CN106834837B - 一种Al-Cu-Mg-Fe-Ni系变形耐热铝合金及其制备方法 - Google Patents

一种Al-Cu-Mg-Fe-Ni系变形耐热铝合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于铝合金材料领域，涉及一种Al‑Cu‑Mg‑Fe‑Ni系变形耐热铝合金及其制备方法。各组分及其质量百分比为：Cu 4.7～5.8％，Mg 1.5～2.4％，Fe 1.5～2.0％,Ni 1.4～1.9％,Zr 0.04～0.20％，Ti 0.03～0.10％以及Sc 0.04～0.10％，V 0.08～0.15％，Ag 0.3～0.9％中的1种至3种，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al。本发明还提出了该合金的制备方法，可将富含Fe、Ni的金属间化合物以纳米颗粒的方式均匀分布在合金中。本发明一种变形耐热铝合金在具备良好的热加工性能、成形性能以及良好综合力学性能的同时具有较为优良的耐热性能。该工艺方法简单可行，与现有制备工艺方法变化不大，特别适用于工业化批量生产。

Description

一种Al-Cu-Mg-Fe-Ni系变形耐热铝合金及其制备方法
技术领域
本发明属于铝合金材料领域，涉及一种Al-Cu-Mg-Fe-Ni系变形耐热铝合金及其制备方法。
背景技术
变形耐热铝合金具有低密度、高导热性、良好的成形特性以及较高的经济效益，已在兵器、航空、航天、汽车等行业得到广泛应用，如导弹壳体、尾翼、飞机蒙皮等。随着航空、航天的迅速发展，对变形耐热铝合金的耐热性能也提出了更高的要求，传统变形耐热铝合金的长期工作温度一般在150℃以下，限制了其应用范围。
为了提高耐热铝合金的使用温度，国内外研究者采用快速凝固+粉末冶金成形(RS+PM)的方式制备了Al-Fe、Al-Cr系新型耐热铝合金，通过在铝合金中加入过渡族金属元素形成大量弥散分布且具有热稳定性的沉淀相(以金属间化合物为主)，从而提高合金的耐热性能，但该方法工艺复杂，合金致密性不高，同时大量高密度沉淀相导致合金工艺塑性较差，难以制备大尺寸的零部件。
此外，针对RS+PM方法存在的周期长，零件致密性不足等问题，国内的研究者提出了一些解决措施，ZL200410022527.0公开了一种耐热铝合金的制备方法，该方法通过快速凝固+半固态压力铸造的方式直接制备近终成形的零部件，提高合金的致密性。但该方法仍然难以用于变形耐热铝合金产品的制备
综上所述，调控析出相的类型并且增加弥散分布且具有热稳定性的沉淀相是提高变形耐热铝合金耐热性能的关键，其中沉淀相的数量、尺寸及分布方式又直接决定了合金的热加工性能。
发明内容
本发明的目的是：针对现有成熟变形耐热铝合金耐热性不足以及新型耐热铝合金制备工艺复杂，工艺塑性较差，难以大批量制备等不足，提出一种Al-Cu-Mg-Fe-Ni系变形耐热铝合金及其制备方法，使合金耐热性能具有较大提高的同时，具备良好的工艺塑性，可实现批量化制备与应用。
本发明的技术方案是：
各组分及其质量百分比为：其中，主合金化元素：Cu 4.7～5.8％，Mg 1.5～2.4％，Fe 1.5～2.0％,Ni 1.4～1.9％,微合金化元素：Zr 0.04～0.20％，T i 0.03～0.10％以及Sc 0.04～0.10％，V 0.08～0.15％，Ag 0.3～0.9％中的1种至3种，其它为杂质元素，杂质元素单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al。
制备Al-Cu-Mg-Fe-Ni变形耐热铝合金的方法包括以下几个步骤：
1)按照质量比为Al-50％Fe和Al-50％Ni，将Al-Fe、Al-Ni中间合金在电阻炉内加热到900～950℃熔化，降温至820～850℃，精炼处理10～30min，除去表面浮杂物，静置15～30min，然后移入气体雾化制粉设备中，采用高纯氩气进行快速凝固气体雾化制粉，制备成快速凝固的粉体，粉体直径在20～150μm；
