CN115674813B - 一种叠层铝合金复合板材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属复合材料的制备加工技术领域，本发明提供了一种叠层铝合金复合板材及其制备方法。该制备方法包含下列步骤：对面板、中间板、背板进行均匀化处理；对面板、中间板、背板进行表面处理；将处理后的板材，按面板、中间板、背板顺序组合复合板，前后端用铆钉铆接；高温预热处理后快速对复合板进行大变形复合轧制，终轧采用强风冷或水淬的方式对复合板进行在线淬火，然后进行时效处理。高温大变形复合轧制提高了叠层铝合金复合板界面强度，轧制在线淬火省去了常规人工固溶工艺，缩短了工艺流程、效率高，可较好实现工业化；得到的叠层铝合金复合板材具有优异的力学性能，层间结合强度相对传统工艺有了很大提高。
Description
技术领域
本发明涉及金属复合材料的制备加工技术领域，尤其涉及一种叠层铝合金复合板材及其制备方法。
背景技术
装甲车辆防护材料要求具有加工性能好、轻量化、抗冲击性能好、焊接性能优异、耐腐蚀性能好等优点。目前，装甲车辆防护材料主要以均质装甲为主，即材料的化学成份、金相组织和机械性能等在截面上基本一致的装甲，但是均质装甲很难同时对各种反装甲武器都有效。虽然增加均质装甲的厚度可以提高其防护能力，但同时会增加装甲车辆的重量，导致车辆的灵活性下降。因此，为了进一步提高装甲车辆的抗弹性能，同时防护不同的反装甲武器，利用不同性能的材料制成复合装甲材料成为装甲材料开发的主要方向。复合装甲的性能具有可设计性，即在一定范围内可设计结构和材料，可以根据作战环境及使用部位的不同设计出一系列不同性能、不同质量与厚度的装甲，从而满足各种各样的使用要求，包括多层铝合金装甲、钛/铝多层复合装甲、钢/铝复合装甲等。虽然层状复合装甲具有一系列的优点，但存在制造技术复杂、成本高、层间结合力差等缺点，所以提供一种综合性能优异的层状装甲材料成为目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的问题，提供一种叠层铝合金复合板材及其制备方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种叠层铝合金复合板材的制备方法，包含下列步骤：
(1)对面板、中间板、背板独立顺次进行均匀化处理和表面处理，得到处理后的面板、处理后的中间板和处理后的背板；
(2)按照处理后的面板、处理后的中间板和处理后的背板的顺序进行层叠，得到组合板材；
(3)对组合板材顺次进行预热处理、轧制和在线淬火，得到复合板材；
(4)对复合板材进行时效处理，得到所述的叠层铝合金复合板材。
作为优选，步骤(1)所述面板的材质为7055铝合金、7050铝合金或7A62铝合金；所述中间板的材质为纯铝或7A01铝合金；所述背板的材质为7N01铝合金或7A52铝合金。
作为优选，步骤(1)所述均匀化处理的加热温度为465～475℃，保温时间为8～72h。
作为优选，步骤(1)所述表面处理为顺次进行的碱洗、水洗、酸洗和二次水洗。
作为优选，所述碱洗的溶液为NaOH溶液，所述碱洗的时间为3～10min，所述NaOH溶液的质量分数为5～15wt％；所述水洗的温度为80～100℃，所述水洗的时间为3～15min；所述酸洗的溶液为HNO3溶液，所述酸洗的时间为3～10min，所述HNO3溶液的质量分数为5～15wt％；所述二次水洗的温度为5～15℃，所述二次水洗的时间为3～15min。
作为优选，步骤(3)所述预热处理的温度为450～490℃，所述预热处理的时间为0.5～6h。
作为优选，步骤(3)所述轧制的压下率大于等于40％，所述轧制的终轧温度大于等于380℃；终轧时进行在线淬火；所述在线淬火的方式为水淬或风冷，所述水淬的温度为10～30℃；所述风冷的冷却速率大于等于6℃/s。
作为优选，步骤(4)所述时效处理的温度为100～140℃，所述时效处理的时间为6～48h。
