本發(fā)明涉及金屬基復(fù)合材料成型加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鋁基復(fù)合材料板材的軋制方法。

背景技術(shù)：

鋁基復(fù)合材料是在塑性良好的鋁合金基體中添加陶瓷、纖維以及碳納米管等高性能增強(qiáng)相而形成的固相材料，具有高強(qiáng)高模、耐腐蝕、耐疲勞、抗輻照等特性。在航空航天、核工業(yè)、交通運(yùn)輸以及國防領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，特別是航空航天領(lǐng)域使用SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料板材替代傳統(tǒng)金屬材料，提升了零件剛度和耐疲勞性；核電領(lǐng)域采用B₄C增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料板材，替代硼鋼等傳統(tǒng)含硼材料提高了中子吸收能力。

然而，添加上述增強(qiáng)相后，一方面基體的塑性變形受到約束，使復(fù)合材料塑性變形加工特別是軋制變得十分困難，容易產(chǎn)生增強(qiáng)相與界面開裂等問題；另一方面復(fù)合材料變形機(jī)制變得復(fù)雜，變形過程中除了基體晶粒尺寸、織構(gòu)等變化，更重要的是增強(qiáng)相分布發(fā)生變化。鋁基復(fù)合材料從300～500℃的溫度范圍內(nèi)，變形機(jī)制會發(fā)生從動態(tài)回復(fù)向動態(tài)再結(jié)晶以及晶界滑動的轉(zhuǎn)變(Y.V.R.K.Prasad等，Hot Working Guide，ASM International Materials Park，Ohio 44073-0002，ISBN-13:978-1-62708-091-0)。由此，增強(qiáng)相分布、晶粒尺寸和織構(gòu)產(chǎn)生變化，成為影響板材性能的主要因素。除了軋制溫度，軋制變形速率決定變形生熱和散熱速率，間接影響變形機(jī)制。即使采用最優(yōu)的變形溫度，如果不控制軋制速度，仍難以避免缺陷產(chǎn)生，例如經(jīng)過大變形量軋制仍然產(chǎn)生顆粒團(tuán)聚(A.El-Sabbagh等，Journal of Materials Processing Technology，2012年，212卷，497-508頁)。

針對大型板材，其軋制過程為非等溫、非均勻變形，因而有必要制定合理的軋制溫度與軋制速度范圍。以往研究報(bào)道提供的軋制溫度和速度范圍過于寬泛，而如上所述復(fù)合材料組織對變形工藝參數(shù)十分敏感，現(xiàn)有數(shù)據(jù)很難指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。由于缺乏合理的軋制溫度、速度工藝窗口，軋制時(shí)很容易導(dǎo)致缺陷產(chǎn)生，特別是大變形量下極易產(chǎn)生裂紋等缺陷。因此，目前資料報(bào)道的復(fù)合材料板材熱軋多局限在5～15％的保守變形率下(中國專利，申請?zhí)?01310126296.7)，導(dǎo)致生產(chǎn)效率過低，制約了復(fù)合材料板材的應(yīng)用。

此外，軋制時(shí)板材厚度方向呈壓應(yīng)力，而軋制方向?yàn)槔瓚?yīng)力，與擠壓時(shí)三向?yàn)閴簯?yīng)力不同，軋制對坯錠中的微孔洞致密化作用有限。因此對致密度不高的復(fù)合材料坯錠，如采用粉末冷壓后進(jìn)行無壓燒結(jié)的坯錠(中國專利，申請?zhí)?01210155440.5，以及申請?zhí)枮?01410547374.5的公開期專利)，很難通過軋制而獲得100％的致密度。同時(shí)，軋制拉應(yīng)力是復(fù)合材料板材軋制開裂的主要原因，致密度不高、組織均勻性差的坯錠軋制時(shí)更容易發(fā)生開裂而降低成材率，甚至形成廢品，無法實(shí)現(xiàn)高性能復(fù)合材料板材的制備。對復(fù)合材料坯錠進(jìn)行擠壓是提高致密度和改善復(fù)合材料性能的重要手段，因此采用擠壓板坯可以提高成材率。但通常擠壓板坯截面尺寸較小，難以適用于大尺寸厚板的軋制。如果以粉末冶金或攪拌鑄造坯錠直接作為板坯，如前所述，坯錠質(zhì)量較差，難以滿足復(fù)合材料大尺寸厚板的高效軋制。

