CN107739898A

CN107739898A - 高导热阻燃Al‑Li‑Fe‑Se铝锂合金

Info

Publication number: CN107739898A
Application number: CN201710988521.6A
Authority: CN
Inventors: 杨长江
Original assignee: Guangzhou Xianzhi Technology Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Xianzhi Technology Co Ltd; Guangzhou Yuzhi Technology Co Ltd
Priority date: 2017-10-21
Filing date: 2017-10-21
Publication date: 2018-02-27

Abstract

本发明公开了一种在700‑800度之间熔炼的高热导阻燃Al‑Li‑Fe‑Se铝锂合金及其加工工艺。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li:10.0‑18.0wt.%,Fe:1.0‑4.0wt.%,Se:0.5‑1.5wt.%,Sr:2.0‑6.0wt.%,Ca:1.0‑3.0wt.%,Ag:1.0‑2.0wt.%,Pd:0.1‑0.5wt.%,B:0.5‑2.0wt.%，S:0.5‑1.0wt.%，余量为铝。本专利针对目前高温下铝锂合金在熔炼时需要进行保护熔炼的现状提供了一种新颖的解决方案。通过优选的合金化办法，不仅可以大大降低合金元素使用量的缺点，还可以获得非常好的阻燃效果。在阻燃元素含量明显降低的同时，合金燃点却大幅上升。所得合金表面氧化膜都有非常好的塑性和粘度，能够完整地铺展和覆盖住合金表面，有效阻挡氧气侵入合金液内。在保证常见铝锂合金力学性能的同时，具有传统铝锂合金不具备的高导热性能：传热系数为120‑140W/m.K，传统铝锂合金为85W/m.K左右。

Description

高导热阻燃Al-Li-Fe-Se铝锂合金

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种铝锂合金。

背景技术

可持续发展、节能减排、轻量化是当今社会人们关注与讨论的热点。加速开发与利用铝合金材料是实现可持续发展的重要举措之一。铝锂合金比一般的铝合金低，密度在1.35-1.65 g/cm³之间。铝锂合金与钢铁结构件比能够减重40-50%，与一般铝合金比能够减重20-30%。在铝合金中每加入1wt.%的锂，可使铝合金密度降低3%，模量提高6%。加入锂之后，不仅可以降低铝合金的比重，增加刚度，同时仍然保持较高的强度、较好的抗腐蚀性和抗疲劳性以及适宜的延展性。

铝锂合金作为很轻的金属结构材料，具备普通铝合金比强度、切削性、和散热性优越的特性。铝锂合金具有优良的抗震性能，还具有抵抗高能粒子穿透能力和优良的电磁屏蔽性能。在通讯电子工业、军工和航空航天领域中有着广阔的应用前景。铝锂合金同时还具有良好的切削加工性能与加工成型性能，是航天航空、汽车、3C电子产业等领域最理想的结构材料之一。可以预见，随着3C产品的快速发展，铝锂合金的需求日益扩大。此外，铝锂合金还具有其它一系列优点:抗压屈服极限超出普通铝合金2/3、对缺口不敏感、冲击韧性好、抗弯强度大、机械性能的各向异性不明显、塑性好、容易变形加工、容易焊接成形、比热容量大导热性低。铝锂合金可部分替代目前应用于航空、航天领域的铝材及其它铝合金材料，具有广泛的应用前景。采用先进铝锂合金取代铝合金来制造飞机，重量可以减轻14.6%，燃料可以节约55.4%，飞机成本就会下降2.1%，每一架飞机每年的飞行费用也会下降2.2%。

由于锂的化学活泼性，铝锂合金在熔炼过程中极易发生氧化、燃烧甚至爆炸，这使得铝锂合金的大规模产业化和应用受到了限制。因此，阻止铝锂合金在熔炼过程中氧化燃烧一直是铝锂合金研究和产业化的一个重要课题。目前较成熟的阻燃方法是熔剂保护法，一般采用低熔点的氯盐。此外还有气体保护法，一般采用CO₂，SO₂和SF₆气体。然而，这两种方法都有缺陷，如易产生有毒气体污染环境和造成熔剂夹杂而损害合金力学性能。此外，熔炼、浇注设备和工艺复杂，加大了成本等。

