CN107475586B - 一种高强高韧多元Al-Cu合金及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备高强高韧的多元Al‑Cu合金的方法，将原料加热成熔融状态，再通过喷射成形设备进行喷射成形，形成多元Al‑Cu合金，所述多元Al‑Cu合金由Al、Cu、Mn、Ni、V、Sc和杂质Si、Fe元素组成。通过原料成分的配比，基于Al‑Cu合金体系进行微合金化成分设计，并结合3D喷射成形‑快速凝固技术来制备轻质弹壳用高强高韧的多元Al‑Cu合金材料。本发明的多元Al‑Cu合金材料的晶粒细小、组织均匀，具有高强高韧性能。根据多元Al‑Cu合金的结构与性能，选择合理的弹壳制备工艺，不但可以符合各种轻质弹壳的使用要求，还可应用于短程、中程甚至远程导弹的外壳及发射部件；具有巨大的经济效益。

Description

一种高强高韧多元Al-Cu合金及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及多元Al-Cu合金材料领域，更具体地，涉及高强高韧多元Al-Cu合金及其制备方法和应用。
背景技术
铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，因其密度低，强度比较高，接近或超过普通钢，塑性好，具有优良的导电性、导热性、抗蚀性等性能，可加工成各种型材，已广泛用于航空航天、工程机械及海洋船舶等领域。
随着我国航母的高速发展和远海作战能力的增强，传统的铁质、铜质弹壳已难以满足海、空军对子弹质量轻、耐腐蚀、数量大、价格低的要求，国家从战略层面急需研发出铝质弹壳，以提升我军远海作战能力。目前美国已成功开发出铝弹壳并装备部队，我国尚处于研发阶段，因此，急需开发一种同时具有高强度高韧性的铝合金材料。
铝弹壳材料在深冲成形过程中变形量大，除要求有高的强度外还必须有非常优良的韧性，这就要求铝合金材料必须具有高强度、高韧性性能。
采用常规的铸造法和粉末冶金法很难保证Al-Cu合金材料的均匀性，以及消除合金中成分偏析、孔洞等缺陷，因而无法达到弹壳用材料高强高韧的性能要求。
发明内容
本发明要解决的一个技术问题是针对传统方法制备的Al-Cu合金材料无法达到弹壳用材料高强高韧的性能要求的不足，提供一种高强高韧多元Al-Cu合金，通过原料成分的配比，基于Al-Cu合金体系进行微合金化成分设计，并结合3D喷射成形-快速凝固技术来制备轻质弹壳用高强高韧的多元Al-Cu合金材料。
本发明要解决的另一技术问题是提供高强高韧的多元Al-Cu合金在轻质弹壳制备中的应用，并同时公开了此种弹壳的制备方法。
本发明的发明目的通过以下技术方案予以实现：
提供一种制备高强高韧的多元Al-Cu合金的方法，将原料加热成熔融状态，再通过铝合金喷射成形设备进行喷射成形，形成多元Al-Cu合金，所述多元Al-Cu合金由Al、Cu、Mn、Ni、V、Sc和杂质Si、Fe元素组成。
进一步地，所述多元Al-Cu合金由以下质量百分比的合金成分组成：
Cu：4.0～5.0wt.％
Mn：0.3～0.6wt.％
Ni：0.1～0.3wt.％
V：0.05～0.10wt.％
Sc：0.02～0.05wt.％，
杂质Si、Fe元素的含量控制在0.01wt.％以下，余量为Al元素，上述所有合金成分之和为100％。
为了保证合金高强度的同时提高其韧性，本发明基于Al-Cu合金体系优选Cu含量适中、不含Mg的合金。对合金元素进行选择，科学地设计其成分含量，通过喷射成形设备制备出具有高强高韧性能的多元Al-Cu合金。
进一步地，所述制备高强高韧的多元Al-Cu合金的方法，包括以下步骤：
S1.取纯度为99.98％的纯铝置于石墨坩埚熔炼炉中，在800～860℃下，加热至全部变为熔融态；
S2.依次加入Al-40Cu、Al-30Mn、Al-10Ni、Al-5V和Al-5Sc中间合金，降低温度至700～720℃，充分搅拌后，静置15～25min；然后采用通入纯度为99.99％的无水高纯氮气的方法除渣，时间为30～60min；将打渣剂加到铝液表面，静置15～25min后扒渣，得到合金熔体；
