镁铝复合板及其制备方法
阅读说明：本技术 镁铝复合板及其制备方法 (Magnesium-aluminum composite board and preparation method thereof ) 是由 冯波 冯晓伟 郑开宏 王娟 潘复生 于 2021-09-15 设计创作，主要内容包括：本发明涉及镁铝复合板的制备技术领域,具体而言,涉及镁铝复合板及其制备方法。镁铝复合板的制备方法包括：将含有至少3层板层的复合板坯进行预轧制,使得所述复合板坯的变形量为20-30％,而后立即进行一道次轧制成形,使得所述复合板坯的变形量为60-80％,其中,所述复合板坯是将镁板和铝板按照铝-镁-铝的顺序交替叠放并固定得到。该制备方法改善复合板坯在一道次轧制过程的咬入,利于细化复合板中镁组元和铝组元的晶粒尺寸,有效抑制镁/铝金属间化合物的形成,显著地弱化复合板的基面织构强度,在轧向和横向两个方向上都具有较高的强度及良好的延伸率。(The invention relates to the technical field of preparation of magnesium-aluminum composite boards, in particular to a magnesium-aluminum composite board and a preparation method thereof. The preparation method of the magnesium-aluminum composite board comprises the following steps: the method comprises the steps of pre-rolling a composite plate blank containing at least 3 plate layers to enable the deformation of the composite plate blank to be 20-30%, immediately performing one-time rolling forming to enable the deformation of the composite plate blank to be 60-80%, wherein the composite plate blank is obtained by alternately stacking and fixing magnesium plates and aluminum plates according to the sequence of aluminum, magnesium and aluminum. The preparation method improves the biting of the composite plate blank in the one-time rolling process, is beneficial to refining the grain sizes of the magnesium component and the aluminum component in the composite plate, effectively inhibits the formation of a magnesium/aluminum intermetallic compound, obviously weakens the texture strength of the basal plane of the composite plate, and has higher strength and good elongation in both the rolling direction and the transverse direction.)
技术领域
本发明涉及镁铝复合板的制备技术领域，具体而言，涉及镁铝复合板及其制备方法。
背景技术
镁合金是最具应用潜力的轻量化材料，其具有资源极为丰富，比强度高，环境友好，而且还具有良好的阻尼性能、电磁屏蔽性能和生物相容性等优点。其已开始在汽车和军工等行业实现部分规模化应用。但镁合金也为存在塑性成形能力低、刚度不够、耐蚀性差和绝对强度较低等问题，继而极大程度限制其规模化的应用。铝合金是目前工业生产中应用最为广泛的有色金属结构材料，具有密度低、成形性好、强度高和耐腐蚀性优异等特点。镁铝复合材料兼具镁合金和铝合金两种金属的自身优势，能够获得比单一材料更为优异的综合性能，在航空航天、汽车和交通运输等领域具有广阔的应用前景，目前已成为国内外轻金属领域的研究热点。
