CN107502797A

CN107502797A - 一种强度稳定的耐热稀土铝合金及其制备方法

Info

Publication number: CN107502797A
Application number: CN201710999486.8A
Authority: CN
Inventors: 刘艳辉; 马旭; 袁柱桐; 李龙林; 孙远志
Original assignee: LIAONING ZHONGDA ALUMINUM Co Ltd
Current assignee: LIAONING ZHONGDA ALUMINUM Co Ltd
Priority date: 2017-10-24
Filing date: 2017-10-24
Publication date: 2017-12-22

Abstract

本发明的目的在于解决现有技术中的耐热铝合金耐热性能不够稳定、高温时强度下降较多，并且稀土用量较多、成本高的问题，提供了一种强度稳定的耐热稀土铝合金，属于铝合金技术领域。本发明的耐热稀土铝合金，由以下质量百分比的组分组成：7～8％Zn，4～5％Mg，3～4％Cu，0.3～0.5％Gd，余量为Al及不可避免的杂质；所述耐热稀土铝合金是由铝、锌、镁、铜和中间合金Mg‑30Gd为原料熔炼铸造并经过固溶和时效热处理而成。采用这样合金配比的稀土铝合金高温强度稳定性得到了明显的改善，而且稀土用量更少，成本更低，高温强度更加稳定。

Description

一种强度稳定的耐热稀土铝合金及其制备方法

技术领域

本发明属于铝合金技术领域，特别涉及一种强度稳定的耐热稀土铝合金。

背景技术

现有的耐热铝合金主要从限制位错运动和强化晶界入手，通过适当的合金化，通过引入热稳定性高的第二相、降低元素在铝基体中的扩散速率或者改善晶界结构状态和组织形态等手段提高铝合金的热强性和高温蠕变抗力。

但是，目前的商业耐热铝合金，其存在的主要不足是耐热性能不够稳定，高温时强度下降较多，成本高，尚不能完全满足其在航空航天、军工、汽车及其它行业中在较宽的作业温度范围下使用时对铝合金强度稳定性的更高的要求，因此同时提高铝合金的强度和耐热性能是发展铝合金材料的重要课题。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的耐热铝合金耐热性能不够稳定并且稀土用量较多成本高的问题，提供了一种强度稳定的耐热稀土铝合金。采用这样合金元素配比的稀土铝合金高温强度稳定性得到了明显的改善，而且稀土用量更少，成本更低，耐热性能尤其是高温强度更加稳定。

一种强度稳定的耐热稀土铝合金，由以下质量百分比的组分组成：7～8％Zn，4～5％Mg，3～4％Cu，0.3～0.5％Gd，余量为Al及不可避免的杂质；

所述杂质中元素Ni、Fe、Ti、Gr和Li总量小于0.2％；

所述耐热稀土铝合金是由铝、锌、镁、铜和中间合金Mg-30Gd为原料熔炼铸造并经过固溶和时效热处理而成。

上述耐热稀土铝合金的制备方法，包括如下步骤：

1)按上述成分配制合金，放入加热炉中熔炼，当铝合金熔液升温至700～800℃时进行浇铸，即得到铸态铝合金；

2)将铸态铝合金经固溶处理后再进行时效处理，即得到产品；

较好的，所述固溶处理的工艺为440～520℃固溶处理8～12小时；所述时效处理的工艺为130～180℃等温时效处理15～20小时。

经分析检测，本发明耐热稀土铝合金产品的合金组分为Al-Zn-Mg-Cu-Gd，所述耐热稀土铝合金金相组织主要由α-Al基体和共晶(α-Al+β-Al₂Mg₃Zn₃+β-Al₂Cu+β-Al₂Gd)组成；合金的平均晶粒尺寸为40-50μm。

本发明合金的拉伸强度较好并且极其稳定，室温抗拉强度＞610MPa，200℃的抗拉强度＞590MPa，250℃的抗拉强度＞580MPa，300℃的抗拉强度＞550MPa；由室温到300℃范围内，合金的抗拉强度随着温度的升高而降低的幅度低于20％。

本发明的原理为：

本发明稀土铝合金的组分为Al-Zn-Mg-Cu-Gd。目前，稀土元素是提高铝合金耐热性能最有效的合金元素，稀土元素在铝合金中除了具有除气、除杂、提高铸造流动性、耐蚀性能以外，同时大部分稀土元素在铝中具有较大的固溶度，而且随温度下降，固溶度急剧减少，可以得到过饱和铝合金固溶体，在人工时效过程中析出弥散的、高熔点的稀土相。稀土元素还可以细化晶粒、提高室温强度，而且分布在晶内和晶界主要是晶界的弥散的、高熔点稀土化合物，在高温时仍能钉扎晶内位错和晶界滑移，提高铝合金的高温强度。同时，稀土元素在铝基体中的扩散速率较慢，这使得稀土铝合金适于在较高温度环境下长期工作。本发明采用的重稀土Gd在铝中的最大固溶度为0.82％，是稀土元素中固溶度较大的元素。在铝-稀土二元合金中，Al-Gd合金的高温强度与蠕变性能表现最显著，合金中的析出平衡相是Al₂Gd，具有较高的熔点，对铝合金的室温及高温力学性能产生较好的强化效果。

