一种粉末液相模锻制备铝合金的方法
【专利摘要】一种粉末液相模锻制备铝合金的方法，属于粉末冶金铝合金制备【技术领域】，包括高压惰性气体雾化制备铝合金粉末；粉末液相形成；施加振动和压力，粉末液相模锻；开模取件等步骤。本发明利用铝合金雾化粉末自身细小、球形度高的特点，结合半固态金属加工技术与粉末锻造技术的优势，在粉末烧结温度以上加热使之形成大量液相，利用加压振动活化技术使铝合金粉末表面纳米尺寸的氧化膜破碎，并进入到铝合金基体中，直接制备出全致密的弥散强化铝合金。本发明解决了传统粉末冶金工艺制造全致密铝合金的难题，材料组织无需特殊控制，成形性能极高，工艺方法简单，材料利用率极高，低碳、节能、环保，制造成本低廉，无设备限制，易于工业化生产。
【专利说明】一种粉末液相模锻制备铝合金的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及粉末冶金铝合金制备【技术领域】，特别提供了一种粉末液相模锻制备铝合金的方法。该方法不仅适用于难度较大的变形铝合金体系的制备，还可用于铸造铝合金、镁合金和其它合金体系的制备。
技术背景
[0002]在20世纪70年代出现的半固态金属加工技术，作为一种先进的金属加工方法，集液态金属成形性好和固态金属加工成形零件力学性能好的特点于一体，近年来得到迅速发展。利用半固态加工方法能够生产形状复杂的零部件，例如汽车用刹车制动缸体、轮毂、活塞、连杆、油泵阀体以及航空航天上使用的电子器件的连接部件等，为满足轻量化要求，上述零部件材质普遍选用铝合金。
[0003]半固态金属加工技术的关键要求在于生产具有细小近球形、均匀分布于液相中的固相颗粒的坯料组织，因此制备半固态浆料成为半固态金属加工技术的基础与关键。球形或近球形晶粒的获得主要来源于树枝晶破碎球化技术和控制形核抑制树枝晶生长技术。前者主要依赖外场作用(机械搅拌、电磁搅拌等)使枝晶破碎，这种工艺能耗较高，设备投入较大，质量难以控制，较易引起合金液的飞溅与氧化。后者的核心是在合金熔体中形成大量的晶核，从合金熔体中直接获得球形或近球形的初生固相。例如，专利号CN102319890B的中国专利介绍了一种变形铝合金半固态浆料的制备方法，在变形铝合金熔体中原位合成一定量的亚微米级TiB2颗粒，作为异质 形核核心，促进变形铝合金初生相的形核，再利用近液相线浇注技术控制球状晶的长大，最终制备出高性能的变形铝合金。但是，亚微米级TiB2颗粒极易团聚，即便采用石墨搅拌器也不能将其分散均匀，对于变形铝合金初生相的形核均匀性造成不利；同时，生成TiB2颗粒的原料采用两种氟盐(K2TiF6与KBF4),反应过程会放出大量有毒烟雾，严重污染环境和危害操作人员，对工业化生产带来困难。
[0004]我国在半固态金属加工技术的理论水平及所开发产品的品种等发面，与一些先进国家水平相当，但我国采用此技术的生产批量、铸件的质量档次与日、美等国还有相当的差距，其中最关键的是设备差距。国外相关设备制造技术垄断，大型设备无法引进，成为半固态金属加工技术在我国工业化生产中进一步发展和应用的巨大瓶颈。
[0005]在粉末冶金制造领域，粉末锻造是将金属粉末压制成预成形坯，烧结后再加热进行锻造，以减少甚至完全消除其中残余孔隙的方法。粉末锻件的密度可达理论密度的98%以上。与常规锻造相比，粉末锻造的压力小，温度低，材料利用率高，工艺简单，尺寸精确，锻件的性能可接近普通锻件，而且方向性小。但是，对于铝合金粉末来说，因其表面覆有一层致密的氧化铝薄膜(厚度为5~15nm)，这层致密的薄膜会严重阻碍粉末冶金铝合金的烧结致密化，若按传统粉末锻造工艺进行加工，难以达到全致密。因此，如何破坏致密氧化膜，使其不再阻碍烧结，解决粉末冶金铝合金的烧结致密化问题，成为粉末冶金界的一大难题。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服现有半固态金属加工技术及粉末冶金技术存在的不足，将粉末冶金新技术应用在铝合金零部件的制造上，提供一种粉末液相模锻制备铝合金的方法，实现低成本、短流程制备高性能铝合金复杂形状零部件，不需复杂设备，易于工业化生产。
