CN109207781A - 一种提高7075铝合金的挤压方法 - Google Patents

Abstract

一种提高7075铝合金的挤压方法，在酸性环境下，利用敏化液在纳米Al₂O_3np表面吸附Sn²⁺离子，并在后期活化过程中得到以纳米Al₂O_3np为核心，表面吸附的Pd‑Sn为化学镀反应中心的壳型颗粒，最后经过化学镀得到Cu包覆Al₂O_3np颗粒。所得粉末与纯铝粉按比例混合冷压得到中间合金。将中间合金按需求加入铝合金熔体中，Cu包覆Al₂O_3np颗粒在高能超声仪作用下分散，并浇铸成铸态坯料，全过程在气体氛围中进行处理。将所得铸态复合材料通过热挤压机进行塑性热变形处理，随后将所得棒状材料再次进行等径角挤压处理，得到高性能挤压产品。本发明具有简单、安全、易于操作和可控等优点，产品具有优良的机械性能。

Description

一种提高7075铝合金的挤压方法

技术领域

本发明属于材料制备技术领域。

背景技术

颗粒增强铝基复合材料具有重量轻、比强度高、比刚度高、低密度、耐磨性以及低成本等优点而成为很有前景的新型材料之一，因而在汽车工业、航空航天、电子、军工、体育等许多领域得到了广泛的应用。其中，氧化铝增强铝基复合材料成为金属基复合材料中备受瞩目、研究最多、潜在应用最广的复合材料。

大量的研究发现，当增强体的尺寸达到微米级时，复合材料的力学性能随着增强体含量的增加而下降，较弱的结合界面及因增强体团聚而诱发裂纹粗化是导致性能下降的主要原因。近年来，有研究者发现，加入少量的纳米尺寸的增强体可以大大地提高复合材料的力学性能，比如：较高的比强度、较好的高温性能、抗蠕变、抗腐蚀等等。

随着金属基复合材料制备手段的日新月异，其制备过程中的各种问题也暴露无遗，例如界面上脆性相的析出，强烈的界面反应导致增强体的损耗，增强体的形貌对复合材料综合性能的影响，增强体与基体之间的载荷传递等。在这些问题中复合材料的界面几乎是一个永恒的话题。同时，以液相参与的复合材料制备工艺中，液-固两相的润湿性显得尤为重要，一方面决定了复合材料制备的难易程度，另一方面又间接地反映了复合材料的综合性能。尤其对于纳米颗粒而言，较大的体表比、纳米颗粒间的范德华力及与金属熔体较差的润湿性使得纳米增强体很难均匀地分布及分散在金属熔体中。因此，统观整个复合材料的制备工艺，对于界面问题和润湿性的研究是制备性能优异复合材料的前提和基础。

在公开专利号106350753B，名称为：“一种单质铜包覆晶须碳纳米管/镁基复合材料半固态坯料的制备方法”中。利用化学吸附对碳纳米管进行预处理得到镀铜的碳纳米管。再引入超声分散并熔铸得到复合材料。事实上该方法由于化学吸附的局限性，对人体伤害较大，并且还需要单独对碳纳米管羧基化，生产周期长，成本高，不利于大批量的生产，具有一定的局限性。

在公开专利号104532032A，名称为：“一种基于复合振动技术制备纳米氧化铝增强铝基复合材料半固态浆料的方法”中。利用球磨的机械合金化作用对纳米氧化铝进行预处理得到包覆Mg的复合颗粒。再引入超声分散并熔铸得到复合材料。事实上该方法由于Mg与纳米氧化铝是通过物理机械方式结合，其结合强度较弱，包覆效果并不好，为后续生产带来一定的随机性。

发明内容

本发明的目的是提出一种提高7075铝合金的挤压方法。

本发明利用化学镀法在纳米氧化铝表面包覆一层无定形金属铜，并在增强相添加至基体时利用高能超声的空化及声流效应和热挤压的塑性流变使得纳米增强相均匀地分散在基体中。该方法成本低，能够大批量生产。同时，所形成的Al/Al₂O_3np界面通过金属铜层稳定结合，结合性能较好，所得的挤压产品晶粒细小，机械性能优异。

