CN102230096A

CN102230096A - Al3Ti相弥散增强Al-Cu-Mg系合金的制备方法

Info

Publication number: CN102230096A
Application number: CN 201110174619
Authority: CN
Inventors: 王建华; 李静; 苏旭平; 涂浩; 刘亚
Original assignee: Changzhou University
Current assignee: Liyang Chang Technology Transfer Center Co., Ltd.
Priority date: 2011-06-27
Filing date: 2011-06-27
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2031-06-27
Also published as: CN102230096B

Abstract

本发明涉及Al-Cu-Mg系合金材料制备领域，具体即为采用快速凝固Al-7.0wt.%Ti合金粉与Al-Cu-Mg系合金液进行固-液混合近液相线铸造以获得弥散分布的Al₃Ti相增强的Al-Cu-Mg系合金，通过控制搅拌时间和粉体加入量使合金熔体温度在控制在液相线以上20-50℃，然后迅速将该合金液迅速浇铸到钢模中，得到Al₃Ti相颗粒弥散分布的Al-Cu-Mg系合金凝固组织。本发明制备的合金中Al₃Ti相颗粒尺寸控制在2-10μm，且其形貌由原始Al-Ti合金粉中的细针状变为短杆状块状。

Description

Al<sub>3</sub>Ti相弥散增强Al-Cu-Mg系合金的制备方法

技术领域

本发明涉及Al-Cu-Mg系合金材料制备领域，具体即为采用快速凝固Al-7.0wt.%Ti合金粉与Al-Cu-Mg系合金液进行固-液混合近液相线铸造以获得弥散分布的Al₃Ti相增强的Al-Cu-Mg系合金。

背景技术

Al-Cu-Mg系合金作为目前使用最为广泛的耐热铝合金，在航空航天领域及汽车等工业中都得到广泛应用；然而，随着科技进步以及工业发展，对其耐热性能要求越来越高，因此提高原耐热性能及开发新型耐热铝合金更为迫切，通过向铝合金中引入在高温下稳定的弥散增强相可以有效提高合金的耐热性能，用钛元素合金化处理Al-Cu-Mg系铝合金，能有效提高其耐热性能，然而普通Al-Ti中间合金中Al₃Ti相呈粗大针片状，当向加入Al-Cu-Mg系合金液中加入较多的该种Al-Ti中间合金后，在合金凝固组织中将出现粗大的针片状Al₃Ti相，对Al-Cu-Mg系合金的强韧性产生严重不利影响；而采用快速凝固铝钛中间合金对Al-Cu-Mg系合金进行合金化处理时，当铝钛中间合金加入过多或加入方法控制不当时，同样也会在合金组织中出现粗大的针片状Al₃Ti相。

发明内容

本发明中使用的快速凝固Al-Ti合金粉，针片状Al₃Ti相尺寸在2-10μm；在采用快速凝固Al-7.0wt%Ti合金粉与Al-Cu-Mg系合金液进行固-液混合近液相线铸造时，通过控制固-液混合温度和时间，抑制Al₃Ti相的长大，可控制Al₃Ti相尺寸至2-10μm，此外，采用该工艺后使Al₃Ti相形貌由原始的细长针状变为短杆状块状。

本发明为解决采用铝钛中间合金对Al-Cu-Mg系耐热铝合金进行钛合金化后Al₃Ti相尺寸过大及分布不均问题，旨在提供一种采用快速凝固Al-7.0wt.%Ti合金粉与Al-Cu-Mg系合金固液混合近液相线铸造以获得Al₃Ti相弥散分布的Al-Cu-Mg系合金凝固组织的铝合金制备方法。

本发明为解决现有技术难题所采取的技术方案为：采用快速凝固Al-7.0wt.%Ti合金粉与Al-Cu-Mg系合金液进行固液混合近液相线铸造，以获得Al₃Ti相弥散分布的Al-Cu-Mg系合金凝固组织。

