CN107739866A - 晶粒细化剂及其在制备稀土铝合金材料中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种晶粒细化剂及其在制备稀土铝合金材料中的应用，属于铝合金制备技术领域。所述的晶粒细化剂，以重量份为单位，包括以下原料：铝‑镍‑锰‑铜‑镧合金中间体10‑18份、铝‑钛‑锆‑铈合金中间体4‑9份。采用本发明的晶粒细化剂制备稀土铝合金材料，可提高铝合金材料的抗拉强度、延伸率。

Description

晶粒细化剂及其在制备稀土铝合金材料中的应用

技术领域

本发明属于铝合金制备技术领域，具体涉及一种晶粒细化剂及其在制备稀土铝合金材料中的应用。

背景技术

高强铝合金具有强度高，塑性好，可焊性好，耐腐蚀性能优良等特点，被广泛应用于各种飞机的结构件和其他强度要求高的高应力耐蚀结构件，是目前许多军用和民用飞机，交通运输工具中不可缺少的重要结构材料。随着航天航空技术发展对材料要求的日益提高，研究人员正着力开发强度更高，综合性能优良的高强度高韧铝合金。目前，为提高铆接用的高强铝合金的综合性能，主要是在追求材料高强度的同时，降低由于强度提高对抗应力腐蚀性能、断裂韧性和疲劳强度等造成不良影响。同时，各行业对高强铝合金的要求日益提高，并提出了高载荷、轻质化、高强、高韧、高模量、良好的耐蚀性能及焊接性能等一系列要求，而现有的高强铝合金因断裂韧性差或强度低造成零件尺寸较厚，无法满足高载荷，轻质化，低成本要求，迫切需要新型轻质高强铝合金进行更新换代。

国际上高强铝合金研制基本上是沿着高强度、低韧性→高强度、高韧性→高强度、高韧性、耐腐蚀方向发展。前苏联与美国先后发现往高强铝合金中添加Sc元素可减少由于添加Cu元素造成合金焊接过程中的热裂纹倾向，明显改善合金的强度和焊接性能，为此相继开发出含Sc的高强铝合金。

近年来，俄罗斯采取向Al-Zn-Mg合金中添加Sc和Zr的方法，开发出抗疲劳性能、焊接性能和韧性好的高强铝合金1975、1970等。国内的高强铝合金发展历程与国外相同，目前国内也开展了可焊高强铝合金的实验室试制。但是，我国在研究高强高韧铝合金时追求高强度高韧性却忽视了降低材料的生产成本，同时我国现有的高强高韧铝合金所能达到的水平还。

中国专利文献“一种稀土改性铝合金材料及其制备方法”(专利号：ZL201510310462.8)公开了一种稀土改性铝合金材料的制备方法，通过熔化Al单质，完全熔化温度达850℃，再加Cu，熔化完后加入中间合金，中间合金包括Mn、Ni、Cr、Ti、Zr、Er、Yb单质，最后依次加Mg、Zn单质；完全熔化后再除气除渣，静置，当溶液温度达750℃时即浇铸铸锭；将铸锭去表层1-2mm，然后放入均匀化炉中，在410℃下保温24h，再降温至120℃以下，出炉空冷，得到均匀化铸锭；将均匀化铸锭在450℃下进行热轧和热挤压，控制总变形量不小于60％，得到变形铸锭；将变形铸锭在470℃下保温4h立即水淬，然后在120℃下时效24h后空冷，得到稀土改性铝合金材料。该发明制得的铝合金具有低成本、优良的冲击韧性，但存在着抗拉强度、延伸率较低的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种晶粒细化剂及其在制备稀土铝合金材料中的应用，以解决在中国专利文献“一种稀土改性铝合金材料及其制备方法”(专利号：ZL201510310462.8)公开的铝合金材料配方基础上，如何优化组分、用量、方法等，提高铝合金的抗拉强度、延伸率。