在热塑性变形的过程中Cu包覆纳米Al₂O_3np的含量、环境的控制以及工艺参数的确定非常重要，这三个环节环环相扣，都直接影响产品的质量。

本发明的具体原理为：通过高能超声的空化及声流效应，将Cu包覆纳米Al₂O_3np快速扩散至熔体。为减少纳米Al₂O_3np的团聚情况，通过化学镀法对纳米Al₂O_3np表面进行处理，使其表面包覆着无定形金属铜作为稳定的颗粒保护层。同时，在材料凝固过程中，能有效增强Al/Al₂O_3np界面结合强度，使纳米Al₂O_3np更加稳定的固定在基体中。另外，在挤压过程中利用剪切力压碎晶粒，并造成位错纠缠为复合材料的动态再结晶提供驱动力，达到细化晶粒的目的。在进行等径角挤压处理的过程中可有效地分散增强相及中间相，从而提高产品的机械性能。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明所述的一种提高7075铝合金的挤压方法，包括以下步骤。

（1）将纳米AL₂O_3np放置于10%NaOH溶液中煮沸保持30min，滤去NaOH溶液用去离子水对颗粒不断冲洗直至PH值呈中性，过滤烘干。

（2）将步骤（1）中的颗粒放入浓盐酸中煮沸30分钟，进行粗化处理，随后用去离子水清洗，烘干。

（3）随后将步骤（2）所得到的颗粒置于敏化液中机械搅拌10min，其中敏化液配比为SnCl₂•2H₂O:HCl:NaCl:H₂O=10g:20ml:25g:100g。

（4）向步骤（3）中的颗粒加入活化液，搅拌10min，之后静置，其中活化液的配比为PdCl₂:盐酸:H₂O=1g:50ml:100g。待粉体沉淀后，过滤，再用去离子水洗涤粉末。

（5）按10gCuSO₄•5H₂O:90～100m的比例，将溶于约90～100ml蒸馏水中，搅拌溶解，得到澄清的蓝色溶液A；按60g:100ml的比例，将酒石酸钾钠溶于100ml蒸馏水中，搅拌溶解，得到无色的澄清溶液B。在搅拌的情况下，把B液倒入A液中得到镀液C，颜色由深蓝色变成浅蓝色。在100mlC液中加入2ml的甲醇，得到D液。用NaOH溶液调节D液的pH值，直到pH=9，得到镀液E。

（6）向经过步骤（4）所得的纳米Al₂O_3np颗粒按照5g:40ml加入E液，超声振荡30min，在搅拌的情况下，滴加甲醛，其中悬浮液与甲醛的比例为40ml:2.5ml,接着用配好的NaOH溶液调节pH值在11～12之间。待反应完全后，将颗粒离心洗涤的到所需的Cu包覆纳米Al₂O_3np颗粒。

（7）将步骤（6）得到的Cu包覆纳米Al₂O_3np颗粒与纯铝粉混合，混合比为1:4，将混合粉末通过冷压在400MPa下保压10min，制备成Cu包覆纳米Al₂O_3np/Al预制块，随后将预制块切碎。

（8）将7075铝合金放入石墨坩埚中，然后在井式电阻炉中加热至750°C并保温直至熔化。待7075铝合金块完全熔化后，对合金熔体进行精炼、除气和除渣处理。随后将预步骤（7）得到的Cu包覆纳米Al₂O_3np/Al预制块加入到合金熔体中，通过预制块的加入量来控制复合材料中Cu包覆纳米Al₂O_3np含量为0.5~2.5wt%。

（9）随后将超声变幅杆插入熔体中对合金熔体进行高能超声处理,该过程通入氩气进行保护，氩气流量为20L/min，氩气压力为0.45MPa。其工艺参数控制为：超声功率应严格控制为1.5~2.5Kw，超声频率为15000~25000Hz，超声时间为10~20min。