S3.采用铝合金喷射成形设备对步骤S2的合金熔体进行喷射成形，制备出多元Al-Cu合金沉积坯。所述氮气的压力为1.0～2.0Mpa，氮气的温度为-25～-15℃，合金熔体的喷射温度为700～720℃，冷却速度约为103～105K/s；喷射距离为
200～300mm。
更进一步优选地，所述步骤S3中，所述氮气的温度为-25℃，所述合金熔体的喷射温度为720℃。
为了实现合金的高强度、高韧性，本发明基于3D喷射成形-快速凝固技术来制备超细晶合金坯料。将熔融金属或合金在惰性气氛中雾化，形成液滴喷射流，直接喷射在较冷的基体上，经过撞击、聚结、凝固而形成沉积物，从而实现增材制备三维坯件的目的；这种沉积坯可以立即进行锻造、挤压或轧制加工，性能良好，为后续产品的加工提供良好的基础。
进一步地，所述喷射距离为200mm。
进一步地，所述多元Al-Cu合金的沉积坯的平均晶粒直径为5um。
进一步地，所述Al-Cu合金的沉积坯的理论密度为98.7％～99.2％。
通过采用3D喷射成形-快速凝固技术来制备多元Al-Cu合金，其晶粒形貌以等轴晶为主，组织均匀，无明显的缺陷。这种致密、均匀、等轴、超细晶粒组织为后续模锻和高速旋压大塑性变形奠定了基础，确保了合金的高强高韧性能。
本发明的另一目的在于，公开由上述方法制备得到的多元Al-Cu合金。
本发明的另一目的在于，公开高强高韧的多元Al-Cu合金用于制造轻质弹壳。
进一步地，所述高强高韧的多元Al-Cu合金的应用于制备轻质弹壳的方法，包括以下步骤：
Y1.将上述多元Al-Cu合金的沉积坯，尺寸为加工成直径为10～80mm，高度为20～50mm的坯件，放入相应的钢模中，在液压机上进行模锻，所述模锻的温度为20～25℃，模锻压头下行运动速度为3～7mm/s；形成多元Al-Cu合金模锻件；
Y2.将步骤Y1所述多元Al-Cu合金模锻件在490～505℃下，固溶0.5～1h后室温水冷，再在250～270℃下时效10～14h后空冷；
Y3.将步骤Y2所述多元Al-Cu合金模锻件在温度为25℃下，进行旋压加工，旋压机转速为2000～5000r/min，通过调整旋压轮之间的距离，加工成所述轻质弹壳。
步骤Y2中对Al-Cu合金模锻件进行热处理后，多元Al-Cu合金锻件中形成了大量的强化相，如：CuAl2、(CuNiV)2Al3、Cu2Mn3Al20等，微量Sc的加入显著细化了上述析出相的尺寸。弥散分布的析出相，不仅提高了合金的强度，还显著改善了合金的韧性。
为进一步提高多元Al-Cu合金的沉积坯的致密度和强韧性，本发明基于模锻+高速旋压相结合的大塑性变形技术，实现微合金化效率的最大化和合金的高强韧性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明创造性地公开了一种制备高强高韧的多元Al-Cu合金的方法，通过3D喷射成形-快速凝固技术制备多元Al-Cu合金，有效解决了常规铸造法和粉末冶金法存在的问题，可以制备出晶粒细小、组织均匀以及无成分偏析的高强高韧Al-Cu合金。
本发明的多元Al-Cu合金是将多元微合金技术、3D喷射成形-快速凝固技术和大塑性变形技术三者完美结合，实现微合金化效率的最大化和合金的高强韧性能；根据多元Al-Cu合金的结构与性能，选择合理的弹壳制备工艺，使得该多元Al-Cu合金不但可以符合各种轻质弹壳的使用要求，还可应用于短程、中程甚至远程导弹的外壳及发射部件。实用性极强，且具有巨大的经济效益。
附图说明
图1为本发明的3D喷射成形-快速凝固原理图。
图2为本发明的多元Al-Cu合金的沉积坯的EBSD照片。
图3为本发明的合金坯件模锻示意图。
图4为实施例4的多元Al-Cu合金模锻件TEM图片。
图5为本发明的多元Al-Cu合金模锻件旋压示意图。