锌、镁和铜是铝合金中重要的合金元素，锌、镁在铝基体中有较大的固溶能力，固溶度分别为12.7wt％、8.3wt％，在铝基体中加入锌、镁元素后形成β-Al₂Mg₃Zn₃、β-Al₂Cu相，并以离异共晶的形式存在，锌、镁和铜在铝合金中起到强化作用主要体现在两个方面，一是通过形成β-Al₂Mg₃Zn₃、β-Al₂Cu相的第二相强化，二是锌、镁原子在铝基体中的固溶强化。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、本发明的稀土铝合金Al-Zn-Mg-Cu-Gd具有良好的综合力学性能，经固溶处理和时效处理后具有强度高，各项性能相对稳定的特点，室温抗拉强度＞610MPa，200℃的抗拉强度＞590MPa，250℃的抗拉强度＞580MPa，300℃的抗拉强度＞550MPa。

2、本申请的强度稳定的耐热稀土铝合金的高温强度稳定性得到了明显的改善，而且稀土用量更少，成本更低，耐热性能尤其是高温强度更加稳定，在航空航天、汽车工业、武器装备等方面有着广阔的应用前景。

附图说明

图1、实施例1稀土铝合金的时效试样图片；

图2、对比例1铝合金的时效试样图片；

图3、对比例2铝合金的时效试样图片。

具体实施方式

本发明具体实施方式中涉及到的原料铝、锌、镁、铜和中间合金Mg-30Gd均为市售产品。所述原料的纯度为99.5％的铝锌、镁、铜和99.8％中间合金Mg-30Gd。

下述实施例中稀土铝合金的按照国家标准GB6397-86《金属拉伸实验试样》加工成倍标准拉伸试样。在日本岛津Ag-I 250kN工精密万能实验机上进行拉伸试验，拉伸速率为1mm/min。高温拉伸时，要保温10分钟，再进行拉伸。

实施例1

本实施例的强度稳定的耐热稀土铝合金由以下质量百分比的组分组成：7％Zn，4％Mg，3％Cu，0.3％Gd，余量为Al及不可避免的杂质，其中杂质元素Ni、Fe、Ti、Gr和Li总量小于0.2％。

制备方法为：按上述成分配制合金，其熔铸工艺为采用刚玉坩埚、中频感应炉熔炼。铝液升温至720℃进行浇铸，浇铸用钢制模具。最后得到Al-7Zn-4Mg-3Cu-0.3Gd铸态铝合金。热处理工艺为485℃固溶处理10小时，150℃等温时效处理18小时。

本实施例的合金铸态组织主要由α-Al基体和共晶(α-Al+β-Al₂Mg₃Zn₃+β-Al₂Cu+β-Al₂Gd)组成，晶界上分布着不连续的“树枝状”金属间化合物，枝晶偏析明显，由于采用的是金属模具，凝固较快，初生枝晶刚形成，温度就降至共晶反应温度，形成共晶相。此时液相含量很多，共晶相含量较大，呈现断续网状分布。固溶态合金组织由α-Al基体和少量沿着晶界分布的块状或长条不规则形状未溶相组成，铸态组织中的偏析基本消除。时效态合金组织晶界清晰有块状、颗粒状析出相分布在晶界、晶内，图1为本实施例所制得的稀土铝合金的时效试样图片。经截线法测量，固溶时效后，合金的平均晶粒尺寸为40-50μm。

经测试，本实施例所得的稀土铝合金，其室温抗拉强度为615MPa，延伸率为11％，200℃的抗拉强度为592MPa，250℃的抗拉强度581MPa，300℃时抗拉强度仍高达到559MPa。抗拉强度在室温至300℃，拉伸强度仅降低56MPa，约10％，抗拉强度极其稳定，满足了其在航空航天、军工、汽车及其它行业中的要求。

对比例1

本实施例的7050铝合金是由以下质量百分比的组分组成：6.2％Zn，2.1％Mg，2.4％Cu，杂质元素的总量小于0.1％，余量为Al。

制备方法同实施例1。

图2为本对比例所制得的铝合金的时效试样图片，合金组织晶界清晰有块状、颗粒状析出相分布在晶界、晶内，分布不均匀，固溶时效后的合金平均晶粒尺寸约为55-60μm。

经测试，本实施例的7050铝合金的室温抗拉强度为580MPa，延伸率为11.2％，200℃的抗拉强度为472MPa，250℃的抗拉强度为439MPa，300℃的抗拉强度为403MPa，抗拉强度下降明显。

