本发明属于高性能铝合金，特别涉及高抗疲劳微纳米强化含有高含量铁的6系铝合金及制备方法。
背景技术：
1、六系铝合金作为一种可热处理强化铝合金，具有较好的成型加工性能和中等强度，已广泛用于制造汽车底盘、保险杠、轮毂罩等汽车部件，其中，在服役过程中不仅承受静态加载，还会承受循环载荷。目前，通常聚焦于静态加载的研究上，对六系铝合金承受循环载荷的研究较少。当结构件长期承受循环加载时，容易导致疲劳断裂失效。疲劳断裂时，合金承受的循环应力远低于屈服应力，合金内部组织已经发生断裂失效，但零部件外部没有发生明显塑性变形，因此从外部较难判定材料断裂失效程度，对六系铝合金工程零部件的安全使用构成潜在风险。在实际工业化生产中，一次熔炼上吨级铸锭时，合金中的铁元素会造成合金内部组织出现严重的宏观偏析，即形成粗大尺寸的富铁第二相等，导致材料内部组织的不均匀性，在挤压过程中产生严重热裂纹，此外，目前铝合金疲劳服役性能与力学性能较难实现同步提高，即合金力学性能提高时，疲劳服役性能将有所降低；或疲劳服役性能提高时，力学性能将有所降低。因此，如何降低原料生产成本、简化工艺，提高合金疲劳服役性能和延长寿命、降低合金内部组织严重宏观偏析、抑制合金产生严重热裂纹以及提高合金力学性能并实现合金工业化生产是目前亟待解决的技术难题。
技术实现思路
1、为了解决上述技术难题，本发明提供了高抗疲劳微纳米强化含有高含量铁的6系铝合金，它的制备方法包括如下步骤：
2、(1)在真空条件下，将ti-al-v丝材和高纯氮气混合，进行高压高频电流处理后生成氮化钛、氮化铝和氮化钒混合纳米颗粒，即第一混合纳米颗粒；
3、所述的ti-al-v丝材组分按照质量百分比计：ti：60％-94％，al：4％-15％；v：2％-25％；丝材直径1.5-4.0毫米；
4、所述的高压高频电流处理为：电压800-2000v，电流频率400-1000khz，电流10-40a；
5、(2)在室温情况下，将步骤(1)获得的第一混合纳米颗粒与铝镁硅合金粉按照质量比2:98-29:71在球磨机进行共混处理5-25h后获得第二混合纳米颗粒，再按照质量比3:97-15:85将第二混合颗粒和回收铝粉通过铸轧机和激光焊接相结合的方式获得铝包覆混合颗粒线材，所述的激光焊接为：激光波长：300-800nm，激光焊接时间：3-25s；
6、所述的铝镁硅合金粉的成分按照质量百分比计为：mg：0.5-1.8wt.％，si：0.5-1.9wt.％，fe：0.5-1.8wt.％，mn：0.8-1.8wt.％，zn：0.15-0.45wt.％，cu：0.0-0.36wt.％，cr：0.10-0.25wt.％，mo：0.10-0.25wt.％，zr：0.12-0.29wt.％，余量为al；
7、所述的铝镁硅合金粉粒径尺寸150-400微米；
8、(3)将回收铝，纯镁、al-si中间合金、铁粉、al-mn中间合金、纯锌、纯铜、纯铬、纯钼、纯锆作为原料，在730℃-850℃保温1-10h后熔炼成铝合金熔液；加入步骤(2)获得的铝包覆混合颗粒线材，再在氮气保护下进行吹气净化精炼处理，经半连续铸造后获得高抗疲劳微纳米强化含有高含量铁的6系铝合金铸锭，铝合金铸锭重量能够达到1-100t；
9、所述的铝合金熔液成分按照质量百分比计：mg：0.5-1.8wt.％，si：0.5-1.9wt.％，fe：0.5-1.8wt.％，mn：0.8-1.8wt.％，zn：0.15-0.45wt.％，cu：0.0-0.36wt.％，cr：0.10-0.25wt.％，mo：0.10-0.25wt.％，zr：0.12-0.29wt.％，余量为al；
10、所述的精炼处理为：在730℃-850℃吹氮气净化10-30分钟；
11、所述的氮化钛、氮化铝和氮化钒混合纳米颗粒在熔液中的含量为0.005wt.％-0.6wt.％；
12、所述的半连续铸造工艺参数为：铸造速度为80mm/min-200mm/min，水冷冷却速度10k/s-50k/s；