2)将粉体装入模具，室温下用冷压机进行加压成圆柱坯料，然后将坯料在真空热压炉内进行热压烧结，加热温度350℃～460℃，压力400～800MPa，热压炉内的真空度不超过1×10-3Pa，保压时间2～6h，保持真空度，随炉缓冷至150℃以下，取出空冷至室温；
3)将热压烧结后的坯料通过热挤压成Φ5～10mm的丝材，挤压温度380℃～440℃；
4)将Al、Cu、Mg、Zr、V、Sc和Ag按照权利要求1所述的成分配料，Al、Mg以纯金属方式加入，其他元素以中间合金方式加入，其中，Sc、V、Ag选择一种、二种或三种同时加入，然后在熔炼炉内进行熔化，熔化温度680℃～800℃，充分熔化后对金属液进行精炼并除去表层浮渣，精炼时金属温度维持在700℃～750℃范围；
5)按照权利要求1所述的Fe、Ni含量，将步骤3所制备的Al-Fe-Ni合金丝加入金属液中，待完全溶解后进行充分搅拌，搅拌时避免不要破坏表层氧化膜，保持温度在710℃～730℃范围；
6)将充分搅拌金属液进行铸造，铸造前槽温度保持在700℃～720℃；
7)在空气循环炉内对铸锭进行均匀化处理，采取双级处理工艺，第一级温度为400℃～440℃，第二级均匀化温度为490℃～520℃；
8)将均匀化处理后的铸锭扒皮后，进行热轧、热挤压或热锻任意工艺加工成形，成形过程中坯料温度应保持在380℃～420℃；
9)成形后的坯料经过固溶时效处理，固溶处理温度为525℃～543℃，时效处理工艺为：160℃～195℃温度下保温18～30h，随后加工成所需零部件。
本发明的优点是：本发明针对工业化对变形耐热铝合金良好工艺性能及优良耐热性能的需求，通过合金成分的优化并结合快速凝固+半连续铸造工艺的制备方式，在合金中引入适当的高温沉淀相，可以使合金耐热性能提高的同时，具备良好的加工工艺性能。
1、工艺简单可行，便于工业化批量生产。本发明方法工艺简单，Al-Fe-Ni中间合金丝材可以以在线添加的方式加入，工业化可实施性强；
2、综合效果显著。采用本发明的变形耐热铝合金及其制备方法是将Al-Fe和Al-Ni合金制成微米级颗粒后制成挤压丝材再加入合金中，丝材在制备过程中会析出纳米级高温耐热颗粒，丝材中的纳米高温耐热颗粒引入到合金中可以有效提高合金的耐热性能，避免了Fe、Ni直接加入后与Cu元素形成大尺寸的残余第二相，在提高合金耐热性能的同时，保证了合金良好的工艺塑性。
具体实施方案
下面结合具体实施例对本发明的技术方案和效果作进一步的阐述，但本发明并不局限于下述实施例。
一种Al-Cu-Mg-Fe-Ni变形耐热铝合金，各组分及其质量百分比为：Cu 4.7～5.8％，Mg 1.5～2.4％，Fe 1.5～2.0％,Ni 1.4～1.9％,Zr 0.04～0.20％，Ti 0.03～0.10％以及Sc 0.04～0.10％，V 0.08～0.15％，Ag 0.3～0.9％中的1种至3种，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al。
制备方法包括以下几个步骤：
1.1将Al-Fe、Al-Ni中间合金在电阻炉内加热到900～950℃熔化，降温至820～850℃，精炼处理10～30min，，除去表面浮杂物，静置15～30min，然后移入气体雾化制粉设备中，采用高纯氩气进行快速凝固气体雾化制粉，制备成快速凝固的粉体，粉体直径在20～150μm。
1.2将粉体装入模具，室温下用冷压机进行加压成圆柱坯料，然后将坯料在真空热压炉内进行热压烧结，加热温度350℃～460℃，压力100～500MPa，热压炉内的真空度不超过1×10-3Pa，保压时间2～6h。保持真空度，随炉缓冷至150℃～200℃出空冷至室温。
1.3将热压烧结后的坯料通过热挤压成Φ5～10mm的丝材，挤压温度380℃～440℃。