图6为实施例7和实施例8的多元Al-Cu合金拉伸过程中的应力-应变曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步详细说明本发明。为方便说明，本发明下述实施例采用的试剂、仪器和设备等例举如下，但并不因此限定本发明。
本发明公开了一种高强高韧的多元Al-Cu合金的方法，将原料加热成熔融状态，再通过铝合金喷射成形设备进行喷射成形，形成多元Al-Cu合金，多元Al-Cu合金由Al、Cu、Mn、Ni、V、Sc和杂质Si、Fe元素组成；其中，多元Al-Cu合金由以下质量百分比的合金成分组成：
Cu：4.0～5.0wt.％
Mn：0.3～0.6wt.％
Ni：0.1～0.3wt.％
V：0.05～0.10wt.％
Sc：0.02～0.05wt.％，
杂质Si、Fe元素的含量控制在0.01wt.％以下，余量为Al元素，上述所有合金成分之和为100％。
本发明对合金元素进行科学选择，并设计其成分含量，多元Al-Cu合金的各种合金元素在铝合金中的作用如下：
Cu元素：铝合金中Cu是重要的合金元素，Cu在Al中的溶解度随温度降低急剧减小，548℃时Cu在α-Al中的最大溶解度为5.65％，温度降到302℃时，Cu的溶解度为0.45％。在固溶后进行时效时，析出的CuAl2具有明显的时效强化效果。此外Cu还有一定的固溶强化效果，Cu固溶在铝合金中，其机械性能提高，切削性变好，不过耐蚀性降低，容易发生热间裂痕。铝合金中Cu含量通常在2～10％，铜含量在4～6％时强化效果最好，所以大部分硬铝合金的含Cu量处于这范围。Cu在铝合金中的作用主要就是在时效时弥散析出CuAl2，起时效强化效果。
Mn元素：Mn元素影响铝合金的再结晶过程，提高再结晶温度，并能显著细化再结晶晶粒。再结晶晶粒的细化主要是通过MnAl6化合物弥散质点对再结晶晶粒长大起阻碍作用。MnAl6的另一作用是能溶解杂质铁，形成(Fe、Mn)Al6，减小铁的有害影响。
Ni元素：和Cu一样，有增加抗拉强度和硬度的倾向，对耐蚀性影响很大。想要改善高温强度和耐热性，有时就加入Ni，但在耐蚀性及热导性方面有负面影响。
V元素：V在铝合金中形成VAl11高熔点化合物，在熔铸过程中起细化晶粒作用。V有细化再结晶组织、提高再结晶温度的作用。
Sc元素：Sc元素提高铝合金的强度、韧性、耐热性、耐蚀性和可焊性，铝合金中加入Sc后会析出高熔点弥散相Al3Sc，可细化晶粒和提高强度，此外Al3Sc本身细小均匀，可以细化铸态组织，从而改善合金的焊接性能。
Fe、Si元素：Fe和Si在是有害杂质，在合金中是不可避免的，主要来自原材料、熔炼和铸造中使用的工具和设备。这些杂质主要以硬而脆的FeAl3和游离的Si形式存在，还可以与Mn、Cr形成粗大化合物，在室温下很难溶解，起到缺口作用，容易成为裂纹源而使材料发生断裂。对于延伸率，特别对合金的断裂韧性有非常不利的影响。因此，本多元Al-Cu合金在设计时对Fe、Si杂质进行严格的控制。
本发明解决了常规铸造法和粉末冶金法难以制备晶粒细小、组织均匀、无成分偏析的高强韧Al-Cu合金材料的难题。
如图1所示，3D喷射成形-快速凝固技术的基本原理为：将金属原料置于石墨坩埚熔炼炉101中加热至熔融态，将高压惰性气体通过冷凝管102，将熔融金属或合金在惰性气氛中雾化，形成液滴喷射流103，直接喷射在较冷的基体上，经过撞击、聚结、凝固而形成沉积物104，从而实现增材制备三维坯件的目的；这种沉积物可以立即进行锻造、挤压或轧制加工，也可以是近终产品。
实施例1
本实施例提供的制备高强高韧的多元Al-Cu合金的方法，将原料加热成熔融状态，再通过铝合金喷射成形设备进行喷射成形，形成多元Al-Cu合金，多元Al-Cu合金由Al、Cu、Mn、Ni、V、Sc和杂质Si、Fe元素组成。由以下质量百分比的合金成分组成：如表1所示。采用纯铝、Al-40Cu、Al-30Mn、Al-10Ni、Al-5V和Al-5Sc中间合金作为原料，上述所有合金成分之和为100％。
具体包括以下步骤：
S1.取纯度为99.98％的纯铝置于熔炼炉中，在800℃下，加热至全部变为熔融态；
