CN109797322A

CN109797322A - 一种超轻高强铸造铝锂合金及其制备方法

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Publication number: CN109797322A
Application number: CN201910175132.0A
Authority: CN
Inventors: 马凯杰; 肖阳; 刘志鹏; 程家尧; 王松森; 解海涛; 郭晓光; 王军武
Original assignee: Zhengzhou Light Alloy Technology Co Ltd
Current assignee: Zhengzhou Light Alloy Technology Co Ltd
Priority date: 2019-03-08
Filing date: 2019-03-08
Publication date: 2019-05-24
Anticipated expiration: 2039-03-08
Also published as: CN109797322B

Abstract

针对现有技术中铝锂合金低密度高强度的优势性能不能兼顾的技术问题，本发明提供一种超轻高强铸造铝锂合金及其制备方法，由以下质量百分比的组分组成：Li 2.5~3.5%，Mg 5.2~9.2%，Zr 0.08~0.20%，Sc 0.08~0.30%，少量杂质元素且杂质元素总含量小于0.25%，余量为Al。本发明可以在进一步降低铝锂合金密度的同时，兼顾高强度。

Description

一种超轻高强铸造铝锂合金及其制备方法

技术领域

本发明属于铝锂合金技术领域，具体涉及一种超轻高强铸造铝锂合金及其制备方法。

背景技术

铸造铝锂合金作为一种轻质、高强、耐蚀的金属结构材料，在航空、航天领域具有十分广阔的应用前景，合金中每添加1%的锂，密度降低3%，弹性模量提高6%，采用轻质高强铸造铝锂合金代替常规的高强铸造铝合金可使结构重量减轻10%~20%，刚度提高15%~20%，实现航空、航天领域武器装备轻量化，满足其高精度、超远程、超高速打击的发展需求。

目前关于铸造铝锂合金的研究相对较少，国外仅有俄罗斯和美国开展了该方面的研究工作，以Al-Si-Li和Al-Cu-Li系的合金为主。国内对于铸造铝锂合金的研究正处于起步阶段，中国专利CN105648283A中公开了一种低密度、高刚度铸造铝锂合金及其制备方法，各元素质量分数为1~2%Cu，0.4~0.8%Ag，0.3~0.8%Mn，0.5~2%Mg，3~3.5%Li，密度为2.59g/cm³，抗拉强度为402MPa，伸长率为2.8%，弹性模量为77GPa。该专利通过添加Cu、Ag、Mn等重金属元素来提高铸造铝锂合金的强度，但是采用该方法，一方面不能最大限度的发挥铸造铝锂合金低密度、高刚度、高比强度的优势，另一方面，铝锂合金中添加Cu、Ag、Mn等重金属会增大铝锂合金固液相区间，导致合金在凝固过程中容易形成缩松等缺陷，严重影响合金的力学性能。

另有中国专利CN107881371A公开了一种提高铸造铝锂合金塑性的方法，主要通过添加Sc、Er、Zr、Yb等合金元素，在合金溶液中形成结构为L1₂型的Al₃M粒子，从而提高合金塑性，但是，该专利中添加Cu，反而会提高铝锂合金的密度，使铝锂合金原本低密度的优势性能大打折扣。

发明内容

针对现有技术中铝锂合金低密度高强度的优势性能不能兼顾的技术问题，本发明提供一种超轻高强铸造铝锂合金及其制备方法，可以在进一步降低铝锂合金密度的同时，兼顾高强度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种超轻高强铸造铝锂合金，由以下质量百分比的组分组成：Li 2.5~3.5%，Mg 5.2~9.2%，Zr 0.08~0.20%，Sc 0.08~0.30%，少量杂质元素且杂质元素总含量小于0.25%（杂质元素为Si、Fe、Na等），余量为Al。

所述的超轻高强铸造铝锂合金的制备方法，包括以下步骤：

（1）、按照合金中各组分的质量百分比进行配料，将所配原料于真空+惰性气体保护下熔炼，得到金属液；所述真空+惰性气体保护具体操作为：先抽真空，再送电熔化并通入惰性气体至4000~5000Pa，该气压是根据Mg和Li的饱和蒸气压设定，在低于800℃时，Mg和Li的饱和蒸气压为2000Pa左右，本发明控制合金溶液熔化时的气压高于Mg和Li的饱和蒸气压，可有效防止Mg和Li的挥发，保持合金元素配比，有利于充分发挥合金性能。

（2）、当金属液温度达到715~740℃时，加入Al-Ti-B晶粒细化剂，并采用惰性气体进行精炼5~10min，精炼结束后，于720~730℃静置3~7min，随后浇铸成型，得到铸锭；

（3）、将步骤（2）所得铸锭依次进行单级固溶和单级时效热处理，即得到所述超轻高强铸造铝锂合金。

优选地，所述步骤（1）中，配料时所用原料为纯Al，纯Li，纯Mg，Al-Zr10中间合金和Al-Sc2中间合金。

优选地，所述步骤（1）中，所述纯铝的纯度为99.99%，纯镁的纯度为99.95%，纯锂的纯度为99.9%，Al-Zr10中间合金中的Zr的质量百分比为9.5~10.5%，Al-Sc2中间合金中的Sc的质量百分比为1.8~2.2%，Al-Ti-B细化剂中的Ti含量为4.8~5.2%。