通过合金化的方法达到阻燃的目的，是解决铝锂合金燃烧问题的发展方向之一。从20世纪50年代以来，合金阻燃法的研究受到极大重视。所谓合金阻燃，指通过向合金中添加合适的合金元素，使其在熔炼过程中大气环境下自动生成保护性氧化膜或者氮化膜，来影响合金氧化的热力学与动力学过程，在合金表面形成具有保护作用的致密氧化膜，达到阻止合金剧烈氧化的目的。这样将大大降低设备及工艺的复杂程度，也不会对环境造成严重污染，因而具有巨大的发展潜力。与熔剂保护和气体保护相比，合金化阻燃可以消除熔剂夹杂，提高合金的力学性能与抗腐蚀性能，消除有害气体对大气的污染。但是，作为一种结构材料，只具有熔炼时的抗燃烧性能是远远不能满足要求的，更重要的是最终的铝锂合金产品还要同时拥有令人满意的力学强度，至少要能达到常用铝锂合金的力学性能水平。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有阻燃性的高导热Al-Li-Fe-Se铝锂合金。在保证常见铝锂合金力学性能的同时，具有传统铝锂合金不具备的高导热性能：传热系数为120-140W/m.K，传统铝锂合金为85W/m.K左右。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有在700-800度之间熔炼时具有抗燃烧性能的高导热Al-Li-Fe-Se铝锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 10.0-18.0wt.%,Fe:1.0-4.0wt.%,Se:0.5-1.5wt.%,Sr:2.0-6.0wt.%,Ca:1.0-3.0wt.%,Ag:1.0-2.0wt.%,Pd:0.1-0.5wt.%,B:0.5-2.0wt.%，S: 0.5-1.0wt.%，余量为铝。该铝锂合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量在2.0-5.0wt.%左右。

上述铝锂合金的制备方法，包括如下步骤：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到700-800度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右。将合金液体在700-800度保温静置10分钟后浇铸到水玻璃模具内进行铸造成型。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为10-15%。每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：工艺为：290度，1.6个小时。轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理370度，5.2小时；真空时效处理160度，2.4小时。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）本发明专利针对目前高温下铝锂合金在熔炼时需要进行保护熔炼的现状提供了一种新颖材料学的解决方案。通过优选合金中的主要和次要添加元素，来改变熔体表面生成的氧化膜和氮化膜的类型，成分和含量，从而有效地防止在熔炼状态下铝锂合金发生燃烧现象进行烧损。通过优选的合金化办法，不仅可以大大降低合金元素使用量的缺点，还可以获得非常好的阻燃效果，在阻燃元素含量明显降低的同时，合金燃点却大幅上升。

（2）合金熔炼时，熔体具有静态(熔体的保温和静置)和动态（熔体的搅拌）两种形式。本专利提出的高导热Al-Li-Fe-Se铝锂合金在静态下具有极其优异的阻燃性能，可以达到在700-800温度范围内在大气环境下保温和静置5个小时而没有明显的燃烧。在动态过程中，例如对液态合金进行搅拌、吹气等熔体处理过程中，当其表面膜因剧烈搅拌被破坏后，仍能快速再生，成功阻碍合金的氧化燃烧。所得合金表面氧化膜都有非常好的塑性和粘度，能够完整地铺展和覆盖住合金表面，有效阻挡氧气侵入合金液内。

（3）该高导热Al-Li-Fe-Se铝锂合金具有低的液固相凝固温度范围，可以解决铸造时热裂倾向大，铸造空洞和疏松明显，熔体处理工艺粗放、质量差、热裂倾向大、铸造性能差，制品成品率低、高温强度低、废品料及渣料回用性差等技术难题。

（4）该材料具有传统铝锂合金室温下的力学性能：屈服强度为400-650MPa，抗拉强度为500-750MPa，延伸率为4-15%。并具有传统铝锂合金不具备的高导热性能：传热系数为120-140W/m.K，传统铝锂合金为85W/m.K左右。此外，具有传统铝锂合金不具备的高温力学性能：在300度下，屈服强度为350-400MPa，而传统材料在300度下，屈服强度为250-300MPa左右。

（5）该高导热Al-Li-Fe-Se铝锂合金在700-800度之间进行搅拌，精炼等熔体处理而不发生明显烧损现象，且该铝锂合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量小于5.0wt.%左右。

（6）冶炼加工方法简单，生产成本比较低，降低了对设备的要求。在保证具备阻燃性的同时，也使得合金使用寿命和高温下力学性能有了进一步提高，便于工业化大规模应用。本发明可用于制造在使用温度为100度以下结构件并具有极其显著的轻量化效果，具有巨大的市场前景。