（10）将步骤（9）的熔体保温15min，然后对合金熔体进行除渣处理。最后将合金熔体倒入预热好的覆膜砂凹型模具中，预热温度为250℃。

（11）将放置在覆膜砂凹型模具下的高能超声仪开启，使浆料在凝固的过程中进行高能超声震动，为使振动时间足够，覆膜砂厚度控制为8~15mm。震动频率为15000~25000Hz，功率控制为1.2~2.1KW。得到不同增强相含量的坯料。

（12）将所得坯料进行塑性热变形处理以达到减少缺陷及破碎晶粒以及Mg₁₇Al₁₂共晶相作用，挤压比控制为16~42，挤压速率控制为1~10mm/min,温度控制为350~500℃。

（13）所得棒状材料再次进行等径角挤压处理，温度控制为150~200℃，角度控制为110~160°，挤压次数控制为5~7次，挤压速率控制为1~10mm/min。

本发明利用金属铜包覆在纳米氧化铝内核表面，防止纳米氧化铝在加入至7075熔体时由于分子间作用力而出现团聚的情况，而且金属铜层呈现包覆，可以提高纳米氧化铝及7075基体之间界面结合强度，其中产品中铜包覆纳米氧化铝的含量为0.5wt%~2.5wt%。

本发明具有以下独特性：（1）该方法减少了常规熔铸过程中由于密度差异导致的增强相颗粒无法加入的现象。（2）利用高能超声的空化及声流效应使得复合材料内的增强相均匀分散。（3）镀层中的纳米Al₂O_3np由于有Cu的保护作用，具有更好界面的同时，增加了与金属的润湿性，进一步减少了纳米Al₂O_3np团聚几率。（4）在塑性热变形处理过程中利用剪切力压碎晶粒，并造成位错纠缠为复合材料的动态再结晶提供驱动力，达到细化晶粒的目的。（5）在进行等径角挤压处理的过程中可有效地再次分散增强相及中间相，从而提高产品的机械性能。

具体实施方式

本发明将通过以下实施例作进一步说明。

实施例1。

将纳米Al₂O_3np放置于10%NaOH溶液中煮沸保持30min，滤去NaOH溶液用去离子水对颗粒不断冲洗直至PH值呈中性，过滤烘干。将颗粒放入浓盐酸中煮沸30分钟，进行粗化处理，随后用去离子水清洗，烘干。在机械搅拌下，将10g的SnCl₂•2H₂O溶于20ml盐酸，再用100ml蒸馏水稀释，然后再加入25g的NaCl，等固体完全溶解后得到敏化液。随后将颗粒粉末置于敏化液中机械搅拌10min。将1g的PdCl₂加入100ml蒸馏水中，等完全溶解后，边搅拌边加入50ml盐酸，搅拌直到透明。在敏化过的粉体中再加入活化液，搅拌10min后静置。待粉体沉淀后，过滤，再用去离子水洗涤粉末。

把10gCuSO₄•5H₂O溶于约90ml蒸馏水中，搅拌溶解，得到澄清的蓝色溶液A。把60g酒石酸钾钠溶于100ml蒸馏水中，搅拌溶解，得到无色的澄清溶液B。在搅拌的情况下，把B液倒入A液中得到镀液C，颜色由深蓝色变成浅蓝色。在100mlC液中加入2ml的甲醇，得到D液。用NaOH溶液调节D液的pH值，直到pH=9，得到镀液E。在活化后的5g纳米Al₂O₃的烧杯中加入40mlE液，超声振荡30min，在搅拌的情况下，向得到的40ml悬浮液滴加2.5ml甲醛，接着用配好的NaOH溶液调节pH值在11～12之间。待反应完全后，将颗粒粉末离心洗涤的到所需的Cu包覆纳米Al₂O_3np。

