CN108456836A - 一种铝锂合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铝锂合金的制备方法，包括：将铸态铝锂合金进行热处理；所述热处理的温度为485～495℃。本发明提供的铝锂合金的制备方法，通过对铸态铝锂合金在特定的温度下进行热处理，使铸态铝锂合金的组织均匀化，进而使制备得到铝锂合金具有良好的硬度。

Description

一种铝锂合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及铝合金技术领域，尤其涉及一种铝锂合金及其制备方法。

背景技术

锂是世界上最轻的金属元素。把锂作为合金元素加到金属铝中，就形成了铝锂合金。加入锂之后，可以降低合金的比重，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。因为这些特性，这种新型合金受到了航空、航天以及航海业的广泛关注。正是由于这种合金的许多优点，吸引着许多科学家对它进行研究，铝锂合金的开发事业犹如雨后春笋般迅速发展起来了。

铝锂合金作为航空航天结构产品中的替代材料或选用材料在先进国家已有40多年的使用历史，前苏联从上世纪70年代初在各种飞机上使用了1420合金，80年代，在飞机、火箭上又采用了1430和1460中、高强度铝锂合金材料；美国80年代末成功地将2090铝锂合金应用在C-17大型军用飞机上，目前在航天飞机的液氢/液氧推进剂贮箱材料上全部改用2195新型铝锂合金，在飞行器轻型结构材料发展史上迈入了一个新的里程碑。

Al-Cu-Li系新型铝锂合金具有高强度、强韧性、高弹性模量、高耐腐蚀、加工性能优良等特点，广泛应用于航空飞机下机翼面和机身用合金薄板。目前，对这种合金的工艺研究还处于探索阶段，制备得到硬度较高的Al-Cu-Li系铝锂合金成为本领域技术人员研究的热点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种铝锂合金及其制备方法，本发明提供的铝锂合金具有较高的硬度。

本发明提供了一种铝锂合金的制备方法，包括：

将铸态铝锂合金进行热处理；

所述热处理的温度为485～495℃。

在本发明中，所述铸态铝锂合金的成分优选为：

0～0.07wt％的Si；

0～0.07wt％的Fe；

3.4～4.5wt％的Cu；

0.1～0.5wt％的Mn；

0.6～1.1wt％的Mg；

0.3～0.5wt％的Zn；

0～0.1wt％的Ti；

0.05～0.15wt％的Zr；

0.6～0.9wt％的Li；

0.05～0.5wt％的Ag；

0～0.1wt％的杂质；

余量为Al。

在本发明中，所述Si的质量含量优选为0.01～0.06％，更优选为0.02～0.05％，最优选为0.03～0.04％。在本发明中，所述Fe的质量含量优选为0.01～0.06％，更优选为0.02～0.05％，最优选为0.03～0.04％。在本发明中，所述Cu的质量含量优选为3.7～4.2％，更优选为3.8～4.1％，最优选为3.9～4％。在本发明中，所述Mn的质量含量优选为0.2～0.4％，更优选为0.25～0.35％，最优选为0.3％。在本发明中，所述Mg的质量含量优选为0.7～1.0％，更优选为0.8～0.9％，最优选为0.85％。在本发明中，所述Zn的质量含量优选为0.35～0.45％，更优选为0.4％。在本发明中，所述Ti的质量含量优选为0.02～0.08％，更优选为0.04～0.06％，最优选为0.05％。在本发明中，所述Zr的质量含量优选为0.08～0.12％，更优选为0.10％。在本发明中，所述Ag的质量含量优选为0.08～0.4％，更优选为0.1～0.3％，最优选为0.2％。

