本发明涉及一种半固态+热挤压制备纳米颗粒增强al-cu二元合金的方法，属于铝合金制造领域。
背景技术：
1、铝合金因其密度低、成型性好、优良的导电性和导热性等特点而被广泛应用于交通运输、国防军工、航天航空、船舶制造等领域。其中2xxx系铝合金作为传统的可热处理强化的硬铝合金之一，因其广泛应用于飞机部分结构件及配件，素有“飞机合金”之称。而al-cu二元合金作为2xxx系铝合金的基础合金，在舍弃了诸多合金元素的条件下，其自身强度较低，在工业中应用范围极小。现阶段研究主要通过调控al-cu合金的热处理工艺和添加微量合金元素例如sc、y、ti、mn等来提高al-cu合金强度，但仍存在一定的不足，例如过长的时效周期所带来的巨大的能源损耗以及合金元素带来的成本提高。因此，采用异于传统固溶时效的新型加工工艺对al-cu二元合金性能的稳定提高具有重大意义。
2、目前变形态al-cu合金中al2cu颗粒多为微米级，现有变形技术很难进一步细化al2cu颗粒的尺寸。为了获得力学性能优良的颗粒增强al-cu合金，现有方法可通过提高cu的含量增加al-cu合金中的共晶相体积分数，但相应的会导致合金的延伸率降低，且将显著提高合金成本。实际应用中，要求铝合金具有优良的综合力学性能，因此开发兼具优良的屈服强度、拉伸强度和延伸率的高性能铝合金是一个亟待解决的问题。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种半固态+热挤压制备纳米颗粒增强al-cu二元合金的方法。该方法可制备兼具优良的屈服强度、拉伸强度和延伸率的高性能铝合金。
2、本发明实现其发明目的所采取的技术方案是：一种半固态+热挤压制备纳米颗粒增强al-cu二元合金的方法，其步骤如下：
3、a、按照设定的各组成元素的质量百分含量配比，制备铸态al-cu二元合金；所述设定的各组成元素的质量百分含量为：2-11％cu，不可避免的杂质元素含量≤0.1％，其余为al；
4、b、将步骤a制备的铸态al-cu二元合金进行退火处理；
5、c、将步骤b得到的经过退火处理的al-cu二元合金在350-450℃下保温2-4h后，进行热挤压，挤压温度为350-450℃，挤压速度为0.1-5mm/s，挤压比为9-30:1；
6、d、将步骤c得到的热挤压加工后的al-cu二元合金置于热处理炉中，随炉升温至540-630℃进行半固态等温处理，保温0.1-4h，然后水冷淬火；
7、e、将步骤d得到的al-cu二元合金在180-300℃下保温2-4h后，然后进行二次挤压，即可得到纳米颗粒增强al-cu二元合金；所述二次挤压的挤压温度为180-350℃，挤压速度为0.1-5mm/s，挤压比为9-60:1。
8、本发明的反应原理是：在al-cu二元合金的铸态微观组织中，共晶相al2cu多以微米级层片状共晶的形式分布于先凝固的α-al枝晶间。步骤a得到的铸态al-cu二元合金中共晶相形貌为微米级层片间距的共晶(α-al+al2cu)组织，经步骤b退火处理和步骤c热挤压加工后，使层片间距为微米级的共晶组织破碎为微米级al2cu颗粒；然后再通过步骤d处理使微米级al2cu颗粒转变为层片间距为纳米级的共晶(α-al+al2cu)组织；最后经过步骤e二次挤压后，使层片间距为纳米级的共晶组织破碎为纳米级al2cu颗粒，弥散的分布于α-al基体上，制备出兼具优良的屈服强度、拉伸强度和延伸率的高性能al-cu合金。
9、与现有技术相比，本发明的有益效果是：
10、一、步骤a设定的组成元素的质量百分含量保证了通过后续步骤b、c、d的加工处理，可获得共晶(α-al+al2cu)层片间距为纳米级的al-cu二元合金。步骤b退火处理可去除合金的应力，使其具有更好的变形加工性，再经过步骤c的热挤压可获得具有微米级al2cu颗粒的颗粒增强al-cu二元合金。步骤d对步骤c得到的具有微米级al2cu颗粒的颗粒增强al-cu二元合金进行半固态处理，通过对半固态处理温度和时间的控制，在短时间内获得了共晶(α-al+al2cu)层片间距为纳米级的al-cu二元合金。
11、二、本发明在获得共晶(α-al+al2cu)层片间距为纳米级的al-cu二元合金后，选择二次挤压的方法，使得纳米共晶相碎化成纳米级al2cu颗粒，弥散的分布于α-al基体上，获得了具有纳米级al2cu颗粒的颗粒增强al-cu二元合金。