最后，板材終軋狀態(tài)對后續(xù)的熱處理強(qiáng)化影響顯著。對復(fù)合材料，增強(qiáng)相會影響終軋后基體中的位錯(cuò)密度等微觀結(jié)構(gòu)特征，因此終軋條件對隨后熱處理時(shí)形成的晶粒度以及第二相分布等因素的影響比未增強(qiáng)的鋁合金更為顯著，從而影響力學(xué)與耐腐蝕性，然而以往的研究報(bào)道很少關(guān)注于此，因此復(fù)合材料板材性能的控制缺乏依據(jù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中鋁基復(fù)合材料軋制過程中存在的上述不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種鋁基復(fù)合材料板材的軋制方法，該方法中規(guī)定了軋制所需的坯錠狀態(tài)和特征，并提供了細(xì)致的軋制方案與關(guān)鍵參數(shù)，從而更加準(zhǔn)確地控制鋁基復(fù)合材料板材的組織和性能，并且提高軋制效率，可適用于不同尺寸的板材制備，可以提高板材的性能與成材率，而且特別適用于大尺寸厚板的軋制。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種鋁基復(fù)合材料板材的軋制方法，該方法是針對鋁基復(fù)合材料坯錠進(jìn)行軋制，軋制過程包括如下步驟：

(1)對鋁基復(fù)合材料坯錠采用多方向自由鍛壓或擠壓技術(shù)制備成板坯；

(2)在動態(tài)再結(jié)晶溫度區(qū)間軋制開坯，其中：開坯變形率為5～25％，優(yōu)選10～20％，軋制速度為40～80m·min^-1，優(yōu)選50～70m·min^-1。

(3)經(jīng)過步驟(2)軋制后的板材在動態(tài)回復(fù)溫度區(qū)間進(jìn)行軋制；其中：道次變形率為10～35％，優(yōu)選15～30％，軋制速度30～80m·min^-1，優(yōu)選40～60m·min^-1。

(4)接近成品板厚度時(shí)(即與成品板厚度相差5-15％時(shí))，改用中低溫軋制定尺，終軋變形率控制為5～10％，軋制速度為10～60m·min^-1，優(yōu)選15～40m·min^-1。

所述鋁基復(fù)合材料坯錠采用粉末冶金或攪拌鑄造法制備而成，坯錠致密度為96～100％，而且組織與化學(xué)成分均勻。

所述鋁基復(fù)合材料是由基體與增強(qiáng)相組成，基體為任意牌號變形鋁合金或改進(jìn)型鋁合金，增強(qiáng)相為陶瓷增強(qiáng)相(SiC、Al₂O₃、B₄C、TiC等)或碳納米管增強(qiáng)相；如為陶瓷增強(qiáng)相，則陶瓷增強(qiáng)相在鋁基復(fù)合材料中的體積含量為10～40％；如為碳納米管增強(qiáng)相，則碳納米管增強(qiáng)相在鋁基復(fù)合材料中的體積含量為0.5～10％。

所述動態(tài)再結(jié)晶溫度區(qū)間為400～500℃，優(yōu)選420～480℃；所述動態(tài)回復(fù)溫度區(qū)間為300～400℃，優(yōu)選320～380℃。

步驟(3)軋制過程中，換向軋制時(shí)，每次換向的第一道次軋制在動態(tài)再結(jié)晶溫度區(qū)間進(jìn)行，變形量控制在5～20％(該方向進(jìn)行的其他道次軋制在動態(tài)回復(fù)溫度區(qū)間進(jìn)行)。

步驟(4)中，終軋溫度為150～300℃，優(yōu)選180～250℃。

所軋制的鋁基復(fù)合材料成品板厚度為1～150mm。

本發(fā)明與已經(jīng)報(bào)道的資料文獻(xiàn)相比，不同之處在于：

(1)嚴(yán)格控制原始坯錠的質(zhì)量，并進(jìn)一步通過擠壓或多方向自由鍛造提升致密度、改善坯錠組織，從而使板坯性能得到改善，使之能承受軋輥剪切作用產(chǎn)生的剪切與拉應(yīng)力，因而能在較大變形率下軋制而不開裂。此外，板坯原始質(zhì)量優(yōu)良，不需通過軋制來密化，從而能使軋制在較低溫度下進(jìn)行，有利于控制變形組織從而改善材料性能。

(2)除了采用擠壓板坯，還使用多方向自由鍛造制備板坯。相比擠壓板坯，對坯錠直接鍛造，可獲得大截面尺寸板坯，因而能制備大尺寸厚板。本方法可制備尺寸達(dá)150×1500×2000mm的厚板。此外，多方向自由鍛坯錠可以降低板坯各向異性，開坯時(shí)不容易產(chǎn)生開裂。

