CN107881375A - 一种具有极其优异压铸性能的铝锂合金 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在700‑800度之间熔炼时具有极其优异压铸性能的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:4.0‑8.0wt.%,Sr:1.0‑1.5wt.%,Si:2.0‑3.0wt.%,Mg:1.0‑1.5wt.%,Ge:0.5‑1.2wt.%,Th:0.1‑0.3wt.%,Nd:0.2‑0.5wt.%,B:0.5‑1.2wt.%，余量为铝。该铝锂合金材料具有良好的铸造性能，适合于薄壁零件的保护气氛下的压力铸造。特别是适合铸造要求具备轻量化特征的轻型结构材料，具有巨大的市场前景。

Description

一种具有极其优异压铸性能的铝锂合金

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

把锂作为合金元素加到铝中，就形成了铝锂合金。锂既能降低铝的密度又能提高弹性模量。一般来说,向铝合金中每添加1wt.%锂，密度就下降约3%，而其弹性模量则会上升约6%。铝锂合金主要为飞机和航空航天设备的减重而研制的，因此也主要应用于航空航天领域，还应用于军械和核反应堆用材，坦克穿甲弹，鱼雷和其它兵器结构件方面。铝锂合金已经在军用飞机、民用客机和直升飞机上使用，主要用于机身框架、舱门、燃油箱等。采用铝锂合金制造飞机，其重量可以减轻14.6wt.%，燃料节省5.4%，飞机制造成本可下降2.1%，每架飞机每年的飞行费用可降低2.2%。随着新世纪对节能和环保的要求，铝锂合金在航空、航天及汽车工业中的应用会越来越广泛。

铝锂合金具有如下特点.(1)密度低。用其代替常规的高强度铝合金可使结构质量减轻10-20%，刚度提高15-20%。(2)减振性好。与铝合金、钢、铁相比具有较低的弹性模量，在同样受力条件下，可消耗更大的变形功。具有降噪、减震功能，可承受较大的冲击震动负荷。(3) 铝锂合金电磁屏蔽性能和导热性能比较好。适用于电子产品的壳罩，如手机外壳。铝锂合金与铝，铜等有色金属一样具有非火花性，适合做矿山设备和粉粒操作设备。(4)铝锂合金具有较高的尺寸稳定性。由于相变及引起的尺寸变化接近于零，适合做样板，夹具和电子产品外罩。(5)铝锂合金的动力学粘度低。相同的液体状态下充型速度远大于铝合金。此外，合金熔点低、比热容和相变潜热小，故其熔化能耗少，凝固速度快。

但是,锂属于活泼元素,在大气环境下很容易和氧气或者氮气进行剧烈的反应而产生燃烧或者爆炸。在铝锂合金冶炼过程中, 为了防止铝锂熔体的氧化燃烧，传统中通常采用保护气体或者熔剂保护熔炼。（1）气体保护熔炼：气体保护熔炼通常是指熔炼过程中在铝锂合金熔体表面填充惰性气体或者能够与铝锂合金反应生成致密保护膜的气体，从而隔绝空气中的氧。(2)熔剂保护熔炼：熔炼铝锂合金用的熔剂有覆盖作用。熔融的熔剂借助表面张力的作用，在熔体表面形成连续、完整的覆盖层。隔绝空气，阻止铝锂合金与空气中氧气、水分的反应，防止了锂的氧化。但是，这两种方法的使用都因其存在难以避免的缺陷而受到限制。例如,易产生有毒气体污染环境和造成熔剂夹杂而损害合金性能。而且熔剂夹杂容易成为产品在使用过程中的腐蚀源，加速材料腐蚀，降低使用寿命。此外，熔剂中的氯盐和氟盐在高温下易挥发产生某些强腐蚀性气体，破坏厂房、设备及生态环境。

铝合金压力铸造是利用外加的压力，借助模具一定的温度梯度，让铸件按设定的凝固方向凝固，以利铸件及时得到熔体的补充。再加上机台，模具合理的设计、司炉、浇筑员的正确操作，才能铸造出理想的铸件。但是，当铝锂合金充型和补缩进行铸造时，熔体浇注及充型过程中容易产生紊流，使合金液易卷气和氧化，因此在铝合金铸件中容易产生针孔、气孔及夹杂等缺陷。

本发明提供了一种具有在700-800度之间熔炼时具有极其优异压铸性能的铝锂合金，且在此温度区间熔炼的合金最终产品具有现有铝锂合金的力学性能。该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。同时，该铝锂合金材料适合于薄壁零件的保护气氛下的压力铸造，特别是适合铸造要求具备轻量化特征的轻型结构材料，具有巨大的市场前景。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有极其优异压铸性能的铝锂合金及其加工工艺。