将得到的Cu包覆纳米Al₂O_3np颗粒与纯铝粉混合，混合比为1:4，将混合粉末通过冷压成预制块。将7075铝合金放入石墨坩埚中，然后在井式电阻炉中加热至750℃并保温直至熔化。当7075铝合金块完全熔化后，对合金熔体进行精炼、除气和除渣处理。随后将预制好的Cu包覆纳米Al₂O_3np/Al预制块加入到合金熔体中，通过预制块的加入量来控制复合材料中Cu包覆Al₂O_3np含量为0.5wt%。随后将超声变幅杆插入熔体中对合金熔体进行高能超声处理，其工艺参数控制为：超声功率应严格控制为1.5Kw，超声频率为15000Hz，超声时间为10min。该过程通入氩气进行保护，氩气流量为20L/min，氩气压力为0.45MPa。超声处理结束后保温5min，然后对合金熔体进行除渣处理。最后将合金熔体倒入预热好的覆膜砂凹型模具中，预热温度为250℃。将放置在覆膜砂凹型模具下的高能超声仪开启，使复合材料在凝固的过程中进行高能超声震动，为使振动时间足够，覆膜砂厚度控制为8mm。震动频率为15000Hz，功率控制为1.2KW，得到不同增强相含量的坯料。将所得坯料进行塑性热变形处理以达到减少缺陷及破碎晶粒以及Mg₁₇Al₁₂共晶相作用，挤压比控制为16，挤压速率控制为1mm/min，温度控制为350℃。所得棒状材料再次进行等径角挤压处理，温度控制为150℃，角度控制为110°，挤压速率控制为1mm/min，挤压次数为5次，其极限抗拉强度较基体提高了15.24%，延伸率提高了17.66%。

实施例2。

将纳米Al₂O_3np放置于10%NaOH溶液中煮沸保持30min，滤去NaOH溶液用去离子水对颗粒不断冲洗直至PH值呈中性，过滤烘干。将颗粒放入浓盐酸中煮沸30分钟，进行粗化处理，随后用去离子水清洗，烘干。在机械搅拌下，将10g的SnCl₂•2H₂O溶于20ml盐酸，再用100ml蒸馏水稀释，然后再加入25g的NaCl，等固体完全溶解后得到敏化液。随后将颗粒粉末置于敏化液中机械搅拌10min。将1g的PdCl₂加入100ml蒸馏水中，等完全溶解后，边搅拌边加入50ml盐酸，搅拌直到透明。在敏化过的粉体中再加入活化液，搅拌10min，之后静置。待粉体沉淀后，过滤，再用去离子水洗涤粉末。

把10gCuSO₄•5H₂O溶于约90～100ml蒸馏水中，搅拌溶解，得到澄清的蓝色溶液A。把60g酒石酸钾钠溶于100ml蒸馏水中，搅拌溶解，得到无色的澄清溶液B。在搅拌的情况下，把B液倒入A液中得到镀液C，颜色由深蓝色变成浅蓝色。在100mlC液中加入2ml的甲醇，得到D液。用NaOH溶液调节D液的pH值，直到pH=9，得到镀液E。在活化后的5g纳米Al₂O_3np的烧杯中加入40mlE液，超声振荡30min，在搅拌的情况下，向得到的40ml悬浮液滴加2.5ml甲醛，接着用配好的NaOH溶液调节pH值在11～12之间。待反应完全后，将颗粒粉末离心洗涤的到所需的Cu包覆纳米Al₂O_3np颗粒。

将得到的Cu包覆纳米Al₂O_3np颗粒与纯铝粉混合，混合比为1:4，将混合粉末通过冷压成预制块。将7075铝合金放入石墨坩埚中，然后在井式电阻炉中加热至750℃并保温直至熔化。当7075铝合金块完全熔化后，对合金熔体进行精炼、除气和除渣处理。随后将预制好的Cu包覆纳米Al₂O_3np/Al预制块加入到合金熔体中，通过预制块的加入量来控制复合材料中Cu包覆纳米Al₂O_3np含量为1.5wt%。随后将超声变幅杆插入熔体中对合金熔体进行高能超声处理，其工艺参数控制为：超声功率应控制为2.5Kw，超声频率为25000Hz，超声时间为15min。该过程通入氩气进行保护，氩气流量为20L/min，氩气压力为0.45MPa。超声处理结束后保温5min，然后对合金熔体进行除渣处理。最后将合金熔体倒入预热好的覆膜砂凹型模具中，预热温度为250℃。将放置在覆膜砂凹型模具下的高能超声仪开启，使复合材料在凝固的过程中进行高能超声震动，为使振动时间足够，覆膜砂厚度控制为15mm。震动频率为25000Hz，功率控制为2.1KW，得到不同增强相含量的坯料。将所得坯料进行塑性热变形处理以达到减少缺陷及破碎晶粒以及Mg₁₇Al₁₂共晶相作用，挤压比控制为42，挤压速率控制为10mm/min，温度控制为500℃。所得棒状材料再次进行等径角挤压处理，温度控制为200℃，角度控制为160°，挤压速率控制为10mm/min，挤压次数为7次，其极限抗拉强度较基体提高了21.31%，延伸率提高了22.33%。

