一种高强度铝型材及其制备方法

技术领域

本发明涉及铝型材的制备领域，具体而言，涉及一种高强度铝型材及其制备方法。

背景技术

铝加工业紧密结合市场和科学发展的需求，使传统铝加工材已经逐步完成了向现代化铝加工材的转变，铝加工材品种已发生了巨大变化，铝合金可以根据铝合金的组合物以及是否经过热处理或机械处理而获得广泛的性能，如强度、延展性、电导率和耐腐蚀性等。但是在制备铝合金领域，依然存在以下问题：在制备铝合金的过程中容易出现柱状晶粒在构建制品时具有许多微层成核长大，通过微层而连续地进行热循环，可能产生残余应力，使得铝合金强度性能差，导致铝合金容易出现开裂、扭曲或变形的问题，而且其表面容易腐蚀变色，无法保证光洁度，美观性较差。

综上，在制备铝合金领域，仍然存在亟待解决的上述问题。

发明内容

基于此，为了解决现有技术中铝合金强度差，容易出现开裂、扭曲或变形的问题，本发明提供了一种高强度铝型材，具体技术方案如下：

一种高强度铝型材，所述铝型材包括第一金属层、第二金属层以及第三金属层，所述第二金属层设置于所述第一金属层的一侧，所述第三金属层设置于所述第一金属层的另一侧，且所述第一金属层、所述第二金属层以及所述第三金属层一体成型；所述第二金属层和所述第三金属层的厚度之和不超过所述第一金属层的厚度的3％-10％；

其中，按照质量百分比，所述第一金属层包括以下金属元素：Si 0.51％-0.81％、Mg 0.52％-0.82％、Cu 0.03％-0.25％、Fe 0.02％-0.08％、La 0.01％-0.16％、Mn 0.05-0.25％、Mo 0.01％-0.08％，余量为Al和不可避免的杂质；所述第二金属层以及所述第三金属层均包括以下金属元素：Ni 30％-40％、Mn 2％-18％、Si 5％-10％、Al 35％-50％，余量为不可避免的杂质。

进一步地，所述第一金属层中，所述Fe与Mn的质量比小于3.0。

进一步地，所述第一金属层中，所述Mo与Mg的质量比小于1.3。

进一步地，所述第一金属层的杂质含量小于等于0.05％。

进一步地，所述第一金属层以及所述第三金属层中不可避免的杂质含量均小于等于0.05％。

本发明还提供一种高强度铝型材的制备方法，包括以下步骤：

按照所述第一金属层的成分配比，将铝锭放置于熔化炉中加热至熔化，获得第一金属液；

继续往所述熔化炉中投入速溶硅、镁锭、纯铜、铝铁合金、镧锭、铝锰合金以及钼锭，升温至700℃-950℃，搅拌均匀后，获得第二金属液；

对所述第二金属液喷吹精炼进行除气除杂处理，在线变质处理后，在铸造温度为700℃-800℃的条件下半连续铸造成铝合金铸锭；

将所述铝合金铸锭挤压成型，然后放置于温度为200℃-300℃的条件下，保温1h-5h，淬火后得到第一金属层；

按照所述第二金属层以及第三金属层的成分配比，将镍锭、铝锰合金、速溶硅以及铝锭放置熔化铸造室中，在650℃-920℃的条件下加热熔解，获得第三金属液，并保持熔融状态，备用；

所述熔化铸造室相邻的端口处设置感应加热线圈，将所述第一金属层加热，在20s内将加热的所述第一金属层移至所述熔化铸造室内，在所述第一金属层的一侧涂覆所述第三金属液，然后移至真空箱中放置1h-3h，再次将所述第一金属层移至所述熔化铸造室内，在所述第一金属层的另一侧涂覆所述第三金属液，涂覆完成后再次移至真空箱中放置1h-3h，冷却至室温，得到高强度铝型材。

进一步地，所述铝锭放置于熔化炉中的加热温度为720℃-900℃。

进一步地，所述半连续铸造的铸造速度为45mm/min-80mm/min，冷却水压力为0.2Mpa-0.6Mpa。

进一步地，将所述第一金属层的加热至250℃-450℃。

进一步地，所述真空箱中的压力为2Pa-25Pa，所述真空箱中的温度为40℃-85℃。

上述方案中通过优化铝型材的层间成分以及成分配比，有助于提高制备铝合金的强度；在第一金属层两侧分别设置第二金属层以及第三金属层一体成型，不仅能保证制备的铝型材具有优异的成型性，还能明显促进制备铝型材的强度，大大提高其加工性能，降低铝型材出现开裂、扭曲或变形的概率，保证铝型材的加工质量。

