一种高强度高韧度铝合金螺栓及其制备方法
阅读说明：本技术 一种高强度高韧度铝合金螺栓及其制备方法 (High-strength high-toughness aluminum alloy bolt and preparation method thereof ) 是由 钟孝贤 卜志强 于 2021-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高强度高韧度铝合金螺栓,属于复合材料技术领域,该螺栓具有质量轻、抗拉强度高、韧性好的特点；是由以下百分比的材料组成：铝80～90％,锌0.5～12％,铜0.5～2.6％,镁0.5～3.0％,镍0.5～8％,钇0.5～2％,锆0.1～0.5％,百分比总和为100％。发明还公开了该紧固螺栓的制备方法,利用该制备方法能够制备出质量稳定的紧固螺栓。(The invention discloses a high-strength and high-toughness aluminum alloy bolt, which belongs to the technical field of composite materials and has the characteristics of light weight, high tensile strength and good toughness; the material consists of the following materials in percentage by weight: 80-90% of aluminum, 0.5-12% of zinc, 0.5-2.6% of copper, 0.5-3.0% of magnesium, 0.5-8% of nickel, 0.5-2% of yttrium and 0.1-0.5% of zirconium, wherein the total percentage is 100%. The invention also discloses a preparation method of the fastening bolt, and the fastening bolt with stable quality can be prepared by the preparation method.)
技术领域
本发明涉及复合材料的技术领域，更具体地说，尤其涉及一种高强度高韧度铝合金螺栓；本发明还涉及该种螺栓的制备方法。
背景技术
航天航空飞行器需要使用大量的紧固螺栓连接，目前一部分紧固螺栓采用特种钢材料或钛合金制作而成，这些材料的紧固件螺栓的比重相对于航天铝合金、复合材料比重要大，从而增加了航天器自身重量，影响性能和成本。随着航天技术的进步和市场竞争的加剧，航天材料的轻量化是技术和市场竞争的关键点，据估计航天器每减重一公斤可以节省成本2万美元，并且能够提高航天器的有效载重量，航天器结构材料的轻量化意义重大。铝合金的密度为钢合金的1/3，使用超高强度铝合紧固金螺栓取代钢合金紧固螺栓意义十分巨大。但用于航天器的紧固螺栓作为重要结构力学件对取代品的质量一致性要求很高，目前特种高性能铝合金材料的制造方法一般为高合金含量强化，采用铸造挤压成材或喷射沉积而获得，使用传统铸造挤压成型的制备方法制备高合金含量铝合金材料时会存在成份偏析、晶粒粗大的问题，材料质量的一致性难以保证；而使用喷射沉积的制备方法制备高含量铝合金材料虽然晶粒细小，但层积流线难以消除，使材料质量的可靠性难以保证，由此可见，使用传统两种制备方法制备出的高合金含量铝合金都难以满足航天器严格的性能及安全性要求，难以替代传统的钢合金。因此，亟待设计一种整体性能及安全性能都能够达到航天器要求的紧固螺栓，以解决上述问题。
发明内容
本发明的前一目的在于提供一种高强度高韧度铝合金螺栓，该螺栓具有质量轻、抗拉强度高、韧性好的特点。本发明还提供了该种螺栓的制备方法。
本发明的前一技术方案如下：
一种高强度高韧度铝合金螺栓，是由以下百分比的材料组成：铝80～90％，锌0.5～12％，铜0.5～2.6％，镁0.5～3.0％，镍0.5～8％，钇0.5～2％，锆0.1～0.5％，总材料百分比总和为100％。
本发明的后一技术方案如下：
上述一种高强度高韧度铝合金螺栓的制备方法，包括如下制备步骤：
(1)按比例取铝、锌、铜、镁、镍、钇和锆，并将其熔炼、精炼、平流铸造甩带得薄的准非晶带材；
(2)将步骤(1)所得准非晶带材剪切成准非晶小切片；
