CN101967588B - 一种耐损伤铝锂合金及其制备方法 - Google Patents

一种耐损伤铝锂合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及到一种新型耐损伤铝锂合金及其制备方法。按重量百分比计，其合金成分为：Cu 2.8～4.0％，Li 0.8～1.9％，Mn 0.20～0.60％，Zn 0.20～0.80％，Zr 0.04～0.20％，Mg0.20％～0.80％，Ag0.1～0.7％，Si≤0.10％，Fe≤0.10％，Ti≤0.12％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al。其中合金元素Mn、Zn、Mg、Ag与Zr可选择加入其中1～5种。按合金成分配料，将原料融化，经炉内精炼、静置后，浇注成所需规格的合金锭。合金锭经优选均匀化后可通过热挤压、热轧制、冷轧加工成形，经优选的工艺热处理后可供加工零件使用。本发明一种新型耐损伤铝锂合金材料的显微组织均匀、性能稳定，适于制造薄板。该材料制品可用于航空航天、核工业、交通运输、体育用品、兵器等领域的结构元件。

Description

一种耐损伤铝锂合金及其制备方法
技术领域
本发明是一种耐损伤铝锂合金及其制备方法，属于金属材料工程领域。
背景技术
近年来，随着铝冶金装备技术及冶金学基础技术水平的提高，铝锂合金经历了三代发展，铝锂合金的冶金设计原则已发展为：适中的强度、略低的密度、低各向异性，并充分发挥其刚性及耐损伤优势。在生产上追求更低的工艺成本，表现为其生产工艺更接近普通铝合金。
随着航空工业，特别是民用大型飞机制造业的竞争加剧，波音、空客、庞巴迪及中国商飞等飞机制造公司纷纷将飞机运营的经济性及高寿命设计作为其核心技术。结构减重及选用耐损伤材料是实现该核心技术的重要手段，先进的铝锂合金可同时满足以上两项要求，本发明可用来替代2024薄板及2524薄板在飞机上应用，可减重10～15％，预估使用寿命可提高4倍以上。在航空航天、核工业、交通运输、体育用品、兵器等领域具有广阔的应用前景。
近年来，欧美开展了三代高性能铝锂合金研究，并有一些已接近工业化生产的水平。其耐损伤型代表合金有2098合金(Al-3.5Cu-1.1Li-0.5Mg-0.40Ag-0.11Zr)。
铝锂合金的生产传统由原苏联工艺及欧美工艺，原苏联工艺采用真空熔炼技术，研制生产了Al-Mg-Li系及Al-Mg-Li-Sc系铝锂合金，并在多种型号上应用；欧美国家更多的发展气体精炼技术，合金体系以Al-Cu-Li系为主，研究表明，较好的工艺控制下不同的精炼技术是等效的。
铝铜锂合金的强度主要取决于Li+Cu的合金元素总量，塑性取决于固溶程度，以锂当量(Li+Cu/2.82)可以粗略估计合金的固溶程度，当Li+Cu总量超过5％时，其挤压棒的强度可以达到500Mpa以上，而Li当量控制在2.4～2.6时，合金的塑性可确保在6％左右。本发明控制Li+Cu总量接近5％，Li当量略高于2.6，从而保证合金强度及塑性。
Al-Li系合金的各向异性来源于δ′相引起的共面滑移和织构，Zr的加入会抑制δ′相的共面滑移，同时对合金有很好的韧化作用，但不能大幅度降低合金的各向异性。
4.0mm～8.0mm规格板材热精轧即可达到材料尺寸及平整度要求，不经冷轧而直接进行固溶及时效处理，已具备高耐损伤性能特性；而4.0mm规格以下板材必须通过冷轧保证材料尺寸及平整度达到要求。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术状况而设计提供了一种耐损伤铝锂合金及其制备方法。其目的是替代2024薄板及2524薄板在飞机上应用，可减重10～15％，使用寿命可提高4倍以上。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明技术方案提出了一种耐损伤铝锂合金，其特征在于：合金的化学成分和重量百分比为：Cu 2.8～4.0％，Li 0.8～1.9％，Si≤0.10％，Fe≤0.10％，Ti≤0.12％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al。
在该合金的化学成分中还加入Mn、Zn、Mg、Ag与Zr中的1～5种，加入的重量百分比为：Mn 0.20～0.60％，Zn 0.20～0.80％，Zr 0.04～0.20％，Mg 0.20％～0.80％，Ag 0.1～0.7％。
本发明采取Zr+Mn联合加入的方式，从而大幅度降低铝—锂—铜合金的各向异性。