为了解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种晶粒细化剂，以重量份为单位，包括以下原料：铝-镍-锰-铜-镧合金中间体10-18份、铝-钛-锆-铈合金中间体4-9份。

优选地，以重量份为单位，包括以下原料：铝-镍-锰-铜-镧合金中间体15份、铝-钛-锆-铈合金中间体6份。

优选地，所述铝-镍-锰-铜-镧合金中间体以重量份为单位，包括以下原料：铝60-80份、镍2-5份、锰4-8份、铜2-5份、镧1-1.6份。

优选地，所述铝-镍-锰-铜-镧合金中间体以重量份为单位，包括以下原料：铝70份、镍4份、锰6份、铜3份、镧1.5份。

优选地，所述铝-钛-锆-铈合金中间体以重量份为单位，包括以下原料：铝40-75份、钛1.8-2.5份、锆1-1.5份、铈0.5-0.8份。

本发明还提供一种晶粒细化剂在制备稀土铝合金材料中的应用，所述的稀土铝合金材料，包括如下质量百分比的原料：锌3.2％-5.6％、镁0.02％-0.18％、铜0.03％-0.7％、锰0.1％-0.3％、镍0.1％-0.29％、锆0.1％-0.9％、钛1.5％-1.8％、铁0.4％-0.8％、铬0.02％-0.06％、稀土元素1.2％-3％、精炼剂0.8％-1.5％、月桂醇硫酸钠0.6％-1.2％、晶粒细化剂2％-3.2％，其余为铝。

优选地，所述稀土元素以重量份为单位，包括以下原料：镧1.5-2.5份、镨1-2份、钕0.5-1.2份、镝0.6-0.9份、钬1.2-1.8份、镱0.3-0.9份。

优选地，所述稀土元素以重量份为单位，包括以下原料：镧2份、镨1.6份、钕0.9份、镝0.8份、钬1.7份、镱0.8份。

优选地，所述精炼剂以重量份为单位，包括以下原料：氟化钠18-25份、石墨烯10-15份、氟化钙6-12份。

优选地，所述精炼剂以重量份为单位，包括以下原料：氟化钠122份、石墨烯14份、氟化钙9份。

本发明具有以下有益效果：

(1)由实施例1-3和对比例5的数据可见，实施例1-3制得的铝合金材料的抗拉强度、延伸率显著高于对比例5制得的铝合金材料的抗拉强度、延伸率；同时由实施例1-3的数据可见，实施例2为最优实施例。

(2)由实施例2和对比例1-4的数据可见，稀土元素、月桂醇硫酸钠、晶粒细化剂在制备铝合金材料中起到了协同作用，显著提高了铝合金材料的抗拉强度、延伸率；这可能是：1)稀土元素镧、镨、钕、镝、钬、镱的添加，可与氢等气体或非金属生成熔点高的化合物，有一定的除氢、精炼和净化作用，从而实现提高铝合金材料的抗拉强度、延伸率；2)月桂醇硫酸钠与本配方的稀土元素一起使用，可提高铝合金材料的强度和屈服极限，提高了铝合金材料的抗拉强度、延伸率；3)在铝合金材料中添加晶粒细化剂，能够减少配料和熔体成分的加料数量，有利于扒渣干净，从而能够增强抗拉强度，并且克服了现有技术中采用铝-钛-铬中间体易聚集和夹渣的问题；同时，晶粒细化剂与本配方的稀土元素一起使用，可以在晶粒界面上选择性地吸附，阻碍晶粒的生长，使得铝合金晶粒细化，有利于铝合金材料断裂过程中裂纹萌生位置和扩张途径发生改变，使得铝合金材料得韧化，从而提高铝合金材料的抗拉强度、延伸率。