在本发明中，所述Li的质量含量优选为0.65～0.85％，更优选为0.7～0.8％，最优选为0.85％。在本发明中，所述杂质优选包括K、Na和Ca。在本发明中，所述K的质量含量优选为0～5ppm，更优选为1～4ppm，最优选为2～3ppm；所述Na的质量含量优选为0～5ppm，更优选为1～4ppm，最优选为2～3ppm；所述Ca的质量含量优选为0～5ppm，更优选为1～4ppm，最优选为2～3ppm。在本发明中，所述杂质的质量含量优选为0～5ppm，更优选为1～4ppm，最优选为2～3ppm。

在本发明中，所述铸态铝锂合金元素成分充分考虑到微量元素K、Na、Ca的含量，在本发明中K、Na和Ca的微量元素的含量对铝锂合金铸锭成型以及力学性能具有重要的影响。本发明提供的铸态铝锂合金通过控制K、Na、Ca元素的含量使其具有良好的力学性能。

本发明对所述铝锂合金的制备方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的铸态铝锂合金的制备技术方案，将合金成分原料进行熔炼浇铸制备得到铸态铝锂合金即可。在本发明中，所述铸态铝锂合金的制备方法优选为：

将铝锂合金原料进行熔化，得到合金液；

将所述合金液进行精炼，得到熔体；

将所述熔体进行铸造，得到铸态铝合金。

在本发明中，所述铝锂合金原料优选选择K、Na、Ca、Fe和Si含量较低的99.7％以上的原铝锭、中间合金、纯金属等配料。在本发明中，所述铝锂合金原料优选包括纯铝锭、纯铜板、15％的Al-Mn中间合金、纯镁锭、纯锌锭、4％的Al-Zr中间合金、纯锂锭、纯银锭和4％的Al-Ti中间合金。在本发明中，所述熔化的温度优选为730～750℃。

在本发明中，所述精炼优选下保护性气体的保护下进行，所述保护性气体优选为氩气。在本发明中，所述精炼的温度优选为730～750℃，更优选为740℃；所述精炼的时间优选为20～40min，更优选为30min。

在本发明中，所述精炼完成后优选进行抽真空精炼，所述抽真空精炼的温度优选为720～760℃，更优选为740～750℃；所述抽真空精炼的真空度优选＜300MPa，所述抽真空精炼的时间优选为1～3小时。

在本发明中，所述铸造的速度优选为25～35mm/min，更优选为28～32mm/min；所述铸造的水压优选为0.02～0.08MPa，更优选为0.04～0.06MPa；所述铸造的温度优选为710～750℃，更优选为720～740℃。

Al-Li合金的熔炼由于锂具有极高的化学活性，不仅能够与大气中的氧、氮以及水份发生反应，还与氢的亲合力也极强。在熔炼过程中锂还会与常规的炉衬材料发生反应，甚至侵蚀氧化铝坩埚。为了防止合金在熔炼过程中锂的氧化烧损和吸气，对合金熔体必须采取严格的保护措施，在本发明中，所述保护措施优选为利用熔剂保护和惰性气体保护。

在本发明中，所述利用熔剂保护的熔剂优选为LiCl、LiF、KCl等混合盐类。在本发明中，优选采用50％LiCl+50％KCl的熔剂复盖可使锂的烧损率控制在每小时0.14％以下，而且这种熔剂具有熔点低，流动性好、复盖时易于流散的特点，但它的吸水性强，难于保管，所以这种熔剂通常都是在熔炼合金的同时制备。

在本发明中，所述惰性气体保护是将熔炼炉置于充满惰性气体的密封室中，所述惰性气体可以为氩气，也可以为氮气。在本发明中，对所述惰性气体纯度应有一定要求，因为保护气体中混入的氧、氮和水气都会降低保护效果。在本发明中，在密封室中放入预热了的海绵钛可以吸收氮气，减少其有害作用。

在本发明中，优选采用静置炉炉底透气和在线处理除氢气，除气室一定充满惰性气体的密封中，静置炉炉底透气和在线转子采用惰性氩气和氮气，使制备得到的铸态铝锂合金中的氢含量较低，在0.15mL/100gAl以下。