13、(4)将步骤(3)获得的铸锭经均匀化处理后，进行热挤压及固溶时效热处理，获得高抗疲劳微纳米强化含有高含量铁的6系铝合金；所述的高抗疲劳微纳米强化含有高含量铁的6系铝合金晶粒尺寸≤28.3μm，疲劳极限≥135mpa；
14、所述的均匀化处理为：在545℃-575℃保温5-18小时；
15、所述的热挤压：在515℃-555℃进行挤压成型，挤压速率1.0-2.0毫米/秒，挤压比为35:1-55:1；
16、所述的固溶和时效处理：在515℃-555℃下固溶处理2-10小时，在155℃-190℃下进行5-20小时的人工时效处理。
17、进一步地，步骤(1)所述的ti-al-v丝材组分按照质量百分比计：ti：70％-94％，al：4％-10％；v：2％-25％；丝材直径1.5-4.0毫米；所述的高压高频电流处理为：电压1000-2000v，电流频率500-1000khz，电流20-40a。
18、进一步地，步骤(2)所述的在室温情况下，将第一混合纳米颗粒与铝镁硅合金粉按照质量比4:96-25:75在球磨机进行共混处理10-20h后获得第二混合纳米颗粒，再按照质量比5:95-10:90将第二混合颗粒和回收铝粉通过铸轧机和激光焊接相结合的方式获得铝包覆混合颗粒线材，所述的铝镁硅合金粉的成分按照质量百分比计：mg：0.5-1.5wt.％，si：0.8-1.9wt.％，fe：0.5-1.6wt.％，mn：0.8-1.6wt.％，zn：0.15-0.45wt.％，cu：0.0-0.36wt.％，cr：0.10-0.20wt.％，mo：0.10-0.20wt.％，zr：0.12-0.25wt.％，余量为al；所述的激光焊接为：激光波长：300-800nm，激光焊接时间：5-20s。
19、进一步地，步骤(3)所述的铝合金熔液成分按照质量百分比计：mg：0.5-1.5wt.％，si：0.8-1.9wt.％，fe：0.5-1.6wt.％，mn：0.8-1.6wt.％，zn：0.15-0.45wt.％，cu：0.0-0.36wt.％，cr：0.10-0.20wt.％，mo：0.10-0.20wt.％，zr：0.12-0.25wt.％，余量为al。
20、进一步地，步骤(3)所述的精炼处理为：在780℃-850℃吹氮气净化10-15分钟；
21、所述的氮化钛、氮化铝和氮化钒混合纳米颗粒在熔液中的含量为0.005wt.％-0.6wt.％；
22、所述的半连续铸造工艺参数为：铸造速度为100mm/min-180mm/min，水冷冷却速度10k/s-30k/s；
23、进一步地，步骤(4)所述的均匀化处理为：在550℃-575℃保温7-12小时；
24、所述的热挤压：在530℃-540℃进行挤压成型，挤压速率1.3-1.7毫米/秒，挤压比为40:1-50:1；
25、所述的固溶和时效处理：在520℃-550℃下固溶处理2-6小时，在160℃-188℃下进行5-15小时的人工时效处理。
26、本发明的有益效果是：
27、在实际工业化生产中，生产吨级含铁铝合金铸锭时，将会在合金内部组织中产生严重的宏观偏析，即形成粗大尺寸的富铁第二相等；导致材料内部组织的不均匀性，在挤压过程中产生严重热裂纹，此外，目前铝合金疲劳服役性能与力学性能较难实现同步提高，即合金力学性能提高时，疲劳服役性能将有所降低；或疲劳服役性能提高时，力学性能将有所降低。此外，当结构件长期承受循环加载时，容易导致疲劳断裂失效。疲劳断裂时，合金承受的循环应力远低于屈服应力，合金内部组织已经发生断裂失效，但零部件外部没有发生明显塑性变形，因此从外部较难判定材料断裂失效程度，对六系铝合金工程零部件的安全使用构成潜在风险。