本发明还提供了所述制备方法得到的叠层铝合金复合板材。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供了一种高界面结合强度的叠层铝合金复合板材短流程制备方法，对面板、中间板、背板进行均匀化处理；对面板、中间板、背板进行表面处理；将处理后的板材，按面板、中间板、背板顺序组合复合板，前后端用铆钉铆接；高温预热处理后快速对复合板进行大变形复合轧制，终轧采用强风冷或水淬的方式对复合板进行在线淬火，然后进行时效处理。高温大变形复合轧制提高了叠层铝合金复合板界面强度，本方法操作方便，大变形轧制复合+在线淬火省去了常规人工固溶工艺，缩短了工艺流程、效率高，可较好实现工业化。
2、本发明提供了一种叠层铝合金复合板材，具有优异的力学性能以及层间结合强度，层间结合强度相对传统工艺有了很大提高。
附图说明
图1为叠层铝合金复合板材的制备流程示意图；
图2为实施例1中叠层铝合金复合板材1背板的微观组织图；
图3为对比例1中叠层铝合金复合板材2背板的微观组织图。
具体实施方式
本发明提供了一种叠层铝合金复合板材的制备方法，包含下列步骤：
(1)对面板、中间板、背板独立顺次进行均匀化处理和表面处理，得到处理后的面板、处理后的中间板和处理后的背板；
(2)按照处理后的面板、处理后的中间板和处理后的背板的顺序进行层叠，得到组合板材；
(3)对组合板材顺次进行预热处理、轧制和在线淬火，得到复合板材；
(4)对复合板材进行时效处理，得到所述的叠层铝合金复合板材。
在本发明中，步骤(1)所述面板的材质优选为7055铝合金、7050铝合金或7A62铝合金；所述中间板的材质优选为纯铝或7A01铝合金；所述背板的材质优选为7N01铝合金或7A52铝合金。
在本发明中，步骤(1)所述均匀化处理的加热温度优选为465～475℃，进一步优选为467～473℃，更优选为470℃；保温时间优选为8～72h，进一步优选为18～62h，更优选为26～52h。
在本发明中，步骤(1)所述表面处理优选为顺次进行的碱洗、水洗、酸洗和二次水洗。
在本发明中，所述碱洗的溶液优选为NaOH溶液；所述碱洗的温度优选为20～30℃，进一步优选为22～28℃，更优选为24～26℃；所述碱洗的时间优选为3～10min，进一步优选为4～9min，更优选为6～7min；所述NaOH溶液的质量分数优选为5～15wt％，进一步优选为7～13wt％，更优选为9～11wt％；所述水洗的温度优选为80～100℃，进一步优选为85～95℃，更优选为90℃；所述水洗的时间优选为3～15min，进一步优选为5～13min，更优选为7～11min；所述酸洗的溶液优选为HNO3溶液；所述酸洗的温度优选为20～30℃，进一步优选为22～28℃，更优选为24～26℃；所述酸洗的时间优选为3～10min，进一步优选为4～9min，更优选为6～7min；所述HNO3溶液的质量分数优选为5～15wt％，进一步优选为7～13wt％，更优选为9～11wt％；所述二次水洗的温度优选为5～15℃，进一步优选为7～13℃，更优选为9～11℃；所述二次水洗的时间优选为3～15min，进一步优选为5～13min，更优选为7～11min。
在本发明中，表面处理结束后将处理后的面板、处理后的中间板和处理后的背板独立顺次进行吹干和界面打磨处理；所述界面打磨处理优选用钢丝刷进行。
在本发明中，步骤(2)所述层叠包含下列步骤：
在处理后的面板、处理后的中间板和处理后的背板前后端钻孔，按照处理后的面板、处理后的中间板和处理后的背板的顺序层叠后用铝合金铆钉铆接固定，得到复合板材。
在本发明中，步骤(3)所述预热处理的温度优选为450～490℃，进一步优选为460～480℃，更优选为470℃；所述预热处理的时间优选为0.5～6h，进一步优选为1～4h，更优选为2～3h。
在本发明中，步骤(3)所述轧制的压下率优选大于等于40％，进一步优选大于等于45％，更优选大于等于50％；所述轧制的终轧温度优选大于等于380℃，进一步优选大于等于385℃，更优选大于等于390℃。
在本发明中，终轧时进行在线淬火具体为：轧制结束后利用余热立即对复合板进行在线淬火；所述在线淬火的方式优选为水淬或风冷，所述水淬的温度优选为10～30℃，进一步优选为15～25℃，更优选为18～22℃；所述风冷的冷却速率优选大于等于6℃/s，进一步优选大于等于7℃/s，更优选大于等于8℃/s。