具体实施方式

为了使得本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合其实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明一实施例中的一种高强度铝型材，所述铝型材包括第一金属层、第二金属层以及第三金属层，所述第二金属层设置于所述第一金属层的一侧，所述第三金属层设置于所述第一金属层的另一侧，且所述第一金属层、所述第二金属层以及所述第三金属层一体成型；所述第二金属层和所述第三金属层的厚度之和不超过所述第一金属层的厚度的3％-10％；

其中，按照质量百分比，所述第一金属层包括以下金属元素：Si 0.51％-0.81％、Mg 0.52％-0.82％、Cu 0.03％-0.25％、Fe 0.02％-0.08％、La 0.01％-0.16％、Mn 0.05-0.25％、Mo 0.01％-0.08％，余量为Al和不可避免的杂质；所述第二金属层以及所述第三金属层均包括以下金属元素：Ni 30％-40％、Mn 2％-18％、Si 5％-10％、Al 35％-50％，余量为不可避免的杂质。

在其中一个实施例中，所述第一金属层中，所述Fe与Mn的质量比小于3.0。通过限定Fe与Mn的比例，能改善制备铝型材的可成型性并提供其铸造强度。

在其中一个实施例中，所述第一金属层中，所述Mo与Mg的质量比小于1.3。通过限定Mo与Mg的比例，能保证制备铝型材的成型性，还能提高铝型材的屈服强度，使得具有更广泛的应用。

在其中一个实施例中，所述第一金属层的杂质含量小于等于0.05％。

在其中一个实施例中，所述第一金属层以及所述第三金属层中不可避免的杂质含量均小于等于0.05％。

在其中一个实施例中，本发明还提供一种高强度铝型材的制备方法，包括以下步骤：

按照所述第一金属层的成分配比，将铝锭放置于熔化炉中加热至熔化，获得第一金属液；

继续往所述熔化炉中投入速溶硅、镁锭、纯铜、铝铁合金、镧锭、铝锰合金以及钼锭，升温至700℃-950℃，搅拌均匀后，获得第二金属液；

对所述第二金属液喷吹精炼进行除气除杂处理，在线变质处理后，在铸造温度为700℃-800℃的条件下半连续铸造成铝合金铸锭；

将所述铝合金铸锭挤压成型，然后放置于温度为200℃-300℃的条件下，保温1h-5h，淬火后得到第一金属层；

按照所述第二金属层以及第三金属层的成分配比，将镍锭、铝锰合金、速溶硅以及铝锭放置熔化铸造室中，在650℃-920℃的条件下加热熔解，获得第三金属液，并保持熔融状态，备用；

所述熔化铸造室相邻的端口处设置感应加热线圈，将所述第一金属层加热，在20s内将加热的所述第一金属层移至所述熔化铸造室内，在所述第一金属层的一侧涂覆所述第三金属液，然后移至真空箱中放置1h-3h，再次将所述第一金属层移至所述熔化铸造室内，在所述第一金属层的另一侧涂覆所述第三金属液，涂覆完成后再次移至真空箱中放置1h-3h，冷却至室温，得到高强度铝型材。

在其中一个实施例中，所述铝锭放置于熔化炉中的加热温度为720℃-900℃。

在其中一个实施例中，所述半连续铸造的铸造速度为45mm/min-80mm/min，冷却水压力为0.2Mpa-0.6Mpa。

在其中一个实施例中，将所述第一金属层的加热至250℃-450℃。

在其中一个实施例中，所述真空箱中的压力为2Pa-25Pa，所述真空箱中的温度为40℃-85℃。

上述方案中通过优化铝型材的层间成分以及成分配比，有助于提高制备铝合金的强度；在第一金属层两侧分别设置第二金属层以及第三金属层一体成型，不仅能保证制备的铝型材具有优异的成型性，还能明显促进制备铝型材的强度以及耐腐蚀性，大大提高其加工性能，降低铝型材出现开裂、扭曲或变形的概率，保证铝型材的加工质量。另外，将涂覆完成后的第一金属层放置真空箱中，能促进层间渗透，使得层间一体成型，进一步提高其加工性能。

