CN1084799C - 铝基合金和其热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铝基合金、特别是Al-Li-Mg系合金,其化学组成如下(重量%):锂1.5-1.9;镁4.1-6.0;锌0.1-1.5;锆0.05-0.3;锰0.01-0.8;氢0.9×10-5-4.5×10-5;以及至少一种选自下列一组的元素:铍0.001-0.2;钇0.01-0.5;钪0.01-0.3;余量为铝。本发明还涉及一种处理该合金的方法,其工艺步骤如下:在冷水或空气中进行400至500℃的淬火;通过保持0至2%的变形程度进行拉伸矫直;分步热处理;第一步在80-90℃下进行3至12小时;第二步在110-185℃下进行10-48小时,在第二步的保持时间结束之后进行;第三步,它包括在90-110℃下加热14小时,或者以2至8℃/小时的速率缓慢冷却。

Description

铝基合金和其热处理方法
本发明涉及一种铝基合金,优选Al-Li-Mg系合金,其包括锂、镁、锌、锆和锰,本发明属于在航空和航天工业、造船业和地面运输工具的机械制造中作为结构材料、包括焊接结构材料的合金的冶金学领域。
虽然已知的Al-Li-Mg系合金具有低的密度和相当高的强度,但是具有低的可塑性和降低的断裂韧性。根据1986年4月22日美国专利中请4,584,173的合金具有如下的化学组成,重量%:
基材
2.1-2.9
3.0-5.5
0.2-0.7
和包括一种或多种选自锆、铪和铌的元素:
0.05-0.25
0.10-0.50
0.05-0.30
以及
0-2.0
0-0.5
0-0.5
0-0.5
0-0.5
0-0.2
当在530℃的温度下使合金淬火,然后拉伸矫正至2%的变形程度以及在4至16小时内在190℃下人工时效时,产生的缺陷是,该合金在热处理状态下具有低的可塑性(相对伸长3.1-4.5%)和低的抗腐蚀性。
国际专利申请WO 92/03583中的合金具有如下化学组成(重量%):
基材
0.5-3.0
0.5-10.0
0.1-5.0
0.1-2.0
在这些元素的总量最高是12%、并且当其总量是7.0至10.0%时,锂不能超过2.5%,锌不超过2.0%,此外该合金包括高达1.0%的锆。
该合金的强度是476-497MPa,屈服点是368-455MPa,相对伸长是7-9%和密度是2.46-2.63克/立方厘米。该合金可以作为航空和航天飞机中的产品的结构材料。该合金的缺陷如下:
-高的强度可如下保证:高的锂含量可以保证高的强度,但是因此降低了合金的可塑性和断裂韧性,由于冷变形降低了其可加工性,在制备用于航空仪器的薄板时造成困难;
-高的锌含量可以保证高的强度;因此合金的密度提高至2.60-2.63克/立方厘米,这显著降低了节约产品重量的效果;
-在人工时效之前、通过对淬火材料进行拉伸矫直产生5-6%的变形程度,可以保证高的强度,但是这导致表述断裂韧性的参数值降低。
该合金与银冶炼,提高了产品-半成品直至成品-的成本。
具有高锌含量和添加铜的合金具有降低的抗腐蚀性,在熔焊时其更易于形成缺陷和出现明显的软化。
由美国专利号4,636,357已知一种在整个应用领域可比的合金。该合金具有如下组成(重量%):
基材
2.0-3.0
0.5-4.0
2.0-5.0
0-2.0
0-0.2
0-0.5
0-0.5
0-0.4
通过如下的热处理使合金固化:
460℃的温度下淬火,通过0至3%的延伸度进行拉伸矫直和二步热处理:
第一步,90℃下16小时,和第二步,150℃下24小时。
该合金具有440-550MPa的足够高的强度水平和350至410MPa的屈服点。
该合金的缺陷是,与基础材料相比该合金具有较低的相对伸长(1.0-7.0%)和低的断裂韧性,不太令人满意的抗腐蚀性和受限制的焊接化合物强度。
因此,本发明的任务是,在保持高强度和保证高抗腐蚀性和好的可焊接性的前提下,在热处理状态下获得提高的合金延展性,其中应该保证在85℃下1000小时的加热之后,表征断裂韧性和热稳定性的参数足够高。
本发明的任务是通过一种Al-Li-Mg系合金解决的,该合金具有如下化学组成(重量%):
1.5-1.9
4.1-6.0
0.1-1.5
0.05-0.3
0.01-0.8
0.9×10-5-4.5×10-5
以及至少一种选自下列一组的元素:
