CN105648283B

CN105648283B - 低密度、高刚度铸造铝锂合金及其制备方法

Info

Publication number: CN105648283B
Application number: CN201610200924.5A
Authority: CN
Inventors: 陈安涛; 孙建锋; 张亮; 彭雨; 吴国华; 汪存龙; 李艳磊
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2016-03-31
Publication date: 2018-01-19
Anticipated expiration: 2036-03-31
Also published as: CN105648283A

Abstract

本发明公开了一种低密度、高刚度铸造铝锂合金及其制备方法，所述铝锂合金包括以下重量百分含量的各组分：3～3.5％Li，1～2％Cu，0.5～2％Mg，0.4～0.8％Ag，0.14～0.2％Zr，0.3～0.8％Mn；杂质元素Si、Fe、Na和K的总量小于0.25％，余量为Al。通过添加合金元素(Li,Cu,Mg,Ag,Zr,Mn)及固溶时效处理的制备方法，获得力学性能优良的铸造铝锂合金，制得的此类铝合金具有比传统铸造铝合金更高的弹性模量及更低的密度，且Li元素得率高，同时成本低廉。

Description

低密度、高刚度铸造铝锂合金及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料类及冶金领域，涉及一种低密度、高刚度铸造铝锂合金及其制备方法，具体涉及一种通过添加合金元素(Li,Cu,Mg,Ag,Zr,Mn)及相关热处理工艺条件获得力学性能优良的铸造铝锂合金的制备方法，制得的此类铝合金具有比传统铸造铝合金更为优越的室温强度和刚度。

背景技术

锂是自然界最轻的金属元素，其密度仅为0.534g/cm³，向铝合金中每加入1wt％Li，可使合金密度降低3％，弹性模量提高6％，而且合金具有时效强化作用。因此，铝锂合金是高强度、高弹性模量、超轻型铝合金材料的代表，在航空航天领域显示出广阔的应用前景。早在1924年德国的材料专家就开发出了第一个含Li的铝合金Seleron，随后美国开发出2020铝锂合金并应用于RA-5C军用预警飞机的机翼蒙皮和尾翼水平安定面上，获得了6％的减重效果。1980～1991年分别在美国、英国、法国、德国召开了6次铝锂合金国际会议，铝锂合金逐渐受到了各国的高度重视。

铝锂合金按照加工工艺可分为铸造铝锂合金、变形铝锂合金及粉末冶金铝锂合金等。80年代以来，国内外对铝锂合金的开发几乎完全局限于变形铝锂合金，但是高速和高加速的部件也适合采用铝锂合金，比如马达活塞和涡轮发动机的叶轮等，这些部件形状复杂，通常需采用铸造方式生产。因此，国内外相继开展了有关铸造铝锂合金的研制工作。现有研究表明，铝锂合金除具有优良的高比特性外，还有较好的铸造性能，尤其是该合金对型腔细小结构的复制能力一般要好于传统铝合金，这对于航空用薄壁件的成型非常有利。山东大学韩建德等人通过改变Li和Cu的含量，研究了Al-Li-Cu三元铸造合金的组织和性能的变化，在时效态其合金的力学性能达到350Mpa，但延伸率仅为0.4％；俄罗斯科学工作者(Effect of alloying elements on the structure and properties of Al-Li-Cu castalloys,Russian Metallurgy,2009,4,338-344)研究了合金元素对铸造铝锂合金性能的影响，并开发出了一种在Al-3Li-1.5Cu三元合金中添加不同微量元素而获得性能较好的铸造铝锂合金，但其添加的元素Cd及Be对人体有害。中国专利文献CN201410674805.4公开了一种轻质高强铸造铝锂合金及其制备方法，这种合金在室温具有较高的力学性能且含2～3wt％Li，1.5～2.5wt％Cu，并没有最大限度的发挥铝锂合金低密度及高刚度的优势。为进一步降低铝锂合金密度及提高其刚度，本课题组在以往的工作基础上，通过改变合金成分(主要增加合金锂含量、降低合金铜含量)及相关热处理工艺条件，获得一种低密度、高刚度且力学性能优良的铸造铝锂合金。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种低密度、高刚度铸造铝锂合金及其制备方法，通过添加合金元素(Li,Cu,Mg,Ag,Zr,Mn)及固溶时效处理，获得力学性能优良的铸造铝锂合金，制得的此类铝合金具有比传统铸造铝合金更高的弹性模量及更低的密度，同时成本低廉。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

