CN101353745B - 一种Al-Mg-Mn-Sc-Er合金 - Google Patents

一种Al-Mg-Mn-Sc-Er合金 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Al-Mg-Mn-Sc-Er合金，合金成分(重量百分比，wt％)范围为：Mg5.2-6.2，Mn0.2-0.6，Sc0.1-0.25，Er0.15-0.4，余量为Al。本发明合金的抗拉强度和屈服强度得到显著提高，尤其是合金的屈服强度提高幅度近50％，从而使合金具有明显的强化作用，此外合金的焊接性能也得到了大大的改善。并有效地减少了昂贵Sc的加入量，从而降低了合金的制造成本。

Description

一种Al-Mg-Mn-Sc-Er合金
技术领域
本发明涉及铝基合金领域，特别是涉及一种Al-Mg合金。
背景技术
铝镁系合金具有质量轻、可焊性好、耐蚀性高等特点，在航天领域得到了广泛应用。我国航天领域承受中等载荷的结构件，如导弹燃料箱隔板、仪器舱、卫星和飞船结构的金属密封舱体、卫星发动机燃料贮箱、导弹贮运发射箱的发射梁均采用铝镁系5A06合金，运载火箭和飞船用的大规格锻件、锻环也都是采用5A06合金。
在长期的应用实践中，航天用户反映铝镁系5A06合金的最大不足在于：①许用强度低，5A06合金板材的典型抗拉强度(σb)为300MPa，屈服强度(σ0.2)只有160MPa，屈服强度只达到抗拉强度的一半；②再结晶温度低，焊接软化使靠近焊缝的热影响区成为结构最薄弱环节，需要对焊接构件进行结构补强，焊接软化还造成了较大的焊接变形，影响焊接结构的尺寸稳定性。为此，国内外进行了深入的探索，试图寻找一种行之有效的改善该系合金性能的方法。
微合金化是目前广泛采用的方法之一，US5620652的专利报道了一种含钪的铝镁系合金，即在原有5356铝镁合金的基础上添加少量Sc和其它微合金化元素，虽然合金的可焊性提高很多，但合金中最佳Sc含量高达0.5％(重量百分比，以下均同)，合金成本高。中国专利CN1161484C报道了在Al-3Mg合金中加入微量稀土元素Er(0.1-0.2％)可同时改善合金的强度和塑性，但效果不是很明显(拉伸强度和屈服强度提高20％)。因此，含Sc的Al-Mg-Sc系合金和含Er的Al-Mg-Er系合金的广泛应用由于上述原因而受到限制。
发明内容
本发明的目的在于克服传统铝镁系合金强度较低和焊接易软化等不足，提供一种采用Sc和Er复合微合金化的Al-Mg-Mn-Sc-Er合金，对Al-Mg合金基体起到显著的强化作用，同时获得优良的焊接性能和高的再结晶温度，从而扩大了铝镁系合金的应用范围。
本发明的主要内容为：在Al-Mg系合金的基础上，同时加入微量的Sc与Er，通过Sc与Er复合微合金化强韧化技术来改善合金的性能。本发明所提供的合金成分(重量百分比，wt％)范围为：Mg5.2-6.2，Mn0.2-0.6，Sc0.1-0.25，Er0.15-0.4，余量为Al。
上述Al-Mg-Mn-Sc-Er合金的制备方法是通过如下步骤实现的：
(1)首先按合金化学组成的比例配备好原材料备用；
(2)在电阻炉中熔化纯铝和Al-Mn、Al-Sc、Al-Er中间合金至740-750℃，充分搅拌，除气精炼，静置扒渣；
(3)在无钠活性熔剂保护下用钟罩压入法加入金属Mg，待熔体温度降至730℃用水冷铜模直接浇注成锭，即得到含钪和铒的铝镁钪铒合金铸锭。
