基于剧烈塑性变形的可提高铝合金耐腐蚀性和力学性能的方法及高性能耐腐蚀铝合金
阅读说明：本技术 基于剧烈塑性变形的可提高铝合金耐腐蚀性和力学性能的方法及高性能耐腐蚀铝合金 (Method for improving corrosion resistance and mechanical property of aluminum alloy based on severe plastic deformation and high-performance corrosion-resistant aluminum alloy ) 是由 陈莹 张厚安 石祥文 杨益航 卢博沁 陈佳帆 于 2021-09-08 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于剧烈塑性变形的可提高铝合金耐腐蚀性和力学性能的方法及高性能耐腐蚀铝合金,该方法通过将预变形处理铝合金放入高压扭转系统中进行周期性扭转变形,可得到高性能耐腐蚀铝合金。其中,周期性扭转变形的一个扭转变形周期为先顺时针扭转180°,然后在逆时针扭转180°,且周期性扭转变形的扭转周次N≥1。本发明通过高压扭转系统的周期性高压扭转变形可改变铝合金的析出相分布、晶粒尺寸、位错密度等,使得铝合金的晶粒尺寸细化,进而提高铝合金的机械性能。另一方面,通过周期性高压扭转变形还可改变铝合金的耐腐蚀性能,进而获得高性能耐腐蚀铝合金。(The invention provides a method for improving corrosion resistance and mechanical property of aluminum alloy based on severe plastic deformation and high-performance corrosion-resistant aluminum alloy. Wherein, one torsional deformation period of the periodic torsional deformation is that the periodic torsional deformation is firstly twisted by 180 degrees clockwise and then twisted by 180 degrees anticlockwise, and the twisting frequency N of the periodic torsional deformation is more than or equal to 1. The invention can change the precipitated phase distribution, the grain size, the dislocation density and the like of the aluminum alloy through the periodic high-pressure torsional deformation of the high-pressure torsion system, so that the grain size of the aluminum alloy is refined, and the mechanical property of the aluminum alloy is further improved. On the other hand, the corrosion resistance of the aluminum alloy can be changed through periodic high-pressure torsional deformation, and then the high-performance corrosion-resistant aluminum alloy is obtained.)
技术领域
本发明涉及纳米晶金属材料技术领域，且特别涉及一种基于剧烈塑性变形的可提高铝合金耐腐蚀性和力学性能的方法及高性能耐腐蚀铝合金。
背景技术
纳米晶材料是指晶粒尺寸在1～100nm的材料。由于晶体极细，故晶界可占整个材料的50％或更多。其原子排列既不同于有序的结晶态，也不同于无序的非晶态。由于其结构的特殊性，纳米晶材料具有许多优异的性能和广阔的应用前景。