Mg、Zn、Ag等微量元素对Al-Li-Cu合金都有一定的强韧化作用，其中Mg+Ag的联合微合金化强化效果最好，Mg+Zn次之。本发明可从强韧匹配及性能/成本等不同方面考虑生产Mg+Ag及Mg+Zn微合金化铝锂合金，亦可生产少无微合金化的铝锂合金。该合金适用于制造航空航天、核工业、交通运输、体育用品、兵器等领域用0.8mm～8.0mm规格薄板。
本发明技术方案还提出了一种制备上述耐损伤铝锂合金的方法，其特征在于：该方法的步骤是：
(1)按合金的化学成分及重量百分比要求配料；
(2)在熔炼炉内进行熔化，熔化温度为680℃～780℃；
(3)对完全熔化的金属液进行精炼，精炼时金属温度维持在690℃～750℃的范围内；
(4)精炼后应进行充分静置，静置时间不少于30分钟；
(5)充分静置后开始浇铸，炉口温度维持在700℃～720℃的范围内，浇铸速度为15～200mm/分钟；
(6)在加热炉内对合金铸锭进行均匀化处理，均匀化温度为450℃～490℃；
(7)均匀化处理后的铸锭铣面后加热至420℃以上进行热粗轧；
(8)热粗轧后的板坯在320℃以上充分保温后，进行热精轧至4.0mm～16.0mm；
(9)加工4.0mm以下规格产品要冷轧，冷轧前及冷轧过程中应进行中间退火，中间退火温度为300℃～420℃；
(10)冷轧或热轧后的板材固溶处理后，经过滚校或拉伸后，自然时效或人工时效至稳定状态。
步骤(1)～(5)中优选以氩气作为保护气体。
步骤(3)优选采用真空精炼。
步骤(3)优选采用3～10％氯气+氩气混合气体精炼。
步骤(3)优选采用C2Cl6精炼剂精炼。
步骤(10)中的热处理固溶温度优选465℃～560℃。
步骤(10)对材料进行滚校或拉伸冷变形时保留1～5％的永久变形量。
步骤(10)中进行人工时效热处理的工艺为：在120℃～205℃加热1～72小时。
附图说明
图1为本发明提出的制备耐损伤铝锂合金的熔炼铸造流程
图2为本发明合金薄板显微组织
具体实施方式
表一给出了本发明所提出的新型耐损伤铝锂合金化学成分及重量百分比实施例。
表1：新型超耐损伤铝锂合金化学成分及重量百分比
  铸锭号   Cu   Li   Mn   Zn   Zr   Mg   Ag   Ti   Fe   Si
  95   3.5   1.4   0.4   0.4   0.15   0.6   -   ＜0.12   ＜0.10   ＜0.10
  96   3.2   1.6   0.3   0.5   0.16   0.6   -   ＜0.12   ＜0.10   ＜0.10
  97   3.6   1.2   0.3   0.5   0.12   0.4   -   ＜0.12   ＜0.10   ＜0.10
  98   3.6   1.5   0.2   0.3   0.10   0.3   -   ＜0.12   ＜0.10   ＜0.10
  99   3.8   1.3   0.6   0.8   0.20   0.8   -   ＜0.12   ＜0.10   ＜0.10
  100   4.0   1.4   0.4   0.2   0.18   0.5   -   ＜0.12   ＜0.10   ＜0.10
  101   3.8   1.5   0.3   0.6   0.18   0.7   -   ＜0.12   ＜0.10   ＜0.10
  102   3.7   1.3   0.3   0.6   0.16   0.2   -   ＜0.12   ＜0.10   ＜0.10
  103   3.2   1.9   -   -   0.10   0.2   0.7   ＜0.12   ＜0.10   ＜0.10
  104   3.2   1.0   -   -   0.04   0.8   0.6   ＜0.12   ＜0.10   ＜0.10
  105   3.6   1.2   -   -   0.13   0.6   0.6   ＜0.12   ＜0.10   ＜0.10
  106   3.8   1.1   -   -   0.18   0.6   0.2   ＜0.12   ＜0.10   ＜0.10
  126   3.6   0.8   -   -   0.16   0.5   0.4   ＜0.12   ＜0.10   ＜0.10
  127   3.7   1.3   -   -   0.15   0.5   0.5   ＜0.12   ＜0.10   ＜0.10