具体实施方式

为便于更好地理解本发明，通过以下实例加以说明，这些实例属于本发明的保护范围，但不限制本发明的保护范围。

在实施例中，所述稀土铝合金材料，包括如下质量百分比的原料：锌3.2％-5.6％、镁0.02％-0.18％、铜0.03％-0.7％、锰0.1％-0.3％、镍0.1％-0.29％、锆0.1％-0.9％、钛1.5％-1.8％、铁0.4％-0.8％、铬0.02％-0.06％、稀土元素1.2％-3％、精炼剂0.8％-1.5％、月桂醇硫酸钠0.6％-1.2％、晶粒细化剂2％-3.2％，其余为铝；

所述稀土元素以重量份为单位，包括以下原料：镧1.5-2.5份、镨1-2份、钕0.5-1.2份、镝0.6-0.9份、钬1.2-1.8份、镱0.3-0.9份；

所述精炼剂以重量份为单位，包括以下原料：氟化钠18-25份、石墨烯10-15份、氟化钙6-12份；

所述晶粒细化剂以重量份为单位，包括以下原料：铝-镍-锰-铜-镧合金中间体10-18份、铝-钛-锆-铈合金中间体4-9份；所述铝-镍-锰-铜-镧合金中间体以重量份为单位，包括以下原料：铝60-80份、镍2-5份、锰4-8份、铜2-5份、镧1-1.6份；所述铝-钛-锆-铈合金中间体以重量份为单位，包括以下原料：铝40-75份、钛1.8-2.5份、锆1-1.5份、铈0.5-0.8份；

所述稀土铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：

S1：在电磁感应炉中加入铝锭，升高温度至880-920℃使其熔化，加入用铝箔包裹的重量份比例的镍、锰、铜、镧粉熔融，并对合金熔体进行搅拌，搅拌15-20min后，进行除气处理，静置，然后进行超声处理，得到铝-镍-锰-铜-镧合金中间体，超声处理的温度为800-820℃，超声功率为20-25KW，处理时间为25-30min；采用相同的方法制备铝-钛-锆-铈合金中间体；将铝-镍-锰-铜-镧合金中间体和铝-钛-锆-铈合金中间体按重量比制成晶粒细化剂，所述晶粒细化剂的尺寸为12μm以下；

S2：将锌、镁、铜、锰、镍、锆、钛、铁、铬、稀土元素按质量百分比投入到熔炼炉中熔融，得铝合金熔液；

S3：将铝合金熔液升温至730-780℃后，加入质量百分比的晶粒细化剂搅拌；

S4：在步骤S3中所得的熔液中加入精炼剂、月桂醇硫酸钠，同时通入惰性气体，不断搅拌进行精炼，控制精炼温度为720-760℃，精炼后对熔液进行扒渣处理，然后冷却、静置25-35min；

S5：将步骤S3中所得的铝合金熔液进行铸件；

S6：对铸件进行450-500℃、5-8h的固溶处理，制得稀土铝合金材料。

下面通过更具体实施例对本发明进行说明。

实施例1

一种稀土铝合金材料，包括如下质量百分比的原料：锌3.5％、镁0.06％、铜0.03％-0.7％、锰0.1％、镍0.1％、锆0.1％、钛1.5％、铁0.4％、铬0.02％、稀土元素1.2％、精炼剂0.8％、月桂醇硫酸钠0.6％、晶粒细化剂2％，其余为铝；

所述稀土元素以重量份为单位，包括以下原料：镧1.5份、镨1-2份、钕0.5份、镝0.6份、钬1.3份、镱0.3份；

所述精炼剂以重量份为单位，包括以下原料：氟化钠18份、石墨烯10份、氟化钙6份；

所述晶粒细化剂以重量份为单位，包括以下原料：铝-镍-锰-铜-镧合金中间体10份、铝-钛-锆-铈合金中间体4份；所述铝-镍-锰-铜-镧合金中间体以重量份为单位，包括以下原料：铝60份、镍2份、锰4份、铜2份、镧1份；所述铝-钛-锆-铈合金中间体以重量份为单位，包括以下原料：铝40份、钛1.8份、锆1份、铈0.5份；