2024铝合金是目前常用的轻质金属结构材料。将均匀化退火和预塑性变形挤压的熔铸2024铝合金(按质量百分数计包括：4.5％Cu、1.5％Mg、0.5％Mn，其余Al)加热到493℃并保温5小时进行固溶处理后，水淬到室温。从光学显微组织上测得固溶处理的2024铝合金的平均晶粒尺寸约为390μm。对该固溶处理的2024铝合金进行透射电镜分析，结果表明剩余第二相颗粒几乎观察不到，几乎所有合金元素全部溶解于Al基体，形成单相的固溶体粗晶2024Al合金。由于在室温下上述合金元素Cu、Mg、Mn的浓度均高于其在室温的溶解度，所以合金元素在Al基体中过饱和溶解。
高压扭转法是制备纳米结构材料的重要方法。通过将样品放于上下两个模具之间，并在高压下对样品施加正压力和扭转力，从而使样品的应变量逐渐增加，最终变成晶粒细小且组织均匀的材料。在室温下，将上述合金元素过饱和溶解的单相固溶体粗晶2024铝合金放到下压砧带有凹槽、上压砧带有凸台的高压扭转系统中(上压砧的凸台插入放完待变形材料后依然有剩余空间的下压砧的凹槽中)，在6GPa的压力下高压扭转20圈，透射电镜观察指出，由纳米晶粒组成的单相固溶体纳米晶2024铝合金已经形成，平均晶粒尺寸为67nm。最后将上述纳米晶粒组成的单相固溶体纳米晶2024Al合金放入六面顶压机六个顶锤所形成的高压空间内的叶腊石(传压介质)腔体中进行时效。现有的高压扭转法主要是通过在高压下沿同一个方向进行扭转变形以获得纳米晶尺寸金属材料，但是其未涉及到高压扭转变形模式对材料性能的影响。随着现代航空航天、汽车等工业的迅速发展，对高比强铝金属的需求日益增加。因此，研究如何提高铝合金材料的力学性能、耐腐蚀等性能具有极其重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于剧烈塑性变形的可提高铝合金耐腐蚀性和力学性能的方法，通过将预变形处理铝合金放入高压扭转系统中进行周期性扭转变形，不仅可以细化晶粒尺寸，同时还能提高铝合金的机械性能和耐腐蚀性能。
本发明的另一目的在于提供一种高性能耐腐蚀铝合金，该高性能耐腐蚀铝合金为纳米晶尺寸材料，其具有较高的力学性能和耐腐蚀性能。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出一种基于剧烈塑性变形的可提高铝合金耐腐蚀性和力学性能的方法，包括以下步骤：
S1、获取预变形处理铝合金；
S2、将所述预变形处理铝合金放入高压扭转系统中，经周期性高压扭转变形，得到高性能耐腐蚀铝合金；其中，所述周期性高压扭转变形的一个扭转变形周期为先顺时针扭转180°，然后在逆时针扭转180°，所述周期性高压扭转变形的扭转周次N≥1。
本发明提出一种高性能耐腐蚀铝合金，其根据上述的方法制得。
本发明实施例的基于剧烈塑性变形的可提高铝合金耐腐蚀性和力学性能的方法及高性能耐腐蚀铝合金的有益效果是：
本发明通过将预变形处理铝合金放入高压扭转系统中进行周期性扭转变形，可得到高性能耐腐蚀铝合金。其中，周期性扭转变形的一个扭转变形周期为先顺时针扭转180°，然后在逆时针扭转180°，且周期性扭转变形的扭转周次N≥1。本发明通过高压扭转系统的周期性高压扭转变形可改变铝合金的析出相分布、晶粒尺寸、位错密度等，使得铝合金的晶粒尺寸细化，进而提高铝合金的机械性能。另一方面，通过周期性高压扭转变形可改变铝合金的耐腐蚀性能，进而获得高性能耐腐蚀铝合金。
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为本发明的周期性高压扭转变形的示意图；
图2为本发明实施例1的高性能耐腐蚀铝合金和对比例1的T351-2024铝合金的TEM图；
图3为实施例1的高性能耐腐蚀铝合金的晶粒尺寸分布图；
图4为实施例1和实施例5的高性能耐腐蚀铝合金以及对比例1的T351-2024铝合金的电化学测试Tafel曲线图。
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。
下面对本发明实施例的基于剧烈塑性变形的可提高铝合金耐腐蚀性和力学性能的方法及高性能耐腐蚀铝合金进行具体说明。
本发明实施例提供的一种基于剧烈塑性变形的可提高铝合金耐腐蚀性和力学性能的方法，包括以下步骤：
S1、获取预变形处理铝合金。
进一步地，在本发明较佳实施例中，所述预变形处理铝合金为T351-2024铝合金，其晶粒尺寸为3.0～4.5μm。本发明使用的T351-2024铝合金可通过市售获得。例如T351-2024铝合金可购于东莞市石碣华祥金属材料有限公司等。
进一步地，在本发明较佳实施例中，所述预变形处理铝合金的预拉伸变形量为2～5％。
进一步地，在本发明较佳实施例中，按质量百分比计，所述T351-2024铝合金包括4.6～4.7％Cu、0.14～0.16％Fe、1.45～1.55％Mg、0.6～0.7％Mn、0.07～0.09％Si、0.04～0.06％Zn，其他元素＜0.05％，其余为Al。