S2.依次加入Al-40Cu、Al-30Mn、Al-10Ni、Al-5V和Al-5Sc中间合金，降低温度至720℃，充分搅拌后，静置15～25min；然后采用通入纯度为99.99％的无水高纯氮气的方法除渣，时间为30min；将打渣剂加到铝液表面，静置15～25min后扒渣，得到合金熔体；
S3.采用铝合金喷射成形设备对步骤S2的合金熔体进行喷射成形，制备出多元Al-Cu合金沉积坯，氮气的压力为1.0～2.0Mpa，氮气的温度为-25℃，合金熔体的喷射温度为720℃，冷却速度约为103～105K/s；其中，喷射距离为200mm，沉积坯的尺寸为
本实施例中选用的打渣剂为JY-D1，按铝合金熔体量的0.1％～0.2％加入，主要成分为氯盐和氟盐。
实施例2
本实施例提供的制备高强高韧的多元Al-Cu合金的方法，将原料加热成熔融状态，再通过铝合金喷射成形设备进行喷射成形，形成多元Al-Cu合金，多元Al-Cu合金由Al、Cu、Mn、Ni、V、Sc和杂质Si、Fe元素组成。由以下质量百分比的合金成分组成：如表1所示。采用纯铝、Al-40Cu、Al-30Mn、Al-10Ni、Al-5V和Al-5Sc中间合金作为原料，上述所有合金成分之和为100％。
具体的制作步骤与实施例1相同，其不同之处在于：步骤S1中的熔炼温度为820℃，步骤S2中，中间合金的降低温度至700℃，然后采用通入纯度为99.99％的无水高纯氮气的方法除渣，时间为60min；其余步骤与实施例1相同。制备得到喷射形成多元Al-Cu合金的沉积坯，该沉积坯的尺寸为
实施例3
本实施例提供的制备高强高韧的多元Al-Cu合金的方法，将原料加热成熔融状态，再通过铝合金喷射成形设备进行喷射成形，形成多元Al-Cu合金，多元Al-Cu合金由Al、Cu、Mn、Ni、V、Sc和杂质Si、Fe元素组成。由以下质量百分比的合金成分组成：如表1所示。采用纯铝、Al-40Cu、Al-30Mn、Al-10Ni、Al-5V和Al-5Sc中间合金作为原料，上述所有合金成分之和为100％。
具体的制作步骤与实施例1相同，其不同之处在于：步骤S1中的熔炼温度为840℃，步骤S3中的氮气的温度为-15℃，合金熔体的喷射温度为700℃；其余步骤与实施例1相同。制备得到喷射形成多元Al-Cu合金的沉积坯，该沉积坯的尺寸为
实施例4
本实施例提供的制备高强高韧的多元Al-Cu合金的方法，将原料加热成熔融状态，再通过铝合金喷射成形设备进行喷射成形，形成多元Al-Cu合金，多元Al-Cu合金由Al、Cu、Mn、Ni、V、Sc和杂质Si、Fe元素组成。由以下质量百分比的合金成分组成：如表1所示。采用纯铝、Al-40Cu、Al-30Mn、Al-10Ni、Al-5V和Al-5Sc中间合金作为原料，上述所有合金成分之和为100％。
具体的制作步骤与实施例1相同，其不同之处在于：步骤S1中的熔炼温度为840℃，喷射距离为250mm，其余步骤与实施例1相同。制备得到喷射形成多元Al-Cu合金的沉积坯，该沉积坯的尺寸为
实施例5
本实施例提供的制备高强高韧的多元Al-Cu合金的方法，将原料加热成熔融状态，再通过铝合金喷射成形设备进行喷射成形，形成多元Al-Cu合金，多元Al-Cu合金由Al、Cu、Mn、Ni、V、Sc和杂质Si、Fe元素组成。由以下质量百分比的合金成分组成：如表1所示。采用纯铝、Al-40Cu、Al-30Mn、Al-10Ni、Al-5V和Al-5Sc中间合金作为原料，上述所有合金成分之和为100％。
具体的制作步骤与实施例1相同，其不同之处在于：步骤S1中的熔炼温度为840℃，喷射距离为300mm；其余步骤与实施例1相同。制备得到喷射形成多元Al-Cu合金的沉积坯，该沉积坯的尺寸为
实施例6
本实施例提供的制备高强高韧的多元Al-Cu合金的方法，将原料加热成熔融状态，再通过铝合金喷射成形设备进行喷射成形，形成多元Al-Cu合金，多元Al-Cu合金由Al、Cu、Mn、Ni、V、Sc和杂质Si、Fe元素组成。由以下质量百分比的合金成分组成：如表1所示。采用纯铝、Al-40Cu、Al-30Mn、Al-10Ni、Al-5V和Al-5Sc中间合金作为原料，上述所有合金成分之和为100％。