所述稀土铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：

S1：在电磁感应炉中加入铝锭，升高温度至880℃使其熔化，加入用铝箔包裹的重量份比例的镍、锰、铜、镧粉熔融，并对合金熔体进行搅拌，搅拌20min后，进行除气处理，静置，然后进行超声处理，得到铝-镍-锰-铜-镧合金中间体，超声处理的温度为800℃，超声功率为20KW，处理时间为30min；采用相同的方法制备铝-钛-锆-铈合金中间体；将铝-镍-锰-铜-镧合金中间体和铝-钛-锆-铈合金中间体按重量比制成晶粒细化剂，所述晶粒细化剂的尺寸为12μm以下；

S2：将锌、镁、铜、锰、镍、锆、钛、铁、铬、稀土元素按质量百分比投入到熔炼炉中熔融，得铝合金熔液；

S3：将铝合金熔液升温至730℃后，加入质量百分比的晶粒细化剂搅拌；

S4：在步骤S3中所得的熔液中加入精炼剂、月桂醇硫酸钠，同时通入惰性气体，不断搅拌进行精炼，控制精炼温度为720℃，精炼后对熔液进行扒渣处理，然后冷却、静置35min；

S5：将步骤S3中所得的铝合金熔液进行铸件；

S6：对铸件进行450℃、8h的固溶处理，制得稀土铝合金材料。

实施例2

一种稀土铝合金材料，包括如下质量百分比的原料：锌4.5％、镁0.1％、铜0.32％、锰0.2％、镍0.16％、锆0.5％、钛1.7％、铁0.6％、铬0.05％、稀土元素2.5％、精炼剂1.2％、月桂醇硫酸钠0.9％、晶粒细化剂2.8％，其余为铝；

所述稀土元素以重量份为单位，包括以下原料：镧2份、镨1.6份、钕0.9份、镝0.8份、钬1.7份、镱0.8份；

所述精炼剂以重量份为单位，包括以下原料：氟化钠122份、石墨烯14份、氟化钙9份；

所述晶粒细化剂以重量份为单位，包括以下原料：铝-镍-锰-铜-镧合金中间体15份、铝-钛-锆-铈合金中间体6份；所述铝-镍-锰-铜-镧合金中间体以重量份为单位，包括以下原料：铝70份、镍4份、锰6份、铜3份、镧1.5份；所述铝-钛-锆-铈合金中间体以重量份为单位，包括以下原料：铝65份、钛2份、锆1.2份、铈0.7份；

所述稀土铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：

S1：在电磁感应炉中加入铝锭，升高温度至900℃使其熔化，加入用铝箔包裹的重量份比例的镍、锰、铜、镧粉熔融，并对合金熔体进行搅拌，搅拌18min后，进行除气处理，静置，然后进行超声处理，得到铝-镍-锰-铜-镧合金中间体，超声处理的温度为815℃，超声功率为23KW，处理时间为28min；采用相同的方法制备铝-钛-锆-铈合金中间体；将铝-镍-锰-铜-镧合金中间体和铝-钛-锆-铈合金中间体按重量比制成晶粒细化剂，所述晶粒细化剂的尺寸为12μm以下；

S2：将锌、镁、铜、锰、镍、锆、钛、铁、铬、稀土元素按质量百分比投入到熔炼炉中熔融，得铝合金熔液；

S3：将铝合金熔液升温至760℃后，加入质量百分比的晶粒细化剂搅拌；

S4：在步骤S3中所得的熔液中加入精炼剂、月桂醇硫酸钠，同时通入惰性气体，不断搅拌进行精炼，控制精炼温度为740℃，精炼后对熔液进行扒渣处理，然后冷却、静置32min；

S5：将步骤S3中所得的铝合金熔液进行铸件；

S6：对铸件进行480℃、7h的固溶处理，制得稀土铝合金材料。

实施例3

一种稀土铝合金材料，包括如下质量百分比的原料：锌2.5％、镁0.18％、铜0.7％、锰0.3％、镍0.29％、锆0.9％、钛1.8％、铁0.8％、铬0.06％、稀土元素3％、精炼剂1.5％、月桂醇硫酸钠1.2％、晶粒细化剂3.2％，其余为铝；

