CN107653406B - 一种用铒元素部分替代钪的铝合金 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用铒元素部分替代钪的铝合金，铝合金的各成分和重量百分比分别为：Cu：1.5％～3.5％，Li：1.5％～2.0％，Zr：0.20％～0.30％，Mg：1.3％～2.2％，Sc：0.02％～0.03％，Er：0.1％～0.15％，Si：≤0.20％，Fe：≤0.10％；其中Er的含量为Sc含量的五倍，其余为Al和不可避免的杂质。本发明的铝合金粉末经过上述制备方法制得的板材的平均抗拉强度达到557MPa，屈服强度达到557MPa，断后延伸率达到10％，在性能方面与原01464铝合金相比并没有明显的差异，降低了成本，提高了生产效率，产生较好的经济效益，可广泛应用于航空航天领域使用。

Description

一种用铒元素部分替代钪的铝合金
技术领域
本发明涉及铝合金材料技术领域，具体涉及一种用铒元素部分替代钪的铝合金。
背景技术
铝合金是以铝为基体，在其中加入其它元素后形成的合金。作为铝的强化剂，钪能够与铝结合生成弥散分布的Al3Sc相，极大地提高铝合金的强度。但二元铝钪合金并无实用价值，一般还需要往其中加入其它元素，尤其是Zr。常见的铝-钪合金(钪含量<0.4％)主要有Al-Mg-Sc系、Al-Zn-Mg-Sc系、Al-Zn-Mg-Ca-Sc系、Al-Mg-Li-Sc系和Al-Mg-Sc系，这些轻质结构材料集高强、高韧、低密、耐热、耐蚀、可焊等优点于一体，可以广泛应用于航天、航空、造船、汽车等工业领域。目前广泛应用于航空航天结构件上的01464铝合金(属Al-Cu-Li-Sc系)厚板的纵向抗拉强度达到560MPa，屈服强度达到520MPa，同时断后延伸率达到10％。但是钪作为一种高价值稀土元素，使用成本过高，限制了该合金的工业实用性。
发明内容
本发明针对01464铝合金高成本的特点，使用低成本的铒部分元素替代钪，目的在于提供一种该铝合金材料的替代品，而同时其抗拉强度、屈服强度和断后延伸率等力学性能指标几乎不受影响。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用铒元素部分替代钪的铝合金，铝合金的各成分和重量百分比分别为：Cu：1.5％～3.5％，Li：1.5％～2.0％，Zr：0.20％～0.30％，Mg：1.3％～2.2％，Sc：0.02％～0.03％，Er：0.1％～0.15％，Si：≤0.20％，Fe：≤0.10％；其中Er的含量为Sc含量的五倍，其余为Al和不可避免的杂质。
进一步地，所述铝合金的各成分按照重量百分比为：Cu：1.5％，Li：1.5％，Zr：0.2％，Mg：1.3％，Sc:0.02％，Er:0.10％，Si：0％，Fe：0％，其余为Al和不可避免的杂质。
进一步地，所述铝合金的各成分按照重量百分比为：Cu：3.5％，Li：2.0％，Zr：0.3％，Mg：2.2％，Sc:0.03％，Er:0.15％，Si：0.15％，Fe：0.10％，其余为Al和不可避免的杂质。
进一步地，所述铝合金的各成分按照重量百分比为：Cu：2.0％，Li：1.6％，Zr：0.25％，Mg：1.5％，Sc:0.03％，Er:0.15％，Si：0.20％，Fe：0.10％，其余为Al和不可避免的杂质。
一种用铒元素部分替代钪的铝合金的制备方法，包括如下步骤：
A、用粉末热压法制备所述铝合金的扁锭，热压温度为620～650℃，热压时间为1.5～2.5h，热压压力为200～250MPa；
B、将所得铝合金扁锭送入感应炉加热至450～470℃后，保温2～3h，然后热轧，热轧总变形量为70～80％；热轧后在460～480℃下进行1～2h中间退火，然后空冷至室温冷轧，冷轧总变形量为50～60％，轧成板材；
C、将所述板材在480～490℃加热30～60s，室温水淬，最后在180～200℃保温30～60min进行稳定化处理。
进一步地，一种用铒元素部分替代钪的铝合金的制备方法，包括如下步骤：
A、用粉末热压法制备所述铝合金的扁锭，热压温度为620℃，热压时间为2.5h，热压压力为250MPa；
B、将所得铝合金扁锭送入感应炉加热至460℃后，保温2h，然后热轧，热轧总变形量为70％；热轧后在470℃下进行1h中间退火，然后空冷至室温冷轧，冷轧总变形量为50％，轧成板材；
C、将所述板材在480℃加热40s，室温水淬，最后在190℃保温50min进行稳定化处理。
进一步地，一种用铒元素部分替代钪的铝合金的制备方法，包括如下步骤：
A、用粉末热压法制备所述铝合金的扁锭，热压温度为650℃，热压时间为1.5h，热压压力为200MPa；
B、将所得铝合金扁锭送入感应炉加热至460℃后，保温3h，然后热轧，热轧总变形量为75％；热轧后在490℃下进行2h中间退火，然后空冷至室温冷轧，冷轧总变形量为50％，轧成板材；
C、将所述板材在480℃加热40s，室温水淬，最后在190℃保温40min进行稳定化处理。
进一步地，一种用铒元素部分替代钪的铝合金的制备方法，包括如下步骤：
A、用粉末热压法制备所述铝合金的扁锭，热压温度为630℃，热压时间为2h，热压压力为230MPa；
B、将所得铝合金扁锭送入感应炉加热至460℃后，保温3h，然后热轧，热轧总变形量为80％；热轧后在480℃下进行2h中间退火，然后空冷至室温冷轧，冷轧总变形量为60％，轧成板材；
C、将所述板材在480℃加热50s，室温水淬，最后在200℃保温1h进行稳定化处理。
另外，在本发明所述技术方案中，凡未做特别说明的，均可采用本领域中的常规手段来实现本技术方案。
本发明具有以下优点：本发明采用了Fe、Si、Mg、Cu、Er、Sc、Li和Zr组分，结合效率高，Si的合适量可以提高导电性能，各组分之间能够高效的相互融合，Mg可以提高耐腐性和耐热性能，还加入Fe和Cu可以提高铝合金的抗拉性，通过加入Fe元素，可以改善合金的机械强度和拉伸性能，Fe还能明显提高高温抗蠕变性能，以及提高合金的抗疲劳性能；铜是重要的合金元素，有一定的固溶强化效果，此外时效析出的CuAl2有着明显的时效强化效果，Cu的加入可以提高合金的强度以及高温蠕变性能，并能改善抗疲劳性能。Zr的加热则提高了合金的氧化性和耐电化学腐蚀性。
本发明使用相对廉价的稀土元素铒，来部分替代价格高昂的钪，通过控制铒和钪元素的含量比，并采用粉末热压法制备铝锭，得到一种用铒元素部分替代钪的铝合金材料。力学性能测试结果表明，本发明所述铝合金经粉末热压、热轧、冷轧、稳定化处理制备成不同厚度的板材，性能测试发现该板材的平均抗拉强度达到557MPa，屈服强度达到519MPa，断后延伸率达到10％，在性能方面与原01464铝合金相比并没有明显的差异。本发明优化成分和制备工艺，降低成本，提高生产效率，产生较好的经济效益，可广泛应用于航空航天领域使用。
附图说明
无。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明实施例1中，一种用铒元素部分替代钪的铝合金，所述合金中各元素通过粉末的形式加入。铝合金的各成分和重量百分比分别为：Cu：1.5％～3.5％，Li：1.5％～2.0％，Zr：0.20％～0.30％，Mg：1.3％～2.2％，Sc：0.02％～0.03％，Er：0.1％～0.15％，Si：≤0.20％，Fe：≤0.10％；其中Er的含量为Sc含量的五倍，其余为Al和不可避免的杂质。
作为本实施例的进一步方案，所述铝合金的各成分按照重量百分比为：Cu：1.5％，Li：1.5％，Zr：0.2％，Mg：1.3％，Sc:0.02％，Er:0.10％，Si：0％，Fe：0％，其余为Al和不可避免的杂质。
一种用铒元素部分替代钪的铝合金的制备方法，包括如下步骤：
A、用粉末热压法制备所述铝合金的扁锭，热压温度为620℃，热压时间为2.5h，热压压力为250MPa；
B、将所得铝合金扁锭送入感应炉加热至460℃后，保温2h，然后热轧，热轧总变形量为70％；热轧后在470℃下进行1h中间退火，然后空冷至室温冷轧，冷轧总变形量为50％，轧成板材；
C、将所述板材在480℃加热40s，室温水淬，最后在190℃保温50min进行稳定化处理。
通过使用元素铒替代部分钪，减少了钪元素的使用，同时使用粉末热压法制备铝锭，所述铝合金的成分更加均匀，元素钪和铒的烧损少。性能测试发现通过上述方法制得的板材的抗拉强度达到550MPa，屈服强度达到522MPa，断后延伸率达到9％，所述铝合金板材的性能和01464铝钪合金相比相差不大，可广泛应用于航空航天领域使用。
实施例2
本发明实施例2中，一种用铒元素部分替代钪的铝合金，所述合金中各元素通过粉末的形式加入。铝合金的各成分和重量百分比分别为：Cu：1.5％～3.5％，Li：1.5％～2.0％，Zr：0.20％～0.30％，Mg：1.3％～2.2％，Sc：0.02％～0.03％，Er：0.1％～0.15％，Si：≤0.20％，Fe：≤0.10％；其中Er的含量为Sc含量的五倍，其余为Al和不可避免的杂质。
作为本实施例的进一步方案，所述铝合金的各成分按照重量百分比为：Cu：3.5％，Li：2.0％，Zr：0.3％，Mg：2.2％，Sc:0.03％，Er:0.15％，Si：0.15％，Fe：0.10％，其余为Al和不可避免的杂质。
一种用铒元素部分替代钪的铝合金的制备方法，包括如下步骤：
A、用粉末热压法制备所述铝合金的扁锭，热压温度为650℃，热压时间为1.5h，热压压力为200MPa；
B、将所得铝合金扁锭送入感应炉加热至460℃后，保温3h，然后热轧，热轧总变形量为75％；热轧后在490℃下进行2h中间退火，然后空冷至室温冷轧，冷轧总变形量为50％，轧成板材；
C、将所述板材在480℃加热40s，室温水淬，最后在190℃保温40min进行稳定化处理。
通过使用元素铒替代部分钪，减少了钪元素的使用，同时使用粉末热压法制备铝锭，所述铝合金的成分更加均匀，元素钪和铒的烧损少。性能测试发现通过上述方法制得的板材的抗拉强度达到558MPa，屈服强度达到515MPa，断后延伸率达到11％，所述铝合金板材的性能和01464铝钪合金相比相差不大，可广泛应用于航空航天领域使用。
实施例3
本发明实施例3中，一种用铒元素部分替代钪的铝合金，所述合金中各元素通过粉末的形式加入。铝合金的各成分和重量百分比分别为：Cu：1.5％～3.5％，Li：1.5％～2.0％，Zr：0.20％～0.30％，Mg：1.3％～2.2％，Sc：0.02％～0.03％，Er：0.1％～0.15％，Si：≤0.20％，Fe：≤0.10％；其中Er的含量为Sc含量的五倍，其余为Al和不可避免的杂质。
作为本实施例的进一步方案，所述铝合金的各成分按照重量百分比为：Cu：2.0％，Li：1.6％，Zr：0.25％，Mg：1.5％，Sc:0.03％，Er:0.15％，Si：0.20％，Fe：0.10％，其余为Al和不可避免的杂质。
一种用铒元素部分替代钪的铝合金的制备方法，包括如下步骤：
A、用粉末热压法制备所述铝合金的扁锭，热压温度为630℃，热压时间为2h，热压压力为230MPa；
B、将所得铝合金扁锭送入感应炉加热至460℃后，保温3h，然后热轧，热轧总变形量为80％；热轧后在480℃下进行2h中间退火，然后空冷至室温冷轧，冷轧总变形量为60％，轧成板材；
C、将所述板材在480℃加热50s，室温水淬，最后在200℃保温1h进行稳定化处理。
通过使用元素铒替代部分钪，减少了钪元素的使用，同时使用粉末热压法制备铝锭，所述铝合金的成分更加均匀，元素钪和铒的烧损少。性能测试发现通过上述方法制得的板材的抗拉强度达到562MPa，屈服强度达到519MPa，断后延伸率达到10％，所述铝合金板材的性能和01464铝钪合金相比相差不大，可广泛应用于航空航天领域使用。
将所述3个实施例的铝合金成品进行力学性能检测，得到的测试结果如下表所示：
由上表可见，本发明板材的平均抗拉强度达到557MPa，屈服强度达到519MPa，断后延伸率达到10％，与传统的01464铝钪合金相比(抗拉强度560Mpa、屈服强度520Mpa、断后延伸率10％)，在性能方面与原01464铝合金相比并没有明显的差异。本发明涉及新型铝合金的性能仍然可以满足航空航天领域对材料性能的要求，但减少了钪元素的使用，合金中各个元素的烧损较少。本发明优化成分和制备工艺，降低成本，提高生产效率，产生较好的经济效益，可广泛应用于航空航天领域使用。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种用铒元素部分替代钪的铝合金，其特征在于：铝合金的各成分和重量百分比分别为：Cu：1.5％～3.5％，Li：1.5％～2.0％，Zr：0.20％～0.30％，Mg：1.3％～2.2％，Sc：0.02％～0.03％，Er：0.1％～0.15％，Si：≤0.20％，Fe：≤0.10％；其中Er的含量为Sc含量的五倍，其余为Al和不可避免的杂质，
其制备方法包括如下步骤：
A、用粉末热压法制备所述铝合金的扁锭，热压温度为620～650℃，热压时间为1.5～2.5h，热压压力为200～250MPa；
B、将所得铝合金扁锭送入感应炉加热至450～470℃后，保温2～3h，然后热轧，热轧总变形量为70～80％；热轧后在460～480℃下进行1～2h中间退火，然后空冷至室温冷轧，冷轧总变形量为50～60％，轧成板材；
C、将所述板材在480～490℃加热30～60s，室温水淬，最后在180～200℃保温30～60min进行稳定化处理。
2.根据权利要求1所述的用铒元素部分替代钪的铝合金，其特征在于：所述铝合金的各成分按照重量百分比为：Cu：1.5％，Li：1.5％，Zr：0.2％，Mg：1.3％，Sc:0.02％，Er:0.10％，Si：0％，Fe：0％，其余为Al和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的用铒元素部分替代钪的铝合金，其特征在于：所述铝合金的各成分按照重量百分比为：Cu：3.5％，Li：2.0％，Zr：0.3％，Mg：2.2％，Sc:0.03％，Er:0.15％，Si：0.15％，Fe：0.10％，其余为Al和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的用铒元素部分替代钪的铝合金，其特征在于：所述铝合金的各成分按照重量百分比为：Cu：2.0％，Li：1.6％，Zr：0.25％，Mg：1.5％，Sc:0.03％，Er:0.15％，Si：0.20％，Fe：0.10％，其余为Al和不可避免的杂质。
5.根据权利要求1所述的用铒元素部分替代钪的铝合金，其特征在于：
A、用粉末热压法制备所述铝合金的扁锭，热压温度为620℃，热压时间为2.5h，热压压力为250MPa；
B、将所得铝合金扁锭送入感应炉加热至460℃后，保温2h，然后热轧，热轧总变形量为70％；热轧后在470℃下进行1h中间退火，然后空冷至室温冷轧，冷轧总变形量为50％，轧成板材；
C、将所述板材在480℃加热40s，室温水淬，最后在190℃保温50min进行稳定化处理。
6.根据权利要求1所述的用铒元素部分替代钪的铝合金，其特征在于：
A、用粉末热压法制备所述铝合金的扁锭，热压温度为650℃，热压时间为1.5h，热压压力为200MPa；
B、将所得铝合金扁锭送入感应炉加热至460℃后，保温3h，然后热轧，热轧总变形量为75％；热轧后在490℃下进行2h中间退火，然后空冷至室温冷轧，冷轧总变形量为50％，轧成板材；
C、将所述板材在480℃加热40s，室温水淬，最后在190℃保温40min进行稳定化处理。
7.根据权利要求1所述的用铒元素部分替代钪的铝合金，其特征在于：
A、用粉末热压法制备所述铝合金的扁锭，热压温度为630℃，热压时间为2h，热压压力为230MPa；
B、将所得铝合金扁锭送入感应炉加热至460℃后，保温3h，然后热轧，热轧总变形量为80％；热轧后在480℃下进行2h中间退火，然后空冷至室温冷轧，冷轧总变形量为60％，轧成板材；
C、将所述板材在480℃加热50s，室温水淬，最后在200℃保温1h进行稳定化处理。
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