在本发明中，步骤(4)所述时效处理的温度优选为100～140℃，进一步优选为110～130℃，更优选为120℃；所述时效处理的时间优选为6～48h，进一步优选为12～40h，更优选为20～30h。
本发明还提供了所述制备方法得到的叠层铝合金复合板材。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将厚度为17mm的7A62铝合金面板、1mm厚纯铝合金中间板和17mm的7A52铝合金背板分别在468℃下进行均匀化处理36h；选用质量分数为10wt％的NaOH溶液在25℃下分别对三个板材碱洗5min，然后再分别用80℃水冲洗7min，再用质量分数为10wt％的HNO3溶液在25℃下酸洗5min，最后用10℃水冲洗8min，结束用热风吹干，用钢丝刷对界面进行打磨；在处理后的面板、处理后的中间板和处理后的背板前后端钻孔，按照处理后的面板、处理后的中间板和处理后的背板的顺序进行层叠，用铝合金铆钉铆接固定，得到复合板；将复合板在470℃下预热处理2h，取出后快速进行轧制，第一道次从35mm轧至17mm，第二道次从17mm轧至6mm，终轧温度为420℃，终轧时用20℃水淬；再在120℃下进行时效处理24h，得到厚度为6mm的叠层铝合金复合板材1，具体制备的流程图如图1所示。
设置对比例1，对比例1的条件具体为：控制其它条件不变，复合板在420℃下预热处理2h后取出，按照35mm→25mm→18mm→12mm→6mm，对复合板进行轧制，完成后将复合板在470℃下进行固溶处理2h，20℃水淬；再在120℃下进行时效处理24h，得到厚度为6mm的叠层铝合金复合板材2(即为传统工艺得到的板材)。
设置对比例2，对比例2的条件具体为：控制其它条件不变，复合板在470℃下预热处理2h后取出，按照35mm→25mm→18mm→12mm→6mm，对复合板进行轧制，完成后将复合板在470℃下进行固溶处理2h，20℃水淬；再在120℃下进行时效处理24h，得到厚度为6mm的叠层铝合金复合板材3。
采用硬度计测试叠层铝合金复合板材1、2、3的7A52、7A62维氏硬度，采用拉剪实验测试叠层铝合金层间剪切强度(通过层间剪切强度来反映板材的层间结合强度)，得到的结果如表1所示。对本实施例中叠层铝合金复合板材1和2的背板微观组织形貌进行表征，得到叠层铝合金复合板材1背板的微观组织图，如图2所示；叠层铝合金复合板材2背板的微观组织图，如图3所示。从表中可以看出，经过本发明制备的叠层板材，7A52铝合金硬度高于传统工艺，这主要是在线淬火保留了许多长条形的变形组织(图2所示)，而普通工艺的样品2中则出现了许多再结晶晶粒(图3所示)；层间剪切强度比叠层铝合金复合板材2和叠层铝合金复合板材3分别提高22.1％和30.6％。
表1力学性能对比表
实施例2
将厚度为20mm的7050铝合金面板、1mm的7A01铝合金中间板和15mm的7N01铝合金背板分别在470℃下进行均匀化处理60h；选用质量分数为13wt％的NaOH溶液在24℃下分别对三个板材碱洗6min，然后再分别用90℃水冲洗9min，再用质量分数为13wt％的HNO3溶液在27℃下酸洗6min，最后用13℃水冲洗6min，结束用热风吹干，用钢丝刷对界面进行打磨；在处理后的面板、处理后的中间板和处理后的背板前后端钻孔，按照处理后的面板、处理后的中间板和处理后的背板的顺序进行层叠，用铝合金铆钉铆接固定，得到复合板；对复合板在460℃下预热处理3h，取出后快速进行轧制，第一道次从36mm轧至17mm，第二道次从17mm轧至6mm，轧制完成后温度为395℃，终轧采用25℃水淬；再在110℃下进行时效处理32h，得到厚度为6mm的叠层铝合金复合板材。
设置本实施例的对比例，对比例的条件具体为：控制其它条件不变，复合板在420℃下预热处理2h后取出，按照36mm→25.5mm→18mm→12.5mm→6mm，对复合板进行轧制，完成后将复合板在470℃下进行固溶处理2h，25℃水淬；再在110℃下进行时效处理32h，得到厚度为6mm的叠层铝合金复合板材。
采用和实施例1一样的检测方法，得到本实施例中叠层铝合金复合板材的层间剪切强度为96.5MPa，层间结合强度比对比例提高15.7％。
