CN104862560A - 航天航空用含Gd、Lu的铝合金型材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种航天航空用含Gd、Lu的铝合金型材及其制备方法，其由以下重量百分比的元素组成：Zn5.2-6.4、Mg1.8-2.6、Cu1.5-2.0、Mn0.3-0.6、Cr0.25-0.35、Si0.1-0.3、Fe0.15-0.25、Ti0.05-0.1、Zr0.04-0.08、Gd0.2-0.4、Lu0.1-0.2，余量为Al。本发明将Gd、Lu稀土元素加入Al-Zn-Mg-Cu系铝合金中，通过合金化作用，可以细化合金的铸态晶粒，增大强化相的析出密度并使其分布均匀，抑制再结晶,阻碍了晶界的移动，阻止再结晶晶粒长大，从而显著提高合金的强度；同时还能改善合金的抗应力腐蚀性能和焊接性能。因此，采用Gd、Lu替代Sc添加到Al-Zn-Mg-Cu系铝合金中不仅不会大幅度提高生产成本，还可以大幅度提高其合金强度，可广泛应用于航天航空领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种航天航空用含Gd、Lu的铝合金型材及其制备方法，属于铝合金材料领域。
背景技术
Al-Zn-Mg-Cu系铝合金属于超高强变形铝合金，具有高的比强度和比刚度，较好的耐腐蚀性和较高的韧性等优点，是航空领域最重要的结构材料之一。随着航天航空技术的不断发展，对其强度的要求越来越高。目前Al-Zn-Mg-Cu系铝合金大多采用添加稀土元素Sc替代Zr、或者复合添加（Sc+Zr）元素，不仅可以抑制再结晶，形成非常细小弥散的亚结构，又能通过析出强化效应而使合金强度大幅度提高，改善合金的各种性能，但是目前尚无有关Gd、Lu同时在Al-Zn-Mg-Cu系铝合金中应用的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种合金化效果明显、强度高的航天航空用含Gd、Lu的铝合金型材及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种航空用航天航空用含Gd、Lu的铝合金型材，由以下重量百分比的元素组成：Zn 5.2-6.4、Mg 1.8-2.6、Cu 1.5-2.0、Mn 0.3-0.6、Cr 0.25-0.35、Si 0.1-0.3、Fe 0.15-0.25、Ti 0.05-0.1、Zr 0.04-0.08、Gd 0.2-0.4、Lu 0.1-0.2，余量为Al。
一种航空用航天航空用含Gd、Lu的铝合金型材的制备方法，包括以下步骤：
（1）按上述元素组成进行配料，将炉料投入熔炼炉中熔炼，熔炼温度725-755℃，待炉料完全熔化后，调整温度至710-730℃，采用高纯氮气吹入精炼剂精炼，氮气压力为1.4-1.8kg/mm，精炼剂用量为熔体重量的0.1-0.2%，精炼15-20min，精炼后静置20-30min，除去铝液中的氧化夹杂和氢气,扒渣后开始浇铸；
（2）采用半连续直接水冷铸造方法，控制铸造温度为690-710℃，铸造速度75-85mm/min，冷却水流量为1700-1900 L/min,冷却水压 0.15-0.25MPa；
（3）将上述得到的铸锭以100-150℃/h升温至240-280℃，保温2-4h，再以80-120℃/h升温至450-480℃，保温4-8h；然后以70-90℃/h降温至280-320℃，保温3-5h，再以60-80℃/h降温至150-170℃，保温1-2h；然后以80-120℃/h升温至320-360℃，保温3-6h，再以70-90℃/h升温至490-510℃，保温5-10h；然后以60-80℃/h降温至340-380℃，保温3-6h，再以70-90℃/h降温至150-200℃，保温1-2h，空冷至室温；
（4）将上述均匀化处理后的铸锭加热至475-495℃，然后利用挤压机将预热后的铸锭放入模具中挤出成型，模具预热温度为440-460℃，挤压筒预热温度为415-435℃，挤压速率为14-18m/min，出模温度为495-515℃；
（5）将上述挤压成型的铝合金型材强风风冷至240-260℃，然后放入0-3℃冰盐水中降温至50℃以下，再进行拉伸矫直，拉伸变形量控制在0.5-1%；