  128   3.5   1.2   -   -   0.08   0.3   0.5   ＜0.12   ＜0.10   ＜0.10
  129   2.8   1.0   0.4   -   -   0.6   0.2   ＜0.12   ＜0.10   ＜0.10
  130   2.9   1.1   0.5   -   -   0.7   0.1   ＜0.12   ＜0.10   ＜0.10
  131   3.5   0.9   0.2   -   -   0.   0.5   ＜0.12   ＜0.10   ＜0.10
  132   3.4   0.8   0.2   -   0.1   0.4   0.4   ＜0.12   ＜0.10   ＜0.10
  133   3.2   1.0   0.6   -   0.12   0.2   0.3   ＜0.12   ＜0.10   ＜0.10
  134   3.0   1.0   0.3   -   0.16   80.7   0.2   ＜0.12   ＜0.10   ＜0.10
  135   3.3   0.9   0.3   -   0.08   0.6   0.3   ＜0.12   ＜0.10   ＜0.10
参见附图1所示，制备上述高强韧铝锂合金的方法步骤是：
(1)按合金的化学成分及重量百分比要求配料，可选择加入微合金化元素Mn、Zn、Mg、Ag与Zr中的1～5种；
(2)在熔炼炉内进行熔化，熔化温度为680℃～780℃；
(3)对完全熔化的金属液进行精炼，采用不同精炼介质或精炼方式是等效的，精炼时金属温度维持在690℃～750℃的范围内；
(4)精炼后应进行充分静置，静置时间不低于30分钟；
(5)充分静置后开始浇铸，炉口温度维持在700℃～720℃的范围内，浇铸速度为15～200mm/分钟，浇铸成δ250mm扁锭；
(6)在加热炉内对合金铸锭进行优选均匀化处理，均匀化温度为450℃～490℃；
(7)将均匀化后的铸锭扒皮后，加热至420℃以上进行热粗轧制成40mm规格毛坯；
(8)热粗轧毛坯加热至320℃以上进行热精轧制成4～16mm规格板材；
(9)热精轧板材冷轧至0.8mm～8.0mm间特定规格产品，冷轧前及冷轧过程中应进行中间退火，中间退火温度为300℃～420℃；
(10)板材经固溶处理，经过滚校或拉伸后，自然时效或人工时效至稳定状态。
铸锭号为129、130的铸锭采用3～10％氯气+氩气混合气体精炼；铸锭号为131、132的铸锭采用C2Cl6精炼剂精炼；其余铸锭采用真空精炼。
从上述工艺路线中可以看出，在完成步骤(8)后进行步骤(10)之前，经过冷轧步骤(9)的工艺适用于0.8mm～8.0mm所有规格产品。
表2为热精轧后冷轧的0.8mm～8.0mm规格产品性能
表2
Figure BSA00000319909000051
Figure BSA00000319909000061
从上述工艺路线中可以看出，对于4.0mm以上规格的产品，可以不进行冷轧，在完成步骤(8)后直接进行步骤(10)形成最终产品。
表3为直接热精轧而未经冷轧生产的4.0mm以上规格产品的性能。
表3
Figure BSA00000319909000062
通过对从上述性能和附图2的合金板材显微组织进行分析可以看出，本发明所述的新型耐损伤铝锂合金材料的显微组织均匀、性能稳定，可在在航空航天、核工业、交通运输、体育用品、兵器等领域有很好的应用。

Claims (10)

1.一种耐损伤铝锂合金，其特征在于：合金的化学成分和重量百分比为以下几种之一：
(1)Cu 3.2％，Li 1.6％，Mn 0.3％，Zn 0.5％，Zr 0.16％，Mg 0.6％，Si＜0.10％，Fe＜0.10％，Ti＜0.12％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al；
(2)Cu 3.6％，Li  1.2％，Mn 0.3％，Zn 0.5％，Zr 0.12％，Mg 0.4％，Si＜0.10％，Fe＜0.10％，Ti＜0.12％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al；
(3)Cu 3.8％，Li 1.3％，Mn 0.6％，Zn 0.8％，Zr 0.20％，Mg 0.8％，Si＜0.10％，Fe＜0.10％，Ti＜0.12％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al；