Sc既是3d型过渡族金属，又是稀土元素，在Al-Mg合金中同时具有两者的作用。合金中添加微量的Sc可与铝形成L12型共格Al3Sc粒子，初生Al3Sc粒子在合金凝固时可成为固溶体非均质成核的核心，大大细化合金的晶粒，从而达到细晶强化效果；次生Al3Sc质点在合金热变形和热处理过程中强烈钉扎位错和亚晶界，抑制合金的再结晶，起到亚结构强化和直接弥散析出强化作用。Er是一种稀土元素，铝合金中添加微量的Er可与铝形成Al3Er相。Al3Er与Al3Sc相结构相同，属Pm3m空间群，晶格常数接近铝。当Sc与Er同时加入时，还会形成极细的三元共格复合相Al3(Sc，Er)，该相除能保持Al3Sc相细化晶粒、抑制再结晶和直接析出强化作用外，还在高温下聚集的倾向比Al3Sc粒子小得多，因而能更大程度地保持抑制再结晶效应和弥散强化效应，改善合金的焊接性能。
在Al-Mg系合金中采用Sc与Er复合微合金化后合金的抗拉强度和屈服强度得到显著提高，尤其是合金的屈服强度提高幅度近50％，从而使合金具有明显的强化作用，此外合金的焊接性能和抗再结晶能力也得到了大大的改善。因Sc的价格较贵，Er的价格比Sc便宜很多，采用Sc与Er复合微合金化强韧化技术，在改善合金的综合性能的前提下，有效地减少了昂贵Sc的加入量，从而降低了合金的制造成本。
具体实施方式
在5kw井式电阻炉中放入高纯石墨坩埚升温预热至650℃，加入2805克工业纯铝(99.97％)和120克Al-10％Mn、225克Al-2％Sc、750克Al-10％Er中间合金，并同时加入无钠活性熔剂覆盖，继续升温至750℃待其熔化后，用钟罩将171克Mg压入熔池底部使其完全熔化后取出钟罩，充分搅拌，并用六氯乙烷进行两次除气精炼，然后静置5分钟扒渣，在温度为730℃时将合金熔体浇入水冷铜模中。
合金铸锭经350℃/24h均匀化处理后切头、铣面，然后加热至450℃保温2小时，温轧24mm厚铸锭至6mm厚板，之后经420℃中间退火2小时后炉冷至200℃以下出炉空冷，冷轧由6mm厚板至2.5mm厚薄板。合金室温力学性能测试采用标准拉伸试样，并按标准拉伸试验方法进行，数据取三次试验平均值。拉伸试验前合金冷轧薄板在箱式电阻炉中进行130℃/3h稳定化退火处理。合金的化学成分和室温性能分别见表1和表2中的D合金。
表2中本发明合金Al-Mg-Mn-Sc-Er(合金D)的性能与未加Sc和Er的合金Al-Mg-Mn(合金A)以及单独加入同样Sc的Al-Mg-Mn-Sc合金(合金B)和单独加入同样Er的Al-Mg-Mn-Er合金(合金C)进行了比较。由表2可以看出，在Al-5.7Mg合金中单独添加0.15％Sc或0.25％Er时，合金的强度均有所提高，但提高幅度较小，而复合添加0.15％Sc和0.25％Er时，合金强度提高幅度非常显著，其抗拉强度σb和屈服强度σ0.2的增量分别达81MPa和150MPa，这表明采用Sc和Er复合微合金化的Al-Mg-Mn-Sc-Er合金(合金D)比单独加入同样Sc的Al-Mg-Mn-Sc合金(合金B)和单独加入同样Er的Al-Mg-Mn-Er合金(合金C)具有更好的拉伸力学性能。Sc和Er复合微合金化对Al-Mg系合金产生了显著的强化作用，同时合金的氩弧焊焊接接头强度系数也增高。
表1合金的化学成分(wt％)
Figure G200810143170XD00031
表2合金的室温拉伸力学性能和焊接接头强度系数k
Figure G200810143170XD00032

Claims (1)

1.一种Al-Mg-Mn-Sc-Er合金，合金成分(重量百分比，wt％)范围为：Mg5.2-6.2，Mn0.2-0.6，Sc0.1-0.25，Er0.15-0.4，余量为Al，所述合金由以下方法制备而成：
(1)按合金组成配比，在电阻炉中熔化纯铝和Al-Mn、Al-Sc、Al-Er中间合金至740～750℃，充分搅拌，除气精炼，静置扒渣；
(2)在无钠活性熔剂保护下用钟罩压入法加入金属Mg，待熔体温度降至730℃，用水冷铜模直接浇注成锭。
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