第一方面，本发明提供了一种低密度、高刚度铸造铝锂合金，包括以下重量百分含量的各组分：3～3.5％Li，1～2％Cu，0.5～2％Mg，0.4～0.8％Ag，0.14～0.2％Zr，0.3～0.8％Mn；杂质元素Si、Fe、Na和K的总量小于0.25％，余量为Al。Ag的添加主要是和Mg一起促进合金T₁(Al₂CuLi)相的析出(T₁相是铝锂合金中最具强化效果的析出相)。Mg和Zn的添加也具有促进T₁相的析出，但是其作用没有Mg和Ag的强烈。

优选的，所述铝锂合金包括以下重量百分含量的各组分：3.2～3.5％Li，1.3～1.9％Cu，0.5～1.0％Mg，0.5～0.8％Ag，0.16～0.19％Zr，0.35～0.8％Mn；杂质元素Si、Fe、Na和K的总量小于0.25％，余量为Al。

第二方面，本发明还提供了一种低密度、高刚度铸造铝锂合金的制备方法，包括以下步骤：

A1、秤取原料，包括Al-Cu中间合金，Al-Zr中间合金，Al-Mn中间合金，纯锂、纯镁、纯银和纯铝；

A2、将纯铝放入坩埚中熔化后，依次加入Al-Cu中间合金、Al–Mn中间合金、Al-Zr中间合金，熔化后搅拌均匀并在熔体表面撒入覆盖剂；

A3、在氩气保护条件下用钟罩将纯Li压入熔体，完全熔化后再加入纯镁和纯银，搅拌均匀，扒去表面熔渣并撒入覆盖剂；

A4、将经步骤A3处理后所得熔体进行精炼、静置，然后浇铸到模具中得到合金铸件。

优选地，所述制备方法还包括对步骤A4所得的合金铸件进行双级固溶处理。

优选地，所述的双级固溶处理具体采用：先520～540℃固溶处理16h，然后560℃固溶处理12～20h。520～540℃固溶16h是为了消除非平衡凝固条件下的第二相(主要为Al₂Cu及Al₂CuLi相)，若固溶温度低于此温度范围，在延长固溶时间的同时也不能较好的固溶这些第二相；若固溶温度高于此温度范围，则合金会出现过烧现象，严重损害合金的性能。考虑到该合金具有非常高的溶质元素含量，为了最大限度提高合金的过饱和度，我们选择560℃固溶处理12～20h作为第二级固溶工艺。同样，温度低于560℃不能获得饱和度高的固溶体合金，温度高于560℃则出现过烧。

优选地，所述制备方法还包括对经双级固溶处理后的合金进行单级时效处理。

优选地，所述单级时效处理的条件为在175℃下处理8～32h。铝锂合金的力学性能受时效工艺影响较大。时效温度低时(150℃)，达到相等力学性能的时效时间较175℃长很多，增加经济成本，时效温度高时(190℃)，析出相分布没有175℃时效的均匀，且容易形成晶界无析出带，降低合金的塑性。175℃长时间时效，不仅增加经济成本，而且不可避免形成晶界无析出带，降低合金的延伸率，从而容易出现合金过早断裂的现象。

优选地，所述覆盖剂包括质量比为1:3的LiF和LiCl。

优选地，步骤A1中，所述Al-Cu中间合金含49～50wt％的Cu，Al-Zr中间合金含9.5～10.3wt％的Zr，Al-Mn中间合金含8.9～10.6wt％的Mn。

优选地，所述Al-Cu中间合金、Al–Mn中间合金、Al-Zr中间合金的加入温度为750～760℃。

优选地，步骤A4中，所述精炼、静置的步骤具体采用：将熔体降温至730～750℃后，采用精炼剂C₂Cl₆分两次对熔体进行精炼，精炼结束后降温至720℃静置3～5min。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)采用在覆盖剂及氩气双重保护下用钟罩压入纯Li方式来添加Li元素，能够减少由Al-Li中间合金方式加Li元素代入的夹杂物，并且减少合金在高温度下的停留时间，降低其氧化烧损，提高合金元素的实得率(Li的实得率在80％以上)。

(2)用C₂Cl₆精炼剂分两次对熔体进行精炼除气，合金含H量大为降低，有效的提高了合金熔体的质量。

(3)该铸造铝锂合金提高了合金元素Li的含量，同时降低了Cu元素的含量，极大限度的提高了合金的刚度及降低了合金的密度(弹性模量≧82GPa，弹性模量由拉伸应力应变曲线获得，密度≦2.53g/cm³，阿基米德法测密度)。

