CN109022969A - 含Sc的铸造Al-Cu合金及其制备与回归再时效热处理方法 - Google Patents

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Abstract

一种含Sc的铸造Al‑Cu合金及其制备与回归再时效热处理方法，合金按质量百分数计，包括2.0％～4.0％的Cu，0.1％～0.5％的Sc，少于0.5％的杂质，其余量全部为Al。制备方法包括：首先将纯Al加热熔化，随后混入Al‑Cu中间合金及Al‑Sc中间合金，再持续搅拌加热至全部熔化，控温至735℃～750℃，加入精炼剂进行精炼，静置后浇铸得到所需合金。回归再时效热处理方法包括：(1)均匀化处理；(2)固溶处理；(3)预时效处理；(4)回归处理；(5)再时效处理。本发明能够实现纳米级Al3Sc弥散相与θ′‑Al2Cu析出相的可控共存，在材料的强度与延性大幅提高的同时，高温性能也得到大幅的提升。

Description

含Sc的铸造Al-Cu合金及其制备与回归再时效热处理方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，具体涉及一种含Sc的铸造Al-Cu合金及其制备与回归再时效 热处理方法，不仅能够提升材料的强度，同时能够大幅提升其延性与高温抗蠕变性能。
发明内容
铝合金作为一种高强度、高韧性的轻量化材料，兼具比强度高、加工性好、耐蚀性好等 诸多优点。已被广泛应用于航空航天及汽车制造领域。Al-Cu合金作为典型的可热处理强化 型铝合金，广泛应用于制造发动机活塞等重要结构件当中。采用传统T6热处理制度后的Al- Cu合金由于合金基体中析出了大量θ′-Al2Cu强化相，使得合金具有优异的室温强度，然而在 强度提高的同时，不可避免的降低了材料的塑性。同时，由于θ′-Al2Cu强化相的热稳定性较 差，在高温服役环境下，θ′-Al2Cu强化相极易粗化，导致合金的高温强度快速下降，严重限制 了2xxx系铝合金的高温应用，因此其一般应用于200℃以下。然而随着材料轻质化的要求， 同时Al-Cu系又是一种重要的工业基础合金系，怎么样提高Al-Cu系合金的高温性能，成为 急需解决的问题，同时也可为高温Al合金的设计提供借鉴思路。
目前提高Al合金高温性能的主要方法有两种：一是在合金中添加第二相耐高温增强体， 制成铝基复合材料，常用的增强体主要有Al2O3、SiC、TiC、B4C、石墨烯以及碳纳米管等。 铝基复合材料虽然可以有效提高材料的高温强度，然而由于基体与增强相存在很弱的界面， 这种弱的相界面会在应力条件下，成为孔洞或裂纹的源，极大的降低了材料的塑性，使材料 难以作为结构材料使用；另一种方法是在Al合金中添加微量的耐高温元素(X＝Sc、Zr、Er、 Ti、Cr等)，通过合适的热处理工艺，在合金中生成弥散分布耐高温Al3X粒子，继而提高材 料的耐高温性能，然而由于这些耐高温元素一般在Al中的固溶度都很低(＜0.5wt.％)，因此 所制得的合金强度通常不高。
综上所述，采用传统的方法在提高Al合金的耐高温性能方面都存在或多或少的缺陷。研 究表明在Al-Cu合金中添加微量的元素Sc可以有效提高合金的高温性能，一方面它对铝有很 强的细晶强化作用，极大的提升再结晶温度，增强了高温下合金晶粒的稳定性，另一方面微 量Sc的添加在基体中形成大量弥散分布的Al3Sc粒子，其具有优异的高温稳定性，不仅可以 有效钉扎晶界，而且可以有效的阻碍基体中位错的运动，极大地改善铝合金的高温性能。然 而，由于Al3Sc弥散相的析出温度较高(>300℃)，通常介于传统固溶温度与时效温度(传统 Al-Cu合金的时效温度为200℃左右)之间，故而无法实现Al3Sc弥散相与θ′-Al2Cu析出相的 可控共存。为了改善Al-Cu合金的室温及高温性能，急需寻求一种应用于含Sc的Al-Cu合金 上有效、易行的热处理方式，通过调控热处理工艺，使得Al3Sc弥散相与θ′-Al2Cu析出相可 控共存，同时提高室温综合力学性能与高温力学性能。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种含Sc的铸造Al-Cu合金及其制 备与回归再时效热处理方法，能够实现纳米级Al3Sc弥散相与θ′-Al2Cu析出相的可控共存， 使得材料的强度与延性大幅提高的同时，高温性能也得到了大幅的提升。