所述稀土元素以重量份为单位，包括以下原料：镧2.5份、镨2份、钕1.2份、镝0.9份、钬1.8份、镱0.9份；

所述精炼剂以重量份为单位，包括以下原料：氟化钠25份、石墨烯15份、氟化钙12份；

所述晶粒细化剂以重量份为单位，包括以下原料：铝-镍-锰-铜-镧合金中间体18份、铝-钛-锆-铈合金中间体9份；所述铝-镍-锰-铜-镧合金中间体以重量份为单位，包括以下原料：铝80份、镍5份、锰8份、铜5份、镧1.6份；所述铝-钛-锆-铈合金中间体以重量份为单位，包括以下原料：铝75份、钛2.5份、锆1.5份、铈0.8份；

所述稀土铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：

S1：在电磁感应炉中加入铝锭，升高温度至920℃使其熔化，加入用铝箔包裹的重量份比例的镍、锰、铜、镧粉熔融，并对合金熔体进行搅拌，搅拌15min后，进行除气处理，静置，然后进行超声处理，得到铝-镍-锰-铜-镧合金中间体，超声处理的温度为820℃，超声功率为25KW，处理时间为25min；采用相同的方法制备铝-钛-锆-铈合金中间体；将铝-镍-锰-铜-镧合金中间体和铝-钛-锆-铈合金中间体按重量比制成晶粒细化剂，所述晶粒细化剂的尺寸为12μm以下；

S2：将锌、镁、铜、锰、镍、锆、钛、铁、铬、稀土元素按质量百分比投入到熔炼炉中熔融，得铝合金熔液；

S3：将铝合金熔液升温至780℃后，加入质量百分比的晶粒细化剂搅拌；

S4：在步骤S3中所得的熔液中加入精炼剂、月桂醇硫酸钠，同时通入惰性气体，不断搅拌进行精炼，控制精炼温度为760℃，精炼后对熔液进行扒渣处理，然后冷却、静置25min；

S5：将步骤S3中所得的铝合金熔液进行铸件；

S6：对铸件进行500℃、5h的固溶处理，制得稀土铝合金材料。

对比例1

与实施例2的制备工艺基本相同，唯有不同的是制备稀土铝合金材料的原料中缺少稀土元素、月桂醇硫酸钠、晶粒细化剂。

对比例2

与实施例2的制备工艺基本相同，唯有不同的是制备稀土铝合金材料的原料中缺少稀土元素。

对比例3

与实施例2的制备工艺基本相同，唯有不同的是制备稀土铝合金材料的原料中缺少月桂醇硫酸钠。

对比例4

与实施例2的制备工艺基本相同，唯有不同的是制备稀土铝合金材料的原料中缺少晶粒细化剂。

对比例5

采用中国专利文献“一种稀土改性铝合金材料及其制备方法”(专利号：ZL201510310462.8)效果实施例1的工艺制备铝合金材料。

对实施例1-3和对比例1-5制得的铝合金材料进行性能测试，结果如下表所示。其中，抗拉强度和延伸率的测试是将实施例1-3和对比例1-5制得的铝合金板材(实施例和对比例的样品板材尺寸为12.26mm×4.22mm)按国家标准GB/T228-2010进行性能测试。

由上表可知：(1)由实施例1-3和对比例5的数据可见，实施例1-3制得的铝合金材料的抗拉强度、延伸率显著高于对比例5制得的铝合金材料的抗拉强度、延伸率；同时由实施例1-3的数据可见，实施例2为最优实施例。