28、与现有技术相比，本发明获得的最优异效果是通过纳米颗粒、合金组分相互作用、组分配比、工艺和工艺参数的协同调控作用实现的，并且只有在本发明权利要求保护范围内，才能实现本发明所有性能同步显著提升的技术效果：以回收铝为原料，降低了原料成本，能够减少90％及以上的能耗；实现工业生产中大挤压比条件下，通过一次熔炼吨级以上高含量铁元素的微量纳米颗粒增强六系铝合金，同时实现如下优异效果：一是细化晶粒尺寸、改善元素偏析、有效调控高铁含量的铝合金的组织和晶间第二相含量；二是实现对含铁相的均匀分散，并大幅抑制含铁等相对于抗疲劳性能的损害，有效强化合金的抗疲劳性能；三是合金在经受循环加载期间，影响合金疲劳寿命的主要因素包括晶界、位错、析出相，本发明通过对合金显微组织的调控，包括晶粒细化、生成更多高密度亚结构、促进析出更多细小弥散分布的共格β”相，达到抗疲劳裂纹萌生和疲劳裂纹扩展的目的，进而提高合金的疲劳寿命；四是纳米颗粒增强合金晶粒的细化减少晶界处的应力集中，增强了抗疲劳裂纹萌生能力；五是纳米颗粒有效调控合金内部组织，显著提高大角晶界和小角晶界的晶界密度，分别远远超过现有技术获得的大角晶界和小角晶界密度，高密度的大角晶界有效抑制相邻晶粒之间位错滑移，更加细小晶粒可以能够促进相邻晶粒之间的协调变形，减小应力集中；六是位错能够穿越亚晶界，高密度亚晶界有效避免位错堆积，增强合金抗疲劳能力；七是本发明获得的更多细小弥散分布的共格析出相通过阻碍位错切过(其中，强化相是β″相与铝基体共格关系紧密，当位错遇到β″相的时候，位错会切过β″相，因此不会产生明显的位错堆积)，不降低可动位错数量，有效避免位错堆积造成应力集中，降低裂纹萌生和扩展速率。本发明在降低原料生产成本、简化工艺，同步实现如下优异效果：提高合金疲劳服役性能和延长寿命、降低合金内部组织严重宏观偏析、抑制合金产生严重热裂纹以及提高合金力学性能并且能够实现合金工业化生产。
1.高抗疲劳微纳米强化含有高含量铁的6系铝合金，其特征在于，它的制备方法包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的高抗疲劳微纳米强化含有高含量铁的6系铝合金，其特征在于，步骤(1)所述的ti-al-v丝材组分按照质量百分比计：ti：70％-94％，al：4％-10％；v：2％-25％；丝材直径1.5-4.0毫米；所述的高压高频电流处理为：电压1000-2000v，电流频率500-1000khz，电流20-40a。
3.根据权利要求1所述的高抗疲劳微纳米强化含有高含量铁的6系铝合金，其特征在于，步骤(2)所述的在室温情况下，将步骤(1)获得的第一混合纳米颗粒与铝镁硅合金粉按照质量比4:96-25:75在球磨机进行共混处理10-20h后获得第二混合纳米颗粒，再按照质量比5:95-10:90将第二混合颗粒和回收铝粉通过铸轧机和激光焊接相结合的方式获得铝包覆混合颗粒线材，所述的铝镁硅合金粉的成分按照质量百分比计：mg：0.5-1.5wt.％，si：0.8-1.9wt.％，fe：0.5-1.6wt.％，mn：0.8-1.6wt.％，zn：0.15-0.45wt.％，cu:0.0-0.36wt.％，cr：0.10-0.20wt.％，mo：0.10-0.20wt.％，zr：0.12-0.25wt.％，余量为al；所述的激光焊接为：激光波长：300-800nm，激光焊接时间：5-20s。
4.根据权利要求1所述的高抗疲劳微纳米强化含有高含量铁的6系铝合金，其特征在于，步骤(3)所述的铝合金熔液成分按照质量百分比计：mg：0.5-1.5wt.％，si：0.8-1.9wt.％，fe：0.5-1.6wt.％，mn：0.8-1.6wt.％，zn：0.15-0.45wt.％，cu：0.0-0.36wt.％，cr：0.10-0.20wt.％，mo：0.10-0.20wt.％，zr：0.12-0.25wt.％，余量为al。
5.根据权利要求1所述的高抗疲劳微纳米强化含有高含量铁的6系铝合金，其特征在于，步骤(3)所述的精炼处理为：在780℃-850℃吹氮气净化10-15分钟；
6.根据权利要求1所述的高抗疲劳微纳米强化含有高含量铁的6系铝合金，其特征在于，步骤(4)所述的均匀化处理为：在550℃-575℃保温7-12小时；