实施例3。

将Al₂O_3np放置于10%NaOH溶液中煮沸保持30min，滤去NaOH溶液用去离子水对颗粒不断冲洗直至PH值呈中性，过滤烘干。将颗粒放入浓盐酸中煮沸30分钟，进行粗化处理，随后用去离子水清洗，烘干。在机械搅拌下，将10g的SnCl₂•2H₂O溶于20ml盐酸，再用100ml蒸馏水稀释，然后再加入25g的NaCl，等固体完全溶解后得到敏化液。随后将颗粒粉末置于敏化液中机械搅拌10min。将1g的PdCl₂加入100ml蒸馏水中，等完全溶解后，边搅拌边加入50ml盐酸，搅拌直到透明。在敏化过的粉体中再加入活化液，搅拌10min，之后静置。待粉体沉淀后，过滤，再用去离子水洗涤粉末。

把10gCuSO₄•5H₂O溶于约90～100ml蒸馏水中，搅拌溶解，得到澄清的蓝色溶液A。把60g酒石酸钾钠溶于100ml蒸馏水中，搅拌溶解，得到无色的澄清溶液B。在搅拌的情况下，把B液倒入A液中得到镀液C，颜色由深蓝色变成浅蓝色。在100mlC液中加入2ml的甲醇，得到D液。用NaOH溶液调节D液的pH值，直到pH=9，得到镀液E。在活化后的5g纳米Al₂O₃的烧杯中加入40mlE液，超声振荡30min，在搅拌的情况下，向得到的40ml悬浮液滴加2.5ml甲醛，接着用配好的NaOH溶液调节pH值在11～12之间。待反应完全后，将颗粒粉末离心洗涤的到所需的Cu包覆纳米Al₂O_3np。

将得到的Cu包覆纳米Al₂O_3np与纯铝粉混合，混合比为1:4，将混合粉末通过冷压成预制块。将7075铝合金放入石墨坩埚中，然后在井式电阻炉中加热至750℃并保温直至熔化。当7075铝合金块完全熔化后，对合金熔体进行精炼、除气和除渣处理。随后将预制好的Cu包覆纳米Al₂O_3np/Al预制块加入到合金熔体中，通过预制块的加入量来控制复合材料中Cu包覆纳米Al₂O_3np含量为2.5wt%。随后将超声变幅杆插入熔体中对合金熔体进行高能超声处理，其工艺参数控制为：超声功率应控制为2.5Kw，超声频率为25000Hz，超声时间为20min。该过程通入氩气进行保护，氩气流量为20L/min，氩气压力为0.45MPa。超声处理结束后保温5min，然后对合金熔体进行除渣处理。最后将合金熔体倒入预热好的覆膜砂凹型模具中，预热温度为250℃。将放置在覆膜砂凹型模具下的高能超声仪开启，使复合材料在凝固的过程中进行高能超声震动，为使振动时间足够，覆膜砂厚度控制为15mm。震动频率为25000Hz，功率控制为2.1KW，得到不同增强相含量的坯料。将所得坯料进行塑性热变形处理以达到减少缺陷及破碎晶粒以及Mg₁₇Al₁₂共晶相作用，挤压比控制为42，挤压速率控制为10mm/min，温度控制为500℃。所得棒状材料再次进行等径角挤压处理，温度控制为200℃，角度控制为160°，挤压速率控制为10mm/min，挤压次数为7次，其极限抗拉强度较基体提高了18.27%，延伸率提高了20.75%。