具体的制作步骤与实施例1相同，其不同之处在于：步骤S1中的熔炼温度为860℃，喷射距离为300mm，其余步骤与实施例1相同。制备得到喷射形成多元Al-Cu合金的沉积坯，该沉积坯的尺寸为
对比例1
本对比例提供的多元Al-Cu合金的方法，与实施例1相同，采用纯铝、Al-40Cu、Al-30Mn、Al-10Ni、Al-5V和Al-5Sc中间合金作为原料，上述所有合金成分之和为100％。由以下质量百分比的合金成分组成：如表1所示。
具体的制作步骤与实施例4相同。
对比例2
本对比例提供的多元Al-Cu合金的方法，选用与实施例4相同的原料配比，其步骤包括：取纯度为99.98％的纯铝置于熔炼炉中，在820℃加热至全部变为熔融态；依次加入一定量的Al-40Cu、Al-30Mn、Al-10Ni、Al-5V和Al-5Sc中间合金，降低温度至700℃，充分搅拌后静置25min，然后采用通入纯度为99.99％的无水高纯氮气的方法除渣，时间为40min；将打渣剂加到铝液表面，静置20min后扒渣；将铝液浇入的钢模中，最后形成多元Al-Cu合金坯料，合金的成分组成如表1所示。
表1
为了进一步验证上述实施例1～6及对比例1～2的性能，按照表1中的成分配比制备出多元Al-Cu合金坯料，然后再加工成拉伸试样进行力学性能测试，主要性能指标数据见表2。
表2
由表2所知，实施例1～6多元Al-Cu合金材料的力学性能明显优于对比例1～2。其中实施例4的强度和韧性最佳，将实施例4所制得的沉积坯制备成试样，进行EBSD分析，其组织结构及晶粒形貌如图2所示，多元Al-Cu合金沉积坯的平均晶粒直径约为5um，坯件基本致密，是理论密度的98.7％，晶粒形貌以等轴晶为主，组织均匀，没有观察到明显的缺陷。
实施例1～6与对比例1相比较，本发明的微合金化成分设计(实施例4)明显优于对比例1及其它实施例中的合金成分设计，采用同样的制备工艺，实施例1～6的性能均优于对比例1。
而实施例4与对比例2相比较，本发明采用的3D喷射成形-快速凝固技术制备出的多元Al-Cu合金，明显优于对比例2中用常规方法制备的多元Al-Cu合金。
由上述可知通过原材料成分配比，基于Al-Cu合金体系进行微合金化成分设计，并结合3D喷射成形-快速凝固技术制备的多元Al-Cu合金材料的强度和韧性均较高。
实施例7
本实施例提供了高强高韧的多元Al-Cu合金在制造轻质弹壳上的应用，选用上述实施例中的最佳实施例4所制备出的多元Al-Cu合金的沉积坯，其制备轻质弹壳的方法包括以下步骤：
Y1.将上述多元Al-Cu合金的沉积坯，沉积坯的尺寸为加工成直径为20mm，高度为35mm的坯件，放入内孔尺寸为钢模中，如图3所示，在液压机上进行模锻，将合金坯件1放入钢模204中，通过上冲压头201和下冲压头202的相向运动，模锻的温度为25℃，上冲压头201下行运动速度为7mm/s；制备出多元Al-Cu合金模锻件203；
Y2.将步骤Y1所述的多元Al-Cu合金模锻件在490℃下，固溶1h后，室温水冷，再在250℃下时效10h后空冷；
Y3.将步骤Y2所述多元Al-Cu合金模锻件在温度为25℃下，进行旋压加工，如图5所示，旋压杆301转速为3000r/min，通过调整旋压轮302之间的距离，加工成轻质弹壳。
实施例8
本实施例提供了高强高韧的多元Al-Cu合金在制造弹壳上的应用，选用上述实施例中的最佳实施例4所制备出的多元Al-Cu合金的沉积坯，其制备轻质弹壳的方法与实施例7相同，其不同之处在于：
步骤Y2的固溶温度为505℃，固溶时间为0.5h，室温水中冷却后，在270℃的温度下时效10h后空冷。其余步骤与实施例7相同。
实施例7和实施例8制备试样的透射电镜(TEM)照片分别如图4(a)和图4(b)所示。由图可见，实施例8试样中的析出相数量明显多于实施例7，且分布更为均匀。热处理后锻件中形成了大量的弥散析出相，如：CuAl2、(CuNiV)2Al3、Cu2Mn3Al20等，微量Sc的加入显著细化了上述析出相的尺寸，平均尺寸小于100nm。弥散分布的析出相，不仅提高了合金的强度，还显著改善了合金的韧性。