Al₃Ti相弥散增强Al-Cu-Mg系合金的铝合金的制备方法，包括如下步骤：

A、采用坩埚电阻炉在750℃温度下熔制Al-Cu-Mg系合金，在合金液表面加盐类覆盖剂防止氧化；

B、当Al-Cu-Mg系合金呈熔融状态时，加入经过预处理的快速凝固Al-7.0wt.%Ti合金粉，加入量为Al-7.0wt%Ti合金粉和Al-Cu-Mg系合金总质量的5~40wt%，不断搅拌至均匀，控制搅拌过程时间为5-10min；

C、通过控制搅拌时间和经过预处理的快速凝固Al-7.0wt.%Ti合金粉加入量使合金熔体温度在控制在液相线以上20-50℃，然后迅速将该合金液浇铸到钢模中，得到Al₃Ti相颗粒弥散分布的Al-Cu-Mg系合金凝固组织。

所述的750℃的熔炼温度是参照一些铝合金熔炼铸造文献资料来设计的熔炼温度，当然这个温度可以根据合金成分适当调节，但是这个相对较高的熔炼温度，利于之后Al-Ti合金粉加入后快速溶入合金液中。

所述A步骤中的覆盖剂为经过脱水处理的质量分数为50%的KCl和50%的NaCl均匀混合组成的固体粉末，用于防止熔体氧化，减少合金元素的烧损，净化熔体。

所述B步骤中的快速凝固Al-7.0wt.%Ti合金粉为采用常规的雾法制粉方法制备的，其Ti含量为质量分数7.0wt.%，颗粒尺寸为100-150目。

所述B步骤中的快速凝固Al-7.0wt.%Ti粉的预处理方法为：用经脱水处理的质量分数为50%的KCl和50%的NaCl加入合金粉中混合均匀，然后在混合粉表面覆盖一层上述KCl和NaCl混合盐，放入400℃的电阻炉中预热5分钟，以助其快速均匀熔入Al-Cu-Mg系合金中。

所述B步骤中快速凝固Al-7.0wt.%Ti合金粉加入合金液后迅速搅拌，使整个熔体温度降低到液相线以上20-50℃，控制搅拌时间在在5-10min。

所述C步骤中迅速将处于液相线以上20-50℃的合金混合液浇铸到钢模中，得到Al₃Ti相弥散分布的Al-Cu-Mg系合金凝固组织，液相线温度采用 DTA（差热分析法）测试得到。

所述A步骤中所用的混合盐为分析纯化学试剂KCl和NaCl的均匀混合物，使用前将其在300℃下烘烤5小时去除结晶水，然后按质量比1:1均匀混合，保存于大于100℃恒温干燥箱中保持干燥以备使用。

控制搅拌时间的目的是为了使铝钛合金粉均匀地熔合进入金属液体中，合金粉加入量越少，使其均匀混合及熔合的搅拌时间越短，混合后合金熔体温度的高低不仅与搅拌时间有关，还与合金粉体的加入量有关，试验中电阻炉一直处于加热保温状态，在相同的粉体加入量时，搅拌时间越长，则混合后熔体的温度就越高。综合控制搅拌时间和粉体加入量，最终使熔体温度控制在液相线以上20-50℃。

相较于现有技术，本发明的有益效果是：本发明成功地制备了弥散Al₃Ti相增强的Al-Cu-Mg系合金，使合金中Al₃Ti相尺寸不超过原快速凝固Al-Ti合金粉中的Al₃Ti相尺寸，其尺寸保持在2-10μm；本发明改善了Al₃Ti相分布，细小的 Al₃Ti相均匀分布于晶粒内，本发明改善了Al₃Ti相的形貌，其形貌由原始Al-Ti合金粉中的针状变为短杆状块状，进而提高Al-Cu-Mg系合金的综合力学性能。