对比例2

本实施例的7075铝合金是由以下质量百分比的组分组成：6.3％Zn，2.5％Mg，2.6％Cu，杂质元素的总量小于0.1％，余量为Al。

制备方法同实施例1。

图3为本对比例所制得的铝合金的时效试样图片，合金组织晶界仅有少量颗粒状析出相分布，分布不均匀，固溶时效后的合金平均晶粒尺寸约为65-70μm。

经测试，其室温抗拉强度为587MPa，延伸率为10.3％，200℃的抗拉强度为501MPa，250℃的抗拉强度为461MPa，300℃的抗拉强度为411MPa，抗拉强度下降明显。

实施例2

本实施例的强度稳定的耐热稀土铝合金由以下质量百分比的组分组成：7.5％Zn，4.5％Mg，3.5％Cu，0.4％Gd，余量为Al及不可避免的杂质，其中杂质元素Ni、Fe、Ti、Gr和Li总量小于0.2％。

制备方法为：按上述成分配制合金，其熔铸工艺为采用刚玉坩埚、中频感应炉熔炼。铝液升温至700℃进行浇铸，浇铸用钢制模具。最后得到Al-7.5Zn-4.5Mg-3.5Cu-0.4Gd铸态铝合金。热处理工艺为440℃固溶处理12小时，130℃等温时效处理20小时。

经测试，本实施例所得的合金，其室温抗拉强度为623MPa，延伸率为11％。200℃抗拉强度为603MPa，250℃抗拉强度为591MPa，300℃时抗拉强度575MPa。抗拉强度在室温至300℃，拉伸强度仅降48MPa，约8％，抗拉强度极其稳定，满足了其在航空航天、军工、汽车及其它行业中的要求。

实施例3

本实施例的强度稳定的耐热稀土铝合金由以下质量百分比的组分组成：8％Zn，5％Mg，4％Cu，0.5％Gd，余量为Al及不可避免的杂质，其中杂质元素Ni、Fe、Ti、Gr和Li总量小于0.2％。

制备方法为：按上述成分配制合金，其熔铸工艺为采用刚玉坩埚、中频感应炉熔炼。铝液升温至800℃进行浇铸，浇铸用钢制模具。最后得到Al-8Zn-5Mg-4Cu-0.5Gd铸态铝合金。热处理工艺为520℃固溶处理8小时，180℃等温时效处理15小时。

经测试，本实施例所得的合金，其室温抗拉强度632MPa，延伸率为10％，200℃抗拉强度为611MPa，250℃抗拉强度为595MPa，300℃时抗拉强度577MPa。抗拉强度在室温至300℃，拉伸强度仅降45MPa，约8％，抗拉强度极其稳定，满足了其在航空航天、军工、汽车及其它行业中的要求。

最后应该说明的是，以上实例仅用于说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种强度稳定的耐热稀土铝合金，其特征在于，由以下质量百分比的组分组成：7～8％Zn，4～5％Mg，3～4％Cu，0.3～0.5％Gd，余量为Al及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种强度稳定的耐热稀土铝合金，其特征在于，所述杂质中，Ni、Fe、Ti、Gr和Li的质量百分比总量小于0.2％。

3.根据权利要求1所述的一种强度稳定的耐热稀土铝合金，其特征在于，所述耐热稀土铝合金是由铝、锌、镁、铜和中间合金Mg-30Gd为原料熔炼铸造并经过固溶和时效热处理而成。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种强度稳定的耐热稀土铝合金，其特征在于，所述耐热稀土铝合金产品的合金组分为Al-Zn-Mg-Cu-Gd，金相组织主要由α-Al基体和共晶(α-Al+β-Al₂Mg₃Zn₃+β-Al₂Cu+β-Al₂Gd)组成；合金的平均晶粒尺寸为40-50μm。

5.权利要求3所述的一种强度稳定的耐热稀土铝合金耐热稀土铝合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)按上述成分配制合金，放入加热炉中熔炼，当铝合金熔液升温至700～800℃时进行浇铸，得到铸态铝合金；

2)将铸态铝合金经固溶处理后再进行时效处理，即得到产品。

6.根据权利要求5所述的一种强度稳定的耐热稀土铝合金耐热稀土铝合金的制备方法，其特征在于，所述固溶处理的工艺为440～520℃固溶处理8～12小时；所述时效处理的工艺为130～180℃等温时效处理15～20小时。