下面将结合具体实施例对本发明的实施方案进行详细描述。

实施例1：

一种高强度铝型材的制备方法，包括以下步骤：

按照第一金属层的成分配比，将铝锭放置于熔化炉中加热至720℃，熔化后获得第一金属液；

继续往所述熔化炉中投入速溶硅、镁锭、纯铜、铝铁合金、镧锭、铝锰合金以及钼锭，升温至950℃，搅拌均匀后，获得第二金属液；

对所述第二金属液喷吹精炼进行除气除杂处理，在线变质处理后，在铸造温度为700℃、铸造速度为45mm/min，冷却水压力为0.2Mpa的条件下半连续铸造成铝合金铸锭；

将所述铝合金铸锭挤压成型，然后放置于温度为200℃的条件下，保温1h，淬火后得到厚度为20mm的第一金属层；

按照第二金属层以及第三金属层的成分配比，将镍锭、铝锰合金、速溶硅以及铝锭放置熔化铸造室中，在650℃的条件下加热熔解，获得第三金属液，并保持熔融状态，备用；

所述熔化铸造室相邻的端口处设置感应加热线圈，将所述第一金属层加热至250℃，在20s内将加热的所述第一金属层移至所述熔化铸造室内，在所述第一金属层的一侧涂覆所述第三金属液，然后移至压力为2Pa、温度为40℃的真空箱中放置1h-3h，使得所述第一金属层的一侧形成厚度为1mm的第二金属层，再次将所述第一金属层移至所述熔化铸造室内，在所述第一金属层的另一侧涂覆所述第三金属液，涂覆完成后再次移至压力为2Pa、温度为40℃的真空箱中放置3h，使得所述第一金属层的另一侧形成厚度为1mm的第三金属层，冷却至室温，得到高强度铝型材。

需要说明的是：在本实施例中，按照质量百分比，所述第一金属层包括以下制备原料：Si 0.51％、Mg 0.52％、Cu 0.25％、Fe 0.02％、La 0.16％、Mn 0.05％、Mo 0.01％，Al98.48％；所述第一金属层以及所述第三金属层均包括以下制备原料：Ni 30％、Mn 18％、Si5％、Al 46.9％，余量为不可避免的杂质。

实施例2：

一种高强度铝型材的制备方法，包括以下步骤：

按照第一金属层的成分配比，将铝锭放置于熔化炉中加热至900℃，熔化后获得第一金属液；

继续往所述熔化炉中投入速溶硅、镁锭、纯铜、铝铁合金、镧锭、铝锰合金以及钼锭，升温至950℃，搅拌均匀后，获得第二金属液；

对所述第二金属液喷吹精炼进行除气除杂处理，在线变质处理后，在铸造温度为800℃、铸造速度为80mm/min，冷却水压力为0.6Mpa的条件下半连续铸造成铝合金铸锭；

将所述铝合金铸锭挤压成型，然后放置于温度为300℃的条件下，保温1h，淬火后得到厚度为20mm第一金属层；

按照第二金属层以及第三金属层的成分配比，将镍锭、铝锰合金、速溶硅以及铝锭放置熔化铸造室中，在650℃的条件下加热熔解，获得第三金属液，并保持熔融状态，备用；

所述熔化铸造室相邻的端口处设置感应加热线圈，将所述第一金属层加热至450℃，在20s内将加热的所述第一金属层移至所述熔化铸造室内，在所述第一金属层的一侧涂覆所述第三金属液，然后移至压力为25Pa、温度为85℃的真空箱中放置1h，使得所述第一金属层的一侧形成厚度为1mm的第二金属层，再次将所述第一金属层移至所述熔化铸造室内，在所述第一金属层的另一侧涂覆所述第三金属液，涂覆完成后再次移至压力为25Pa、温度为85℃的真空箱中放置1h，使得所述第一金属层的另一侧形成厚度为1mm的第三金属层，冷却至室温，得到高强度铝型材。

需要说明的是：在本实施例中，按照质量百分比，所述第一金属层包括以下制备原料：Si 0.81％、Mg 0.82％、Cu 0.25％、Fe0.08％、La 0.16％、Mn 0.05％、Mo 0.08％、Al97.75％；所述第一金属层以及所述第三金属层均包括以下制备原料：Ni 40％、Mn 2％、Si10％、Al 47.7％，余量为不可避免的杂质。

实施例3：

一种高强度铝型材的制备方法，包括以下步骤：

按照第一金属层的成分配比，将铝锭放置于熔化炉中加热至850℃，熔化后获得第一金属液；

继续往所述熔化炉中投入速溶硅、镁锭、纯铜、铝铁合金、镧锭、铝锰合金以及钼锭，升温至850℃，搅拌均匀后，获得第二金属液；

对所述第二金属液喷吹精炼进行除气除杂处理，在线变质处理后，在铸造温度为750℃、铸造速度为65mm/min，冷却水压力为0.4Mpa的条件下半连续铸造成铝合金铸锭；

