阅读说明：本技术 一种控制铝基复合材料晶须定向排布的锻造方法 (forging method for controlling directional arrangement of aluminum matrix composite whiskers ) 是由 徐文臣 徐佳炜 单德彬 靳学泽 杨国静 于 2019-09-06 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种控制铝基复合材料晶须定向排布的锻造方法,属于等温锻造技术领域。本发明所述的锻造方法包括以下步骤：对铝基复合材料铸坯的轴向和径向进行近等温交替镦粗；每次镦粗的压下量为15％～35％；所述近等温交替镦粗过程中始终保持径向一致。本发明对铝基复合材料铸坯的轴向和径向进行近等温交替镦粗,使得材料中晶须伴随着基体变形流动改变排布,镦粗过程中,由于始终保持镦粗的径向一致,晶须主要沿着未经过锻造的方向排列,从而实现定向排布；通过控制每次镦粗的压下量,保证坯料在锻造过程中不会出现开裂等缺陷,且可实现较大尺寸锻件的晶须定向排布设计,提高特定方向的弹性模量,以改善其承载性能。(The invention provides a forging method for controlling directional arrangement of whiskers of an aluminum-based composite material, belonging to the technical field of isothermal forging. The forging method comprises the following steps: carrying out near isothermal alternative upsetting on the aluminum matrix composite casting blank in the axial direction and the radial direction; the reduction of each upsetting is 15 to 35 percent; the radial consistency is always kept in the process of the near isothermal alternative upsetting. The method carries out near isothermal alternative upsetting on the axial direction and the radial direction of the aluminum matrix composite casting blank, so that the arrangement of whiskers in the material is changed along with the deformation and the flow of a matrix; by controlling the reduction of each upsetting, the blank is ensured not to have the defects of cracking and the like in the forging process, the directional distribution design of the whiskers of the large-size forging can be realized, and the elastic modulus in a specific direction is improved so as to improve the bearing performance of the forging.)

一种控制铝基复合材料晶须定向排布的锻造方法

技术领域

本发明涉及等温锻造技术领域，尤其涉及一种控制铝基复合材料晶须定向排布的锻造方法。

背景技术

金属基复合材料因优异的性能(如密度低，比强度和比刚度高，耐磨性能优异等)在制造轻量化高性能构件中极具应用潜力。在众多的金属基复合材料中，铝基复合材料是应用最广的一种，这主要是因为铝合金为面心立方结构，有12个滑移系，塑韧性良好，具备廉价、易加工等优点，目前铝基复合材料已逐步应用于航空航天等领域。

采用挤压铸造法制得的铝基复合材料，具有疏松、孔洞等铸造缺陷，晶须长短不一，无规则取向，少量晶须团聚，部分晶须与基体间有窄条状孔隙等铸造缺陷，无法一次性制得外形尺寸与机械性能等都合乎要求的铝基复合材料成品，需要进行二次加工。在铸态铝基复合材料二次加工方法中，热塑性变形可以锻合疏松、孔洞缺陷，细化晶粒，使晶须分布均匀，从而提高其力学性能，是应用较为广泛的二次加工方法。此外，对于晶须增强铝基复合材料，晶须定向排布有助于提高构件特定方向的力学性能，满足构件特定条件下的服役要求。目前常用的热塑性变形方法为热挤压法，对铸态坯料采用热挤压工艺可使得晶须沿挤压方向定向排布，但挤压工艺模具复杂，成本较高，且对于大截面坯料通常需要大吨位挤压机，设备成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种控制铝基复合材料晶须定向排布的锻造方法，相对于热挤压工艺而言，更为简单，成本更低。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种控制铝基复合材料晶须定向排布的锻造方法，包括以下步骤：对铝基复合材料铸坯的轴向和径向进行近等温交替镦粗；每次镦粗的压下量独立地为15％～35％；所述近等温交替镦粗过程中始终保持径向一致。