(4)考虑合金高的合金元素含量，采用分级固溶处理，特别是第二级固溶温度(560℃)，能获得极大过饱和度的铝固溶体，为后面的时效强化提供有利条件。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为实施例1制备的铝锂合金的透射明场相和暗场相；其中，图1a为透射明场相，Al₃Zr相在固溶期间沿晶内析出；图1b为透射暗场相，大量细小Al₃Li相在淬火后析出；

图2为实施例2制备的铝锂合金的透射明场相和暗场相；其中，图2a为透射明场相，可见Al₃(Li,Zr)复合粒子及大量Al₃Li相；图2b为透射暗场相，相比实施例1，其Al₃Li相有所长大；

图3为实施例3制备的铝锂合金的透射明场相和暗场相；其中，图3a为透射明场相，随着时效时间的延长T₁相数量有所增加；图3b为透射暗场相，可见Al₃Li相相比实施例2有所长大；

图4为实施例3制备的铝锂合金的透射明场相和暗场相；其中，图4a为透射明场相，合金中出现了Al₂₀Cu₂Mn₃相及GPB区；图4b为透射暗场相及衍射斑点。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

先将纯铝、纯镁及中间合金Al-Cu，Al-Zr，Al-Mn，预热到180℃～200℃，然后将纯铝放入石墨坩埚中熔化。铝锭熔化后，在750～760℃加入Al-Cu中间合金，待铝液温度回升到750～760℃后，将Al-Mn中间合金直接加入到铝液中并保温5min。保温结束后于760℃加入Al-Zr中间合金，待其熔化后搅拌均匀并在熔体表面撒入覆盖剂(LiF：LiCl＝1:3)。在氩气保护条件下用钟罩将纯Li压入熔体，完全熔化后立即加入Mg及Ag，加入后搅拌均匀，扒去表面熔渣并撒入覆盖剂。将熔体温度降低到740℃左右后，将C₂Cl₆精炼剂分两次对熔体进行精炼，精炼结束后扒去熔渣并撒覆盖剂，降温到720℃静置4min左右。静置结束除去熔体表面覆盖剂，将熔体浇铸到预热至200℃左右的钢制模具。