将所述铝合金铸锭挤压成型，然后放置于温度为250℃的条件下，保温3h，淬火后得到厚度为20mm第一金属层；

按照第二金属层以及第三金属层的成分配比，将镍锭、铝锰合金、速溶硅以及铝锭放置熔化铸造室中，在860℃的条件下加热熔解，获得第三金属液，并保持熔融状态，备用；

所述熔化铸造室相邻的端口处设置感应加热线圈，将所述第一金属层加热至370℃，在20s内将加热的所述第一金属层移至所述熔化铸造室内，在所述第一金属层的一侧涂覆所述第三金属液，然后移至压力为22Pa、温度为67℃的真空箱中放置2h，使得所述第一金属层的另一侧形成厚度为1mm的第二金属层，再次将所述第一金属层移至所述熔化铸造室内，在所述第一金属层的另一侧涂覆所述第三金属液，涂覆完成后再次移至压力为22Pa、温度为67℃的真空箱中放置2h，使得所述第一金属层的另一侧形成厚度为1mm的第三金属层，冷却至室温，得到高强度铝型材。

需要说明的是：在本实施例中，按照质量百分比，所述第一金属层包括以下制备原料：Si 0.62％、Mg 0.63％、Cu0.06％、Fe 0.04％、La 0.12％、Mn 0.21％、Mo 0.04％、Al98.28％；所述第一金属层以及所述第三金属层均包括以下制备原料：Ni 35％、Mn 12％、Si6％、Al 46.8％，余量为不可避免的杂质。

对比例1：

一种高强度铝型材的制备方法，包括以下步骤：

将铝锭放置于熔化炉中加热至850℃，熔化后获得第一金属液；

继续往所述熔化炉中投入速溶硅、镁锭、纯铜、铝铁合金、镧锭、铝锰合金以及钼锭，升温至850℃，搅拌均匀后，获得第二金属液；

对所述第二金属液喷吹精炼进行除气除杂处理，在线变质处理后，在铸造温度为750℃、铸造速度为65mm/min，冷却水压力为0.4Mpa的条件下半连续铸造成铝合金铸锭；

将所述铝合金铸锭挤压成型，然后放置于温度为250℃的条件下，保温3h，淬火后得到厚度为20mm的铝型材。

该对比例中制备的铝型材包括以下质量百分比的制备原料：Si 0.62％、Mg0.63％、Cu0.06％、Fe 0.04％、La 0.12％、Mn 0.21％、Mo 0.04％、Al 98.28％。

对比例2：

一种高强度铝型材的制备方法，包括以下步骤：

按照第一金属层的成分配比，将铝锭放置于熔化炉中加热至850℃，熔化后获得第一金属液；

继续往所述熔化炉中投入速溶硅、镁锭、纯铜、铝铁合金、镧锭、铝锰合金以及钼锭，升温至850℃，搅拌均匀后，获得第二金属液；

对所述第二金属液喷吹精炼进行除气除杂处理，在线变质处理后，在铸造温度为750℃、铸造速度为65mm/min，冷却水压力为0.4Mpa的条件下半连续铸造成铝合金铸锭；

将所述铝合金铸锭挤压成型，然后放置于温度为250℃的条件下，保温3h，淬火后得到厚度为20mm的第一金属层；

按照第二金属层以及第三金属层的成分配比，将镍锭、铝锰合金、速溶硅以及铝锭放置熔化铸造室中，在860℃的条件下加热熔解，获得第三金属液，并保持熔融状态，备用；

所述熔化铸造室相邻的端口处设置感应加热线圈，将所述第一金属层加热至370℃，在20s内将加热的所述第一金属层移至所述熔化铸造室内，在所述第一金属层的一侧涂覆所述第三金属液，使得所述第一金属层的一侧形成厚度为1mm的第二金属层，再次将所述第一金属层移至所述熔化铸造室内，在所述第一金属层的另一侧涂覆所述第三金属液，使得所述第一金属层的另一侧形成厚度为1mm的第三金属层，冷却至室温，得到铝型材。

该对比例中制备的铝型材中，按照质量百分比，所述第一金属层包括以下制备原料：Si 0.62％、Mg 0.63％、Cu0.06％、Fe 0.04％、La 0.12％、Mn 0.21％、Mo 0.04％、Al98.28％；所述第一金属层以及所述第三金属层均包括以下制备原料：Ni 35％、Mn 12％、Si6％、Al 46.8％，余量为不可避免的杂质。