为了实现上述目的，本发明含Sc的铸造Al-Cu合金，按质量百分数计，包括2.0％～4.0％ 的Cu，0.1％～0.5％的Sc，少于0.5％的杂质，其余量全部为Al。
杂质包括Si、Ti、Fe。
本发明含Sc的铸造Al-Cu合金的制备方法，包括以下步骤：
首先将纯Al加热熔化，随后混入Al-Cu中间合金及Al-Sc中间合金，再持续搅拌加热至 全部熔化，控温至735℃～750℃，加入精炼剂进行精炼，静置后浇铸得到所需合金。
优选的，将纯Al置于熔炼炉中加热升温至660℃～780℃进行熔化。
优选的，静置的时间为10min-30min。
所述精炼剂的加入量按质量百分数计为2％～5％，精炼剂采用通用Al合金精炼剂。
本发明含Sc的铸造Al-Cu合金的回归再时效热处理方法，包括以下步骤：
(1)将合金在420℃～480℃的温度下进行均匀化处理；(2)将均匀化处理后的合金在 510℃～610℃的温度下进行固溶处理；(3)将固溶处理后的合金在200℃～350℃的温度下进 行预时效处理；(4)将预时效处理后的合金在385℃～500℃的温度下进行回归处理；(5)将 回归处理后的合金在200℃～350℃的温度下进行再时效处理，完成。
优选的，步骤(1)将合金在420℃～480℃的温度下保温3小时～50小时，空冷；步骤(2)将均匀化处理后的合金在510℃～610℃的温度下保温30分钟～15小时，水淬；步骤 (3)将固溶处理后的合金在200℃～350℃的温度下保温1小时～20小时；步骤(4)将预时 效处理后的合金在385℃～500℃的温度下保温5分钟～1小时，水淬或空冷；步骤(5)将回 归处理后的合金在200℃～350℃的温度下保温1小时～20小时。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：传统的T6处理后，Al-Cu-Sc系合金，基 体中并没有高温强化相Al3Sc析出，而本发明的热处理工艺能够实现θ′-Al2Cu析出相与Al3Sc 弥散相的可调控共存，同时有利于减小θ′-Al2Cu析出相的尺寸，经实测，在保证合金材料的 室温强度的同时使延性从5％跃升至20.6％。在300℃/30Mpa的服役环境下，蠕变寿命从T6 状态的33.4小时延长至330小时以上，稳态蠕变速率降低近2个数量级。本发明回归再时效 热处理后的合金在材料强度与延性大幅提高的同时，高温性能也得到了大幅的提升。
附图说明
图1 Al-2.3Cu-0.22Sc合金TEM组织照片：(a)传统T6热处理；(b)本发明热处理；
图2 Al-2.3Cu-0.22Sc合金分别采用传统T6热处理工艺和本发明回归再时效热处理工艺 后的合金样品在室温拉伸条件下的工程应力-工程应变曲线；
图3 Al-2.3Cu-0.22Sc合金分别采用传统T6热处理工艺和本发明回归再时效热处理工艺 后的合金样品在300℃/30Mpa下高温拉伸的蠕变曲线；
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
实施例1
一，该合金的制备方法是：在将纯Al置于熔炼炉中加热升温至730℃至熔化，随后加入 规定配比的Al-Cu中间合金、Al-Sc中间合金，持续搅拌至全部熔化，之后控温至730℃，加 入2％精炼剂进行精炼，静置10-30min后，在金属模具中浇铸，制得Al-2wt.％Cu-0.22wt.％Sc 合金(以下简称Al-2Cu-0.22Sc)。二，其热处理工艺为：(1)将合金铸锭在450℃下进行4小 时的均匀化处理；(2)对步骤(1)均匀化处理完成的样品在590℃下进行3小时的固溶处理， 随后在冷水中淬火；(3)对步骤(2)固溶处理完成的样品在250℃下进行8小时的预时效处 理；(4)对步骤(3)预时效处理完成的样品在470℃下进行30分钟的回归处理，随后在冷水 中淬火；(5)对步骤(4)预时效处理完成的样品在240℃下进行8小时的再时效处理。
实施例2