[0007]本发明的发明构思是:高压惰性气体雾化法制备的铝合金粉末具有晶粒细小、球形度高的特点，满足半固态金属加工技术的基本要求。本发明提出粉末液相模锻技术，利用半固态金属加工技术和粉末锻造技术的优势，在粉末烧结温度以上加热使之形成大量液相，利用加压振动活化技术使铝合金粉末表面纳米尺寸的氧化膜破碎，并进入到铝合金基体中，直接制备出全致密的弥散强化铝合金。
[0008]本发明是通过以下技术方案实现的:一种粉末液相模锻制备铝合金的方法，具体步骤包括以下内容:
[0009]1、铝合金粉末制备:将铝合金通过高压惰性气体雾化的方法获得铝合金球形粉末，粉末平均粒径为2 μ m~35 μ m。
[0010]2、粉末液相形成:将铝合金雾化粉末或预成形坯置于内壁涂有保护层的热作模具中，通入保护气氛加热，加热温度为700~850°C，保温时间为60min~300min。
[0011]3、粉末液相模锻:保温结束后，将热作模具置于振动台面上，施加振动，振动频率调节范围为20~200Hz ;或将超声波工具头插入粉末液相体系中，施加超声振动，振动频率为20kHz。当温度降至550~ 650°C，停止振动，施加5~50MPa轴向压力进行粉末液相模锻，保压时间为IOs~60s。
[0012]4、开模取件。
[0013]步骤I中所述招合金可以是Al-S1、Al-Cu、Al-Mg、Al-Zn、Al-Mn系中的任意一种或几种。
[0014]步骤2中所述铝合金雾化粉末预成形坯采用模压或冷等静压，压制压力为50~300MPa，保压时间为15s~300s。
[0015]步骤2中所述保护气氛包括氩气、氢气、煤气、分解氨、氮气中的一种或几种。
[0016]与现有技术相比，本发明的优越性在于:
[0017]( I)由于粉体颗粒较细，流动性好，倒入模具型腔时，像流体一样充填型腔各处，成形性能极高，所以各种形状复杂的锻件都能顺利成形。毛坯对零件的材料利用率已达100%，即不留任何的金属加工余量以及敷料。
[0018](2)与半固态金属加工技术所要求的浆料或坯料制备工艺完全不同，本发明直接采用细小铝合金球形粉末为原料，粉末液相体系形成时仍然保持等轴、细小、均匀、球形的浆料组织，制备工艺简单，组织无需特殊控制即满足要求。
[0019](3)本发明中施加的振动、压力外场使得铝合金粉末颗粒表面的氧化膜在粉末液相体系中破裂，并进入基体中，促进烧结的同时强化基体，解决了传统粉末锻造工艺制造全致密铝合金锻件的难题。
[0020](4)单位压力仅为普通模锻的1/3~1/4，甚至更低，对模具的受压条件大为改善，模具寿命可提高10~20倍。
[0021](5)低碳、节能、环保，制造成本低廉，无设备限制，易于工业化生产。【具体实施方式】
[0022]实施实例I (2024铝合金)
[0023]本实施例中的2024铝合金的成分为4.5Cu_l.4Mg_0.5Mn_0.5Fe，余量为Al。
[0024]1、将10kg2024铝合金熔化后采用高压惰性气体雾化法制备2024铝合金粉末，平均粒径为35 μ m。
[0025]2、将上述2024铝合金雾化粉末置于内壁涂有石墨保护层的热作模具中，通入保护气氛加热至850°C，保温60min。
[0026]3、保温结束后，将装有2024铝合金雾化粉末液相体系的热作模具置于振动台上，振动频率设定20Hz，施加振动；当温度降至620°C时，停止振动，施加5MPa压力，保压60s。
[0027]4、开模取件。
[0028]实施实例2 (5083铝合金)
[0029]本实施例中的5083 铝合金的成分为 0.lCu-4.5Mg_0.6Mn_0.4Fe_0.12Cr_0.25Zn-