该合金的固溶处理工艺为540℃/16h+560℃/18h，最后水淬得到固溶态合金(如图1所示)。经化学分析合金成分为(wt％)：

Li	Cu	Mg	Ag	Mn	Zr	Al
							3.2	1.36	0.9	0.5	0.35	0.17	余量

该铸造铝锂合金固溶态室温力学性能、弹性模量及密度为：

抗拉强度：287MPa，屈服强度：104MPa，延伸率：22.3％；

弹性模量：81.6GPa，密度：2.49g/cm³。

Li的实得率为87％。

实施例2

该合金的固溶处理工艺为530℃/16h+560℃/20h，水淬后于175℃时效8h得到T6态合金(如图2所示)。经化学分析合金成分为(wt％)：

Li	Cu	Mg	Ag	Mn	Zr	Al
							3.48	1.89	0.54	0.76	0.39	0.19	余量

该铸造铝锂合金T6态室温力学性能、弹性模量及密度为：

抗拉强度：371MPa，屈服强度：252MPa，延伸率：6.2％；

弹性模量：82.9GPa，密度：2.51g/cm³。

Li的实得率为90％。

实施例3

该合金的固溶处理工艺为520℃/16h+560℃/14h，水淬后于175℃时效28h得到T6态合金(如图3所示)。经化学分析合金成分为(wt％)：

Li	Cu	Mg	Ag	Mn	Zr	Al
							3.03	1.05	1.48	0.42	0.34	0.15	余量

该铸造铝锂合金T6态室温力学性能、弹性模量及密度为：

抗拉强度：394MPa，屈服强度：305MPa，延伸率：3.5％；

弹性模量：80.8GPa，密度：2.49g/cm³。

Li的实得率为85％。

实施例4

该合金的固溶处理工艺为540℃/16h+560℃/12h，水淬后于175℃时效32h得到T6态合金(如图4所示)。经化学分析合金成分为(wt％)：

Li	Cu	Mg	Ag	Mn	Zr	Al
							3.34	1.45	0.85	0.57	0.73	0.16	余量

该铸造铝锂合金T6态室温力学性能、弹性模量及密度为：

抗拉强度：408MPa，屈服强度：325MPa，延伸率：2.9％；

弹性模量：82.5GPa，密度：2.5g/cm³。

Li的实得率为87％。

对比例1

该对比例的铝锂合金根据专利CN201410674805.4中的说明书实施例1的方法制备，制备得到的合金经化学分析合金成分为(wt％)：

Li	Cu	Mg	Zn	Zr	Mn	Cr	Ti	Al
									2.31	1.86	0.67	0.44	0.09	0.1	0.12	0.09	余量

该铸造铝锂合金T6态室温力学性能、弹性模量及密度为：

抗拉强度：402MPa，屈服强度：314MPa，延伸率：2.8％；

弹性模量：77GPa，密度：2.59g/cm³。

Li的实得率为75％。

对比例2

本对比例的制备方法与实施例2相同，不同之处在于：Li的添加方式是以含Li量为9.8～11wt％的铝锂中间合金加入，且只在覆盖剂LiCl与LiF的保护下加入。

由此制备得到的合金经化学分析合金成分为(wt％)：

Li	Cu	Mg	Ag	Mn	Zr	Al
							2.43	1.62	0.59	0.49	0.63	0.15	余量

该铸造铝锂合金T6态(175℃时效24h)室温力学性能、弹性模量及密度为：

抗拉强度：389MPa，屈服强度：296MPa，延伸率：4.2％；

弹性模量：78GPa，密度：2.54g/cm³。

Li的实得率为78％。

对比例3

本对比例的实验合金与实施例2相同，不同之处在于：双级固溶处理的条件为：500℃×20h+550℃×24h。固溶后于175℃时效8h后其力学性能为：

抗拉强度：342MPa，屈服强度：268MPa，延伸率：2.1％；

弹性模量：75GPa，密度：2.51g/cm³。

Li的实得率为76％。

综上所述，本发明制备的铸造铝锂合金采用在覆盖剂及氩气双重保护下用钟罩压入纯Li方式来添加Li元素，能够减少由Al-Li中间合金方式加Li元素代入的夹杂物，并且减少合金在高温度下的停留时间，降低其氧化烧损，提高合金元素的实得率(Li的实得率在80％以上)；该铸造铝锂合金提高了合金元素Li的含量，同时降低了Cu元素的含量，极大限度的提高了合金的刚度及降低了合金的密度；且采用分级固溶处理，特别是第二级固溶温度(560℃)，能获得极大过饱和度的铝固溶体，为后面的时效强化提供有利条件。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，以上实施例仅用于说明本发明，而并不用于限制本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种低密度、高刚度铸造铝锂合金，其特征在于，包括以下重量百分含量的各组分：3.03～3.48％Li，1.05～1.89％Cu，0.54～1.48％Mg，0.42～0.78％Ag，0.15～0.19％Zr，0.34～0.73％Mn；杂质元素Si、Fe、Na和K的总量小于0.25％，余量为Al。

2.一种根据权利要求1所述的低密度、高刚度铸造铝锂合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

A4、将经步骤A3处理后所得熔体进行精炼、静置，然后浇铸到模具中得到合金铸件；

所述制备方法还包括对步骤A4所得的合金铸件进行双级固溶处理；

所述的双级固溶处理具体采用：先520～540℃固溶处理16h，然后560℃固溶处理12～20h；

所述制备方法还包括对经双级固溶处理后的合金进行单级时效处理；

所述单级时效处理的条件为在175℃下处理8～32h。

3.根据权利要求2所述的低密度、高刚度铸造铝锂合金的制备方法，其特征在于，所述覆盖剂包括质量比为1:3的LiF和LiCl。

4.根据权利要求2所述的低密度、高刚度铸造铝锂合金的制备方法，其特征在于，步骤A1中，所述Al-Cu中间合金含49～50wt％的Cu，Al-Zr中间合金含9.5～10.3wt％的Zr，Al-Mn中间合金含8.9～10.6wt％的Mn。

5.根据权利要求2或4所述的低密度、高刚度铸造铝锂合金的制备方法，其特征在于，所述Al-Cu中间合金、Al–Mn中间合金、Al-Zr中间合金的加入温度为750～760℃。

6.根据权利要求2所述的低密度、高刚度铸造铝锂合金的制备方法，其特征在于，步骤A4中，所述精炼、静置的步骤具体采用：将熔体降温至730～750℃后，采用精炼剂C₂Cl₆分两次对熔体进行精炼，精炼结束后降温至720℃静置3～5min。