在本发明中，由于锂极易氧化使得合金在铸造过程中金属液面上形成一层很厚的灰色氧化物，不仅使锂烧损，还严重影响熔体的流动性和阻碍合金在结晶时气体的析出，导致气孔和疏松等缺陷增加，严重影响铸锭质量，因而本发明中浇注优选在保护气氛中进行。

在本发明中，所述铸态铝锂合金中氢含量控制在0.15mL/100gAl以下，使其具有良好的力学性能。

在本发明中，上述铸态铝锂合金的制备方法使制备得到的铸态铝锂合金达到了杂质K、Na、Ca的总含量≤5ppm，每熔次氢气≤0.15mL/100gAl的要求，使本发明制备的铸态铝锂合金具有良好的力学性能。

为提高铸态铝锂合金的硬度，发明人经过大量的研究，对本发明制备得到的铸态铝锂合金的铸态显微组织进行分析，其铸态组织有树枝状α-Al固溶体、晶界及枝晶间存在析出相，晶粒呈等轴状。发明人在大量实验的基础上付出创造性的劳动发现，制备均匀的铝锂合金组织，对铸态铝锂合金进行均匀化处理，在消除这种偏析现象的同时消除铸造应力，能够获得硬度良好的铝锂合金。

在本发明中，所述铸态铝锂合金含有Al-Cu-Li-Zn-Mg-Ag-Zr元素，合金化程度较高，在半连续铸造工艺条件下，凝固过程中含量高的元素易在晶界处富集，存在着枝晶偏析、晶内和晶界化学成分以及组织分布不均的情况，这样会严重降低该铝锂合金的组织性能。为了消除铸锭内部组织的不均匀性，提高铝锂合金的硬度，需要对该新型铝锂合金进行均匀化热处理。

在本发明中，得到铸态铝锂合金后对所述铸态铝锂合金进行均匀化热处理。

对本发明制备的铸态铝锂合金进行铸态的热分析，在约493℃，DSC曲线开始出现明显的吸热峰，并在502℃达到峰谷。根据铝锂合金热效应的变温吸热性质，在493℃晶界开始发生局部熔化，晶粒在约502℃已经发生过烧，判断502.2℃为过烧温度。综合考虑实际工业生产中铸锭尺寸大，且会出现炉温波动等现象，因此在保证合金一定性能的前提下，均匀化热处理的温度采用490℃。

在本发明中，所述均匀化热处理的温度优选为485～495℃，更优选为488～492℃，最优选为490℃；所述均匀化热处理的时间优选为12～48小时，更优选为15～45小时，更优选为20～40小时，更优选为25～35小时，更优选为30小时，最优选为24小时。

在本发明中，所述均匀化热处理优选为双级均匀化热处理，优选具体为：

将铸态铝锂合金依次进行一级均匀化热处理和二级均匀化热处理。

在本发明中，所述一级均匀化热处理的温度优选为380～510℃，更优选为390～505℃，更优选为400～470℃，更优选为410～460℃，最优选为410℃；所述一级均匀化热处理的时间优选为2～6小时，更优选为3～5小时，最优选为4小时。在本发明中，所述二级均匀化热处理的温度优选为485～495℃，更优选为488～492℃，最优选为490℃；所述二级均匀化热处理的时间优选为12～48小时，更优选为15～45小时，更优选为20～40小时，更优选为25～35小时，更优选为30小时，最优选为24小时。

在本发明中，所述铸态铝锂合金经双级均匀化热处理后比经单级均匀化热处理具有更优越的性能。其原因在于第一级均匀化热处理可以使得剩余未溶共晶相的熔点升高，可在保证共晶相不熔化和合金不过烧的情况下使第二级均匀化热处理的温度适当升高，加快合金元素扩散速率。在第二级均匀化热处理阶段只要在较短时间保温就能使残留共晶大量溶解，最后只剩下少部分难溶杂质相。本发明对这种新型铝锂合金的双级均匀化热处理制度进行了探索，得到性能更优越的合金均匀化热处理制度，为接下来热轧提供优良组织性能打下基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1制备得到的铸态铝锂合金的显微组织图；

