本發(fā)明涉及一種固態(tài)合金化工藝，特別是一種制備遠(yuǎn)離平衡態(tài)鋁基/鎂基合金材料的攪拌塑化合成工藝。

背景技術(shù)：

由于單質(zhì)金屬材料的性能往往達(dá)不到使用環(huán)境的要求，合金化就成為了金屬材料強(qiáng)韌化的一種重要工藝方法。常用金屬材料合金化工藝包括熔煉、機(jī)械合金化、燒結(jié)、氣相沉積等等。目前，絕大部分合金化工藝都是在平衡態(tài)條件下進(jìn)行的。其制備過程的顯著特點(diǎn)是體系處于吉布斯自由能最低狀態(tài)。隨著對(duì)材料要求的不斷提高以及制備技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了在非平衡條件下制備合金材料的技術(shù)。包括快速凝固、氣相沉積及能量束加工等。固態(tài)合金化是指基體金屬與所添加的合金元素在固態(tài)下完成合金化的工藝過程。該工藝過程由于金屬元素不經(jīng)過氣相及液相，不受物質(zhì)元素的蒸汽壓、熔點(diǎn)等物理特性因素的差異制約，使得用傳統(tǒng)熔煉工藝難以實(shí)現(xiàn)的某些物質(zhì)的合金化。由于遠(yuǎn)離平衡相的材料往往具有更加優(yōu)異的性能，常見的例子是亞穩(wěn)態(tài)的金剛石比熱力學(xué)平衡態(tài)的石墨具有更加優(yōu)異的硬度性能。為了精確的訂制某些特殊性能的材料或合成新材料，采用遠(yuǎn)離平衡態(tài)的加工工藝是十分必要的。

攪拌塑化合成工藝是一種新型的固態(tài)塑性加工技術(shù)。其在加工過程中，攪拌工具高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)材料發(fā)生劇烈塑性流動(dòng)，攪拌工具及基體材料形成密閉的空間保證塑性流動(dòng)的材料不會(huì)溢出，最后在攪拌工具的下壓力作用下形成均勻無缺陷的鍛造組織。由于材料在劇烈塑性變形過程發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶跟固態(tài)相變。 因此，目前該技術(shù)已應(yīng)用于制備金屬基復(fù)合材料，超細(xì)晶材料制備，非均質(zhì)金屬材料改性等領(lǐng)域。本發(fā)明的區(qū)別在于是采用攪拌塑化工藝的目的是固態(tài)合金化合成遠(yuǎn)離平衡態(tài)的新型合金材料。主要是通過優(yōu)化攪拌區(qū)材料的塑性變形方向和應(yīng)變量，加速預(yù)置溶質(zhì)合金元素在鋁/鎂基體材料的固溶，擴(kuò)展合金元素的固溶度，促進(jìn)合金元素?cái)U(kuò)散與固相反應(yīng)，以及改變加工區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)。最終來通過攪拌塑性合金化工藝實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)離平衡態(tài)鋁/鎂基合金材料的制備。由于攪拌塑化合成工藝過程材料的溫度較低，材料處于固體的塑性流動(dòng)狀態(tài)，合金化元素可不受物質(zhì)元素的蒸汽壓、熔點(diǎn)等物理特性因素的差異制約，相對(duì)于傳統(tǒng)工藝可顯著擴(kuò)展合金的種類和成分范圍。并且由于加工區(qū)域的相對(duì)體積較小來實(shí)現(xiàn)較快的冷卻速度，還可通過水冷等方式進(jìn)一步的增加冷卻速度。從而使實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)離熱力學(xué)平衡材料的新型鋁基/鎂基合金合成成為可能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述情況，本發(fā)明目的是提供一種固態(tài)合金化制備鋁基/鎂基合金的攪拌塑化加工工藝，通過擴(kuò)展合金化元素種類跟范圍，使材料獲得特殊的組織結(jié)構(gòu)跟性能，從而獲得新型鋁基/鎂基合金。

為了實(shí)現(xiàn)解決上述技術(shù)問題的目的，本發(fā)明采用了如下工藝步驟：

1、在鋁/鎂基的板材上機(jī)加工出預(yù)留槽，槽的形狀不限，但需保證攪拌工具與基體材料之間能夠能成密閉空間。保證材料在劇烈塑性流動(dòng)過程中不溢出該空間。

2、將合金化單質(zhì)元素或中間合金添入預(yù)留槽中，要求單質(zhì)合金化元素的純凈度≥99％，如果添加多種單質(zhì)合金化元素，可以先將合金化元素機(jī)械混合均勻后填入槽中。