0.001-0.2
0.01-0.5
0.01-0.3
余量为铝
在由氢化锂形成细分散固体颗粒的条件下,含氢量降低凝结时的纵向振动,并且避免在材料中形成孔隙。
镁含量应该保证必需的强度性能水平和可焊接性。当镁含量低于4.1%时,强度降低,并且在浇铸和焊接时合金更易于热裂。在合金的镁含量高于6.0%时,降低了浇铸、热轧和冷轧时的可加工性以及因此降低半成品和成品的热塑性参数。
为了保证必需的可加工性,特别是在制备薄板时,以及保证必需的机械和抗腐蚀性水平和足够的断裂韧性和可焊接性,添加锂是非常重要的。在锂含量低于1.5%时,增大了合金的密度,降低强度性能水平和弹性模量,当锂含量超过1.9%时,由于冷变形,使可加工性、可焊接性、可塑性参数和断裂韧性恶化。
在浇铸铸锭时,含量是0.05至0.3%的锆是修正因素,并且与锰(含量是0.01-0.8%)一起保证在形成多角或细颗粒结构时半成品中的结构固化。
特别地通过添加一种或多种元素铍、钇、钪,在本发明合金的半成品中形成均匀细颗粒组织,因此提高冷轧上的可压延性。
此外,本发明涉及热处理铝基合金、特别是Al-Li-Mg系合金的方法。
该方法的目的是,在保持其高的强度的前提下提高合金的延展性,同时获得高的表征防腐蚀性的值和断裂韧性的参数,特别是在该材料长时间承受高温时保持这些性能。
由US专利申请号4,861,391已知一种热处理的方法,其包括通过快速冷却进行淬火、矫直和如下的二步热处理:
第一步,在不超过93℃的温度下,几个小时至几个月;优选66-85℃,最多24小时。
第二步,在最大219℃的温度下,30分钟至几个小时;优选154-199℃,最多8小时。
在强度参数和断裂韧性提高的同时,该方法不能保证在85℃作低温加热1000小时之后含锂的铝基合金的性能稳定性,其中加热是模拟在飞机仪器长期运转时太阳光的加热。在85℃下加热1000小时之后,按照该方法处理的含锂合金的相对伸长和断裂韧性降低25至30%。
本发明的方法包括实现上述目标的工艺步骤:
-将材料加热至400至500℃的温度
-在水或空气中淬火,拉伸矫直至多2%的变形程度和
-人工时效,其中人工时效分三个阶段进行,其中第三时效阶段在90制110℃下进行8至14小时。
根据本发明,可以以这样的方式替代在恒定的温度下进行第三时效阶段,即以2-8℃/小时的冷却速度冷却10至30小时。
显然,具有权利要求1的特征的本发明合金在按上述本发明方法处理后,具有于达到本发明目的的有利性能。
由于采用第三时效步骤,热处理方法保证合金在长期低温放置下具有热稳定性,这是由于额外析出均匀分布在基体体积中的分散相δ’-(Al3Li)的结果。大体积的细分散δ’-相降低了混合晶体中Li的过饱和,并且防止在85℃下放置1000小时时析出δ’-相。
在根据权利要求2或3的该方法优选实施方案下,人工时效的第一步骤在80至90℃下进行3至12小时,第二步骤在110至185℃下进行10至48小时。
严格保持界限是实施人工时效特别有利的前提条件,并且在本发明目的范围内获得了安全性更高的结果。
最后,替代人工时效的第二步骤的还可以是在110至125℃下进行的时效,持续时间是5至12小时,其中当第三时效步骤是按照权利要求3进行时,优选使用这些工艺参数。
实施例:
由化学组成如表1所示的合金浇铸直径为70毫米的铸锭。在电阻炉中熔化该金属。在均匀化(500℃,10小时)之后,由铸锭压制出截面是15×65毫米的金属条。在压制之前将铸锭加热至380至450℃。将金属条的轧制锭加热至360至420℃,并且热轧成4毫米厚的薄板,然后将该薄板冷轧至2.2毫米的厚度。将冷轧的薄板在水或空气中经400至500℃进行淬火,矫直至变形程度至多为2%,然后进行表2所示的热处理。用由薄板上切割的试样测定基本材料和焊接化合物的性能(参见表3)。
表1 送检组合物的化学组成
合金序号   Li   Mg    Zn   Zr   Mn     Hx105     Be     Y     Sc     Cr    Cu    Ni
    1   2.2   1.2    5.0   -   -     -     -     -     0.4     -    -
    2   2.4   3.8    3.9   0.18   0.50     -     -     -     -   0.96    0.2