（6）将上述拉伸矫直后的铝合金型材锯切成定尺成品后进行人工时效处理：先以80-90℃/h升温至160-180℃，保温12-16h，再以40-50℃/h降温至70-80℃，保温16-22h，空冷至室温，然后以45-55℃/h升温至90-110℃，保温14-18h，空冷至室温，然后以95-105℃/h升温至190-210℃，保温10-15h，再以50-60℃/h降温至80-90℃，保温15-20h，空冷至室温。
所述精炼剂的制备方法如下：a.称取以下重量份的原料：氯化钠10-15、氯化钾 5-10、木炭粉2-4、废玻璃粉3-6、氟硅酸钠4-8、氟化钙3-5、氟铝酸钠 2-4、硅灰石5-10、铝矾土8-12、电石渣4-6；b.将上述硅灰石、铝矾土、电石渣混合均匀，粉碎过200-300目筛，然后加入适量的水湿法球磨12-24h，110-120℃干燥1-2h，再在740-780℃煅烧25-35min，升温至1180-1220℃继续煅烧1-2h，水淬，湿法球磨，烘干，过200-300目筛，待用；c.将氯化钠和氯化钾混合均匀，加热至815-835℃，待其全部熔融后，加入其余原料以及步骤b制得的粉末，搅拌均匀，然后倒入冰水中冷淬，得到破碎的颗粒，湿法球磨，烘干，过200-300目筛即可。
本发明的有益效果：
本发明将Gd、Lu稀土元素加入Al-Zn-Mg-Cu系铝合金中，通过合金化作用，可以细化合金的铸态晶粒，增大强化相的析出密度并使其分布均匀，抑制再结晶,阻碍了晶界的移动，阻止再结晶晶粒长大，从而显著提高合金的强度；同时还能改善合金的抗应力腐蚀性能和焊接性能。因此，采用Gd、Lu替代Sc添加到Al-Zn-Mg-Cu系铝合金中不仅不会大幅度提高生产成本，还可以大幅度提高其合金强度，可广泛应用于航天航空领域。
具体实施方式
一种航空用航天航空用含Gd、Lu的铝合金型材的制备方法，包括以下步骤：
（1）按照重量百分比的元素组成为：Zn 5.2-6.4、Mg 1.8-2.6、Cu 1.5-2.0、Mn 0.3-0.6、Cr 0.25-0.35、Si 0.1-0.3、Fe 0.15-0.25、Ti 0.05-0.1、Zr 0.04-0.08、Gd 0.2-0.4、Lu 0.1-0.2，余量为Al进行配料；
（2）将上述配好的炉料投入熔炼炉中熔炼，熔炼温度740℃，待炉料完全熔化后，调整温度至725℃，采用高纯氮气吹入精炼剂精炼，氮气压力为1.6kg/mm，精炼剂用量为熔体重量的0.15%，精炼20min，精炼后静置25min，除去铝液中的氧化夹杂和氢气,扒渣后开始浇铸；
（3）采用半连续直接水冷铸造方法，控制铸造温度为705℃，铸造速度80mm/min，冷却水流量为1800 L/min,冷却水压 0.2MPa；
（4）将上述得到的铸锭以120℃/h升温至250℃，保温3h，再以100℃/h升温至460℃，保温6h；然后以80℃/h降温至320℃，保温4h，再以70℃/h降温至160℃，保温1h；然后以100℃/h升温至340℃，保温4h，再以80℃/h升温至505℃，保温8h；然后以70℃/h降温至350℃，保温4h，再以90℃/h降温至170℃，保温1h，空冷至室温；
（5）将上述均匀化处理后的铸锭加热至490℃，然后利用挤压机将预热后的铸锭放入模具中挤出成型，模具预热温度为450℃，挤压筒预热温度为425℃，挤压速率为16m/min，出模温度为510℃；
（6）将上述挤压成型的铝合金型材强风风冷至250℃，然后放入0℃冰盐水中降温至50℃以下，再进行拉伸矫直，拉伸变形量为0.7%；
（7）将上述拉伸矫直后的铝合金型材锯切成定尺成品后进行人工时效处理：先以90℃/h升温至180℃，保温12h，再以50℃/h降温至80℃，保温16h，空冷至室温，然后以55℃/h升温至110℃，保温14-h，空冷至室温，然后以105℃/h升温至210℃，保温10h，再以60℃/h降温至90℃，保温15h，空冷至室温。
上述精炼剂的制备方法如下：a.称取以下重量（kg）的原料：氯化钠10、氯化钾 8、木炭粉3、废玻璃粉5、氟硅酸钠6、氟化钙4、氟铝酸钠 3、硅灰石7、铝矾土10、电石渣5；b.将上述硅灰石、铝矾土、电石渣混合均匀，粉碎过200目筛，然后加入适量的水湿法球磨24h，120℃干燥1h，再在760℃煅烧30min，升温至1220℃继续煅烧1h，水淬，湿法球磨，烘干，过250目筛，待用；c.将氯化钠和氯化钾混合均匀，加热至820℃，待其全部熔融后，加入其余原料以及步骤b制得的粉末，搅拌均匀，然后倒入冰水中冷淬，得到破碎的颗粒，湿法球磨，烘干，过250目筛即可。