将实施例7和实施例8旋压后的产品上取拉伸试样进行室温拉伸，拉伸速度为10mm/min，试样拉伸过程中的应力-应变曲线如图6所示。可见，实施例8的多元Al-Cu合金具有更好的室温拉伸性能，其室温拉伸强度为618MPa，屈服强度为465MPa，伸长率为20％。
本发明的多元Al-Cu合金是将多元微合金技术，3D喷射成形-快速凝固技术，大塑性变形技术三者完美结合，实现微合金化效率的最大化和合金的高强韧性能；根据多元Al-Cu合金的结构与性能，选择合理的弹壳制备工艺，使得该多元Al-Cu合金不但可以符合各种弹壳的使用要求，还可应用于短程、中程甚至远程导弹的外壳及发射部件。实用性极强，且具有巨大的经济效益。
发明人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (8)

1.一种制备高强高韧的多元Al-Cu合金的方法，其特征在于，所述多元Al-Cu合金由以下质量百分比的合金成分组成：
Cu：4.0～5.0wt.％
Mn：0.3～0.6wt.％
Ni：0.1～0.3wt.％
V：0.05～0.10wt.％
Sc：0.02～0.05wt.％，
杂质Si、Fe元素的含量控制在0.01wt.％以下，余量为Al元素，上述所有合金成分之和为100％；其制备步骤包括：
S1.取纯度为99.98％的纯铝置于石墨坩埚熔炼炉中，在800～860℃下，加热至全部变为熔融态；
S2.依次加入Al-40Cu、Al-30Mn、Al-10Ni、Al-5V和Al-5Sc中间合金，降低温度至700～720℃，充分搅拌后，静置15～25min；然后采用通入纯度为99.99％的无水高纯氮气的方法除渣，时间为30～60min；将打渣剂加到铝液表面，静置15～25min后扒渣，得到合金熔体；
S3.采用铝合金喷射成形设备对步骤S2的合金熔体进行喷射成形，制备出多元Al-Cu合金沉积坯；所述氮气的压力为1.0～2.0MPa，氮气的温度为-25～-15℃，所述合金熔体的喷射温度为700～720℃，冷却速度为103～105K/s；喷射距离为200～300mm。
2.根据权利要求1所述制备高强高韧的多元Al-Cu合金的方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述氮气的温度为-25℃，所述合金熔体的喷射温度为720℃。
3.根据权利要求1所述制备高强高韧的多元Al-Cu合金的方法，其特征在于，所述喷射距离为200mm。
4.根据权利要求1所述制备高强高韧的多元Al-Cu合金的方法，其特征在于，所述多元Al-Cu合金的沉积坯的平均晶粒直径为5um。
5.根据权利要求1所述制备高强高韧的多元Al-Cu合金的方法，其特征在于，所述Al-Cu合金的沉积坯的理论密度为98.7％～99.2％。
6.一种根据权利要求1～5任意一项所述制备高强高韧的多元Al-Cu合金的方法制备得到的多元Al-Cu合金坯料。
7.一种根据权利要求6所述高强高韧的多元Al-Cu合金坯料的应用，其特征在于，所述多元Al-Cu合金坯料用于制造轻质弹壳。
8.一种根据权利要求7所述高强高韧的多元Al-Cu合金坯料应用于制备轻质弹壳的方法，其特征在于，包括以下步骤：
Y1.将上述多元Al-Cu合金沉积坯，尺寸为加工成直径为10～80mm，高度为20～50mm的坯件，放入相应的钢模中，在液压机上进行模锻，所述模锻的温度为20～25℃，模锻压头下行运动速度为3～7mm/s；制备出多元Al-Cu合金模锻件；
Y2.将步骤Y1所述多元Al-Cu合金模锻件在490～505℃下，固溶0.5～1h后室温水冷，再在250～270℃下时效10～14h后空冷；