0.15Ti，余量为 Al。[0030]1、将10kg5083铝合金熔化后采用高压惰性气体雾化法制备5083铝合金粉末，平均粒径为25 μ m。
[0031]2、将上述5083铝合金雾化粉末置于内壁涂有Zr02保护层的热作模具中，通入保护气氛加热至800°C，保温180min。
[0032]3、保温结束后，将装有5083铝合金雾化粉末液相体系的热作模具置于振动台上，振动频率设定100Hz，施加振动；当温度降至600°C时，停止振动，施加20MPa压力，保压20so
[0033]4、开模取件。
[0034]实施实例3 (6061铝合金)
[0035]本实施例中的6061 铝合金的成分为 2.5Cu_l.0Mg-0.15Mn_0.7Fe_0.18Cr_0.25Zn-0.15Ti，余量为 Al。
[0036]1、将10kg6061铝合金熔化后采用高压惰性气体雾化法制备2024铝合金粉末，平均粒径为2 μ m。
[0037]2、将上述6061铝合金雾化粉末置于内壁涂有SiC保护层的热作模具中，通入保护气氛加热至700°C，保温300min。
[0038]3、保温结束后，将装有6061铝合金雾化粉末液相体系的热作模具置于振动台上，振动频率设定200Hz，施加振动；当温度降至580°C时，停止振动，施加50MPa压力，保压IOs0
[0039]4、开模取件。
[0040]实施实例4 (7075铝合金)
[0041 ]本实施例中的 7075 铝合金的成分为 1.6Cu-2.5Mg_0.3Mn_0.5Fe_0.24Cr_5.5Zn_0? 2Ti，余量为Al。
[0042]1、将10kg7075铝合金熔化后采用高压惰性气体雾化法制备7075铝合金粉末，平均粒径为10 μ m。
[0043]2、将上述7075铝合金雾化粉末置于内壁涂有石墨保护层的热作模具中，通入保护气氛加热至750°C，保温180min。[0044]3、保温结束后，将超声工具头插入7075铝合金雾化粉末液相体系液面下15mm，施加超声振动，振动频率为20kHz ；当温度降至550°C时，停止超声振动，施加30MPa压力，保压40s。
[0045]4、开模取件。`
【权利要求】
1.一种粉末液相模锻制备铝合金的方法，其特征在于，制备步骤包括: a)铝合金粉末制备:将铝合金通过高压惰性气体雾化的方法获得铝合金球形粉末，粉末平均粒径为2 μ m~35 μ m ; b)粉末液相形成:将铝合金雾化粉末或预成形坯置于内壁涂有保护层的热作模具中，通入保护气氛加热，加热温度为700~850°C，保温时间为60min~300min ； c)粉末液相模锻:保温结束后，将热作模具置于振动台面上，施加振动，振动频率调节范围为20~200Hz ;或将超声波工具头插入粉末液相体系中，施加超声振动，振动频率为20kHz ;当温度降至550~650°C，停止振动，施加5~50MPa轴向压力进行粉末液相模锻，保压时间为IOs~60s ； d)开模取件。
2.根据权利要求1所述一种粉末液相模锻制备铝合金的方法，其特征在于，铝合金为Al-S1、Al-Cu、Al-Mg> Al-Zn、Al-Mn 系中的任意一种或几种。
3.根据权利要求1所述一种粉末液相模锻制备铝合金的方法，其特征在于，步骤b)中所述铝合金雾化粉末预成形坯采用模压或冷等静压，压制压力为50~300MPa，保压时间为15s ~300s。
4.根据权利要求1所述一种粉末液相模锻制备铝合金的方法，其特征在于，步骤b)中所述保护气氛包括 IS气、氢气、煤气、分解氨、氮气中的一种或几种。
【文档编号】C22C1/04GK103725909SQ201310740728
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年12月27日 优先权日:2013年12月27日
【发明者】郭志猛, 陈存广, 罗骥, 曹慧钦, 郭雷辰, 陈骏, 叶安平 申请人:北京科技大学