图2为本发明实施例1制备得到的铸态铝锂合金的DSC曲线；

图3为本发明实施例2制备得到的热处理后的铝锂合金的显微组织图；

图4为本发明实施例3制备得到的热处理后的铝锂合金的显微组织图；

图5为本发明实施例4制备得到的热处理后的铝锂合金的显微组织图；

图6为本发明实施例5制备得到的热处理后的铝锂合金的显微组织图；

图7为本发明实施例1～5制备得到的铝锂合金的硬度性能测试结果；

图8为本发明实施例6制备得到的热处理后的铝锂合金的显微组织图；

图9为本发明实施例7制备得到的热处理后的铝锂合金的显微组织图；

图10为本发明实施例8制备得到的热处理后的铝锂合金的显微组织图；

图11为本发明实施例9制备得到的热处理后的铝锂合金的显微组织图；

图12为本发明实施例10制备得到的热处理后的铝锂合金的显微组织图；

图13为本发明实施例6制备得到的热处理后的铝锂合金的背散射电子成像图；

图14为本发明实施例7制备得到的热处理后的铝锂合金的背散射电子成像图；

图15为本发明实施例8制备得到的热处理后的铝锂合金的背散射电子成像图；

图16为本发明实施例9制备得到的热处理后的铝锂合金的背散射电子成像图；

图17为本发明实施例10制备得到的热处理后的铝锂合金的背散射电子成像图；

图18为本发明实施例6～10制备得到的铝锂合金的硬度性能测试结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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做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

按照下述方法制备得到铸态铝锂合金：

将纯铝锭、纯Cu板、15％的Al-Mn中间合金、纯Mg锭、纯Zn锭、4％的Al-Ti中间合金、4％的Al-Zr中间合金、纯Li锭和纯Ag锭进行配料装炉，先装铝锭，再装其他纯金属，最后装中间合金。

装炉完成后进行熔炼，熔炼的温度为730℃，在740℃附近进行氩气精炼，精炼的时间为30分钟左右，得到合金液。

将所述合金液在740℃、真空度小于300MPa，抽真空时间为1～3小时进行抽真空精炼，得到熔体。

在熔炼过程中采用静置炉炉底透气和在线处理除氢气降低氢含量。

将所述熔体进行铸造，铸造温度为750℃，当铸造长度低于200mm时，铸造的速度为30mm/min；当铸造长度大于200mm时，每增加50mm长度铸造速度增加1mm/min，直至铸造速度提升至35mm/min，水压为0.08MPa，得到铸态铝锂合金。

按照GB/T7999《铝及铝合金光电直读光谱分析方法》以及GB/T20975《铝及铝合金化学分析方法》，对本发明实施例1制备得到的铸态铝锂合金的成分进行检测，检测结果如表1所示。

表1本发明实施例1制备得到的铝锂合金的成分

余量	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Zn	Ti	Zr	Li	Ag
											Al	0.05	0.06	3.6	0.3	0.7	0.4	0.08	0.06	0.7	0.07

按照GJB 5909《固态铝合金中氢的分析方法-加热抽取-热导法》对本发明实施例1制备得到的铸态铝锂合金中的氢含量进行检测，熔次检测数据氢气为0.13mL/100gAl。

对本发明实施例1制备得到的铸态铝锂合金的铸态显微组织进行检测，其检测结果如图1所示。

对本发明实施例1制备得到的铸态铝锂合金采用差示扫描热量法进行铸态的热分析，其检测结果如图2所示。

按照GB/T231.1-2009《金属布氏硬度试验第1部分：实验方法》、GB/T231.2-2009《金属布氏硬度试验第2部分：硬度计的检验与校准》、GB/T231.3-2009《金属布氏硬度试验第3部分：标准硬度块的标定》标准，对本发明实施例1制备得到的铸态铝合金进行硬度测试，检测结果如图7所示。