(4)Cu 4.0％，Li 1.4％，Mn 0.4％，Zn 0.2％，Zr 0.18％，Mg 0.5％，Si＜0.10％，Fe＜0.10％，Ti＜0.12％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al；
(5)Cu 3.8％，Li 1.1％，Zr 0.18％，Mg 0.6％，Ag 0.2％，Si＜0.10％，Fe＜0.10％，Ti＜0.12％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al；
(6)Cu 3.7％，Li 1.3％，Zr 0.15％，Mg 0.5％，Ag 0.5％，Si＜0.10％，Fe＜0.10％，Ti＜0.12％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al；
(7)Cu 2.8％，Li 1.0％，Mn 0.4％，Mg 0.6％，Ag 0.2％，Si＜0.10％，Fe＜0.10％，Ti＜0.12％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al；
(8)Cu 3.4％，Li 0.8％，Mn 0.2％，Zr 0.1％，Mg 0.4％，Ag 0.4％，Si＜0.10％，Fe＜0.10％，Ti＜0.12％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al。
2.用于制备上述权利要求1所述的耐损伤铝锂合金的方法，其特征在于，该方法的步骤是：
(1)按合金的化学成分及重量百分比要求配料；
(2)在熔炼炉内进行熔化，熔化温度为680℃～780℃；
(3)对完全熔化的金属液进行精炼，精炼时金属温度维持在690℃～750℃的范围内；
(4)精炼后应进行充分静置，静置时间不少于30分钟；
(5)充分静置后开始浇铸，炉口温度维持在700℃～720℃的范围内，浇铸速度为15～200mm/分钟；
(6)在加热炉内对合金铸锭进行均匀化处理，均匀化温度为450℃～490℃；
(7)均匀化处理后的铸锭铣面后加热至420℃以上进行热粗轧；
(8)热粗轧后的板坯在320℃以上充分保温后，进行热精轧至4.0mm～16.0mm；
(9)对热精轧至4.0mm～16.0mm的板材固溶处理后，经过滚校或拉伸后，自然时效或人工时效至稳定状态。
3.用于制备上述权利要求1所述的耐损伤铝锂合金的方法，其特征在于，该方法的步骤是：
(1)按合金的化学成分及重量百分比要求配料；
(2)在熔炼炉内进行熔化，熔化温度为680℃～780℃；
(3)对完全熔化的金属液进行精炼，精炼时金属温度维持在690℃～750℃的范围内；
(4)精炼后应进行充分静置，静置时间不少于30分钟；
(5)充分静置后开始浇铸，炉口温度维持在700℃～720℃的范围内，浇铸速度为15～200mm/分钟；
(6)在加热炉内对合金铸锭进行均匀化处理，均匀化温度为450℃～490℃；
(7)均匀化处理后的铸锭铣面后加热至420℃以上进行热粗轧；
(8)热粗轧后的板坯在320℃以上充分保温后，进行热精轧至4.0mm～16.0mm；
(9)对热精轧板材冷轧至0.8mm～8.0mm，冷轧前及冷轧过程中应进行中间退火，中间退火温度为300℃～420℃；
(10)冷轧后的板材固溶处理后，经过滚校或拉伸后，自然时效或人工时效至稳定状态。
4.根据权利要求2或3所述的制备耐损伤铝锂合金的方法，其特征在于：步骤(1)～(5)中均采用氩气保护。
5.根据权利要求2或3所述的制备耐损伤铝锂合金的方法，其特征在于：步骤(3)采用真空精炼。
6.根据权利要求2或3所述的制备耐损伤铝锂合金的方法，其特征在于：步骤(3)采用3～10％氯气+氩气混合气体精炼。
7.根据权利要求2或3所述的制备耐损伤铝锂合金的方法，其特征在于：步骤(3)采用C2Cl6精炼剂精炼。
8.根据权利要求3所述的制备耐损伤铝锂合金的方法，其特征在于：步骤(10)中的热处理固溶温度为465℃～560℃。
9.根据权利要求3所述的制备耐损伤铝锂合金的方法，其特征在于：步骤(10)对材料进行滚校或拉伸冷变形时保留1～5％的永久变形量。
10.根据权利要求3所述的制备耐损伤铝锂合金的方法，其特征在于：步骤(10)中进行人工时效热处理的工艺为：在120℃～205℃加热1～72小时。
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