(3)采用兩段式溫度軋制。動態(tài)再結(jié)晶溫度下軋制易于改變增強(qiáng)相取向并減輕織構(gòu)，從而降低板坯各向異性，避免垂直擠壓方向軋制或換向軋制時(shí)開裂。而動態(tài)回復(fù)溫度比動態(tài)再結(jié)晶溫度低，基體軟化程度相對較小，增強(qiáng)相在基體中的運(yùn)動阻力較大，因此在大變形率下軋制不易發(fā)生增強(qiáng)相偏聚，從而提高板材性能，同時(shí)提高軋制效率。

(5)規(guī)定了較準(zhǔn)確的軋制速度范圍，對變形熱和散熱導(dǎo)致的溫升進(jìn)行控制，并縮小了軋制溫度范圍，因而能準(zhǔn)確地控制變形機(jī)制，從而控制變形組織。

(6)終軋溫度和速度較低，不僅提高板材表面質(zhì)量和尺寸精度，而且較小的變形率可避免形成高密度位錯(cuò)，從而抑制后續(xù)熱處理時(shí)可能的異常晶粒長大，避免第二相沿位錯(cuò)線優(yōu)先形核而形成粗大、不均勻分布的第二相，有利于保證板材的強(qiáng)度、耐疲勞性與耐腐蝕性。此外，終軋變形在較低溫度下，小變形率可以避免產(chǎn)生裂紋等缺陷的可能性，特別是高含量增強(qiáng)相的板材，有利于提高成材率。

具體實(shí)施方式：

為了進(jìn)一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明提供的鋁合金及其與增強(qiáng)相復(fù)合制備鋁基復(fù)合材料的方法進(jìn)行詳細(xì)說明，本發(fā)明的保護(hù)范圍不受以下實(shí)施例的限制。

實(shí)施例1

采用平均粒徑10μm的SiC顆粒和2009Al粉末共混，SiC顆粒體積含量20％，制備大厚度板材。步驟如下：

(1)使用真空熱壓或熱等靜壓制坯，致密度為99％～100％，坯錠直徑450mm，高度650mm。

(2)使用2000噸液壓機(jī)沿坯錠軸向自由鐓粗至260mm、沿徑向?qū)⑴麇V規(guī)方，并機(jī)加工成500×800×250mm的方板坯。

(3)板坯在470℃下保溫4h，取出沿500mm方向開坯，開坯變形率10-20％，軋制速度60m·min^-1。厚度從250mm減至220mm。

(4)開坯后的板重新加熱到350℃條件下保溫1h，取出沿開坯方向軋制，軋制速度50m·min^-1，每道次厚度壓下量30％，2道次后軋制成1146×800×110mm板材，道次間在350℃條件下保溫0.5h。

(5)將板材冷卻加熱到200℃下保溫1h，取出沿800mm方向軋制，軋制速度20m·min^-1，將厚度減至100mm，獲得1250×800×100mm的厚板。

(6)將厚板在490℃下固溶1h并淬水，放在2000噸液壓機(jī)下加壓校直消除淬火變形。

上述復(fù)合材料板沿任意方向取樣測試，抗拉強(qiáng)度達(dá)550～580MPa，屈服強(qiáng)度400～420MPa，延伸率5～8％，彈性模量105±1GPa。沿軋制方向測試軸向疲勞強(qiáng)度380MPa(R＝0.1，K_t＝1，50Hz@10⁷)

實(shí)施例2

采用平均粒徑1.5μm的SiC顆粒和6092Al粉末共混，SiC顆粒體積含量25％，制備寬幅薄板。步驟如下：

(1)使用真空熱壓或熱等靜壓制坯，致密度為99％～100％，坯錠直徑200mm，高度150mm。

(2)使用800噸液壓機(jī)沿坯錠軸向自由鐓粗至55mm、沿徑向?qū)⑴麇V規(guī)方，并機(jī)加工成500×188×50mm的方板坯。

(3)板坯在480℃下保溫2h，取出沿188mm方向開坯，開坯變形率10-20％，軋制速度60m·min^-1。厚度從50mm減至45mm。

(4)開坯后的板重新加熱到360℃保溫2h，取出沿開坯方向軋制，軋制速度50m·min^-1，每道次厚度壓下量30％，3道次后軋制成500×627×15mm板材，道次間在360℃下保溫0.5h。