具体实施方式

实施例1

一种具有730度熔炼时抗燃烧性的高导热Al-Li-Fe-Se铝锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 13.5wt.%, Fe: 2.3wt.%,Se:0.9wt.%,Sr:2.8wt.%,Ca:1.6wt.%,Ag:1.3wt.%,Pd:0.3wt.%,B: 1.2wt.%，S: 0.9wt.%，余量为铝。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到730度，形成合金溶液，并利用电磁效应充分搅拌10分钟左右。将合金液体在730度保温10分钟浇铸到水玻璃模具内进行铸造成型。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为13%。每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：290度，1.6个小时。轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理370度，5.2小时；真空时效处理160度，2.4小时。该材料具有传统铝锂合金室温下的力学性能：屈服强度为515MPa，抗拉强度为630MPa，延伸率为12%。并具有传统铝锂合金不具备的高导热性能：传热系数为129W/m.K，传统铝锂合金为85W/m.K左右。此外，具有传统铝锂合金不具备的高温力学性能：在300度下，屈服强度为375MPa，而传统材料在300度下，屈服强度为259MPa左右。该合金在730度和5个小时内之间进行大气环境下搅拌，精炼等熔体处理而不发生明显烧损现象，且材料由于蒸发和形成炉渣的原因而导致的原材料损耗率能控制在2.6wt.%左右。

实施例2

一种具有760度熔炼时抗燃烧性的高导热Al-Li-Fe-Se铝锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 14.8wt.%, Fe: 3.2wt.%,Se:0.9wt.%,Sr:4.2wt.%,Ca:1.8wt.%,Ag:1.7wt.%,Pd:0.2wt.%,B: 0.8wt.%，S:0.8wt.%，余量为铝。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到760度，形成合金溶液，并利用电磁效应充分搅拌10分钟左右。将合金液体在760度保温10分钟浇铸到水玻璃模具内进行铸造成型。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为12%。每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：290度，1.6个小时。轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理370度，5.2小时；真空时效处理160度，2.4小时。该材料具有传统铝锂合金室温下的力学性能：屈服强度为532MPa，抗拉强度为680MPa，延伸率为12%。并具有传统铝锂合金不具备的高导热性能：传热系数为129W/m.K，传统铝锂合金为85W/m.K左右。此外，具有传统铝锂合金不具备的高温力学性能：在300度下，屈服强度为384MPa，而传统材料在300度下，屈服强度为263MPa左右。该合金在760度和5个小时内之间进行大气环境下搅拌，精炼等熔体处理而不发生明显烧损现象，且材料由于蒸发和形成炉渣的原因而导致的原材料损耗率能控制在2.2wt.%左右。

实施例3

一种具有780度熔炼时抗燃烧性的高导热Al-Li-Fe-Se铝锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 13.2wt.%, Fe: 2.4wt.%,Se:1.2wt.%,Sr:4.3wt.%,Ca:2.6wt.%,Ag:1.6wt.%,Pd:0.3wt.%,B: 0.9wt.%，S: 0.8wt.%，余量为铝。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到780度，形成合金溶液，并利用电磁效应充分搅拌10分钟左右。将合金液体在780度保温10分钟浇铸到水玻璃模具内进行铸造成型。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为14%。每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：290度，1.6个小时。轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理370度，5.2小时；真空时效处理160度，2.4小时。该材料具有传统铝锂合金室温下的力学性能：屈服强度为512MPa，抗拉强度为679MPa，延伸率为6%。并具有传统铝锂合金不具备的高导热性能：传热系数为123W/m.K，传统铝锂合金为85W/m.K左右。此外，具有传统铝锂合金不具备的高温力学性能：在300度下，屈服强度为374MPa，而传统材料在300度下，屈服强度为263MPa左右。该合金在780度和5个小时内之间进行大气环境下搅拌，精炼等熔体处理而不发生明显烧损现象，且材料由于蒸发和形成炉渣的原因而导致的原材料损耗率能控制在3.1wt.%左右。

Claims

1.一种在熔炼时具有抗燃烧性能的高导热Al-Li-Fe-Se铝锂合金，其特征在于按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 10.0-18.0wt.%, Fe:1.0-4.0wt.%,Se:0.5-1.5wt.%,Sr:2.0-6.0wt.%,Ca:1.0-3.0wt.%,Ag: 1.0-2.0wt.%,Pd: 0.1-0.5wt.%,B: 0.5-2.0wt.%，S: 0.5-1.0wt.%，余量为铝。

2.根据权利要求1所述Al-Li-Fe-Se铝锂合金，其特征在于合金的制备方法包含如下步骤：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到700-800度，形成合金溶液，并利用电磁效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在700-800度保温10分钟浇铸到水玻璃模具内进行铸造成型。

3.根据权利要求1所述Al-Li-Fe-Se铝锂合金，其特征在于包含如下加工步骤：将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为10-15%；每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：290度，1.6个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理370度，5.2小时；真空时效处理160度，2.4小时。