(3)将步骤(2)所得准非晶小切片预压成柱坯，再热挤压成型得铝合金棒材；
(4)将步骤(3)所得铝合金棒材进行热处理晶化，碾压精加工后即得。
进一步的，在所述的步骤(1)中，平流铸造铜盘的转速为3000～5000r/s，铜盘的水冷却的温度为15～20℃，所得准非晶带材的厚度为0.1～0.5mm。
进一步的，所述的步骤(2)中，切成的准非晶小切片尺寸为3×3～5×5mm。
进一步的，所述步骤(3)中，热挤压的温度为350～400℃，挤压比为5～12。
进一步的，所述的步骤(4)中，热处理包括均火、淬火和时效三个过程，所述的均火温度为450～480℃，时间为2～12小时；淬火温度为50～65℃，保温时间为10～15秒；时效温度为130～160℃，时间为12～25小时。
进一步的，还包括步骤(5)：将所得的紧固螺栓其表面作涂覆处理。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
1.本发明的一种高强度高韧度铝合金螺栓，由铝、锌、铜、镁、镍、钇和锆等材料组成，通过这些原料的相互配合组合，其密度为钢制螺栓的1/3、钛制螺栓的2/3，质量更轻，实现其航天紧固件螺栓轻量化，并且抗拉强度达到了1000Mpa，延伸率到15％左右，疲劳安全性高，其性能可以取代钢合金紧固螺栓应用于航天领域。
2.本发明的一种高强度高韧度铝合金螺栓的制备方法，将各种材料的原料融溶制成准非晶带材，再剪切成准非晶小切片，将准非晶小切片预压成柱材，热挤压成型得到铝合金棒材，热处理晶化碾压精加工后得紧固螺栓。通过快速凝固方法和精密热处理制备使铝合金材料晶粒到达5um以下，大大低于传统铸造铝合金200um左右，螺栓的抗拉强度和韧性综合性能全面提高，疲劳安全性高，使其质量性能满足航天领域的高损伤容限要求。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明的紧固螺栓制备过程中得到的准非晶带材的结构放大图；
图2是本发明的高强度高韧度铝合金的分子结构放大图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步的详细说明，但不构成对本发明的任何限制。
本发明的一种高强度高韧度铝合金螺栓，是由以下百分比的材料组成：铝80～90％，锌0.5～12％，铜0.5～2.6％，镁0.5～3.0％，镍0.5～8％，钇0.5～2％，锆0.1～0.5％，总材料百分比总和为100％。通过这些原料的相互配合组合，其密度为钢制螺栓的1/3、钛制螺栓的2/3，质量更轻便，实现其航天紧固件螺栓轻量化，并且抗拉强度达到了1000Mpa，延伸率到15％左右，疲劳安全性高，其性能可以取代钢合金紧固螺栓应用于航天领域。
一种高强度高韧度铝合金螺栓的制备方法，包括如下制备步骤：
(1)按比例取铝、锌、铜、镁、镍、钇和锆，并将其熔炼、精炼、平流铸造甩带得薄的准非晶带材，如图1所示。其中，平流铸造铜盘的转速为3000～5000r/s，铜盘的水冷却的温度为15～20℃，所得准非晶带材的厚度为0.1～0.5mm。
(2)将步骤(1)所得准非晶带材剪切成准非晶小切片，切成的准非晶小切片尺寸为3×3～5×5mm。
(3)将步骤(2)所得准非晶小切片预压成柱坯，再热挤压成型得铝合金棒材。其中，热挤压的温度为350～400℃，挤压比为5～12：1。
(4)将步骤(3)所得铝合金棒材进行热处理晶化，碾压精加工后即得。
其中，热处理包括均火、淬火和时效三个过程，所述的均火温度为450～480℃，时间为2～12小时；淬火温度为50～65℃，保温时间为10～15秒；时效温度为130～160℃，时间为12～25小时。
(5)将所得的紧固螺栓其表面作涂覆处理。
通过本发明的一种高强度高韧度铝合金螺栓的制备方法制备出的螺栓，其分子结构放大图如图2所示，由图2可得，利用本发明的制备方法制备铝合金时，通过快速凝固方法和精密热处理制备使铝合金材料晶粒到达5um以下，大大低于传统铸造铝合金200um左右，螺栓的密度大大高于传统铸造铝合金，利用该制备方法能够制备出质量稳定的高强度铝合金材料，避免了传统工艺制备出的铝合金材料可能存在的成品偏析、晶体粗大、存在层积流等问题，以此材料制备的螺栓的抗拉强度和韧性综合性能全面提高，疲劳安全性高，使其质量性能满足航天领域的应用要求。该制备方法制备出的铝合金材料也可以应用于其他智能工业领域轻量化设计中。
实施例1
本发明的一种高强度高韧度铝合金螺栓，是由以下百分比的材料组成：铝85.55％，锌8.2％，铜2.2％，镁1.8％，镍1.5％，钇0.5％，锆0.25％。