1.4将Al、Cu、Mg、Zr、V、Sc和Ag按照权利要求1所述的成分配料，Al、Mg以纯金属方式加入，其他元素以中间合金方式加入，Sc、V、Ag可选择一种、二种或三种同时加入，然后在熔炼炉内进行熔化，熔化温度680℃～800℃。充分熔化后对金属液进行精炼并除去表层浮渣，精炼时金属温度维持在700℃～750℃范围。
1.5按照权利要求1所述的Fe、Ni含量，将步骤3所制备的Al-Fe-Ni合金丝加入金属液中，待完全溶解后进行充分搅拌，搅拌时避免不要破坏表层氧化膜，保持温度在710℃～730℃范围；
1.6将充分搅拌金属液进行铸造，铸造前槽温度保持在700℃～720℃。
1.7在空气循环炉内对铸锭进行均匀化处理，采取双级处理工艺，第一级温度为400℃～440℃，第二级均匀化温度为490℃～520℃；
1.8将均匀化处理后的铸锭扒皮后，进行热轧、热挤压或热锻等任意工艺加工成形，成形过程中坯料温度应保持在380℃～420℃；
1.9成形后的坯料经过固溶时效处理，随后加工成所需零部件。
步骤1.9中采用的固溶处理温度为525℃～543℃；
步骤1.9中采用的峰值时效处理工艺为：160℃～195℃温度下保温18～30h。
实施例一
采合金成分(质量百分比)为：Cu 5.0％，Mg 2.1％，Fe 1.6％，Ni 1.5％，Ag0.40％，Zr 0.15％，Sc 0.08％，Ti 0.06％，余量为Al。
首先将Al-50％Fe、Al-50％Ni中间合金在900℃熔化，充分搅拌后降温至850℃，气体精炼15min，然后表面除渣，静置20min后转移至雾化炉内进行雾化制粉；将粉末筛选后获得20～150μm直径的粉体。
将粉体装入直径为Φ200mm直径的钢模中进行冷压，压力100MPa，保压30min，将压制成型的料块取出后在真空热压炉内进行热压烧结，加热温度380℃，压力150MPa，真空度3.5×10-4Pa，保压时间2h。将热压烧结后的坯料在400℃下挤压成Φ10mm的丝材。
按照成分配比加入纯铝、纯镁、Al-Cu、Al-Zr、Al-Sc、Al-Ti、Al-Ag中间合金，加热至750℃充分熔化，然后在720℃对金属液进行精炼，并及时去除表层浮渣。
按照成分配比，在合金液中加入Φ10mm的Al-Fe-Ni合金丝，保持溶液温度720℃，待合金丝完全溶解后进行充分搅拌。然后将金属液转移至半连续铸造机组进行浇铸，浇铸成Φ160mm的圆锭；
将圆锭在空气循环炉内进行均匀化处理，采取双级均匀化工艺，第一级温度为410℃，第二级均匀化温度为520℃；
将均匀化处理后的铸锭扒皮成Φ140mm圆锭，然后挤压成δ10×100mm的带板，挤压温度390℃。
将获得的挤压带板进行固溶时效处理，具体工艺为：538℃/45min+室温水淬，然后空气循环炉内进行195℃/20h人工时效处理。
测量合金的室温拉伸性能，其纵向屈服强度为360MPa，抗拉强度为438MPa，伸长率为14.5％，明显高于2618A等变形耐热铝合金；随后测量了合金的高温持久性能和高温蠕变性能，结果如表1所示。由表可以发现合金在200℃下具有较高的强度。
表1挤压带板的高温性能
状态 取样方向 试验温度，℃ 高温持久强度,σ100/MPa 高温蠕变强度，σ0.2/100/MPa
T6 纵向 150 345 331
T6 纵向 175 330 323
T6 纵向 200 313 308
实施例二
采合金成分(质量百分比)为：Cu 5.5％，Mg 1.8％，Fe 2.0％，Ni 1.9％，Zr0.15％，Sc 0.08％，T i 0.06％，V 0.10％，余量为Al。
首先将Al-50％Fe、Al-50％Ni中间合金在900℃熔化，充分搅拌后降温至820℃，气体精炼15min，然后表面除渣，静置20min后转移至雾化炉内进行雾化制粉；将粉末筛选后获得20～150μm直径的粉体。
将粉体装入直径为Φ300mm直径的钢模中进行冷压，压力100MPa，保压30min，将压制成型的料块取出后在真空热压炉内进行热压烧结，加热温度400℃，压力100MPa，真空度5.3×10-4Pa，保压时间3h。将热压烧结后的坯料在400℃下挤压成Φ10mm的丝材。