对比例3：

一种高强度铝型材的制备方法，包括以下步骤：

按照第一金属层的成分配比，将铝锭放置于熔化炉中加热至850℃，熔化后获得第一金属液；

继续往所述熔化炉中投入速溶硅、镁锭、纯铜、铝铁合金、镧锭、铝锰合金以及钼锭，升温至850℃，搅拌均匀后，获得第二金属液；

对所述第二金属液喷吹精炼进行除气除杂处理，在线变质处理后，在铸造温度为750℃、铸造速度为65mm/min，冷却水压力为0.4Mpa的条件下半连续铸造成铝合金铸锭；

将所述铝合金铸锭挤压成型，然后放置于温度为250℃的条件下，保温3h，淬火后得到厚度为20mm的第一金属层；

按照第二金属层的成分配比，将镍锭、铝锰合金、速溶硅以及铝锭放置熔化铸造室中，在860℃的条件下加热熔解，获得第三金属液，并保持熔融状态，备用；

所述熔化铸造室相邻的端口处设置感应加热线圈，将所述第一金属层加热至370℃，在20s内将加热的所述第一金属层移至所述熔化铸造室内，在所述第一金属层的一侧涂覆所述第三金属液，然后移至压力为22Pa、温度为67℃的真空箱中放置2h，使得所述第一金属层的一侧形成厚度为1mm的第二金属层，冷却至室温，得到铝型材。

该对比例中制备的铝型材中，按照质量百分比，所述第一金属层包括以下制备原料：Si 0.62％、Mg 0.63％、Cu0.06％、Fe 0.04％、La 0.12％、Mn 0.21％、Mo 0.04％、Al98.28％；所述第一金属层以及所述第三金属层均包括以下制备原料：Ni 35％、Mn 12％、Si6％、Al 46.8％，余量为不可避免的杂质。

对实施例1-3制备的高强度铝型材以及对比例1-3制备的铝型材的可塑性以及腐蚀性，记录如下表1所示。

其中，耐腐蚀性参考GB/T10125-2012；可塑性为将实施例1-3制备的高强度铝型材以及对比例1-3制备的铝型材分别加工成不同形状的铝制品，观察铝制品的成型特性(主观性)。

表1：

(备注：A-优、B-良、C-中、D-差划分)

由表1可知，通过对实施例1-3制备高强铝型材具有优异的耐腐蚀性以及可塑性，对比例1中仅仅为常规的铝型材加工工艺，但其耐腐蚀性比实施例1-3制备的高强铝型材的差，结合对比例1以及对比例3分析可知，在第一金属层的两侧分别设置第二金属层以及第三金属层，有助于提高制备铝型材的耐腐蚀性能，并有助于提高制备铝型材的可塑性，使其具有优异的加工性能。

对实施例1-3制备的高强度铝型材以及对比例1-3制备的铝型材的力学性能进行记录，如下表2所示。

表2：

由表2分析可知，实施例1-3制备的高强度铝型材的抗拉强度达485MPa以上，屈服强度达460MPa以上，断后伸长率达14％以上，而对比例1-3中制备的铝型材的抗拉强度、屈服强度以及断后伸长率明显比实施例1-3中制备的高强度铝型材的差，说明第二金属层以及第三金属层以及真空箱处理均会对制备铝型材的力学性能有影响。

对实施例1-3制备的高强度铝型材以及对比例2制备铝型材的层间附着力检测，测试结果如表3所示。

其中，测试方法为：将实施例1-3制备的高强度铝型材以及对比例2制备铝型材分别弯曲90°后扳直，弯曲部位等分成6等分面积，利用分光光度仪测量每等分内材料的RGB值，同时利用分光光度仪测量所述基准样板的RGB值；计算试样的弯曲部位各等分内材料的RGB值与所述基准样板的RGB值的偏移量Δ,并计算所有偏移量的平均值Δ，根据偏移量的平均值Δ来判断金属材料涂层附着性。

表3：

需要说明的是：Δ≤65.565时可判断铝型材层间的附着性优异，Δ＞65.565时可判断铝型材层间附着性差。因此，由表3的数据分析可知，实施例1-3制备的高强度铝型材具有优异的层间附着性，对比例2中中的铝型材未经过真空箱处理，导致铝型材的层间附着性较差，说明真空箱处理有助于提高制备铝型材的层间附着力。

在另外一些试验中，所述第一金属层和所述第三金属层的厚度之和不超过所述第二金属层的厚度的3％-10％，使得制备的铝型材在保证其可塑性的同时，还具有较高的强度。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。