实施例2

将本发明实施例1制备得到的铸态铝锂合金在490℃保温12小时，得到热处理后的铝锂合金。

对本发明实施例2制备得到的热处理后的铝锂合金进行显微组织测试，检测结果如图3所示。

按照实施例1的方法，对本发明实施例2制备得到的热处理后的铝合金进行硬度测试，检测结果如图7所示。

实施例3

将本发明实施例1制备得到的铸态铝锂合金在490℃保温24小时，得到热处理后的铝锂合金。

对本发明实施例3制备得到的热处理后的铝锂合金进行显微组织测试，检测结果如图4所示。

按照实施例1的方法，对本发明实施例3制备得到的热处理后的铝合金进行硬度测试，检测结果如图7所示。

实施例4

将本发明实施例1制备得到的铸态铝锂合金在490℃保温36小时，得到热处理后的铝锂合金。

对本发明实施例4制备得到的热处理后的铝锂合金进行显微组织测试，检测结果如图5所示。

按照实施例1的方法，对本发明实施例4制备得到的热处理后的铝合金进行硬度测试，检测结果如图7所示。

实施例5

将本发明实施例1制备得到的铸态铝锂合金在490℃保温48小时，得到热处理后的铝锂合金。

对本发明实施例5制备得到的热处理后的铝锂合金进行显微组织测试，检测结果如图6所示。

按照实施例1的方法，对本发明实施例5制备得到的热处理后的铝合金进行硬度测试，检测结果如图7所示。

由本发明实施例制备的铝锂合金的热处理显微组织可知，在490℃均匀化不同时间的金相显微组织，合金在均匀化12h处理后晶粒最细，晶界上的粗大相有所减少，但粗大枝晶仍溶解不充分；当时间延长到24h时,合金组织中第二相充分溶解，枝晶网络变稀，基体呈现较为均匀的状态，并且晶粒仍保持细小状态；在此基础上继续延长时间至36和48h，合金的组织不再发生明显变化，晶粒却随时间延长而增大。

