟S3中所述激光選區熔化使用的激光工藝參數為激光為Yb-YAG激光，能量為310-330W，掃描速度1400-1600mm/s，掃描間距100-120μm，鋪粉厚度30-60μm。

其中，在步驟S4中所述熱擠壓的擠壓比為9:1。