按照成分配比加入纯铝、纯镁、Al-Cu、Al-Zr、Al-Sc、Al-Ti，Al-V中间合金，加热至780℃充分熔化，然后在730℃对金属液进行精炼，并及时去除表层浮渣。
按照成分配比，在合金液中加入Φ10mm的Al-Fe-Ni合金丝，保持溶液温度720℃，待合金丝完全溶解后进行充分搅拌。然后将金属液转移至半连续铸造机组进行浇铸，浇铸成Φ160mm的圆锭；
将圆锭在空气循环炉内进行均匀化处理，采取双级均匀化工艺，第一级温度为440℃，第二级均匀化温度为520℃；
将均匀化处理后的铸锭扒皮成Φ140mm圆锭，然后挤压成δ10×100mm的带板，挤压温度400℃。
将获得的挤压带板进行固溶时效处理，具体工艺为：540℃/45min+室温水淬，然后空气循环炉内进行177℃/26h人工时效处理。
测量合金的室温拉伸性能，其纵向屈服强度为373MPa，抗拉强度为451MPa，伸长率为11.2％；随后测量了合金的高温持久性能和高温蠕变性能，结果如表2所示。由表可以发现合金在200℃下具有较高的强度。
表2挤压带板的高温性能
状态 取样方向 试验温度，℃ 高温持久强度,σ100/MPa 高温蠕变强度，σ0.2/100/MPa
T6 纵向 150 356 351
T6 纵向 175 348 343
T6 纵向 200 321 311

Claims (1)

1.一种Al-Cu-Mg-Fe-Ni变形耐热铝合金，其特征是，各组分及其质量百分比为：其中，主合金化元素：Cu 4.7～5.8％，Mg 1.5～2.4％，Fe 1.5～2.0％,Ni 1.4～1.9％,微合金化元素：Zr 0.04～0.20％，Ti 0.03～0.10％以及Sc 0.04～0.10％，V 0.08～0.15％，Ag 0.3～0.9％中的1种至3种，其它为杂质元素，杂质元素单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al；
制备方法包括以下几个步骤：
1)按照质量比为Al-50％Fe和Al-50％Ni，将Al-Fe、Al-Ni中间合金在电阻炉内加热到900～950℃熔化，降温至820～850℃，精炼处理10～30min，除去表面浮杂物，静置15～30min，然后移入气体雾化制粉设备中，采用高纯氩气进行快速凝固气体雾化制粉，制备成快速凝固的粉体，粉体直径在20～150μm；
2)将粉体装入模具，室温下用冷压机进行加压成圆柱坯料，然后将坯料在真空热压炉内进行热压烧结，加热温度350℃～460℃，压力400～800MPa，热压炉内的真空度不超过1×10-3Pa，保压时间2～6h，保持真空度，随炉缓冷至150℃以下，取出空冷至室温；
3)将热压烧结后的坯料通过热挤压成Φ5～10mm的丝材，挤压温度380℃～440℃；
4)将Al、Cu、Mg、Zr、V、Sc和Ag按照所述的成分配料，Al、Mg以纯金属方式加入，其他元素以中间合金方式加入，其中，Sc、V、Ag选择一种、二种或三种同时加入，然后在熔炼炉内进行熔化，熔化温度680℃～800℃，充分熔化后对金属液进行精炼并除去表层浮渣，精炼时金属温度维持在700℃～750℃范围；
5)按照所述的Fe、Ni含量，将步骤3所制备的Al-Fe-Ni合金丝加入金属液中，待完全溶解后进行充分搅拌，搅拌时避免不要破坏表层氧化膜，保持温度在710℃～730℃范围；
6)将充分搅拌金属液进行铸造，铸造前槽温度保持在700℃～720℃；
7)在空气循环炉内对铸锭进行均匀化处理，采取双级处理工艺，第一级温度为400℃～440℃，第二级均匀化温度为490℃～520℃；
8)将均匀化处理后的铸锭扒皮后，进行热轧、热挤压或热锻任意工艺加工成形，成形过程中坯料温度应保持在380℃～420℃；
9)成形后的坯料经过固溶时效处理，固溶处理温度为525℃～543℃，时效处理工艺为：160℃～195℃温度下保温18～30h，随后加工成所需零部件。
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