传统的镁/铝复合板的制备方法主要包括复合挤压法、轧制复合法和扩散焊接法等。由于轧制复合具有较高的生产效率，容易实现大规模的工业化生产，是目前发展最为迅速、应用最为广泛的一种生产镁/铝复合板的方法。细晶强化是目前改善材料强度和塑性最有效的手段，通过大变形有利于细化组织，提高材料的力学性能。然而目前利用大变形轧制制备镁/铝复合板鲜有报道，主要原因是单道次大变形量轧制(≥60％)难以咬入，以及大变形量轧制会极大增加复合板产生裂纹的风险。此外，由于镁合金板材在轧制后极易形成强烈的基面织构，致使轧制板材沿着轧制方向和横向方向具有明显的力学性能各向异性，通常沿着轧制方向上的力学性能显著低于横向方向。因此，如何低成本制备轧向和横向两个方向都具有高性能的镁/铝复合板成为国内外学者研究重点。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供镁铝复合板及其制备方法。该制备方法能够低成本制备得到高性能的镁铝复合板，使得镁铝复合板横向和轧向的抗拉强度均能达到280MPa以上，屈服强度均能达到250MPa以上，且延伸率也均能达到18％以上。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明提供一种镁铝复合板的制备方法，包括：将含有至少3层板层的复合板坯进行预轧制，使得所述复合板坯的变形量为20-30％，而后立即进行一道次轧制成形，使得所述复合板坯的变形量为60-80％，其中，所述复合板坯是将镁板和铝板按照铝-镁-铝的顺序交替叠放并固定得到。
在可选的实施方式中，所述复合板坯中板层的层数为奇数。
在可选的实施方式中，所述复合板坯中板层的层数为3层、5层或7层。
在可选的实施方式中，所述复合板坯中所有所述铝板的厚度与所有所述镁板的厚度比为1：2～6。
在可选的实施方式中，所述镁板选用Mg-Al-Zn系变形镁合金板材，所诉铝板选用5000系或6000系铝合金板材。
在可选的实施方式中，整个轧制过程的轧制温度为350-450℃，整个轧制过程的保温时间为5-45分钟。
在可选的实施方式中，整个轧制过程的轧制速率为2-5m/min。
在可选的实施方式中，包括：一道次轧制成形后，进行冷却，优选地，冷却采用水冷。
第二方面，本发明提供一种镁铝复合板，其通过前述实施方式任一项所述的镁铝复合板的制备方法制备得到。
在可选的实施方式中，所述镁铝复合板的横向和轧向的抗拉强度均为280-320MPa，屈服强度均为250-280MPa，延伸率均为18-28％。
本发明具有以下有益效果：本发明实施例通过采用特定方式设置铝板和镁板形成复合板坯，而后再预轧制，使得复合板坯产生较小变形量，再一道次轧制使得复合板坯产生大变形量，继而改善复合板坯在一道次轧制过程的咬入，利于细化复合板中镁组元和铝组元的晶粒尺寸，有效抑制镁/铝金属间化合物的形成，显著地弱化复合板的基面织构强度，在轧向和横向两个方向上都具有较高的强度及良好的延伸率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例1制备得到的镁铝复合板与原始镁、铝板材的拉伸力学曲线图。
图2为本发明实施例1制备得到的镁铝复合板中镁组元与原始镁板的EBSD织构图。
图3为本发明实施例1制备得到的镁铝复合板中镁组元与原始镁板的EBSD晶粒分布图。
图4为本发明实施例1制备得到的镁铝复合板界面处的SEM图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明实施例提供一种镁铝复合板的制备方法，包括：将镁板和铝板按照铝-镁-铝的顺序叠放并固定形成含有至少3层板层的复合板坯，复合板坯中板层的层数为奇数，例如可以为3层、5层、7层或者其他奇数层。
且镁板和铝板采用铝-镁-铝的顺序叠放，使得复合板坯的两外侧为铝板，能够保证镁铝复合板的形成。若更改镁板和铝板的叠放顺序，例如改为镁板-铝板-镁板，即复合板坯的两外侧为镁板，则在后续轧制过程中复合板坯容易破裂，继而导致镁铝复合板不能成功制备。主要原因是镁板的变形量有限，无法到达后续60-80％的变形量，在此变形量范围内，镁板已经发生破裂，继而导致采用镁板-铝板-镁板方式叠放的复合板坯破裂。
其中，镁板选用Mg-Al-Zn系变形镁合金板材，所诉铝板选用5000系或6000系铝合金板材。也可以采用现有技术中的其他镁板和铝板，只要能够满足本发明实施例的技术方案和要求即可，只是本发明实施例采用上述镁板和铝板更有利于后续的预轧制和一道次轧制，有利于镁铝复合板的形成。