由本发明实施例测试得到的铝锂合金热处理后的硬度测试结果可知，490℃均匀化不同时间对合金硬度的影响，均匀化时间24h为最佳均，可以使硬度达到最佳。

实施例6

将本发明实施例1制备得到的铸态铝锂合金在410℃保温4小时，然后在490℃保温24小时，得到热处理后的铝锂合金。

对本发明实施例6制备得到的热处理后的铝合金进行显微组织测试，检测结果如图8所示。

对本发明实施例6制备得到的热处理后的铝合金进行背散射电子成像测试，检测结果如图13所示。

按照实施例1的方法，对本发明实施例6制备得到的热处理后的铝合金进行硬度测试，检测结果如图18所示。

实施例7

将本发明实施例1制备得到的铸态铝锂合金在435℃保温4小时，然后在490℃保温24小时，得到热处理后的铝锂合金。

对本发明实施例7制备得到的热处理后的铝合金进行显微组织测试，检测结果如图9所示。

对本发明实施例7制备得到的热处理后的铝合金进行背散射电子成像测试，检测结果如图14所示。

按照实施例1的方法，对本发明实施例7制备得到的热处理后的铝合金进行硬度测试，检测结果如图18所示。

实施例8

将本发明实施例1制备得到的铸态铝锂合金在460℃保温4小时，然后在490℃保温24小时，得到热处理后的铝锂合金。

对本发明实施例8制备得到的热处理后的铝合金进行显微组织测试，检测结果如图10所示。

对本发明实施例8制备得到的热处理后的铝合金进行背散射电子成像测试，检测结果如图15所示。

按照实施例1的方法，对本发明实施例8制备得到的热处理后的铝合金进行硬度测试，检测结果如图18所示。

实施例9

将本发明实施例1制备得到的铸态铝锂合金在485℃保温4小时，然后在490℃保温24小时，得到热处理后的铝锂合金。

对本发明实施例9制备得到的热处理后的铝合金进行显微组织测试，检测结果如图11所示。

对本发明实施例9制备得到的热处理后的铝合金进行背散射电子成像测试，检测结果如图16所示。

按照实施例1的方法，对本发明实施例9制备得到的热处理后的铝合金进行硬度测试，检测结果如图18所示。

实施例10

将本发明实施例1制备得到的铸态铝锂合金在505℃保温4小时，然后在490℃保温24小时，得到热处理后的铝锂合金。

对本发明实施例10制备得到的热处理后的铝合金进行显微组织测试，检测结果如图12所示。

对本发明实施例10制备得到的热处理后的铝合金进行背散射电子成像测试，检测结果如图17所示。

按照实施例1的方法，对本发明实施例10制备得到的热处理后的铝合金进行硬度测试，检测结果如图18所示。

由本发明实施例测试的铝锂合金热处理后的背散射电子成像可知，在410℃进行第一级均匀化热处理，第二相溶解已经相当充分，尚未溶解的第二相也已经呈现不连续和弥散状态，而随着第一级热处理温度升高，组织中的第二相数量又呈现增加趋势，且分布又呈现连续状态，这可能是由于温度的升高导致了原子运动的加剧，未溶第二相趋向于相互聚集长大以减小表面能，从而重新连续成网状的缘故。

由本发明实施例测试的铝锂合金热处理后的金相显微组织可知，实施例6得到的铝锂合金晶粒最为细小，而经过其他制度进行均匀化热处理的合金晶粒已经呈现长大趋势，这可能是因为在410℃处理过后，第二相溶解已经较为完全，合金呈现较为稳定的状态，而第一级温度升高的同时，总的而言原子能量也相对较高，处于活化状态，在相同的第二级均匀化条件下，晶粒更易长大。

通过本发明实施例制备的铝锂合金热处理后的硬度测试结果可知，经过410℃/4h+490℃/24h均匀化后的合金硬度最高，背散射电子成像图像显示其第二相溶解最多，可能是因为有较细的细小弥散相分布在基体中，从而提高了强度，而这种弥散相无法在背散射电子成像图像中分辨出来。根据实施例的实验结果可知，本发明中硬度的最佳均匀化热处理制度为：410℃/4h+490℃/24h。

由以上实施例可知，本发明提供了一种铝锂合金的制备方法，包括：将铸态铝锂合金进行热处理；所述热处理的温度为485～495℃。本发明提供的铝锂合金的制备方法，通过对铸态铝锂合金在特定的温度下进行热处理，使铸态铝锂合金的组织均匀化，进而使制备得到铝锂合金具有良好的性能。

Claims (10)

1.一种铝锂合金的制备方法，包括：

将铸态铝锂合金进行热处理；

所述热处理的温度为485～495℃。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热处理的时间为12～48小时。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述热处理的时间为20～30小时。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述热处理的时间为24小时。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热处理之前还包括：

将所述铸态铝合金进行热处理；

所述热处理的温度为380～510℃。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述热处理的温度为385～480℃。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述热处理的温度为410℃。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铸态铝锂合金的成分为：

0～0.07wt％的Si；

0～0.07wt％的Fe；

3.4～4.5wt％的Cu；

0.1～0.5wt％的Mn；

0.6～1.1wt％的Mg；

0.3～0.5wt％的Zn；

0～0.1wt％的Ti；

0.05～0.15wt％的Zr；

0.6～0.9wt％的Li；

0.05～0.5wt％的Ag；

0～0.1wt％的杂质；

余量为Al。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铸态铝锂合金成分中的杂质≤5ppm。

10.一种权利要求1～9任意一项所述的方法制备得到的铝锂合金。