(2)由实施例2和对比例1-4的数据可见，稀土元素、月桂醇硫酸钠、晶粒细化剂在制备铝合金材料中起到了协同作用，显著提高了铝合金材料的抗拉强度、延伸率；这可能是：1)稀土元素镧、镨、钕、镝、钬、镱的添加，可与氢等气体或非金属生成熔点高的化合物，有一定的除氢、精炼和净化作用，从而实现提高铝合金材料的抗拉强度、延伸率；2)月桂醇硫酸钠与本配方的稀土元素一起使用，可提高铝合金材料的强度和屈服极限，提高了铝合金材料的抗拉强度、延伸率；3)在铝合金材料中添加晶粒细化剂，能够减少配料和熔体成分的加料数量，有利于扒渣干净，从而能够增强抗拉强度，并且克服了现有技术中采用铝-钛-铬中间体易聚集和夹渣的问题；同时，晶粒细化剂与本配方的稀土元素一起使用，可以在晶粒界面上选择性地吸附，阻碍晶粒的生长，使得铝合金晶粒细化，有利于铝合金材料断裂过程中裂纹萌生位置和扩张途径发生改变，使得铝合金材料得韧化，从而提高铝合金材料的抗拉强度、延伸率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种晶粒细化剂，其特征在于，以重量份为单位，包括以下原料：铝-镍-锰-铜-镧合金中间体10-18份、铝-钛-锆-铈合金中间体4-9份。

2.根据权利要求1所述的晶粒细化剂，其特征在于，以重量份为单位，包括以下原料：铝-镍-锰-铜-镧合金中间体15份、铝-钛-锆-铈合金中间体6份。

3.根据权利要求1或2所述的晶粒细化剂，其特征在于，所述铝-镍-锰-铜-镧合金中间体以重量份为单位，包括以下原料：铝60-80份、镍2-5份、锰4-8份、铜2-5份、镧1-1.6份。

4.根据权利要求3所述的晶粒细化剂，其特征在于，所述铝-镍-锰-铜-镧合金中间体以重量份为单位，包括以下原料：铝70份、镍4份、锰6份、铜3份、镧1.5份。

5.根据权利要求1或2所述的晶粒细化剂，其特征在于，所述铝-钛-锆-铈合金中间体以重量份为单位，包括以下原料：铝40-75份、钛1.8-2.5份、锆1-1.5份、铈0.5-0.8份。

6.一种根据权利要求1-5任一项所述的晶粒细化剂在制备稀土铝合金材料中的应用，其特征在于，所述的稀土铝合金材料，包括如下质量百分比的原料：锌3.2％-5.6％、镁0.02％-0.18％、铜0.03％-0.7％、锰0.1％-0.3％、镍0.1％-0.29％、锆0.1％-0.9％、钛1.5％-1.8％、铁0.4％-0.8％、铬0.02％-0.06％、稀土元素1.2％-3％、精炼剂0.8％-1.5％、月桂醇硫酸钠0.6％-1.2％、晶粒细化剂2％-3.2％，其余为铝。

7.根据权利要求6所述的晶粒细化剂在制备稀土铝合金材料中的应用，其特征在于，所述稀土元素以重量份为单位，包括以下原料：镧1.5-2.5份、镨1-2份、钕0.5-1.2份、镝0.6-0.9份、钬1.2-1.8份、镱0.3-0.9份。

8.根据权利要求7所述的晶粒细化剂在制备稀土铝合金材料中的应用，其特征在于，所述稀土元素以重量份为单位，包括以下原料：镧2份、镨1.6份、钕0.9份、镝0.8份、钬1.7份、镱0.8份。

9.根据权利要求6所述的晶粒细化剂在制备稀土铝合金材料中的应用，其特征在于，所述精炼剂以重量份为单位，包括以下原料：氟化钠18-25份、石墨烯10-15份、氟化钙6-12份。

10.根据权利要求9所述的晶粒细化剂在制备稀土铝合金材料中的应用，其特征在于，所述精炼剂以重量份为单位，包括以下原料：氟化钠122份、石墨烯14份、氟化钙9份。