经检验，制得的铝合金型材化学成分为：Zn 6.16%、Mg 2.31%、Cu 1.74%、Mn 0.52%、Cr 0.28%、Si 0.22%、Fe 0.19%、Ti 0.086%、Zr 0.067%、Gd 0.35%、Lu 0.18%，余量为Al；力学性能为：抗拉强度604MPa，屈服强度518MPa，伸长率14.6%。
Claims (3)
1.一种航天航空用含Gd、Lu的铝合金型材，其特征在于，由以下重量百分比的元素组成：Zn 5.2-6.4、Mg 1.8-2.6、Cu 1.5-2.0、Mn 0.3-0.6、Cr 0.25-0.35、Si 0.1-0.3、Fe 0.15-0.25、Ti 0.05-0.1、Zr 0.04-0.08、Gd 0.2-0.4、Lu 0.1-0.2，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的航天航空用含Gd、Lu的铝合金型材的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）按上述元素组成进行配料，将炉料投入熔炼炉中熔炼，熔炼温度725-755℃，待炉料完全熔化后，调整温度至710-730℃，采用高纯氮气吹入精炼剂精炼，氮气压力为1.4-1.8kg/mm，精炼剂用量为熔体重量的0.1-0.2%，精炼15-20min，精炼后静置20-30min，除去铝液中的氧化夹杂和氢气,扒渣后开始浇铸；
（2）采用半连续直接水冷铸造方法，控制铸造温度为690-710℃，铸造速度75-85mm/min，冷却水流量为1700-1900 L/min,冷却水压 0.15-0.25MPa；
（3）将上述得到的铸锭以100-150℃/h升温至240-280℃，保温2-4h，再以80-120℃/h升温至450-480℃，保温4-8h；然后以70-90℃/h降温至280-320℃，保温3-5h，再以60-80℃/h降温至150-170℃，保温1-2h；然后以80-120℃/h升温至320-360℃，保温3-6h，再以70-90℃/h升温至490-510℃，保温5-10h；然后以60-80℃/h降温至340-380℃，保温3-6h，再以70-90℃/h降温至150-200℃，保温1-2h，空冷至室温；
（4）将上述均匀化处理后的铸锭加热至475-495℃，然后利用挤压机将预热后的铸锭放入模具中挤出成型，模具预热温度为440-460℃，挤压筒预热温度为415-435℃，挤压速率为14-18m/min，出模温度为495-515℃；
（5）将上述挤压成型的铝合金型材强风风冷至240-260℃，然后放入0-3℃冰盐水中降温至50℃以下，再进行拉伸矫直，拉伸变形量控制在0.5-1%；
（6）将上述拉伸矫直后的铝合金型材锯切成定尺成品后进行人工时效处理：先以80-90℃/h升温至160-180℃，保温12-16h，再以40-50℃/h降温至70-80℃，保温16-22h，空冷至室温，然后以45-55℃/h升温至90-110℃，保温14-18h，空冷至室温，然后以95-105℃/h升温至190-210℃，保温10-15h，再以50-60℃/h降温至80-90℃，保温15-20h，空冷至室温。
3.根据权利要求2所述的航空用航天航空用含Gd、Lu的铝合金型材的制备方法，其特征在于，所述精炼剂的制备方法如下：a.称取以下重量份的原料：氯化钠10-15、氯化钾 5-10、木炭粉2-4、废玻璃粉3-6、氟硅酸钠4-8、氟化钙3-5、氟铝酸钠 2-4、硅灰石5-10、铝矾土8-12、电石渣4-6；b.将上述硅灰石、铝矾土、电石渣混合均匀，粉碎过200-300目筛，然后加入适量的水湿法球磨12-24h，110-120℃干燥1-2h，再在740-780℃煅烧25-35min，升温至1180-1220℃继续煅烧1-2h，水淬，湿法球磨，烘干，过200-300目筛，待用；c.将氯化钠和氯化钾混合均匀，加热至815-835℃，待其全部熔融后，加入其余原料以及步骤b制得的粉末，搅拌均匀，然后倒入冰水中冷淬，得到破碎的颗粒，湿法球磨，烘干，过200-300目筛即可。
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