(5)將板材加熱到480℃保溫1h，取出換向90°，軋制速度60m·min^-1，一道次軋制成624×627×12mm板材。

(6)將板材加熱到360℃保溫0.5h，沿?fù)Q向后方向繼續(xù)軋制，軋制速度50m·min^-1，每道次厚度壓下量30％，5道次后軋制成3400×627×2.2mm板材。

(7)將板材加熱到180℃下保溫1h，取出沿3500mm方向軋制，軋制速度20m·min^-1，將厚度減至2.0mm，裁剪獲得3700×600×2mm的薄板，成材率94％。

(8)將薄板在520℃下固溶1h并淬水，放在多輥校直機(jī)上校直消除淬火變形。

上述復(fù)合材料板沿任意方向取樣測試，抗拉強(qiáng)度達(dá)540～580MPa，屈服強(qiáng)度430～480MPa，延伸率4～6％，彈性模量115±1GPa。沿軋制方向測試軸向疲勞強(qiáng)度400MPa(R＝0.1，K_t＝1，50Hz@10⁷)

實(shí)施例3

采用平均粒徑5μm的B₄C顆粒和6063Al粉末共混，B₄C顆粒體積含量35％，制備寬幅薄板。步驟如下：

(1)使用真空熱壓或熱等靜壓制坯，致密度為99％～100％，坯錠直徑160mm，高度200mm。

(2)使用800噸液壓機(jī)沿坯錠軸向自由鐓粗至52mm、沿徑向?qū)⑴麇V規(guī)方，并機(jī)加工成420×190×50mm的方板坯。

(3)板坯在460℃下保溫1h，取出沿190mm方向開坯，開坯變形率10-20％，軋制速度60m·min^-1。厚度從50mm減至42mm。

(4)開坯后的板重新加熱到360℃保溫0.5h，取出沿開坯方向軋制，軋制速度45m·min^-1，每道次厚度壓下量30％，10道次后軋制成420×4300×2.2mm板材，道次間在360℃下保溫20min。

(5)將板材加熱到180℃保溫0.5h，取出沿4300mm方向軋制，軋制速度20m·min^-1，將厚度減至2.0mm，裁剪獲得4500×400×2mm的薄板，成材率超過89％。

(6)將薄板在400℃下退火4h，放在多輥校直機(jī)上校直。

上述復(fù)合材料板沿任意方向取樣測試，抗拉強(qiáng)度達(dá)300～350MPa，屈服強(qiáng)度230～280MPa，延伸率3～5％，浸泡在90℃、濃度25ppm的硼酸水溶液中8000h，無點(diǎn)蝕發(fā)生，腐蝕失重率小于0.2％。

實(shí)施例4

采用平均粒徑10μm的SiC顆粒和2024Al粉末共混，SiC顆粒體積含量15％，制備寬幅薄板。步驟如下：

(1)使用真空熱壓或熱等靜壓制坯，致密度為99％～100％，坯錠直徑420mm，高度500mm。

(2)使用5500噸臥式擠壓機(jī)將坯錠擠壓成截面尺寸為250×40的帶板(擠壓比約14：1)，將帶板切斷為250×40×600mm板坯。

(3)板坯在480℃下保溫2h，取出沿寬度方向開坯，開坯變形率10-20％，軋制速度60m·min^-1。厚度從40mm減至32mm。

(4)開坯后的板重新加熱到360℃保溫0.5h，取出沿開坯方向軋制，軋制速度50m·min^-1，每道次厚度壓下量30％，3道次后軋制成1000×600×10mm板材，道次間在360℃下保溫0.5h。

(5)將板材加熱到480℃保溫1h，取出換向90°，軋制速度60m·min^-1，一道次軋制成1000×660×9mm板材。

(6)板重新加熱到360℃保溫0.5h，取出沿寬度方向軋制，軋制速度50m·min^-1，每道次厚度壓下量30％，3道次后軋制成1000×1850×3.2mm板材，道次間在360℃下保溫0.5h。

(7)將板材加熱到180℃保溫0.5h，取出沿1850mm方向軋制，軋制速度20m·min^-1，將厚度減至3.0mm，裁剪獲得1900×1000×3mm的薄板，成材率超過95％。

(8)將薄板在490℃下固溶1h并淬水，并使用多輥校直機(jī)消除淬火變形，自然時(shí)效10天。

上述復(fù)合材料板沿任意方向取樣測試，抗拉強(qiáng)度達(dá)520～540MPa，屈服強(qiáng)度380～420MPa，延伸率5～8％，彈性模量98±1GPa，軸向疲勞強(qiáng)度330MPa(R＝0.1，K_t＝1，50Hz@10⁷)

以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過參照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍。