CN107699747A - 一种高Cu含量Al‑Si‑Li‑Cu铸造合金及其制备方法 - Google Patents

一种高Cu含量Al‑Si‑Li‑Cu铸造合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高Cu含量Al‑Si‑Li‑Cu铸造合金及其制备方法，其中合金材料按照重量百分比的化学组成为：Si 2～6％，Li 1～2.5％，Cu 3.5～5.5％，Mg 0.5～2％，Mn 0.1～0.5％，Cr 0～0.5％，Zn 0.1～1％，Ti 0～0.5％，Zr 0～0.5％，Be 0～0.5％，余量为Al和杂质。制备方法包括：配料；先将铝锭加热熔融成铝熔体，然后加入除Li以外的金属原料搅拌均匀；向铝合金熔体中加入精炼剂进行精炼，精炼结束后除气处理并扒渣；依次加入覆盖剂、Li原料、Sr变质剂和AlTiB晶粒细化剂搅拌均匀，静置5～25min后浇铸成型；对铸件进行固溶和时效处理，之后空气冷却至室温。

Description

一种高Cu含量Al-Si-Li-Cu铸造合金及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料及冶金技术领域，具体涉及一种高Cu含量Al-Si-Li-Cu铸造合金及其制备方法。
背景技术
Al-Li合金具有密度低、弹性模量高、比强度和比刚度高、疲劳性能好和耐腐蚀性能及焊接性能好等诸多优异的综合性能，是近年来航空航天材料中发展最为迅速的一种先进轻合金结构材料，在航空航天领域显示出了广阔的应用前景。经过漫长的发展过程，第三代Al-Li合金已经在航空工业中得到了应用。目前研发的Al-Li合金主要以变形合金为主，对轻质高强铸造Al-Li合金的研发比较少。铸件在航空飞行器中占有重要地位。对铸造铝锂合金及铸件的研究是近年来铝锂合金研究领域内出现的新动向。因此，研发轻质高强铸造Al-Li合金对航空工业的发展具有重要意义。
第三代铝锂合金的成分特点是低锂高铜，这样具有更高的强韧性和更低的各向异性。Cu是铝合金中重要的强化元素。提高Cu含量有利于形成强化相T1(Al2CuLi)相，将有利于进一步提高合金的力学性能。Mn、Cr和zn是重要的强化元素。Mn和Cr可以细化晶粒，中和杂质元素Fe的有害影响；zn在铝中有较大的固溶度，具有较强的固溶强化效果。研究表明，将Cu含量提高到3.5wt％以上，抗拉强度可达到400MPa以上，但合金的铸造性能较差，表现在流动性差，缩孔缩松严重，大大影响了合金的应用效果。
铸造性能是铸造合金的重要性能指标。提高合金的铸造性能是研发新型铸造合金的关键。在铝合金中，Si是活性元素，能提高铝合金的流动性。所以Al-Si合金具有优异的铸造性能，在工业生产中得到了广泛应用。将Si加入到高Cu含量Al-Li合金中可能会提高合金的流动性，从而提高铸造性能。但是Si的加入量要限制在一个较低的水平，防止合金中溶质含量过高导致合金变脆。
然而，根据Al-Si-Li相图，以及对Al-7wt％Si-xLi合金的研究表明，在Al-7wt％Si合金中加入Li导致了初生Al2Li3Si2相的形成。而且随着Li含量的增加，初生Al2Li3Si2相变得更加粗大。图1表示一种Al-7wt％Si-2.5wt％Li合金中粗大的Al2Li3Si2相。可以肯定，这种粗大的初生相将严重损害合金的力学性能，尤其是塑性。这一微观结构特征阻碍了Al-Si-Li系合金的发展，使得Al-Si-Li合金失去了应用价值。因此，细化甚至消除这些粗大的初生相是研发铸造Al-Si-Li合金的关键。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种高Cu含量Al-Si-Li-Cu铸造合金及其制备方法，所述Al-Si-Li-Cu铸造合金可以大大细化甚至消除粗大的初生Al2Li3Si2相，既保持了Al-Si铸造合金优异的铸造性能和较高的强度，又具有比传统Al-Si合金低2～7％的密度，达到了轻质高强的目标。本发明的技术方案为：
第一个方面，本发明提供一种高Cu含量Al-Si-Li-Cu铸造合金，按照重量百分比的化学组成为：Si 2～6％，Li 1～2.5％，Cu 3.5～5.5％，Mg 0.5～2％，Mn 0.1～0.5％，Cr 0～0.5％，Zn 0.1～1％，Ti 0～0.5％，zr 0～0.5％，Be 0～0.5％，余量为Al和杂质，其中所述杂质中：杂质元素Fe≤0.3％；其它杂质元素总含量≤1.0％。
根据本发明所述的Al-Si-Li-Cu铸造合金，优选地，该合金的抗拉强度为300～400MPa，延伸率为2～6％，密度为2.5～2.7g/cm3。
第二个方面，本发明提供一种高Cu含量Al-Si-Li-Cu铸造合金的制备方法，包括以下步骤：
按照上述轻质铸造Al-Si-Li-Cu合金重量百分比的化学组成配料；
先将铝锭加热熔融成铝熔体，然后加入除Li以外的金属原料，搅拌均匀，得到铝合金熔体；
向铝合金熔体中加入精炼剂进行精炼，精炼结束后除气处理并扒渣；
向扒渣后的铝合金熔体中依次加入覆盖剂、Li原料、Sr变质剂和AlTiB晶粒细化剂，搅拌均匀，静置5～25min后浇铸成型；
对铸件进行固溶和时效处理，之后空气冷却至室温。
进一步地，所述先将铝锭加热熔融成铝熔体，为了防止Li元素氧化，优选在真空熔炼炉或者在充满惰性气体的密闭空间中加热熔炼。
进一步地，所述固溶和时效处理的工艺参数为：于480～580℃保温3～24h进行固溶处理，淬火冷却，然后在120～220℃保温3～24h进行时效处理。
本发明的有益效果为：本发明提供的Al-Si-Li-Cu铸造合金及其制备方法，可以细化甚至消除粗大的初生Al2Li3Si2相，既保持了合金优异的铸造性能和较高的强度，又具有比传统Al-Si合金低2～7％的密度。并且合金成分合理，达到了轻质高强的目标。
附图说明
图1为一种Al-7wt％Si-2.5wt％Li合金中粗大的Al2Li3Si2相。
图2为本发明实施例2的Al-Si-Li合金的铸态组织图。
图3为本发明实施例3的Al-Si-Li合金的铸态组织图。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
下面结合具体的实施例对本发明做进一步详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
本实施例提供了一种高Cu含量Al-Si-Li-Cu铸造合金及其制备方法，所述Al-Si-Li-Cu铸造合金按照重量百分比的化学组成为：Si 6.0％，Li 1.2％，Cu 3.6％，Mg 0.5％，Mn 0.3％，Cr 0.3％，Zn 0.5％，zr 0.1％，余量为Al和杂质，其中所述杂质中：杂质元素Fe≤0.3％；其它杂质元素总含量≤1.0％。
本实施例拟制备100kg合金，各元素的配料情况如表1所示，
表1
元素 百分含量(wt％) 添加元素用合金 合金用量(kg)
Al 余量 铝锭 54.80
Si 6.0 纯Si 6.00
Li 1.2 Al-5Li 240
Cu 3.6 Al-50Cu 7.20
Mg 0.5 纯Mg 0.50
Mn 0.3 Al-10Mn 3.00
Cr 0.3 Al-10Cr 3.00
Zn 0.5 纯Zn 0.50
Zr 0.1 Al-10Zr 1.00
所述Al-Si-Li-Cu合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照上述Al-Si-Li-Cu铸造合金重量百分比的化学组成配料；
(2)将铝锭分次加入熔炼炉中，加热使之完全熔化，并在680-780℃下保温，分批次加入事先准备好的纯Si、纯镁、Al-50Cu合金、Al-10Mn合金、Al-10Cr合金、纯Zn和Al-10Zr合金，并搅拌均匀，得到铝合金熔体；
(3)向铝合金熔体中加入RJ-2精炼剂进行精炼，精炼结束后采用除气机向精炼熔体中通入氩气处理并扒渣；
(4)向扒渣后的铝合金熔体中依次加入覆盖剂、Al-5Li合金原料、Sr变质剂和AlTiB晶粒细化剂，搅拌均匀，静置20min后浇铸成型；其中覆盖剂为氯化锂和氟化锂按质量比3∶1的混合物；
(5)对铸件进行固溶和时效处理，具体工艺参数为：于520℃保温20h进行固溶处理，淬火冷却，并在200℃保温6h进行时效处理，之后空气冷却至室温。
将本实施例的Al-Si-Li-Cu铸造合金进行拉伸性能测试，结果为：抗拉强度为325MPa，延伸率为5.3％。
将本实施例的Al-Si-Li-Cu铸造合金与ZL101铸造铝合金相比，根据国家标准GB/T1173-2013的规定，ZL101铸造铝合金在T6状态下，抗拉强度为225MPa，延伸率为1％。本实施例的合金与ZL101合金相比，强度和塑性均得到改善。实测的ZL101样品的密度为2.68g/cm3，本实施例合金的密度为2.62g/cm3，密度降低了2.2％。
实施例2
本实施例提供了一种轻质铸造Al-Si-Li-Cu合金及其制备方法，所述Al-Si-Li-Cu合金按照重量百分比的化学组成为：Si 5.0％，Li 1.5％，Cu 3.9％，Mg 0.8％，Mn 0.3％，Zn 0.5％，Ti 0.1％，zr 0.1％，余量为Al和杂质，其中所述杂质中：杂质元素Fe≤0.3％；其它杂质元素总含量≤1.0％。
本实施例拟制备100kg合金，各元素的配料情况如表2所示，
表2
元素 百分含量(wt％) 添加元素用合金 合金用量(kg)
Al 余量 铝锭 67.73
Si 5.0 Al-30Si 16.67
Li 1.5 纯Li 1.50
Cu 3.9 Al-50Cu 7.80
Mg 0.8 纯Mg 0.80
Mn 0.3 Al-10Mn 3.00
Zn 0.5 纯Zn 0.50
Ti 0.1 Al-10Ti 1.00
Zr 0.1 Al-10Zr 1.00
所述Al-Si-Li-Cu合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照上述Al-Si-Li-Cu铸造合金重量百分比的化学组成配料；
(2)将铝锭装入真空感应炉中，然后抽真空，再充入氩气，加热使之完全熔化，并在680-780℃下保温，分批次加入Al-30Si合金、纯镁、Al-50Cu合金、Al-10Mn合金、纯Zn、Al-10Ti合金和Al-10Zr合金原料，搅拌均匀，得到铝合金熔体；
(3)向铝合金熔体中依次加入覆盖剂、纯Li原料、Sr变质剂和AlTiB晶粒细化剂，搅拌均匀，静置20min后浇铸成型；其中覆盖剂为氯化锂和氟化锂按质量比3∶1的混合物；
(4)对铸件进行固溶和时效处理，具体工艺参数为：于560℃保温12h进行固溶处理，淬火冷却，并在160℃保温20h进行时效处理，之后空气冷却至室温。
将本实施例的Al-Si-Li-Cu合金进行拉伸性能测试，结果为：抗拉强度为346MPa，延伸率为4.8％，密度为2.58g/cm3，密度较比ZL101降低了3.7％。图2给出了本实施例的Al-Si-Li-Cu合金材料的铸态组织，显示粗大的Al2Li3Si2已大大细化。
实施例3
本实施例提供了一种轻质铸造Al-Si-Li-Cu合金及其制备方法，所述Al-Si-Li-Cu合金按照重量百分比的化学组成为：Si 3.5％，Li 1.8％，Cu 4.2％，Mg 1.0％，Mn 0.3％，Cr 0.3％，Zn 0.5％，zr 0.1％，Be 0.05％，余量为Al和杂质，其中所述杂质中：杂质元素Fe≤0.3％；其它杂质元素总含量≤1.0％。
本实施例拟制备100kg合金，各元素的配料情况如表3所示，
表3
元素 百分含量(wt％) 添加元素用合金 合金用量(kg)
Al 余量 铝锭 67.97
Si 3.5 Al-30Si 11.67
Li 1.8 纯Li 1.80
Cu 4.2 Al-50Cu 8.40
Mg 1.0 纯Mg 1.00
Mn 0.3 Al-10Mn 3.00
Zn 0.5 纯Zn 0.50
Cr 0.3 Al-10Cr 3.00
Zr 0.1 Al-10Zr 1.00
Be 0.05 Al-3Be 1.67
所述Al-Si-Li-Cu合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照上述Al-Si-Li-Cu铸造合金重量百分比的化学组成配料；
(2)将铝锭分次加入熔炼炉中，加热使之完全熔化，并在680-780℃下保温，分批次加入Al-30Si合金、纯镁、Al-50Cu合金、Al-10Mn合金、Al-10Cr合金、纯Zn、Al-10Zr合金和Al-3Be合金原料，搅拌均匀，得到铝合金熔体；
(3)向铝合金熔体中加入RJ-2精炼剂进行精炼，精炼结束后采用除气机向精炼熔体中通入氩气处理并扒渣；
(4)向扒渣后的铝合金熔体中依次加入覆盖剂、纯Li原料、Sr变质剂和AlTiB晶粒细化剂，搅拌均匀，静置20min后浇铸成型；其中覆盖剂为氯化锂和氟化锂按质量比3∶1的混合物；
(5)对铸件进行固溶和时效处理，具体工艺参数为：于520℃保温24h进行固溶处理，淬火冷却，并在150℃保温20h进行时效处理，之后空气冷却至室温。
将本实施例的Al-Si-Li-Cu合金进行拉伸性能测试，结果为：抗拉强度为359MPa，延伸率为4.6％，密度为2.55g/cm3，密度较比ZL101降低了4.9％。图3给出了本实施例的Al-Si-Li-Cu合金的铸态组织，显示粗大的Al2Li3Si2相已基本消除。
实施例4
本实施例提供了一种轻质铸造Al-Si-Li-Cu合金及其制备方法，所述Al-Si-Li-Cu合金按照重量百分比的化学组成为：Si 3.0％，Li 2.4％，Mg 1.5％，Cu 4.5％，Mn 0.3％，Cr 0.3％，Zn 0.5％，zr 0.1％，Be 0.05％，余量为Al和杂质，其中所述杂质中：杂质元素Fe≤0.3％；其它杂质元素总含量≤1.0％。
本实施例拟制备100kg合金，各元素的配料情况如表4所示，
表4
元素 百分含量(wt％) 添加元素用合金 合金用量(kg)
Al 余量 铝锭 67.93
Si 3.0 Al-30Si 10.00
Li 2.4 纯Li 2.40
Cu 4.5 Al-50Cu 9.00
Mg 1.5 纯Mg 1.50
Mn 0.3 Al-10Mn 3.00
Zn 0.5 纯Zn 0.50
Cr 0.3 Al-10Cr 3.00
Zr 0.1 Al-10Zr 1.00
Be 0.05 Al-3Be 1.67
所述Al-Si-Li-Cu合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照上述Al-Si-Li-Cu铸造合金重量百分比的化学组成配料；
(2)将铝锭分次加入熔炼炉中，加热使之完全熔化，并在680-780℃下保温，分批次加入Al-30Si合金、纯镁、Al-50Cu合金、Al-10Mn合金、Al-10Cr合金、纯Zn、Al-10Zr合金和Al-3Be合金原料，搅拌均匀，得到铝合金熔体；
(3)向铝合金熔体中加入RJ-2精炼剂进行精炼，精炼结束后采用除气机向精炼熔体中通入氩气处理并扒渣；
(4)向扒渣后的铝合金熔体中依次加入覆盖剂、纯Li原料、Sr变质剂和AlTiB晶粒细化剂，搅拌均匀，静置20min后浇铸成型；其中覆盖剂为氯化锂和氟化锂按质量比3∶1的混合物；
(5)对铸件进行固溶和时效处理，具体工艺参数为：于540℃保温10h进行固溶处理，淬火冷却，并在130℃保温24h进行时效处理，之后空气冷却至室温。
将本实施例的Al-Si-Li-Cu合金进行拉伸性能测试，结果为：抗拉强度为348MPa，延伸率为3.9％，密度为2.53g/cm3，密度较比ZL101降低了5.6％。
实施例5
本实施例提供了一种轻质铸造Al-Si-Li-Cu合金及其制备方法，所述Al-Si-Li-Cu合金按照重量百分比的化学组成为：Si 2.5％，Li 2.5％，Mg 1.8％，Cu 5.5％，Mn 0.3％，Cr 0.3％，Zn 0.5％，zr 0.1％，Be 0.05％，余量为Al和杂质，其中所述杂质中：杂质元素Fe≤0.3％；其它杂质元素总含量≤1.0％。
本实施例拟制备100kg合金，各元素的配料情况如表5所示，
表5
元素 百分含量(wt％) 添加元素用合金 合金用量(kg)
Al 余量 铝锭 67.20
Si 2.5 Al-30Si 8.33
Li 2.5 纯Li 2.50
Cu 5.5 Al-50Cu 11.00
Mg 1.8 纯Mg 1.80
Mn 0.3 Al-10Mn 3.00
Zn 0.5 纯Zn 0.50
Cr 0.3 Al-10Cr 3.00
Zr 0.1 Al-10Zr 1.00
Be 0.05 Al-3Be 1.67
所述Al-Si-Li-Cu合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照上述Al-Si-Li-Cu铸造合金重量百分比的化学组成配料；
(2)将铝锭分次加入熔炼炉中，加热使之完全熔化，并在680-780℃下保温，分批次加入Al-30Si合金、纯镁、Al-50Cu合金、Al-10Mn合金、Al-10Cr合金、纯Zn、Al-10Zr合金和Al-3Be合金原料，搅拌均匀，得到铝合金熔体；
(3)向铝合金熔体中加入RJ-2精炼剂进行精炼，精炼结束后采用除气机向精炼熔体中通入氩气处理并扒渣；
(4)向扒渣后的铝合金熔体中依次加入覆盖剂、纯Li原料、Sr变质剂和AlTiB晶粒细化剂，搅拌均匀，静置20min后浇铸成型；其中覆盖剂为氯化锂和氟化锂按质量比3∶1的混合物；
(5)对铸件进行固溶和时效处理，具体工艺参数为：于540℃保温10h进行固溶处理，淬火冷却，并在130℃保温24h进行时效处理，之后空气冷却至室温。
将本实施例的Al-Si-Li-Cu合金进行拉伸性能测试，结果为：抗拉强度为321MPa，延伸率为3.1％，密度为2.52g/cm3，密度较比ZL101降低了6.0％。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种高Cu含量Al-Si-Li-Cu铸造合金，其特征在于，按照重量百分比的化学组成为：Si 2～6％，Li 1～2.5％，Cu 3.5～5.5％，Mg 0.5～2％，Mn 0.1～0.5％，Cr 0～0.5％，Zn0.1～1％，Ti 0～0.5％，zr 0～0.5％，Be 0～0.5％，余量为Al和杂质，其中所述杂质中：杂质元素Fe≤0.3％；其它杂质元素总含量≤1.0％。
2.根据权利要求1所述的一种高Cu含量Al-Si-Li-Cu铸造合金，其特征在于，所述合金材料的抗拉强度为300～400MPa，延伸率为2～6％，密度为2.5～2.7g/cm3。
3.一种高Cu含量Al-Si-Li-Cu铸造合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
按照所述高Cu含量Al-Si-Li-Cu铸造合金重量百分比的化学组成为：Si 2～6％，Li 1～2.5％，Cu 3.5～5.5％，Mg 0.5～2％，Mn 0.1～0.5％，Cr 0～0.5％，Zn 0.1～1％，Ti 0～0.5％，Zr 0～0.5％，Be 0～0.5％，余量为Al和杂质，其中所述杂质中：杂质元素Fe≤0.3％；其它杂质元素总含量≤1.0％进行配料；
先将铝锭加热熔融成铝熔体，然后加入除Li以外的金属原料，搅拌均匀，得到铝合金熔体；
向铝合金熔体中加入精炼剂进行精炼，精炼结束后除气处理并扒渣；
向扒渣后的铝合金熔体中依次加入覆盖剂、Li原料、Sr变质剂和AlTiB晶粒细化剂，搅拌均匀，静置5～25min后浇铸成型；
对铸件进行固溶和时效处理，之后空气冷却至室温。
4.根据权利要求3所述的一种高Cu含量Al-Si-Li-Cu铸造合金的制备方法，其特征在于，所述先将铝锭加热熔融成铝熔体，为了防止Li元素氧化，优选在真空熔炼炉或者在充满惰性气体的密闭空间中加热熔炼。
5.根据权利要求3所述的一种高Cu含量Al-Si-Li-Cu铸造合金的制备方法，其特征在于，所述固溶和时效处理的工艺参数为：于480～580℃保温3～24h进行固溶处理，淬火冷却，然后在120～220℃保温3～24h进行时效处理。
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