一种用于光学器件且具有微观晶粒结构的铝合金材料及其喷射成型工艺的制作方法

1.本发明涉及铝合金材料技术领域，具体涉及一种用于光学器件且具有微观晶粒结构的铝合金材料及其喷射成型工艺。


背景技术：

2.目前应用于光学器件的金属镜体如空间望远镜、红外观测设备以及激光雷达等的材料普遍采用熔融纺丝工艺生产的生产的rsa905铝合金，在熔融纺丝过程中，熔融态铝被倾倒在快速旋转的铜轮上快速凝固，几乎在瞬间，一条完整的金属带在20摄氏度时形成，通过这种方式，铝合金的均匀晶体结构能够储存在材料中，术语“快速凝固”源于铝与冷却轮接触时，温度降速约一百万摄氏度/每秒钟，制得的金属带将被切成小块，通过几个生产步骤转变成可加工的产品，这样可以获得微米级的微观晶粒结构，加工出高度平整的表面；
3.然而熔融纺丝工艺过程复杂，处理难度高，价格高居不下，目前产品每公斤价格在1700元人民币左右，因此，本发明目的是为避免上述现有技术所存在价格高昂的不足之处，提供一种相对低成本的替代工艺，同时达到与熔融纺丝工艺材料性能指标接近的材料性能。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为避免上述现有技术所存在价格高昂的不足之处，提供一种相对低成本的替代工艺，同时达到与熔融纺丝工艺材料性能指标接近的材料性能。
5.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
6.一种用于光学器件且具有微观晶粒结构的铝合金材料，包括以下组分及各组分的重量份数为：
7.fe：2-3份；ni：4-6份；cu：2-3.5份；mn：1份；mo：0.8份；zr：0.8份；ti：0.3-0.6份；mg：0.6-1份；复合稀土精炼剂：0.2-0.6份；余量为al。
8.前述的用于光学器件且具有微观晶粒结构的铝合金材料，包括以下组分及各组分的重量份数为：
9.fe：2.5份；ni：5份；cu：2.5份；mn：1份；mo：0.8份；zr：0.8份；ti：0.6份；mg：0.8份；复合稀土精炼剂：0.3份；余量为al。
10.前述的用于光学器件且具有微观晶粒结构的铝合金材料，所述复合稀土精炼剂为la和ce。
11.一种用于光学器件且具有微观晶粒结构的铝合金材料的喷射成型工艺，包括以下步骤，
12.步骤(a)，配料，取以下组分及各组分的重量份数备用：fe：2-3份；ni：4-6份；cu：2-3.5份；mn：1份；mo：0.8份；zr：0.8份；ti：0.3-0.6份；mg：0.6-1份；复合稀土精炼剂：0.2-0.6份；余量为al；
13.步骤(b)，将除复合稀土精炼剂外的金属料添加至熔炉内，待金属料熔融再加入复合稀土精炼剂，得到熔体原料；
14.步骤(c)，将熔体原料导入喷射成型设备内，通过喷射成型设备的专用雾化器降低熔体原料喷射时的组织粒度，并在一定加工条件下，通过喷射成型设备向模具内喷注熔体原料制得铝合金锭胚；
15.步骤(d)，将铝合金锭胚切去头尾，再车削外皮制得待挤压胚，再将待挤压胚移至1200吨挤压机上挤出制得铝合金棒；
16.步骤(e)，将铝合金棒进行淬火处理，再进行自然时效处理后制得成品。
17.前述的用于光学器件且具有微观晶粒结构的铝合金材料的喷射成型工艺，步骤(a)中，取以下组分及各组分的重量份数备用：fe：2.5份；ni：5份；cu：2.5份；mn：1份；mo：0.8份；zr：0.8份；ti：0.6份；mg：0.8份；复合稀土精炼剂：0.3份；余量为al。
18.前述的用于光学器件且具有微观晶粒结构的铝合金材料的喷射成型工艺，步骤(b)中，金属料添加至熔炉内熔融至880℃时加入复合稀土精炼剂。
19.前述的用于光学器件且具有微观晶粒结构的铝合金材料的喷射成型工艺，，步骤(c)中，所述专用雾化器的雾化等级为二级雾化。
20.前述的用于光学器件且具有微观晶粒结构的铝合金材料的喷射成型工艺，步骤(c)中，通过喷射成型设备的专用雾化器，将熔体原料喷射时的组织粒度降低至1-6微米。
21.前述的用于光学器件且具有微观晶粒结构的铝合金材料的喷射成型工艺，步骤(c)中，喷射成型设备向模具内喷注熔体原料的加工条件为：
22.压缩气体：氩气；压缩气体的气压：0.65mpa；喷射温度：850℃；喷射流量：3.5kg/m；喷嘴摆频16hz；模具转速0.5hz。
23.前述的用于光学器件且具有微观晶粒结构的铝合金材料的喷射成型工艺，步骤(e)中，铝合金棒进行淬火处理以及自然时效处理的过程为：待铝合金棒温度降至480℃时进行入水淬火，淬火完成后，移至室外在自然条件下，消除或减少铝合金棒的残余应力。
24.本发明的有益效果是：为达到熔融纺丝工艺制品的微米级组织粒度，本发明通过改进雾化器，得到了4微米左右的组织粒度，针对组织粒度还存在差距，为弥补粒度差距，改进铝合金材料的配比，在原rsa905铝合金的基础上添加了ti、mg元素，并在在熔炼过程中加入复合稀土精炼剂，由此制得的铝合金材料性能接近熔融纺丝工艺制品性能，而且本发明采用优化后的熔炼和喷射成型工艺替代熔融纺丝工艺，一步形成合格的合金锭胚，省略了熔纺的制粉和压力制胚工序，降低了工艺处理难度，且综合成本只有熔融纺丝的五分之一，节约了成本，降低了产品价格。