优选的，总的镦粗次数为6～12次。

优选的，所述近等温交替镦粗后，累积名义应变为1.5～3.0。

优选的，所述铝基复合材料为碳化硅晶须增强铝基复合材料或硼酸铝晶须增强铝基复合材料。

优选的，所述铝基复合材料中晶须的体积分数为15～30％，晶须长度为10～60μm。

优选的，所述铝基复合材料铸坯为圆柱形。

优选的，进行近等温交替镦粗时，采用的设备为压力机，所述压力机上砧的压下速率为6～15mm·s^-1。

优选的，进行近等温交替镦粗前，将所述压力机的上下砧加热至比铝基复合材料铸坯的温度低0～20℃。

优选的，所述铝基复合材料铸坯的温度为410～480℃。

优选的，所述近等温交替镦粗后，还包括将镦粗所得铝基复合材料空冷至室温。

本发明提供了一种控制铝基复合材料晶须定向排布的锻造方法，包括以下步骤：对铝基复合材料铸坯的轴向和径向进行近等温交替镦粗；每次镦粗的压下量为15％～35％，所述近等温交替镦粗过程中始终保持径向一致。本发明对铝基复合材料铸坯的轴向和径向进行近等温交替镦粗，使得材料中晶须伴随着基体变形流动改变排布，镦粗过程中，由于始终保持径向一致，晶须主要沿着未经过锻造的方向排列，从而实现定向排布；通过控制每次镦粗的压下量，保证坯料在锻造过程中不会出现开裂等缺陷，且可实现较大尺寸锻件的晶须定向排布设计，提高特定方向的弹性模量，以改善铝基复合材料的承载性能。

附图说明

图1为本发明所述锻造方法的示意图；

图2为实施例1锻前锻后的铝基复合材料坯料照片；

图3为实施例1锻前铝基复合材料YOZ截面5000倍的扫描金相照片；

图4为实施例1锻后铝基复合材料YOZ截面5000倍的扫描金相照片；

图5为实施例1铝基复合材料两向锻造Y向和Z向拉伸真实应力应变图；

图6为实施例2制备的铝基复合材料锻坯；

图7为实施例2铝基复合材料两向锻造Y向和Z向拉伸真实应力应变图。

具体实施方式

本发明提供了一种控制铝基复合材料晶须定向排布的锻造方法，包括以下步骤：对铝基复合材料铸坯的轴向和径向进行近等温交替镦粗；每次镦粗的压下量独立地为15％～35％；所述近等温交替镦粗过程中始终保持径向一致。

在本发明中，所述近等温交替镦粗指的是在近等温的条件下对铝基复合材料铸坯的轴向和某一径向进行两向交替镦粗，所述近等温指的是铝基复合材料铸坯的温度和与铝基复合材料铸坯接触的压制件之间的温度近似相等。

在本发明中，所述铝基复合材料优选为碳化硅晶须增强铝基复合材料或硼酸铝晶须增强铝基复合材料；所述铝基复合材料中晶须的体积分数优选为15～30％，晶须长度优选为10～60μm，进一步优选为20～60μm，更优选为30～60μm。本发明对所述铝基复合材料中铝基材料的组成没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知组成的铝基材料即可。在本发明中，所述铝基复合材料铸坯的形状优选为圆柱形。本发明优选通过挤压铸造工艺制备铝基复合材料铸坯。本发明对所述挤压铸造工艺的条件没有特殊要求，采用本领域熟知的挤压铸造工艺条件即可。在本发明的具体实施例中，优选对晶须预制体进行预热，然后浇铸铝合金熔液(即铝基材料熔液)，在一定压力下保压一定时间后，得到铝基复合材料铸坯。本发明对所示晶须预制体的来源没有特殊要求，按照本领域公知的方法制备得到即可。在本发明中，保压的压力优选为40～60MPa，保压的时间优选为20～30min。