S2、将所述预变形处理铝合金放入高压扭转系统中，经周期性高压扭转变形，得到高性能耐腐蚀铝合金；其中，所述周期性高压扭转变形的一个扭转变形周期为先顺时针扭转180°，然后在逆时针扭转180°，所述周期性高压扭转变形的扭转周次N≥1(参照图1所示)。
进一步地，在本发明较佳实施例中，所述高压扭转系统包括上压砧和下压砧，所述上压砧和下压砧上分别形成有一凹槽，所述高压扭转系统被构造成在所述上压砧和所述下压砧盖合后，两个所述凹槽可形成一用于放置所述预变形处理铝合金的腔体，且所述腔体与所述预变形处理铝合金基本耦合。本发明中上下压砧的凹槽在放置预变形处理铝合金后与预变形处理铝合金基本耦合，且存在小量余量空间。
进一步地，在本发明较佳实施例中，所述凹槽的直径为9～11mm凹槽的高度为0.5～0.7mm。优选地，凹槽的直径为10mm。
进一步地，在本发明较佳实施例中，所述预变形处理铝合金为铝合金圆片，其直径为8.8～10.8mm，高度为0.82～0.85mm。优选地，预变形处理铝合金的直径为9.8mm，其高度为0.82～0.85mm。将直径为9.8mm，高度为0.82～0.85mm的预变形处理铝合金放入直径为10mm的凹槽内，通过对上述预变形处理铝合金进行周期性高压扭转变形可使铝合金片的厚度下降至0.4～0.5mm。在剧烈塑性变形后凹槽边缘有部分铝合金溢出。
进一步地，在本发明较佳实施例中，高压扭转系统的扭转变形压力为1～6Gpa，扭转变形速度为1～3r/min。优选地，高压扭转系统的扭转变形压力为6Gpa，扭转变形速度为1r/min。
本发明首次提出采用周期性高压扭转变形的方式对铝金属进行扭转变形。其中，将铝合金先顺时针扭转180°，再逆时针扭转180°定义为一个扭转变形周期。通过高压扭转变形模式的转变可以改变铝合金的析出相分布、晶粒尺寸和位错密度等，进而使得铝合金的晶粒尺寸细化以及提高其机械性能。另一方面，通过周期性高压扭转变形还能改变铝合金的耐腐蚀性能，最终获得高性能耐腐蚀铝合金。
本发明还提供了一种高性能耐腐蚀铝合金，其根据上述的方法制得。
进一步地，在本发明较佳实施例中，所述高性能耐腐蚀铝合金的晶粒尺寸可达到100nm等级，且其腐蚀电位为-0.693～-0.609V。通过对铝合金进行周期性高压扭转变形可以使得晶粒尺寸细化，从而得到纳米晶尺寸金属材料。另一方面，采用周期性高压扭转变形可改变铝合金的腐蚀电位，从而提高铝合金的耐腐蚀性能。
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
本实施例提供的一种高性能耐腐蚀铝合金，其根据以下方法得到：
(1)获取T351-2024铝合金：按质量百分数计，T351-2024铝合金包括4.63％Cu、0.15％Fe、1.51％Mg、0.66％Mn、0.08％Si、0.05％Zn，其他元素＜0.05％，其余为Al。该T351-2024铝合金为直径为9.8mm的圆片，其高度为0.82mm，预拉伸变形量为2％。
(2)将T351-2024铝合金放到上压砧和下压砧均带有凹槽的高压扭转系统中，凹槽直径为10mm，上下压砧中间放完T351-2024铝合金后基本耦合，且存在小量余量空间。在高压扭转变形压力为6Gpa，扭转变形速度为1r/min下进行高压扭转变形，扭转周次为1次，得到高性能耐腐蚀铝合金。其中，一个扭转变形周期为先顺时针扭转180°然后再逆时针扭转180°。
实施例2
本实施例提供的一种高性能耐腐蚀铝合金，其根据以下方法得到：
(1)获取T351-2024铝合金：按质量百分数计，T351-2024铝合金包括4.63％Cu、0.15％Fe、1.51％Mg、0.66％Mn、0.08％Si、0.05％Zn，其他元素＜0.05％，其余为Al。该T351-2024铝合金为直径为9.8mm的圆片，其高度为0.82mm，预拉伸变形量为2％。
(2)将T351-2024铝合金放到上压砧和下压砧均带有凹槽的高压扭转系统中，凹槽直径为10mm，上下压砧中间放完T351-2024铝合金后基本耦合，且存在小量余量空间。在高压扭转变形压力为6Gpa，扭转变形速度为1r/min下进行高压扭转变形，扭转周次为2次，得到高性能耐腐蚀铝合金。其中，一个扭转变形周期为先顺时针扭转180°然后再逆时针扭转180°。
实施例3
(1)获取T351-2024铝合金：按质量百分数计，T351-2024铝合金包括4.63％Cu、0.15％Fe、1.51％Mg、0.66％Mn、0.08％Si、0.05％Zn，其他元素＜0.05％，其余为Al。该T351-2024铝合金为直径为9.8mm的圆片，其高度为0.82mm，预拉伸变形量为2％。
