一种超高强纳米晶Al-Mg铝合金材料及其制备方法
【技术领域】 本发明属于金属及合金的制备技术领域，设及一种超高强纳米晶Al-Mg侣合金材料及 其制备方法。
【背景技术】 作为一种重要的不可热处理合金，5000系Al-Mg合金具有良好的抗腐蚀性、成形性、可 焊性和中等强度，是迄今为止在低溫储罐、侣墙板、照明产品、内存磁盘基板、船用发动机部 件、大型船舶用板材、军用装甲车外板、坦克底板、汽车车身内部面板等方面应用最广泛的 侣合金材料，但随着工业的快速发展，现有技术中5000系Al-Mg侣合金的强度等力学性能已 不能满足实际应用，迫切需要提高合金的综合力学性能。
[0003] 目前，提高5000系Al-Mg侣合金的强度已经成为国内外研究开发的热点；例如美国[0004] 提高5000系Al-Mg侣合金的强度，可通过大塑性变形（SPD)实现，如高压扭转 (HPT)、等通道转角挤压（ECAP)、表面机械研磨（SMAT)和动态塑性变形（DPD)等 (Phys.Met.Metall. 106(2008)90-96);运些大塑性变形方法可使合金的晶粒尺寸明显细 化，因而提高了合金的强度，其中，高压扭转法细化晶粒的能力最强，能制备晶粒尺寸小于 l(K)nm的纳米晶金属材料，例如化liev等用高压扭转方法制备出的5083侣合金(俄罗斯牌号 为1570侣合金），其平均晶粒尺寸为45nm，强度化高达950MPa(I%ys.Met.Metall. 106(2008) 90-96)，但该合金中同样含有贵重的合金元素 Sc，因而成本较高，应用范围受到限制。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对现有5000系Al-Mg侣合金强度较低的问 题，提供一种超高强纳米晶Al-Mg侣合金材料及其制备方法，通过适当的成分设计和高压扭 转相结合，使Al-Mg侣合金的晶粒细化到小于lOOnm纳米尺度，并在合金中获得高密度位错 和高密度纳米尺度的层错，利用很强的细晶强化、位错强化和纳米尺度层错强化等强化机 制使合金的强度大幅度提高，扩大了5000系Al-Mg侣合金的应用范围，该方法制备方法简 单，相比现有的制备方法制造成本更低。
[0006] 为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案。
[0007] 本发明的成分配方为（重量百分比wt. % ):6.0-10.0%Mg，其余为A巧日杂质元素， 所述杂质元素为:SK0.06%，Fe<0.08%，Ti<0.05%。
[000引本发明所述的一种超高强纳米晶Al-Mg侣合金材料及其新型制备方法，包括下述 步骤： 第一步:制备铸态巧料和高压扭转圆盘 按上述设计的Al-Mg侣合金成分配方添加合金各组分，加热至720~750°C烙炼，除杂除 气后静置10~20分钟，诱注成直径为50mm的圆形铸态巧料，得到Al-Mg侣合金铸态巧料，将 铸态巧料车削成高压扭转用尺寸为Φ 20 X 2mm的圆盘。
[0009] 第二步:均匀化处理 将上述高压扭转圆盘进行均匀化处理，均匀化处理工艺为：W10~30°c/分钟的升溫速 度加热到420~460°C，保溫1~6小时后，W300°C/h的冷却速度冷却到室溫，得到均匀化处 理后的圆盘。
[0010] 第Ξ步:高压扭转 将上述均匀化处理后的圆盘进行高压扭转大塑性变形，高压扭转的工艺参数为:在室 溫、压力6G化和转速Ir/min工艺条件下扭转1~10圈，高压扭转的工艺过程为:盘状试样置 于上下压头之间的模具中，上压头固定不动，下压头扭转的同时对试样施加高达6GPa的压 力，试样表面与压头之间的摩擦力使试样产生极高的剪切应变，从而实现对试样的扭转剪 切变形。
[0011] 本发明所述的超高强纳米晶Al-Mg侣合金材料及其制备方法，所述诱注铸态巧料 是将合金烙体采用直接水冷半连续铸造 (DC casting)工艺成型。
[0012] 本发明所述的一种超高强纳米晶Al-Mg侣合金材料及其制备方法，所述经高压扭 转1~10圈，相应的试样边缘等效应变可高达60~600。
[0013] 本发明所述的一种超高强纳米晶Al-Mg侣合金材料及其制备方法，所制备的合金 平均晶粒尺寸是50~80nm。
[0014] 本发明所述的一种超高强纳米晶Al-Mg侣合金材料及其制备方法，所制备的合金 抗拉强度〇b为800~855MPa，屈服强度〇〇.劝795~845MPa。