本发明优选采用压力机对铝基复合材料铸坯的轴向和径向进行交替镦粗，所述压力机上砧的压下速率优选为6～15mm·s^-1，更优选为8～12mm·s^-1，镦粗过程中压力机的下砧优选固定不动。本发明先对铝基复合材料的轴向进行镦粗或先对铝基复合材料的径向进行镦粗均可，只要满***替进行即可。在本发明的实施例中，交替镦粗的方向可为径向-轴向-径向-轴向-...；或轴向-径向-轴向-径向-...。

所述近等温交替镦粗前，本发明优选将压力机的上下砧加热至比铝基复合材料铸坯的温度低0～20℃，更优选低0～10℃。在本发明中，所述铝基复合材料铸坯的温度优选为410～480℃，到达指定温度后的保温时间优选为60～150min，进一步优选为80～120min。本发明对所述铝基复合材料铸坯和上下砧的加热方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的加热方式即可。由于铝基复合材料铸坯加热后被转移至上下砧之间进行锻造，转移过程会有部分热量散失，为了保持铝基复合材料铸坯的温度与上下砧温度尽量一致，所以将铝基复合材料铸坯的温度设置的较上下砧温度高0～20℃。

同时，由于上砧压下速度较快，在所述铝基复合材料铸坯的温度明显下降前，就可达到目标压下量，因此能够在短时间内完成锻造过程且确保在锻造过程中上下砧的温度与铝基复合材料铸坯温度大致相同。本发明采用近等温的锻造方式，避免了因温度降低，导致铸坯温度不均，变形流动不均匀而导致的坯料性能下降。

在本发明中，进行近等温交替镦粗时，每次镦粗的压下量独立地为15％～35％，优选为20～30％；总的镦粗次数优选为6～12次，更优选为6～9次；近等温交替镦粗后，累积名义应变优选为1.5～3.0，更优选为1.8～2.5。在本发明中，所述累积名义应变指的是轴向和径向两个方向上每次镦粗压下量的累积之和。本发明所述每次镦粗压下量指的是相对于当次压下之前铸坯厚度的压下量，例如镦粗前坯料高度为10cm，镦粗后高度为8cm，则压下量为20％。

以图1为例，对本发明的锻造方法进行说明。本发明首先沿着铝基复合材料铸坯的轴向(即Z向)进行镦粗，沿轴向的压下量为15～35％，然后对径向(即X向)进行镦粗，沿径向的压下量为15～35％，再沿轴向(即Z向)进行镦粗，镦粗方向的压下量为15～35％，之后再沿同一径向(也即X向)进行镦粗，沿X方向的压下量为15～35％，如此交替进行，直至达到要求的累积名义应变。

本发明对铝基复合材料的轴向和径向进行近等温交替镦粗，镦粗过程中始终保持径向一致，使得材料中晶须伴随着基体变形流动改变排布，镦粗过程中，晶须主要沿着未经过锻造的方向排列，从而实现定向排布；如按照图1所示锻造时，晶须主要沿Y向排布；本发明通过控制每次镦粗的压下量在上述范围，能够防止坯料在锻造过程中出现开裂等缺陷，且可实现较大尺寸锻件的晶须定向排布设计，提高特定方向的弹性模量，以改善其承载性能。

所述交替镦粗完成后，本发明优选还包括将镦粗所得复合材料空冷至室温。

下面结合实施例对本发明提供的控制铝基复合材料晶须定向排布的锻造方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

将碳化硅晶须增强体预制件在460℃下预热，再将熔融的2024铝合金金属液浇入模具中，最后在50MPa下保压30min使得金属液压入预制件间隙，凝固后制得直径为45mm，高度为50mm的碳化硅晶须增强2024铝基复合材料圆柱铸坯，铸坯中碳化硅晶须的体积分数为25％、晶须长度为20～40μm；