(2)将T351-2024铝合金放到上压砧和下压砧均带有凹槽的高压扭转系统中，凹槽直径为10mm，上下压砧中间放完T351-2024铝合金后基本耦合，且存在小量余量空间。在高压扭转变形压力为6Gpa，扭转变形速度为1r/min下进行高压扭转变形，扭转周次为3次，得到高性能耐腐蚀铝合金。其中，一个扭转变形周期为先顺时针扭转180°然后再逆时针扭转180°。
实施例4
(1)获取T351-2024铝合金：按质量百分数计，T351-2024铝合金包括4.63％Cu、0.15％Fe、1.51％Mg、0.66％Mn、0.08％Si、0.05％Zn，其他元素＜0.05％，其余为Al。该T351-2024铝合金为直径为9.8mm的圆片，其高度为0.82mm，预拉伸变形量为2％。
(2)将T351-2024铝合金放到上压砧和下压砧均带有凹槽的高压扭转系统中，凹槽直径为10mm，上下压砧中间放完T351-2024铝合金后基本耦合，且存在小量余量空间。在高压扭转变形压力为6Gpa，扭转变形速度为1r/min下进行高压扭转变形，扭转周次为4次，得到高性能耐腐蚀铝合金。其中，一个扭转变形周期为先顺时针扭转180°然后再逆时针扭转180°。
实施例5
(1)获取T351-2024铝合金：按质量百分数计，T351-2024铝合金包括4.63％Cu、0.15％Fe、1.51％Mg、0.66％Mn、0.08％Si、0.05％Zn，其他元素＜0.05％，其余为Al。该T351-2024铝合金为直径为9.8mm的圆片，其高度为0.82mm，预拉伸变形量为2％。
(2)将T351-2024铝合金放到上压砧和下压砧均带有凹槽的高压扭转系统中，凹槽直径为10mm，上下压砧中间放完T351-2024铝合金后基本耦合，且存在小量余量空间。在高压扭转变形压力为6Gpa，扭转变形速度为1r/min下进行高压扭转变形，扭转周次为5次，得到高性能耐腐蚀铝合金。其中，一个扭转变形周期为先顺时针扭转180°然后再逆时针扭转180°。
对比例1
本对比例提供一种T351-2024铝合金，按质量百分数计，T351-2024铝合金包括4.63％Cu、0.15％Fe、1.51％Mg、0.66％Mn、0.08％Si、0.05％Zn，其他元素＜0.05％，其余为Al。该T351-2024铝合金为直径为9.8mm的圆片，其高度为0.82mm，预拉伸变形量为2％。
试验例1
采用透射电镜分析实施例1的高性能耐腐蚀铝合金和对比例1的T351-2024铝合金的晶粒尺寸。图2中，(a)为对比例1的T351-2024铝合金的TEM图，(b)为实施例1的高性能耐腐蚀铝合金的TEM图。从图2和图3可以看出，在进行一个周期的高压扭转变形后，高性能耐腐蚀铝合金的平均晶粒尺寸可达到115nm，且75％晶粒尺寸落在50～150nm之间，周期扭转变形可使晶粒尺寸达到100nm等级。
试验例2
分别对实施例1和实施例5的高性能耐腐蚀铝合金以及对比例1的T351-2024铝合金进行维氏硬度测试。T351-2024铝合金的硬度为130HV。1周次扭转变形得到的高性能耐腐蚀铝合金的中心位置硬度约为190HV，边缘区域约为235HV。5周次扭转变形得到的高性能耐腐蚀铝合金的中心位置硬度约为170HV，边缘区域约为220HV。由此可见，周期性扭转变形可提高铝合金的硬度，且边缘区域的硬度比中心区域的硬度高。此外，1周次扭转变形得到的高性能耐腐蚀铝合金的硬度略高于5周次扭转变形得到的高性能耐腐蚀铝合金的硬度。
试验例3
分别对实施例1和实施例5的高性能耐腐蚀铝合金以及对比例1的T351-2024铝合金进行电化学腐蚀测试。图4为高性能耐腐蚀铝合金和T351-2024铝合金的电化学测试Tafel曲线，其中，1为实施例1的高性能耐腐蚀铝合金的电化学测试Tafel曲线，2为实施例5的高性能耐腐蚀铝合金的电化学测试Tafel曲线，3为对比例1的T351-2024铝合金的电化学测试Tafel曲线。从图4可以看出，周期性高压扭转变形前后铝合金的耐腐蚀电位为Ecorr,N1>Ecorr,N5>Ecorr,T351，腐蚀电流Icorr,T351<Icorr,N1<Icorr,N5。由此可知，1周次扭转变形的高性能耐腐蚀铝合金的耐蚀性能优于5周次扭转变形的铝合金，优于未变形的T351-2024铝合金的耐蚀性能。因此，通过采用周期性高压扭转变形可改变铝合金的腐蚀电位，进而提高铝合金的耐蚀性能。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
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