进一步地，复合板坯中所有所述铝板的厚度与所有所述镁板的厚度比为1：2-1：6。限定复合板坯中所有镁板和所有铝板的厚度比有利于后续轧制的进行，有利于提升镁铝复合板的性能。
接着，将所述复合板坯进行预轧制，使得所述复合板坯的变形量为20-30％，先进行预轧制使得复合板坯产生较小变形量可以改善复合板坯在后续一道次轧制过程的咬入，有利于实现单道次轧制大变形量。
预轧制后立刻进行一道次轧制成形，使得所述复合板坯的变形量为60-80％。此时，复合板坯的变形量为60-80％指的是复合板坯总的变形量为60-80％，即相对未轧制(包括预轧制)之前的复合板坯的变形量60-80％，而并不是相对预轧制后的复合板坯的变形量。即本发明实施例的复合板坯的变形量指的是相对最初按照铝-镁-铝形成的复合板坯的变形量。
一道次大变形量轧制变形，有利于细化复合板中镁组元和铝组元的晶粒尺寸，显著地提高复合板的强度和塑性。同时，采用一道次轧制，减少轧制道次即减少了中间退火过程，有效地抑制镁/铝金属间化合物的形成，显著改善复合板的力学性能。
进一步地，整个轧制过程的轧制温度为350-450℃，即预轧制和一道次轧制的轧制温度均为350-450℃，且在一个温度下进行预轧制和一道次轧制。整个轧制过程的保温时间为5-45分钟。即整个预轧制和一道次轧制处于一个保温体系，总共保温5-45分钟。整个轧制过程的轧制速率为2-5m/min。即预轧制和一道次轧制的轧制速率为2-5m/min。也就是说预轧制和一道次轧制在采用相同的轧制条件，只是轧制变形量不同。采用上述轧制条件，有利于镁铝复合板的形成。
接着，进行冷却，采用的冷却方式可以为现有常规的冷却方式，本发明实施例采用的冷却方式为水冷，采用水冷有利于进行冷却，并有利于工业化，降低生产成本。
本发明实施例还提供一种镁铝复合板，其通过前述实施方式任一项所述的镁铝复合板的制备方法制备得到。镁铝复合板的横向和轧向的抗拉强度均为280-320MPa，屈服强度均为250-280MPa，延伸率均为18-28％。该镁铝复合板中镁/铝界面无金属间化合物，复合板中镁组元的织构强度低于原始镁板，复合板中镁组元的微观组织为混晶组织。该镁铝复合板与原始镁板相比，复合板中的镁组元的组织为混晶组织，大小晶粒的存在可以协同变形，有效提升镁合金的强度和塑性。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本发明实施例提供一种镁铝复合板的制备方法，包括：
(1)将镁板、铝板以铝/镁/铝顺序叠放一起并固定，形成复合板坯，复合板坯中所有铝板和所有镁板的厚度比为1:3，镁板选用Mg-3Al-Zn变形镁合金板材，铝板选用6082铝合金板材。
(2)复合板坯通过轧制成形制备镁铝复合板，整个轧制温度为400℃，保温时间20min，整个轧制的轧制速率为2.5m/min，先预轧25％变形量，然后立即一道次轧制60％变形量，轧制后立即水冷，获得镁铝复合板。
对镁铝复合板进行检测，检测结果图1-图4，经检测可知，镁铝复合板的横向和轧向的抗拉强度分别为300MPa和285MPa。镁铝复合板的横向和轧向的屈服强度分别为270MPa和256MPa。镁铝复合板的横向和轧向的延伸率分别为23％和18.6％。镁铝复合板中镁组元的基面织构相对强度为12.96，相较于原始镁板(相对强度19.26)明显减弱。镁铝复合板中镁组元的晶粒为大小晶粒混合分布，平均晶粒尺寸为14μm，相较于原始镁板(平均晶粒尺寸30μm)显著细化。镁铝复合板界面结合良好，无明显的金属间化合物形成。
实施例2
本发明实施例提供一种镁铝复合板的制备方法，包括：
(1)将镁板、铝板以铝/镁/铝顺序叠放一起并固定，形成复合板坯，复合板坯中所有铝板和所有镁板的厚度比为1:4，镁板选用Mg-3Al-Zn变形镁合金板材，铝板选用5052铝合金板材。
(2)复合板坯通过轧制成形制备镁铝复合板，整个轧制的轧制温度为380℃，保温时间30min，整个轧制的轧制速率为3m/min，先预轧25％变形量，然后立即一道次轧制70％变形量，轧制后立即水冷，获得镁铝复合板。
对镁铝复合板进行检测，经检测可知，镁铝复合板横向和轧向的抗拉强度分别为306MPa和290MPa、镁铝复合板横向和轧向的屈服强度分别为273MPa和260MPa、镁铝复合板横向和轧向的延伸率分别为24％和19％。镁铝复合板中镁组元的基面织构相对强度为12.50，相较于原始镁板(相对强度19.26)明显减弱。镁铝复合板中镁组元的晶粒为大小晶粒混合分布，平均晶粒尺寸为11μm，相较于原始镁板(平均晶粒尺寸30μm)显著细化。镁铝复合板界面结合良好，无明显的金属间化合物形成。