[0015] 本发明的优选技术方案如下(其它方案同上）。
[0016] 均匀化处理优选的技术方案为:450~460°CX1~化。
[0017] 高压扭转优选的技术方案为:扭转5~10圈。
[0018] 本发明所述的一种超高强纳米晶Al-Mg侣合金材料及其制备方法，优选方案下所 制备的合金，平均晶粒尺寸是57~68皿，抗拉强度〇b为800~855M化，屈服强度σ〇.2为795~ 845MPa〇
[0019] 下面对本发明做进一步的解释和说明： 本发明的原理是： 本发明提供的一种超高强纳米晶Al-Mg侣合金材料及其制备方法，其强化机制与传统 方法差别很大。
[0020] 传统方法制备的5000系侣合金的强化机制主要是固溶强化和形变强化。
[0021] 本发明的方法(附图1)，既存在传统方法的固溶强化和形变强化，还存在很强的细 晶强化、位错强化和纳米尺度层错强化等强化机制；通过适当的成分设计和高压扭转相结 合，使Al-Mg侣合金的晶粒细化到小于100皿纳米尺度，从而通过细晶强化明显提高合金的 强度(附图3);同时，高压扭转后合金产生很大的塑性变形，等效应变可高达60~600,位错 密度明显增加，合金的强度通过位错强化进一步提高（附图4);而且，高压扭转后合金中存 在很高密度纳米尺度的层错，其层错宽度在5~lOnm之间，局部层错密度高达l〇i5m 2,从而 大大提高了合金的强度(附图4)。
[0022] 与现有技术相比，本发明的优势在于： 1.本发明所述的一种超高强纳米晶Al-Mg侣合金材料及其制备方法，无需添加 Sc、化等 贵重稀±元素，且制备工艺简单，质量稳定，有利于降低成本，节约资源。
[0023] 2.与传统5000系侣合金制备方法相比，本发明制备方法中的高压扭转过程仅需十 几秒到几十秒，时间很短，有利于降低能耗，节约成本。
[0024] 3.本发明制备方法中的高压扭转方法，可在产品形状不变情况下实现大塑性变 形，能获得平均晶粒尺寸小于lOOnm的纳米晶Al-Mg侣合金。
[0025] 4.本发明提供的制备技术所加工制造的侣合金强度可大幅度提高，强度远高于传 统5000系侣合金的强度，已达到超强侣合金的水平，可W使中等强度的5000系侣合金超过 传统7000系高强度侣合金的强度，拓宽了低成本5000系侣合金的应用范围。
【附图说明】
[0026] 图1为本发明所述的高压扭转过程示意图。
[0027] 图2为高压扭转试样及其拉伸试样示意图（单位为mm)。
[002引图3为实施例1中Al-6.0Mg侣合金高压扭转10圈后的透射电镜(TEM)照片，其中图3 (a)为TEM形貌图（左下角为其选区电子衍射花样），图3(b)为TEM暗场像测得的晶粒尺寸分 布柱状图，其平均晶粒尺寸为68nm。
[0029] 图4为实施例1中Al-6.0Mg侣合金高压扭转10圈后的高密度位错和高密度层错的 透射电镜(TEM)照片，其中图4(a)为高分辨TEM的位错形貌图，其局部位错密度高达1〇?7πΓ2; 图4(b)为TEM的层错形貌图，其层错宽度在5~lOnm之间，局部层错密度高达10%f2。
[0030] 图5为实施例1和对比实施例1的拉伸应力应变曲线。
[0031] 图6为实施例2和对比实施例2的拉伸应力应变曲线。
[0032] 图7为实施例3和对比实施例3的拉伸应力应变曲线。
【具体实施方式】
[0033] 本发明所述室溫一般为0~30°C之间均可。
[0034] 合金硬度表征采用Micromet-5101微米压痕仪:硬度试样尺寸为〇3X2mm，用1000 目的砂纸抛光，施加载荷为250mN，持续时间为15s，每种试样的硬度测试不少于5次，最后取 其平均值。
[0035] 拉伸实验在激光引伸仪上进行，采用的拉伸速率为l(T4s-i，由电脑控制整个实验 过程，自动记录拉力-位移曲线。拉伸试样的取样方式如附图2所示，拉伸试样标尺内长度是 2mm，宽度是1mm，厚度为0.4mm。
[0036] 合金平均晶粒尺寸采用透射电子显微镜暗场像技术(TEM-DF)测定，随机取至少 100个晶粒大小的平均值。
[0037] W下结合实施案例对本发明制备方法进一步阐释和数据说明，但本发明不局限于 运些实施例。
[003引为便于对比，实施例所用Al-Mg侣合金种类分别为A1-6.0Mg、A^8.0Mg、Al-10.0 Mg Ξ种侣合金，Ξ种侣合金的化学成分如表1。对比