一，该合金的制备方法是：在将纯Al置于熔炼炉中加热升温至730℃至熔化，随后加入 规定配比的Al-Cu中间合金、Al-Sc中间合金，持续搅拌至全部熔化，之后控温至730℃，加 入2％精炼剂进行精炼，静置10-30min后，在金属模具中浇铸，制得Al-2.3wt.％Cu-0.22wt.％Sc 合金(以下简称Al-2.3Cu-0.22Sc)。二，其热处理工艺为：(1)将合金铸锭在450℃下进行4 小时的均匀化处理；(2)对步骤(1)均匀化处理完成的样品在590℃下进行3小时的固溶处 理，随后在冷水中淬火；(3)对步骤(2)固溶处理完成的样品在250℃下进行8小时的预时 效处理；(4)对步骤(3)预时效处理完成的样品在470℃下进行30分钟的回归处理，随后在 冷水中淬火；(5)对步骤(4)预时效处理完成的样品在240℃下进行8小时的再时效处理。
实施例3
一，该合金的制备方法是：在将纯Al置于熔炼炉中加热升温至730℃至熔化，随后加入 规定配比的Al-Cu中间合金、Al-Sc中间合金，持续搅拌至全部熔化，之后控温至730℃，加 入2％精炼剂进行精炼，静置10-30min后，在金属模具中浇铸，制得Al-3wt.％Cu-0.1wt.％Sc 合金(以下简称Al-3Cu-0.1Sc)。二，其热处理工艺为：(1)将合金铸锭在450℃下进行4小 时的均匀化处理；(2)对步骤(1)均匀化处理完成的样品在590℃下进行3小时的固溶处理， 随后在冷水中淬火；(3)对步骤(2)固溶处理完成的样品在250℃下进行8小时的预时效处 理；(4)对步骤(3)预时效处理完成的样品在470℃下进行30分钟的回归处理，随后在冷水 中淬火；(5)对步骤(4)预时效处理完成的样品在240℃下进行8小时的再时效处理。
对比例1
一，合金的制备方法是：在将纯Al置于熔炼炉中加热升温至730℃至熔化，随后加入规 定配比的Al-Cu中间合金、Al-Sc中间合金，持续搅拌至全部熔化，之后控温至730℃，加入 2％精炼剂进行精炼，静置10-30min后，在金属模具中浇铸，制得Al-2.3wt.％Cu-0.22wt.％Sc 合金(以下简称Al-2.3Cu-0.22Sc)。二，热处理工艺为：(1)将合金铸锭在450℃下进行4小 时的均匀化处理；(2)对步骤(1)均匀化处理完成的样品在590℃下进行3小时的固溶处理， 在冷水中淬火；(3)对步骤(2)固溶处理完成的样品在250℃下进行8小时的预时效处理。
参见图2，分别对实施例2所得合金Al-2.3Cu-0.22Sc合金与对比例1所得合金Al-2.3Cu- 0.22Sc合金按照GB/T228.1-2010进行拉伸测试，工程应力应变曲线如图2所示。测试结果表 明采用回归再时效处理后的Al-2.3Cu-0.22Sc合金的抗拉强度要高于采用T6处理的Al-2.3Cu- 0.22Sc合金，同时采用回归再时效处理后的Al-2.3Cu-0.22Sc合金的延伸率是采用T6处理的 Al-2.3Cu-0.22Sc合金的4倍，表现出优异的室温性能，如表1所示。同时分别对两种合金按 照进行GB/T 2039进行了高温拉伸蠕变测试，测试温度为300℃，测试拉力为30Mpa。测试 结果如图3所示，图中示出了采用回归再时效处理后的Al-2.3Cu-0.22Sc合金在300℃/30MPa 测试条件下的时间-应变曲线，以及采用T6处理后的Al-2.3Cu-0.22Sc合金在300℃/30MPa测 试条件下的时间-应变曲线。对应的两种合金的蠕变寿命和最小蠕变速率(稳态蠕变速率)如 表2所示，可以看出采用回归再时效热处理工艺处理后Al-2.3Cu-0.22Sc合金的最小蠕变速率 要比采用T6处理的Al-2.3Cu-0.22Sc合金低近2个量级，表明采用回归再时效热处理工艺后Al-2.3Cu-0.22Sc合金的高温抗蠕变性能要明显优于采用传统T6热处理工艺后的Al-2.3Cu- 0.22Sc合金。