12、总之，本发明在由传统铸造制备的al-cu二元合金的基础上，结合一次挤压、半固态处理和二次挤压工艺，实现了合金中第二相由微米级层片状至微米级颗粒状，再至纳米级层片状，最后至纳米级颗粒状的转变，获得了具有纳米级al2cu颗粒的颗粒增强al-cu二元合金，显著提高了al-cu二元合金的综合力学性能，大大扩展了al-cu二元合金的应用范围。
13、进一步，本发明制备方法所述步骤a制备铸态al-cu二元合金所设定的各组成元素的质量百分含量分别为：2.4-7.0％cu，不可避免的杂质元素含量≤0.1％，其余为al。
14、试验验证，上述元素的质量百分含量可制备稳定的共晶(α-al+al2cu)层片间距小于100nm的al-cu二元合金，同时无其它强化合金元素的添加也大大简化了合金的制备，并降低了合金的制备成本。
15、进一步，本发明制备方法所述步骤a制备铸态al-cu二元合金的具体操作是：按照设定的各组成元素的质量百分含量配比，将纯al置于坩埚中加热至690-780℃熔化后，加入al-cu二元中间合金，继续加热至720-760℃，搅拌2-5min后打渣，静置5-15min，待温度降至710-740℃时，进行浇注，即得铸态al-cu二元合金
16、进一步，本发明制备方法所述步骤b退火处理的退火温度为470-495℃，退火时间为15-24h。
17、进一步，本发明制备方法所述步骤c中的对步骤b得到的经过退火处理的al-cu二元合金进行热挤压的挤压比为9-15：1。
18、试验验证，上述挤压比可以使后续制备的半固态al-cu二元合金的层片厚度更加均匀，有利于制备稳定的纳米级层片厚度的al-cu二元合金，从而有利于制备各方面性能优异的具有纳米级al2cu颗粒的颗粒增强al-cu二元合金。
19、进一步，本发明制备方法所述步骤d中将步骤c得到的热挤压加工后的al-cu二元合金置于热处理炉中，随炉升温至540-590℃进行半固态等温处理，保温0.1-1.0h，然后水冷淬火。
20、试验验证，上述温度范围和保温时间更有利于制备稳定的纳米级层片间距的al-cu二元合金，从而有利于制备各方面性能优异的具有纳米级al2cu颗粒的颗粒增强al-cu二元合金。
21、进一步，本发明制备方法步骤d中水冷淬火的淬火介质为20-80℃的水。
22、试验验证，用上述温度范围的水进行淬火，得到的半固态al-cu二元合金的层片厚度更加均匀，有利于制备稳定的纳米级层片厚度的al-cu二元合金，从而有利于制备各方面性能优异的具有纳米级al2cu颗粒的颗粒增强al-cu二元合金。
23、进一步，本发明制备方法所述步骤e中二次挤压的挤压比为9-30：1。
24、试验验证，上述二次挤压的挤压比制备的al-cu二元合金的综合力学性能更优良，可制备出兼具优良的屈服强度、拉伸强度和延伸率的高性能al合金。
1.一种半固态+热挤压制备纳米颗粒增强al-cu二元合金的方法，其步骤如下：
2.根据权利要求1所述的一种半固态+热挤压制备纳米颗粒增强al-cu二元合金的方法，其特征在于：所述步骤a制备铸态al-cu二元合金所设定的各组成元素的质量百分含量分别为：2.4-7.0％cu，不可避免的杂质元素含量≤0.1％，其余为al。
3.根据权利要求1所述的一种半固态+热挤压制备纳米颗粒增强al-cu二元合金的方法，其特征在于：所述步骤a制备铸态al-cu二元合金的具体操作是：按照设定的各组成元素的质量百分含量配比，将纯al置于坩埚中加热至690-780℃熔化后，加入al-cu二元中间合金，继续加热至720-760℃，搅拌2-5min后打渣，静置5-15min，待温度降至710-740℃时，进行浇注，即得铸态al-cu二元合金。
4.根据权利要求1所述的一种半固态+热挤压制备纳米颗粒增强al-cu二元合金的方法，其特征在于：所述步骤b退火处理的退火温度为470-495℃，退火时间为15-24h。
5.根据权利要求1所述的一种半固态+热挤压制备纳米颗粒增强al-cu二元合金的方法，其特征在于：所述步骤c中的对步骤b得到的经过退火处理的al-cu二元合金进行热挤压的挤压比为9-15：1。
6.根据权利要求1所述的一种半固态+热挤压制备纳米颗粒增强al-cu二元合金的方法，其特征在于：所述步骤d中将步骤c得到的热挤压加工后的al-cu二元合金置于热处理炉中，随炉升温至540-590℃进行半固态等温处理，保温0.1-1.0h，然后水冷淬火。
7.根据权利要求1所述的一种半固态+热挤压制备纳米颗粒增强al-cu二元合金的方法，其特征在于：所述步骤d中水冷淬火的淬火介质为20-80℃的水。
8.根据权利要求1所述的一种半固态+热挤压制备纳米颗粒增强al-cu二元合金的方法，其特征在于：所述步骤e中二次挤压的挤压比为9-30：1。