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度之间熔炼时具有极其优异压铸性能的铝锂合金。按重量百分比计，合金的组成为：Li:4.0-8.0wt.%,Sr: 1.0-1.5wt.%,Si:2.0-3.0wt.%,Mg:1.0-1.5wt.%,Ge:0.5-1.2wt.%,Th: 0.1-0.3wt.%,Nd:0.2-0.5wt.%,B:0.5-1.2wt.%，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分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造，铸锭下移速度为8-10m/min。该铸锭可以当做铸造原料用于后续工序的压力铸造来制备复杂形状的铝锂合金铸件。这些铸件的最后热处理工序为：真空固溶处理450度，2.0小时；真空时效处理160度，2.5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铝锂合金的铸造性能还不能完全满足现有需求的现状提供了一种新颖的材料学解决方案。通过新颖的材料学方法来优选合金中的元素种类和含量，所得产品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铸造性能和优异的合金收得率。

（2） 该铝锂合金具有及其优异的在大气环境下冶炼时的阻燃性能。其机理是在铝锂合金熔炼过程中添加特定的合金元素来影响合金氧化的热力学反应与动力学过程，形成具有保护作用的致密氧化膜和氮化膜，达到阻止合金剧烈氧化和氮化的目的。

（3） 本专利提出的铝锂合金铸造性能十分优良。且具有流动性好，充填性能甚佳、缩孔形成倾向小，金属液吸气性小等优点。它可以制造出高尺寸精度和低表面粗糙度的薄壁铸件，压铸件壁厚可达到最小壁厚为2mm的铸件，可铸出直径为1 mm左右的小孔，而一般铝合金在压力铸造条件下，只能铸出最小壁厚为4mm，最小孔径2mm的铸件。

（4） 该铝合金在加入Li后，使晶粒得到细化。此外，该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制品成品率低等技术难题。冶炼加工方法简单，生产成本比较低，降低了对设备要求。使得合金使用寿命有了进一步提高，便于工业化大规模应用。

（5） 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%。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。

具体实施方式

实施例1

一种具有710度熔炼具有极其优异压铸性能的铝锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 6.2wt.%, Sr: 1.3wt.%, Si: 2.6wt.%, Mg: 1.4wt.%, Ge: 0.8wt.%,Th:0.2wt.%, Nd: 0.3wt.%, B: 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710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710度保温10分钟浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造，铸锭下移速度为8m/min。该铸锭可以当做铸造原料用于后续工序的压力铸造来制备复杂形状的铝锂合金铸件。这些铸件的最后热处理工序为：真空固溶处理450度，2.0小时；真空时效处理160度，2.5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498MPa，抗拉强度为623MPa，延伸率为6.8%。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。

实施例2

一种具有740度熔炼具有极其优异压铸性能的铝锂合金。按重量百分比计，化学成分为：Li:7.5wt.%,Sr:1.4wt.%, Si:2.6wt.%, Mg:1.2wt.%,Ge:0.8wt.%,Th:0.1wt.%,Nd:0.3wt.%,B:0.4wt.%，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740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740度保温10分钟浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造，铸锭下移速度为9m/min。该铸锭可以当做铸造原料用于后续工序的压力铸造来制备复杂形状的铝锂合金铸件。这些铸件的最后热处理工序为：真空固溶处理450度，2.0小时；真空时效处理160度，2.5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523MPa，抗拉强度为648MPa，延伸率为7.2%。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。

实施例3

一种具有790度熔炼具有极其优异压铸性能的铝锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li:5.9wt.%,Sr:1.2wt.%,Si: 2.4wt.%, Mg:1.5wt.%,Ge:0.9wt.%,Th:0.2wt.%,Nd:0.4wt.%, B: 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790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790度保温10分钟浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造，铸锭下移速度为8m/min。该铸锭可以当做铸造原料用于后续工序的压力铸造来制备复杂形状的铝锂合金铸件。这些铸件的最后热处理工序为：真空固溶处理450度，2.0小时；真空时效处理160度，2.5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564MPa，抗拉强度为643MPa，延伸率为9.2%。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。

Claims (3)

1.一种在700-800度熔炼时具有极其优异压铸性能的铝锂合金，其特征在于按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 4.0-8.0wt.%, Sr: 1.0-1.5wt.%,Si:2.0-3.0wt.%,Mg:1.0-1.5wt.%, Ge: 0.5-1.2wt.%,Th: 0.1-0.3wt.%, Nd: 0.2-0.5wt.%, B: 0.5-1.2wt.%，余量为铝。

2.根据权利要求1所述铝锂合金的制备方法，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分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造，铸锭下移速度为8-10m/min。

3.根据权利要求1所述铝锂合金的使用方法，其特征在于包含如下加工步骤：该铸锭可以当做铸造原料用于后续工序的压力铸造来制备复杂形状的铝锂合金铸件，这些铸件的最后热处理工序为：真空固溶处理450度，2.0小时；真空时效处理160度，2.5小时。