为了研究不同热处理工艺对Al-Cu-Sc合金微观组织的影响，对采用T6热处理 工艺后的Al-2.3Cu-0.22Sc合金与采用回归再时效热处理工艺后Al-2.3Cu-0.22Sc合金分别进 行了TEM观察，图1(a)为采用T6热处理工艺后的Al-2.3Cu-0.22Sc合金的TEM组织照 片，图1(b)为采用回归再时效热处理工艺处理后Al-2.3Cu-0.22Sc合金的TEM照片，对比 图1(a)和(b)可知，采用T6处理后的合金组织中，仅有θ′-Al2Cu析出相析出，其θ′-Al2Cu 析出相的半径为330nm；而采用时效回归再时效处理后的Al-2.3Cu-0.22Sc合金中，同时存在 θ′-Al2Cu和Al3Sc两种析出相，其中θ′-Al2Cu析出相的半径为248nm，Al3Sc析出相的半径为 4nm。以上结果表明对Al-Cu-Sc合金进行回归再时效热处理工艺后，相比传统的T6处理可 以明显提高了合金基体中θ′-Al2Cu析出相的密度，减小了θ′-Al2Cu的尺寸，同时在Al-Cu合 金的基体中析出高温稳定的Al3Sc，使得合金的室温和高温性能大幅提高。
表1.部分铸造Al-Cu合金的力学性能(GB/T1173-1995)与本发明含Sc的铸造Al-Cu铝合金的性能对比
合金代号 合金状态 抗拉强度σb/MPa 延伸率δ/％
ZL203 T5 225 3
ZL207 T1 175 —
对比例1 T6 259 5
实施例1 回归再时效 250 18.6
实施例2 回归再时效 280 20.6
实施例3 回归再时效 260 13.6
表2.本含Sc的铸造Al-Cu铝合金的T6状态与回归再时效状态蠕变性能对比
合金代号 合金状态 最小蠕变速率 蠕变寿命/小时
对比例1 T6 2.3E-7 33.4
实施例1 回归再时效 8.3E-9 230
实施例2 回归再时效 5.6E-9 330
实施例3 回归再时效 3.8E-8 90

Claims (8)

1.一种含Sc的铸造Al-Cu合金，其特征在于：按质量百分数计，包括2.0％～4.0％的Cu，0.1％～0.5％的Sc，少于0.5％的杂质，其余量全部为Al。
2.根据权利要求1所述含Sc的铸造Al-Cu合金，其特征在于：杂质包括Si、Ti、Fe。
3.一种如权利要求1所述含Sc的铸造Al-Cu合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：首先将纯Al加热熔化，随后混入Al-Cu中间合金及Al-Sc中间合金，再持续搅拌加热至全部熔化，控温至735℃～750℃，加入精炼剂进行精炼，静置后浇铸得到所需合金。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：将纯Al置于熔炼炉中加热升温至660℃～780℃进行熔化。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：静置的时间为10min-30min。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述精炼剂的加入量按质量百分数计为2％～5％，精炼剂采用通用Al合金精炼剂。
7.一种如权利要求1所述含Sc的铸造Al-Cu合金的回归再时效热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将合金在420℃～480℃的温度下进行均匀化处理；(2)将均匀化处理后的合金在510℃～610℃的温度下进行固溶处理；(3)将固溶处理后的合金在200℃～350℃的温度下进行预时效处理；(4)将预时效处理后的合金在385℃～500℃的温度下进行回归处理；(5)将回归处理后的合金在200℃～350℃的温度下进行再时效处理，完成。
8.根据权利要求7所述的回归再时效热处理方法，其特征在于：所述的步骤(1)将合金在420℃～480℃的温度下保温3小时～50小时，空冷；所述的步骤(2)将均匀化处理后的合金在510℃～610℃的温度下保温30分钟～15小时，水淬；所述的步骤(3)将固溶处理后的合金在200℃～350℃的温度下保温1小时～20小时；所述的步骤(4)将预时效处理后的合金在385℃～500℃的温度下保温5分钟～1小时，水淬或空冷；所述的步骤(5)将回归处理后的合金在200℃～350℃的温度下保温1小时～20小时。
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