实施例3
将厚度为18mm的7055铝合金面板、1.5mm的7A01铝合金中间板和16mm的7N01铝合金背板分别在472℃下进行均匀化处理27h；选用质量分数为7wt％的NaOH溶液在26℃下分别对三个板材碱洗8min，然后再分别用100℃水冲洗5min，再用质量分数为7wt％的HNO3溶液在22℃下酸洗8min，最后用14℃水冲洗10min，结束用热风吹干，用钢丝刷对界面进行打磨；在处理后的面板、处理后的中间板和处理后的背板前后端钻孔，按照处理后的面板、处理后的中间板和处理后的背板的顺序进行层叠，用铝合金铆钉铆接固定，得到复合板；对复合板在455℃下预热处理4h，取出后快速进行轧制，第一道次从35.5mm轧至17mm，第二道次从17mm轧至6mm，轧制完成后温度为386℃，终轧采用26℃水淬；再在130℃下进行时效处理12h，得到厚度为5.8mm的叠层铝合金复合板材。
设置本实施例的对比例，对比例的条件具体为：控制其它条件不变，将复合板在420℃下预热处理2h后取出，按照35.5mm→24.5mm→18.5mm→11.5mm→5.8mm，对复合板进行轧制，完成后将复合板在470℃下进行固溶处理2h，26℃水淬；再在130℃下进行时效处理12h，得到厚度为5.8mm的叠层铝合金复合板材。
采用和实施例1一样的检测方法，得到本实施例中叠层铝合金复合板材的层间剪切强度为98.2MPa，层间结合强度比对比例提高17.2％。
由以上实施例可知，本发明提供了一种叠层铝合金复合板材的制备方法，利用高温条件下金属良好的塑性加工性，采用高温大轧制变形提高了复合板的界面强度；采用在线淬火的工艺替代了传统离线人工固溶工艺，缩短了工艺流程、提高了加工效率；具有制备技术简单，易于实现工程化等特点，制备的叠层铝合金复合板材，具有优异的力学性能以及层间剪切强度，层间剪切结合强度大幅提升。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种叠层铝合金复合板材的制备方法，其特征在于，包含下列步骤：
(1)对面板、中间板、背板独立顺次进行均匀化处理和表面处理，得到处理后的面板、处理后的中间板和处理后的背板；
步骤(1)所述面板的材质为7055铝合金、7050铝合金或7A62铝合金；所述中间板的材质为纯铝或7A01铝合金；所述背板的材质为7N01铝合金或7A52铝合金；
步骤(1)所述均匀化处理的加热温度为465～475℃，保温时间为8～72h；
(2)按照处理后的面板、处理后的中间板和处理后的背板的顺序进行层叠，得到组合板材；
(3)对组合板材顺次进行预热处理、轧制和在线淬火，得到复合板材；
步骤(3)所述轧制的压下率大于等于40％，所述轧制的终轧温度为380～420℃；终轧时进行在线淬火；所述在线淬火的方式为水淬或风冷，所述水淬的温度为10～30℃；所述风冷的冷却速率大于等于6℃/s；
(4)对复合板材进行时效处理，得到所述的叠层铝合金复合板材；
步骤(4)所述时效处理的温度为100～140℃，所述时效处理的时间为12～48h。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述表面处理为顺次进行的碱洗、水洗、酸洗和二次水洗。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述碱洗的溶液为NaOH溶液，所述碱洗的时间为3～10min，所述NaOH溶液的质量分数为5～15wt％；所述水洗的温度为80～100℃，所述水洗的时间为3～15min；所述酸洗的溶液为HNO3溶液，所述酸洗的时间为3～10min，所述HNO3溶液的质量分数为5～15wt％；所述二次水洗的温度为5～15℃，所述二次水洗的时间为3～15min。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述预热处理的温度为450～490℃，所述预热处理的时间为0.5～6h。
5.权利要求1～4任意一项所述制备方法得到的叠层铝合金复合板材。
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