Claims (1)

1.一种提高7075铝合金的挤压方法，其特征是包括以下步骤：

（1）将纳米AL₂O_3np放置于10%NaOH溶液中煮沸保持30min，滤去NaOH溶液用去离子水对颗粒不断冲洗直至PH值呈中性，过滤烘干；

（2）将步骤（1）中的颗粒放入浓盐酸中煮沸30分钟，进行粗化处理，随后用去离子水清洗，烘干；

（3）随后将步骤（2）所得到的颗粒置于敏化液中机械搅拌10min，其中敏化液配比为SnCl₂•2H₂O:HCl:NaCl:H₂O=10g:20ml:25g:100g；

（4）向步骤（3）中的颗粒加入活化液，搅拌10min，之后静置，其中活化液的配比为PdCl₂:盐酸:H₂O=1g:50ml:100g；待粉体沉淀后，过滤，再用去离子水洗涤粉末；

（5）按10gCuSO₄•5H₂O:90～100m的比例，将溶于约90～100ml蒸馏水中，搅拌溶解，得到澄清的蓝色溶液A；按60g:100ml的比例，将酒石酸钾钠溶于100ml蒸馏水中，搅拌溶解，得到无色的澄清溶液B；在搅拌的情况下，把B液倒入A液中得到镀液C，颜色由深蓝色变成浅蓝色；在100mlC液中加入2ml的甲醇，得到D液；用NaOH溶液调节D液的pH值，直到pH=9，得到镀液E；

（6）向经过步骤（4）所得的纳米Al₂O_3np颗粒按照5g:40ml加入E液，超声振荡30min，在搅拌的情况下，滴加甲醛，其中悬浮液与甲醛的比例为40ml:2.5ml，接着用配好的NaOH溶液调节pH值在11～12之间；待反应完全后，将颗粒离心洗涤的到所需的Cu包覆纳米Al₂O_3np颗粒；

（7）将步骤（6）得到的Cu包覆纳米Al₂O_3np颗粒与纯铝粉混合，混合比为1:4，将混合粉末通过冷压在400MPa下保压10min，制备成Cu包覆纳米Al₂O_3np/Al预制块，随后将预制块切碎；

（8）将7075铝合金放入石墨坩埚中，然后在井式电阻炉中加热至750°C并保温直至熔化；待7075铝合金块完全熔化后，对合金熔体进行精炼、除气和除渣处理；随后将步骤（7）得到的Cu包覆纳米Al₂O_3np/Al预制块加入到合金熔体中，通过预制块的加入量来控制复合材料中Cu包覆纳米Al₂O_3np含量为0.5~2.5wt%；

（9）随后将超声变幅杆插入熔体中对合金熔体进行高能超声处理，该过程通入氩气进行保护，氩气流量为20L/min，氩气压力为0.45MPa；其工艺参数控制为：超声功率应严格控制为1.5~2.5Kw，超声频率为15000~25000Hz，超声时间为10~20min；

（10）将步骤（9）的熔体保温15min，然后对合金熔体进行除渣处理；最后将合金熔体倒入预热好的覆膜砂凹型模具中，预热温度为250℃；

（11）将放置在覆膜砂凹型模具下的高能超声仪开启，使浆料在凝固的过程中进行高能超声震动，为使振动时间足够，覆膜砂厚度控制为8~15mm；震动频率为15000~25000Hz，功率控制为1.2~2.1KW；得到不同增强相含量的坯料；

（12）将所得坯料进行塑性热变形处理以达到减少缺陷及破碎晶粒以及Mg₁₇Al₁₂共晶相作用，挤压比控制为16~42，挤压速率控制为1~10mm/min，温度控制为350~500℃；

（13）所得棒状材料再次进行等径角挤压处理，温度控制为150~200℃，角度控制为110~160°，挤压次数控制为5~7次，挤压速率控制为1~10mm/min。