将得到的铸坯加热到465℃并保温90min，压力机上下砧加热到450℃，压头(上砧)速率为9mm·s^-1；将加热好的铸坯放入下砧后，采用上砧和下砧进行锻造，锻造过程如图1所示，总共9道次，Z向和X向交替镦粗，第一道次Z向镦粗压力量为30％，第二道次X向镦粗压下量为25％，第三道次Z向镦粗压下量为20％，第四道次X向镦粗压下量为25％，接下来的第五至九道次Z向和X向镦粗压下量都为20％，当两个方向累积名义应变达到2.0时，停止锻造制得长条鼓形铝基复合材料锻坯；

将锻坯取出，空冷至室温。

对于实施例1得到的锻前锻后的碳化硅晶须增强铝基复合材料进行观察，如图2所示；采用5000倍的放大倍数对实施例1锻前和锻后的碳化硅晶须增强铝基复合材料的晶粒及晶须分布进行观察，结果如图3和图4所示，图3显示，锻前圆柱铸坯YOZ截面晶须长短不一且杂乱无章，存在孔洞以及第二相分布不均匀；图4显示，经本发明方法锻造后，YOZ截面有明显的流线特征，整体上Z向不同位置的晶须随机分布，比较均匀，其反映了晶须沿Y方向取向的程度，孔洞基本锻合，第二相分布也比较均匀。

在锻造的过程中，只有Y向始终没有进行镦粗，其他两个方向均进行了镦粗，沿着锻造后坯料的未经镦粗的Y向和经过镦粗的Z向取样，进行拉伸性能测试，结果如图5所示，从图5的拉伸曲线中可以看出Y向的弹性模量明显高于Z向的弹性模量，其未经镦粗的Y向延伸率为1％，经过镦粗的Z向延伸率为4％，这是由于经过锻造后，晶须大致沿Y向分布导致的，晶须的定向排布导致排布方向弹性模量增大，刚度提高，可改善该方向的抗失稳能力。

实施例2

采用挤压铸造的方法，将碳化硅晶须增强体预制件在470℃下预热，再将熔融的6061铝合金金属液浇入模具中，最后在55MPa下保压30min使得金属液压入预制件间隙，凝固后通过挤压铸造制得直径为55mm高度为45mm的碳化硅晶须增强6061铝基复合材料圆柱铸坯，铸坯中碳化硅晶须的体积分数为20％、晶须长度为10～25μm；

将得到的圆柱铸坯加热到460℃并保温90min，压力机上下砧加热到445℃，压头速率为9mm·s^-1；将加热好的圆柱铸坯放入下砧后，采用上砧和下砧进行两向锻造，如图1所示，总共9道次，Z向和X向交替镦粗，第一道次Z向镦粗压力量为30％，第二道次X向镦粗压下量为20％，第三道次Z向镦粗压下量为20％，第四道次X向镦粗压下量为25％，接下来的第五至九道次Z向和X向镦粗压下量都为25％，当两个方向累积名义应变达到2.2时，停止锻造制得长条形铝基复合材料锻坯；

将锻坯取出，空冷至室温。

对于实施例2得到的碳化硅晶须增强铝基复合材料锻坯进行观察，锻坯照片如图6所示。

在两向锻造的过程中，只有Y向始终没有进行镦粗，其他两个方向均进行了镦粗，沿着锻造后坯料的未经镦粗的Y向和经过镦粗的Z向取样，进行拉伸性能测试，结果如图7所示，从图7的拉伸曲线中可以看出Y向的弹性模量稍高于Z向的弹性模量，其未经镦粗的Y向延伸率为4.4％，经过镦粗的Z向延伸率为5.6％，这也是由于经过两向锻造后，晶须大致沿Y向分布，晶须的定向排布导致排布方向弹性模量增大，刚度提高，可改善该方向的抗失稳能力。实施例2中Y向和Z向力学性能差异性较小的原因主要是因为实施例2的晶须尺寸相对于实施例1要短一些，弱化了定向排布造成各向力学性能的差异性。

由以上实施例可知，本发明提供了一种控制铝基复合材料晶须定向排布的锻造方法，采用该方法制备的铝基复合材料，具有明显的各向异性，晶须按一定方向排布，未锻造方向具有较好的刚度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。