附图说明

图1是原始快速凝固Al-7.0wt.%Ti合金粉的SEM照片；

图2是使用本发明方法后的Al-Cu-Mg系合金组织的SEM照片；

图3是使用普通Al-5.0wt.%Ti中间合金与Al-Cu-Mg合金液固液混合制备的Al-Cu-Mg系合金凝固组织金相照片；

图4实施方案三制备的Al-Cu-Mg系合金凝固组织SEM照片，浇注时温度在720℃，本发明的浇注温度范围在654~684℃之间；

图5是使用本发明方法制备的不同Ti含量的Al-Cu-Mg系合金的SEM照片；

a、Ti含量为0.5wt.%；b、Ti含量为1.0wt.%、c、Ti含量为1.5wt.%。

具体实施方式

下面将结合附图及实施案例对本发明做进一步说明。

实施方案一：设计本实施方案中的Al-Cu-Mg合金各合金元素成分为：Cu元素为2.3wt.%；Mg元素为1.6wt.%；Ti元素为2.0 wt.%；Al元素为余量；快速凝固Al-7.0wt.%Ti合金粉的加入量以Ti元素在Al-Cu-Mg合金中的设计含量来计算，试样设计总重量(Al-7.0wt.%Ti合金粉+Al-Cu-Mg合金的总重量)为50g，则Al-7wt.%Ti合金粉的加入量为Al-7wt.%Ti合金粉的加入量为：50×2%÷7%=14.3g，质量分数为28.6wt.%；首先，在750℃温度下先将工业纯铝、Al-Cu中间合金和Al-Mg中间合金熔制成合金液，使其呈熔融状态；将快速凝固Al-7.0wt.%Ti合金粉与经脱水处理的NaCl和KCl混合盐混合均匀并在表面覆盖一层NaCl和KCl混合盐，放入400℃炉内预热5min；将预处理好的快速凝固Al-7.0wt.%Ti合金粉倒入熔融的合金液中，快速搅拌5分钟，此时，熔体温度大概在液相线（约634℃）以上30℃，将其迅速浇铸到铁模中，从而获得Al₃Ti相颗粒尺寸为2-10μm形态为短杆状块状且均匀分布于晶粒内的Al-Cu-Mg系合金。

采用上述实施方式制备的Al-Cu-Mg系合金，经SEM检测，与原快速凝固Al-7.0wt.%Ti合金粉的SEM图片对比，如图1和图2所示：原始快速凝固Al-7.0wt.%Ti合金粉中Al₃Ti颗粒尺寸在2-10μm左右，形貌多为长细针状；Al-Cu-Mg合金中的Al₃Ti相颗粒尺寸也在2-10μm内，形貌多为短杆状和块状，含有少量长条状，且分布均匀。

对比例1：设计本实施方案中的Al-Cu-Mg合金各合金元素成分为：Cu元素为2.3wt.%；Mg元素为1.6wt.%；Ti元素为2.0 wt.%；Al元素为余量；Ti元素以普通Al-5.0wt.%Ti中间合金加入，试样设计总重量(Al-5.0wt.%Ti中间合金+Al-Cu-Mg合金的总重量)为50g，则Al-5wt.%Ti中间合金的加入量为40wt.% (20g)；首先，在750℃温度下先将工业纯铝、Al-Cu中间合金和Al-Mg中间合金熔制成合金液，使其呈熔融状态；再加入未预热的普通Al-5.0wt.%Ti中间合金，搅拌15分钟至熔体均匀，使得熔体温度在液相线（约634℃）以上30℃，将其迅速浇铸到铁模中，得到如图3所示的Al-Cu-Mg系合金凝固组织金相照片，可以看出，其中的Al₃Ti相呈粗大的块状和针片状，其平均尺寸约为25微米。

对比例2：设计本实施方案中的Al-Cu-Mg合金各合金元素成分为：Cu元素为2.3wt.%；Mg元素为1.6wt.%；Ti元素为2.0 wt.%；Al元素为余量；快速凝固Al-7.0wt.%Ti合金粉的加入量以Ti元素在Al-Cu-Mg合金中的设计含量来计算，试样设计总重量(Al-7.0wt.%Ti合金粉+Al-Cu-Mg合金的总重量)为50g，则合金粉的加入量为28.6wt.% (14.3g)；首先，在750℃温度下先将工业纯铝、Al-Cu中间合金和Al-Mg中间合金熔制成合金液，使其呈熔融状态；将快速凝固Al-7.0wt.%Ti合金粉与经脱水处理的NaCl和KCl混合盐混合均匀并在表面覆盖一层NaCl和KCl混合盐，放入400℃炉内预热5min；将预处理好的快速凝固Al-7.0wt.%Ti合金粉倒入熔融的合金液中，然后通过控制电阻炉加热功率和搅拌时间（约15分钟）使合金熔体温度控制在720℃，再将合金液迅速浇铸到铁模中，得到如图4所示的Al-Cu-Mg系合金凝固组织金相照片，由图可以看出，Al₃Ti相颗粒尺寸明显比图2的大，其尺寸为5~20微米，形貌多为块状。