具体实施方式
25.下面将结合实施例，对本发明作进一步的说明。
26.本发明的用于光学器件且具有微观晶粒结构的铝合金材料，包括以下组分及各组分的重量份数为：
27.fe：2-3份；ni：4-6份；cu：2-3.5份；mn：1份；mo：0.8份；zr：0.8份；ti：0.3-0.6份；mg：0.6-1份；复合稀土精炼剂：0.2-0.6份；余量为al；
28.传统熔融纺丝工艺中，熔融态铝被倾倒在快速旋转的铜轮上快速凝固，制得具有
微观晶粒结构的金属带，本发明通过改进雾化器，得到了4微米左右的组织粒度，针对组织粒度还存在差距，为弥补粒度差距，在原rsa905铝合金的基础上添加了ti、mg元素，并在熔炼过程中加入复合稀土精炼剂，实现快速凝固，制得与熔融纺丝工艺制品性能的铝合金材料；
29.其中，添加ti元素用于提高铝合金材料的硬度，添加mg元素形成mg2cu強化相，添加复合稀土精炼剂，一是除气降低氢氧含量减少空隙，二是和铝合金材料的合金成份反应形成界面，产生阻止晶粒长大的趋势，提高液相向固相转化时的速度，相当于加快了凝固速度；
30.本发明的用于光学器件且具有微观晶粒结构的铝合金材料，一个实施例，包括以下组分及各组分的重量份数为：
31.fe：2.5份；ni：5份；cu：2.5份；mn：1份；mo：0.8份；zr：0.8份；ti：0.6份；mg：0.8份；复合稀土精炼剂：0.3份；余量为al；其中，复合稀土精炼剂为la和ce，且la和ce配比为1:1；
32.上述组分中，fe表示铁元素，ni表示镍元素，cu表示铜元素，mn表示锰元素，mo表示钼元素，zr表示锆元素，ti表示钛元素，mg表示镁元素，al表示铝元素，la表示镧元素，ce表示铈元素；
33.根据上述配比制得的铝合金材料抗拉强度540mpa，硬度hb155，而原rsa905铝合金抗拉强度550mpa，硬度hb 160，因此，制得的铝合金材料性能接近熔融纺丝工艺制品性能。
34.本发明的用于光学器件且具有微观晶粒结构的铝合金材料的喷射成型工艺，包括以下步骤，
35.步骤(a)，配料，取以下组分及各组分的重量份数备用：fe：2-3份；ni：4-6份；cu：2-3.5份；mn：1份；mo：0.8份；zr：0.8份；ti：0.3-0.6份；mg：0.6-1份；复合稀土精炼剂：0.2-0.6份；余量为al；
36.具体实施时，步骤(a)中，取以下组分及各组分的重量份数备用：fe：2.5份；ni：5份；cu：2.5份；mn：1份；mo：0.8份；zr：0.8份；ti：0.6份；mg：0.8份；复合稀土精炼剂：0.3份；余量为al。
37.步骤(b)，将除复合稀土精炼剂外的金属料添加至熔炉内，待金属料熔融再加入复合稀土精炼剂，得到熔体原料；
38.步骤(b)中，金属料添加至熔炉内熔融至880℃时加入复合稀土精炼剂；
39.步骤(c)，将熔体原料导入喷射成型设备内，通过喷射成型设备的专用雾化器降低熔体原料喷射时的组织粒度，并在一定加工条件下，通过喷射成型设备向模具内喷注熔体原料制得铝合金锭胚，锭胚直径190mm长700mm；
40.步骤(c)中，专用雾化器的雾化等级为二级雾化，传统雾化器的雾化等级为一级雾化，雾滴的颗粒大小普遍在16微米左右，通过改进雾化器的组合方式，设计成专用雾化器，以降低雾滴的颗粒大小，通过喷射成型设备的专用雾化器，将熔体原料喷射时的组织粒度降低至1-6微米，一般在4微米左右；
41.喷射成型设备向模具内喷注熔体原料的加工条件为：
42.压缩气体：氩气；压缩气体的气压：0.65mpa；喷射温度：850℃；喷射流量：3.5kg/m；喷嘴摆频16hz；模具转速0.5hz；
43.步骤(d)，将铝合金锭胚切去头尾，再车削外皮制得待挤压胚，压胚直径180长
600mm，再将待挤压胚移至1200吨挤压机上挤出制得铝合金棒，该铝合金棒直径为14毫米；
44.步骤(e)，将铝合金棒进行淬火处理，再进行自然时效处理后制得成品；
45.步骤(e)中，铝合金棒进行淬火处理以及自然时效处理的过程为：待铝合金棒温度降至480℃时进行入水淬火，淬火完成后，移至室外在自然条件下，消除或减少铝合金棒的残余应力。
46.综上所述，本发明的用于光学器件且具有微观晶粒结构的铝合金材料及其喷射成型工艺，通过改进雾化器，得到了4微米左右的组织粒度，针对组织粒度还存在差距，为弥补粒度差距，改进铝合金材料的配比，在原rsa905铝合金的基础上添加了ti、mg元素，并在在熔炼过程中加入复合稀土精炼剂，由此制得的铝合金材料性能接近熔融纺丝工艺制品性能，而且降低了工艺处理难度，且综合成本只有熔融纺丝的五分之一，节约了成本，降低了产品价格。
47.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。