实施例3
本发明实施例提供一种镁铝复合板的制备方法，包括：
(1)将镁板、铝板以铝/镁/铝/镁/铝顺序叠放一起并固定，形成复合板坯，复合板坯中所有铝板和所有镁板的厚度比为1:3，镁板选用Mg-4Al-Zn变形镁合金板材，铝板选用6061铝合金板材。
(2)复合板坯通过轧制成形制备镁铝复合板，整个轧制的轧制温度为420℃，整个轧制的保温时间25min，整个轧制的轧制速率为4m/min，先预轧25％变形量，然后立即一道次轧制65％变形量，轧制后立即水冷，获得镁铝复合板。
对镁铝复合板进行检测，经检测可知，镁铝复合板横向和轧向的抗拉强度分别为293MPa和286MPa、镁铝复合板横向和轧向的屈服强度分别为261MPa和252MPa、镁铝复合板横向和轧向的延伸率分别为26％和22％。镁铝复合板中镁组元的基面织构相对强度为11.50，相较于原始镁板(相对强度19.26)明显减弱。镁铝复合板中镁组元的晶粒为大小晶粒混合分布，平均晶粒尺寸为17μm，相较于原始镁板(平均晶粒尺寸30μm)显著细化。镁铝复合板界面结合良好，无明显的金属间化合物形成。
对比例1：将镁板、铝板以镁/铝/镁顺序叠放一起并固定，形成复合板坯，复合板坯中所有铝板和所有镁板的厚度比为1:3，镁板选用Mg-4Al-Zn变形镁合金板材，铝板选用6082铝合金板材。轧制温度为400℃，保温时间为20min，轧制速率为2.5m/min，经过预轧25％变形量后，然后立即一道次轧制60％变形量，轧制后立即水冷，获得镁铝复合板。实验结果表明，25％的预轧后包覆层镁板出现大量裂纹，再经过一道次60％轧制后整个镁铝复合板严重开裂，复合板力学性能极差。(工艺参数跟实施例1一样，唯一变化的就是改变镁、铝叠放顺序)。
对比例2：将镁板、铝板以铝/镁/铝顺序叠放一起并固定，形成复合板坯，复合板坯中所有铝板和所有镁板的厚度比为1:3，镁板选用Mg-4Al-Zn变形镁合金板材，铝板选用6082铝合金板材。轧制温度为400℃，保温时间为20min，轧制速率为2.5m/min，先预轧制10％变形量，然后立即一道次轧制60％变形量，轧制后立即水冷，获得镁铝复合板。实验结果表明，10％的预轧制无法实现镁板与铝板之间良好的冶金结合，严重影响后续一道次轧制变形，最终导致镁铝复合板的力学性能较差。(工艺参数跟实施例1一样，唯一变化的就是预轧制变形量减少了，为10％)。
对比例3：将镁板、铝板以铝/镁/铝顺序叠放一起并固定，形成复合板坯，复合板坯中所有铝板和所有镁板的厚度比为1:3，镁板选用Mg-4Al-Zn变形镁合金板材，铝板选用6082铝合金板材。轧制温度为400℃，保温时间为20min，轧制速率为2.5m/min，预轧制变形量为40％，然后立即一道次轧制60％变形量，轧制后立即水冷，获得镁铝复合板。实验结果表明，40％预轧不利于后续一道次60％轧制变形，获得的镁铝复合板有明显的边裂，极大地影响复合板的力学性能。(工艺参数跟实施例1一样，唯一变化的就是预轧制变形量增加了，为40％)。
对比例4：将镁板、铝板以铝/镁/铝顺序叠放一起并固定，形成复合板坯，复合板坯中所有铝板和所有镁板的厚度比为1:3，镁板选用Mg-4Al-Zn变形镁合金板材，铝板选用6082铝合金板材。轧制温度为400℃，保温时间为20min，轧制速率为2.5m/min，预轧制变形量为25％，然后立即一道次轧制40％变形量，轧制后立即水冷，获得镁铝复合板。实验结果表明，一道次40％轧制对镁铝复合板力学性能的提升效果有限。(工艺参数跟实施例1一样，唯一变化的就是一道次轧制变形量减少了，为40％)。
对比例5：将镁板、铝板以铝/镁/铝顺序叠放一起并固定，形成复合板坯，复合板坯中所有铝板和所有镁板的厚度比为1:3，镁板选用Mg-4Al-Zn变形镁合金板材，铝板选用6082铝合金板材。轧制温度为400℃，保温时间为20min，轧制速率为2.5m/min，预轧制变形量为25％，然后立即一道次轧制90％变形量，轧制后立即水冷，获得镁铝复合板。实验结果表明，一道次90％轧制后镁铝复合板的边裂加剧，边裂的产生会极大弱化复合板的性能。(工艺参数跟实施例1一样，唯一变化的就是一道次轧制变形量增加了，为90％)。
对比例1-5制备的镁铝复合板的力学性能如下表所示：
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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