    3   1.5   6.0    0.1   0.15   0.60     0.9    0.2     -     -     0.12     -    -
    4   1.9   5.2    0.8   0.10   0.01     4.5   0.001     -     0.01     -     -    -
    5   1.7   4.1    1.5   0.30   0.05     2.5     -     0.25     -     -     -    -
    6   1.6   5.2    0.6   0.05   0.80     2.5     -     0.01     -     0.15     -    -
    7   1.85   4.8    0.5   0.09   0.20     3.5     -     0.50     -     0.50     -    -
    8   1.55   4.2    0.1   0.05   0.10     2.5     -     -     0.30     -     -    -
    9   1.9   4.7    0.1   0.15   0.35     2.5    0.1     -     -     0.01     -    -
   10   1.5   4.3    0.3   0.1   0.40     3.5    0.1     -     -     -     -    -
评述:合金1和2是对比材料
  合金3-10是按本发明的材料
表2 送检合金的热处理程序
    合金序号    热处理序号              热处理程序
    3,5,9        3     80℃,4h+185℃,10h+110℃,8h
     8,10        4     90℃,3h+110℃,48h+90℃,14h
     4,7        5     85℃,5h+145℃,25h+110℃,10h
      6        6     85℃,12h+120℃,12h+90℃,12h
表3送检合金的性能
Figure C9880932200111
评述:合金和程序1和2是由一种2一步热处理程序得到的对比材料
  合金和程序3-10是按本发明得到的。

Claims (8)

1、铝基含锂组分的合金,它包括锂、镁、锌、锆和锰,其特征在于,该合金另外包括氢和至少一种选自铍、钇、钪的元素,这些组分的比例如下(重量%): 1.5-1.9 4.1-6.0 0.1-1.5 0.05-0.3 0.01-0.8 0.9×10-5-4.5×10-5
以及至少一种选自下列一组的元素: 0.001-0.2 0.01-0.5 0.01-0.3
余量为铝。
2、权利要求1的铝基含锂组分的合金,其中所述合金是Al-Li-Mg系合金。
3、一种热处理铝基含锂组分的合金的方法,其工艺步骤如下:
-将材料加热至400-500℃的温度
-在水或空气中淬火,拉伸矫直至至多2%的变形程度,和
-人工时效,
其特征在于,人工时效分三个阶段进行,其中第三时效阶段在90-110℃下进行8至14小时。
4、权利要求3的热处理铝基含锂组分的合金的方法,其中所述合金是Al-Li-Mg系合金。
5、一种热处理铝基含锂组分的合金的方法,其工艺步骤如下:
-将材料加热至400-500℃的温度
-在水或空气中淬火,拉伸矫直至至多2%的变形程度,和
-人工时效,
其特征在于,人工时效分三个阶段进行,其中第三时效阶段包括以2至8℃/小时的冷却速度冷却10至30小时。
6、权利要求5的热处理铝基含锂组分的合金的方法,其中所述合金是Al-Li-Mg系合金。
7、权利要求2-6任一项的方法,其特征在于,人工时效的第一步骤在80-90℃下进行3至12小时,第二步骤在110-185℃下进行10至48小时。
8、权利要求2-6任一项的方法,其特征在于,人工时效的第一步骤在80-90℃下进行3至12小时,第二步骤在110-125℃下进行5至12小时。
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