实施方案四：采用实施方案一的方案制备不同Ti含量的Al-Cu-Mg合金。设计的Ti含量分别为0.5 wt.%、1.0wt.%、1.5 wt.%，试样设计总重量(Al-7.0wt.%Ti合金粉+Al-Cu-Mg合金的总重量)为50g，则计算各Ti含量相对应Al-7wt.%Ti合金粉加入量分别为7.2wt.% (3.6g)、14.4wt.% (7.2g)、21.4wt.% (10.7g)，图5为用上述实施方案制备的不同Ti含量的Al-Cu-Mg系合金的金相照片，由图可以看出，随Ti含量的增多，Al-Cu-Mg系合金凝固组织中的Al₃Ti相颗粒增多，尺寸形貌都基本差不多，且分布均匀，在不同钛加入量时Al₃Ti相颗粒都呈弥散均匀分布，其形貌都为短杆状或块状，其平均尺寸为2~10微米。

Claims

1.Al₃Ti相弥散增强Al-Cu-Mg系合金的制备方法，其特征在于：采用快速凝固Al-7.0wt.%Ti合金粉与Al-Cu-Mg系合金液进行固-液混合近液相线铸造以获得弥散分布的Al₃Ti相增强的Al-Cu-Mg系合金，通过控制搅拌时间和粉体加入量使合金熔体温度在控制在液相线以上20-50℃，然后迅速将该合金液迅速浇铸到钢模中，得到Al₃Ti相颗粒弥散分布的Al-Cu-Mg系合金凝固组织。

2.如权利要求1所述的Al₃Ti相弥散增强Al-Cu-Mg系合金的制备方法，包括如下步骤：

3.如权利要求2所述的Al₃Ti相弥散增强Al-Cu-Mg系合金的制备方法，其特征在于：所述A步骤中的覆盖剂为经过脱水处理的质量分数为50%的KCl和50%的NaCl均匀混合组成的固体粉末，用于防止熔体氧化，减少合金元素的烧损，净化熔体。

4.如权利要求2所述的Al₃Ti相弥散增强Al-Cu-Mg系合金的制备方法，其特征在于：所述B步骤中的快速凝固Al-7.0wt.%Ti合金粉采用常规的雾法制粉方法制备，其Ti含量为质量分数7.0wt.%，颗粒尺寸为100-150目。

5.如权利要求2所述的Al₃Ti相弥散增强Al-Cu-Mg系合金的制备方法，其特征在于：所述B步骤中的快速凝固Al-7.0wt.%Ti粉的预处理方法为：用经脱水处理的质量分数为50%的KCl和50%的NaCl加入合金粉中混合均匀，然后在混合粉表面覆盖一层上述KCl和NaCl混合盐，放入400℃的电阻炉中预热5分钟，以助其快速均匀熔入Al-Cu-Mg系合金中。

6.如权利要求2所述的Al₃Ti相弥散增强Al-Cu-Mg系合金的制备方法，其特征在于：所述C步骤中的液相线温度采用差热分析法测试得到。

7.如权利要求3所述的Al₃Ti相弥散增强Al-Cu-Mg系合金的制备方法，其特征在于：所述A步骤中所用的混合盐为分析纯化学试剂KCl和NaCl的均匀混合物，使用前将其在300℃下烘烤5小时去除结晶水，然后按质量比1:1均匀混合，保存于大于100℃恒温干燥箱中保持干燥以备使用。