Y3.将步骤Y2所述多元Al-Cu合金模锻件在温度为25℃下，进行旋压加工，旋压机转速为2000～5000r/min，通过调整旋压轮之间的距离，加工成所述轻质弹壳。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109022944B (zh) * 2018-07-28 2020-01-21 河南明泰铝业股份有限公司 一种弹壳用铝合金板及其生产方法
CN109158604A (zh) * 2018-09-11 2019-01-08 湖南工业大学 一种铝合金弹壳制造方法及弹壳
CN109207749B (zh) * 2018-09-11 2021-04-13 湖南工业大学 一种耐盐雾腐蚀的铝合金材料及其在制备弹壳方面的应用
CN109136692B (zh) * 2018-10-18 2020-12-04 河北钢研德凯科技有限公司 铸造铝合金及其制备方法
CN110106410B (zh) * 2019-04-22 2020-11-03 湖南工业大学 一种制备Al-Cu-Mg合金弹壳的冷冲工艺及其应用
CN111733357B (zh) * 2020-05-21 2022-04-12 范语楠 一种高体积分数陶瓷增强铝基复合材料制备方法
CN112453333B (zh) * 2020-11-26 2022-03-15 昆明理工大学 一种高锆铝合金线坯制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09104940A (ja) * 1995-10-09 1997-04-22 Furukawa Electric Co Ltd:The 溶接性に優れた高力ＡｌーＣｕ系合金
RU2210614C1 (ru) * 2001-12-21 2003-08-20 Региональный общественный фонд содействия защите интеллектуальной собственности Сплав на основе алюминия, изделие из этого сплава и способ его изготовления
CN104313418A (zh) * 2014-11-07 2015-01-28 安徽瑞研新材料技术研究院有限公司 一种高性能耐热铝合金材料
CN104342590A (zh) * 2013-07-31 2015-02-11 株式会社神户制钢所 切削用铝合金挤压材
CN104694802A (zh) * 2015-02-17 2015-06-10 江苏理工学院 添加微量元素Sc提高喷射成形7xxx系铝合金再结晶温度的方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09104940A (ja) * 1995-10-09 1997-04-22 Furukawa Electric Co Ltd:The 溶接性に優れた高力ＡｌーＣｕ系合金
RU2210614C1 (ru) * 2001-12-21 2003-08-20 Региональный общественный фонд содействия защите интеллектуальной собственности Сплав на основе алюминия, изделие из этого сплава и способ его изготовления
CN104342590A (zh) * 2013-07-31 2015-02-11 株式会社神户制钢所 切削用铝合金挤压材
CN104313418A (zh) * 2014-11-07 2015-01-28 安徽瑞研新材料技术研究院有限公司 一种高性能耐热铝合金材料
CN104694802A (zh) * 2015-02-17 2015-06-10 江苏理工学院 添加微量元素Sc提高喷射成形7xxx系铝合金再结晶温度的方法

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