本发明的一种高强度高韧度铝合金螺栓的制备方法，包括如下制备步骤：
(1)按比例取铝、锌、铜、镁、镍、钇和锆，并将其熔炼、精炼、平流铸造甩带得薄的准非晶带材。其中，平流铸造铜盘的转速为3000r/s，铜盘的水冷却的温度为20℃，所得准非晶带材的厚度为0.2mm。
(2)将步骤(1)所得准非晶带材剪切成准非晶小切片，切成的准非晶小切片尺寸为3×3mm。
(3)将步骤(2)所得准非晶小切片预压成柱坯，柱坯直径80×高500mm，再热挤压成直径为20mm的铝合金棒材。其中，热挤压的温度为400℃，挤压比为8。
(4)将步骤(3)所得铝合金棒材进行热处理晶化，碾压精加工后即得。
其中，热处理包括均火、淬火和时效三个过程，所述的均火温度为480℃，时间为12小时；淬火温度为50℃，保温时间为15秒；时效温度为160℃，时间为12小时。
(5)将所得的紧固螺栓其表面作涂覆处理。
实施例2
本发明的一种高强度高韧度铝合金螺栓，是由以下百分比的材料组成：铝80.45％，锌10.5％，铜2.2％，镁1.8％，镍4％，钇0.8％，锆0.25％。
本发明的一种高强度高韧度铝合金螺栓的制备方法，包括如下制备步骤：
(1)按比例取铝、锌、铜、镁、镍、钇和锆，并将其熔炼、精炼、平流铸造甩带得薄的准非晶带材。其中，平流铸造铜盘的转速为2000r/s，铜盘的水冷却的温度为20℃，所得准非晶带材的厚度为0.12mm。
(2)将步骤(1)所得准非晶带材剪切成准非晶小切片，切成的准非晶小切片尺寸为3×4mm。
(3)将步骤(2)所得准非晶小切片预压成柱坯，柱坯直径80×高500mm，再热挤压成直径为20mm的铝合金棒材。其中，热挤压的温度为385℃，挤压比为8。
(4)将步骤(3)所得铝合金棒材进行热处理晶化，碾压精加工后即得。
其中，热处理包括均火、淬火和时效三个过程，所述的均火温度为450～480℃，时间为2～12小时；淬火温度为50～65℃，保温时间为10～15秒；时效温度为130～160℃，时间为12～25小时。
(5)将所得的紧固螺栓其表面作涂覆处理。
对比试验1
按实施例1所提供成分比例选取材料，并将所得材料三等分后得第一实验组、第二实验组和第三实验组三份材料，将第一实验组材料按实施例1的制备方法制备出紧固螺栓1，将第二实验组材料按传统的喷射沉积方法制备出紧固螺栓2，将第三实验组材料按传统的铸造方法制备出紧固螺栓3，对所得的3个紧固螺栓进行抗拉强度、屈服强度、延伸率和弹性模量的测试并记录数据如表1所示。
表1各个紧固螺栓的性能对比表
根据表1可得，利用本发明的一种高强度高韧度铝合金螺栓的制备方法制备出的紧固螺栓，性能及与传统方法对比综合性能全面提升，其抗拉强度、屈服强度、延伸率和弹性模量均优于利用传统的喷射沉积制备方法和铸造制备方法制备出的紧固螺栓，由此可得，本发明的一种高强度高韧度铝合金的紧固件螺栓具有高强度和良好的韧性，到达航天螺栓力学性能要求，超细晶粒高强高韧铝合金是轻量化航天螺栓使用安全性能最理想的材料，而生产工艺流程与成本与传统的铝合金粉末挤压方法相当，细晶粒超塑性为螺栓的冷热加工提供了工有利因素。具有良好的工业规模化生产条件，同时其良好的综合性能也将在航天高性能铝合金铆钉、智能制造设备领域轻量化设计有着广泛的应用。
对比试验2
按实施例2所提供成分比例选取材料，并将所得材料三等分后得第四实验组、第五实验组和第六实验组三份材料，将第四实验组材料按实施例1的制备方法制备出紧固螺栓4，将第五实验组材料按传统的喷射沉积方法制备出紧固螺栓5，将第六实验组材料按传统的铸造方法制备出紧固螺栓6，对所得的3个紧固螺栓进行抗拉强度、屈服强度、延伸率和弹性模量的测试并记录数据如表2所示。
表2各个紧固螺栓的性能对比表
根据表2可得，利用本发明的一种高强度高韧度铝合金螺栓的制备方法制备出的紧固螺栓，其抗拉强度、屈服强度、延伸率和弹性模量均优于利用传统的喷射沉积制备方法和铸造制备方法制备出的紧固螺栓，本发明的一种高强度高韧度铝合金的紧固件螺栓具有高强度的同时也具有良好的韧性，是航天螺栓使用安全性能最理想的材料，而本发明的制备方法的制备工艺流程及成本与传统的铝合金粉末挤压方法相当，细晶粒超塑性为紧固螺栓的冷热加工提供了工业化生产的有利条件。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡在本发明的精神和原则范围内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。