3、將攪拌工具高速旋轉(zhuǎn)，并對(duì)準(zhǔn)預(yù)留槽的位置進(jìn)行下壓攪拌，材料在攪拌工具的帶動(dòng)下進(jìn)行劇烈塑性流動(dòng)。然后攪拌工具在沿著預(yù)留槽長度方向進(jìn)行移動(dòng)加工。這一過程中保證攪拌工具的加工區(qū)域范圍內(nèi)要包含基體材料和合金化 材料。攪拌塑化合成的工藝參數(shù)為攪拌工具轉(zhuǎn)速300-1600rpm，加工移動(dòng)速度20-200mm/min，下壓力保持在5000-15000N之間。

4、在相同位置要進(jìn)行多次重復(fù)攪拌塑化加工，攪拌塑性合成的加工次數(shù)及每道次的加工工藝參數(shù)依據(jù)保證合金化元素彌散均勻且無缺陷的固溶到基體材料中的合成質(zhì)量來確定。每次相鄰兩次攪拌摩擦加工改變材料的塑性流動(dòng)方向，使用的方法包括改變攪拌頭的螺紋方向、改變攪拌工具的旋轉(zhuǎn)方向及改變加工方向。

5、不同道次間保證加工區(qū)域冷卻到室溫再進(jìn)行再一次重復(fù)攪拌塑化加工，冷卻可采用水冷和風(fēng)冷的快速冷卻方式，也可以在空氣中自然冷卻。

通過采用上述技術(shù)方案，可實(shí)現(xiàn)在攪拌加工區(qū)域，合金化元素固溶到基體金屬中形成遠(yuǎn)離平衡態(tài)鋁基/鎂基合金材料。

附圖說明

圖1是攪拌塑化合成工藝示意圖；

圖2是攪拌工具及加工槽示意圖；

圖3是攪拌針螺紋方向示意圖(a)左旋螺紋(b)右旋螺紋；

圖4是一種非平衡態(tài)Al-Zn合金微觀組織圖；

圖5是一種過飽和Mg-Al-Zn合金的微觀組織圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本工藝進(jìn)行詳細(xì)的描述。

如圖2所示，圓柱型攪拌針直徑為a，攪拌針長為b。待加工的試板基材上所開槽的橫截面尺寸寬為c，深度為d。滿足a大于c，b大于d。也就是說要保證塑性流動(dòng)區(qū)域要包含基體材料和合金化材料。

合金化元素的添加量根據(jù)槽的尺寸大小來調(diào)整。槽中所填入的合金元素的可以是塊體，也可以是粉末狀，也可混入有機(jī)溶劑后一起填入。如果要添加多種合金元素，在填入前可以預(yù)先混合均勻化處理。

如圖3所示，圓柱型攪拌針上要開螺紋槽，來改善攪拌摩擦加工時(shí)材料的塑性流動(dòng)。如果攪拌針為左旋螺紋時(shí)，攪拌頭的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針旋轉(zhuǎn)。如果攪拌針為右旋螺紋時(shí)，攪拌針的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)。

一次攪拌摩擦加工往往不能是合金化元素均勻分布于攪拌加工區(qū)域當(dāng)中，需要進(jìn)行多次重復(fù)位置的加工。每次的加工的攪拌針轉(zhuǎn)速、加工速度跟下壓力可根據(jù)材料塑化合成的質(zhì)量來決定。相鄰道次間要改變材料塑性應(yīng)變的方向。采用的方法包括改變攪拌工具螺紋的方向、改變攪拌工具旋轉(zhuǎn)的方向或改變攪拌塑性加工移動(dòng)的方向。如第一次加工時(shí)采用攪拌針的螺紋方向?yàn)樽笮菁y，第二次加工時(shí)采用右旋螺紋，第三次加工再采用左旋螺紋，以此類推。

實(shí)施例1

在6061鋁合金板材上開截面為2×2mm的通槽，在槽中加入相同尺寸的純Zn條，采用直徑為6mm，長度為4mm的圓柱形攪拌針對(duì)準(zhǔn)試板上槽的位置進(jìn)行攪拌摩擦加工，攪拌頭轉(zhuǎn)速為1000rpm，加工速度為150mm/min，下壓力保持在8000N，重復(fù)加工5次之后空冷到室溫。Zn元素固溶到Al基體當(dāng)中，并以GP區(qū)形式析出。制備出一種以GP區(qū)強(qiáng)化的非平衡態(tài)Al-Zn合金。如圖4所示。

實(shí)施例2

在純鎂板材上開直徑2mm，深4mm的圓孔，將4g的純Al粉和1g的純Zn粉混合后填入到孔中。采用直徑為6mm，長度為4.5mm的圓柱形攪拌針對(duì)準(zhǔn)試板上槽的位置進(jìn)行攪拌摩擦加工，攪拌頭轉(zhuǎn)速為800rpm，加工速度為60mm/min，下壓力保持在7000N，重復(fù)加工6次后空冷至室溫。Al元素跟Zn元素都過飽和固溶到Mg基體中，制備出一種非平衡態(tài)的鎂基過飽和固溶體。如圖5所示。