优选地，所述步骤（1）中，配料后熔炼前，对除Li以外的原料抛光后，并进行120~150℃的预热处理。

优选地，所述步骤（2）中，浇铸成型的具体操作为：将金属液浇注至铜模具中，得到铸锭，其中，所述铜模具需要预热处理2~4h，预热温度为130~160℃。

优选地，所述步骤（3）中，所述单级固溶处理的温度为440~465℃（所述固溶处理的温度根据该合金的DSC测试确定），处理时间为5~15h。

优选地，所述步骤（3）中，所述单级时效处理的温度为120~160℃，处理时间为12~18h。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

（1）对于航空航天材料而言，强度是其最基本的要求，而在保持强度的同时，密度的降低无疑会有更大的应用价值，据研究，材料密度降低3%，就能对飞行器飞行性能的提高起到显著作用，本发明与现有专利对比，能够将铝锂合金的密度降低8~10%。

（2）现有技术中多采用添加Cu、Ag、Mn等元素的方式达到提高合金刚度、比强度的技术效果，但是这些元素的添加不可避免地会提高铝锂合金的密度，有损其低密度的优势性能。本发明通过研究发现，在铝锂合金中添加Mg，同时控制Mg、Li的相对含量，可以在进一步降低铝锂合金密度的同时，兼顾高强度。究其原因发现，铝锂合金中，Mg元素的添加不仅能够提高其固溶强化效果，而且能够降低Li元素在铝中的固溶度，进而促进Al₃Li强化相的析出，最终提高合金的力学性能，此外本发明零添加Cu、Ag、Mn等元素，可减小合金的固液相区间宽度，促使合金在凝固过程中避免糊状凝固，减少铸造缺陷。

（3）鉴于Li元素在铝中最大的固溶度为4.2%，且与铝相比Li元素密度仅为0.515g/cm³，在合金中容易形成偏聚，偏聚的Li元素在合金中不以化合物的形式存在严重影响合金的力学性能，本发明将Li含量控制在2.5%~3.5%，不存在偏聚的问题，可降低合金的密度，提高刚度。

（4）本发明通过添加Zr、Sc，合金中形成的Al₃Zr以及AlZrSc相能够促进晶粒细化、球化，改善合金的塑性。此外，时效热处理过程中析出的Al₃Zr以及AlZrSc复合相能够提高合金的强度。

（5）本发明采用全真空的方式进行熔炼和浇铸，同时在熔炼的过程中通入惰性气体进行保护和搅拌，降低合金熔体中气、渣和Na、K含量同时保证熔体的纯净度和均匀性，获得高质量的铝锂合金铸锭，显著提高铸造铝锂合金强度及塑韧性。

附图说明

图1为实施例1中合金的铸态金相显微图；

图2为实施例1固溶时效热处理后的金相显微图；

图3为对比例1中合金的铸态金相显微图。

具体实施方式

为了使本发明的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合具体实施例对本发明的技术方案作出进一步的说明，但所述实施例旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

以下实施例所用原料中，所述纯铝的纯度为99.99%，纯镁的纯度为99.95%，纯锂的纯度为99.9%，Al-Zr10中间合金中的Zr含量为9.5~10.5%，Al-Sc2中间合金中的Sc含量为1.8~2.2%，Al-Ti-B细化剂中的Ti含量为4.8~5.2%。

实施例1

一种超轻高强铸造铝锂合金，由以下质量百分比的组分组成：Li：3.2%，Mg：5.2%，Zr：0.11%，Sc：0.17%，余量为Al。

上述超轻高强铸造铝锂合金的制备方法，包括以下步骤：

（1）按照合金中各组分的质量百分比进行配料，包括纯铝，纯锂，纯镁，Al-Zr10中间合金，Al-Sc2中间合金，Al-Ti-B细化剂，对上述原材料进行抛光（除金属锂外）、120~150℃预热；

（2）将纯铝，纯锂，纯镁，Al-Zr10中间合金，Al-Sc2中间合金金一次性加入坩埚中，Al-Ti-B细化剂放入二次加料斗中；

（3）依次打开机械泵、罗茨泵抽真空至3Pa，开始送电熔化并通入氩气至5000Pa，待合金溶液完全熔化时进行测温，当温度为715~740℃时，加入Al-Ti-B晶粒细化剂并通入惰性气体精炼5min，随后于720℃静置5min；

（4）合金溶液温度为720℃时进行浇注至铜模具中，得到铝锂合金铸锭；

（5）对铸造铝锂合金进行单级固溶、单级时效处理，固溶热处理工艺为460℃*8h，时效热处理工艺为120℃*14h。

本发明对浇铸成型后得到的铸锭和固溶热处理后的铸锭分别进行测试，金相显微图分别如图1和2所示，热处理前后晶粒尺寸未发生变化，Sc、Zr元素在合金中形成的Al₃Sc、Al₃Zr相能够抑制热处理过程中的晶粒再结晶；本发明的其余实施方式，与实施例1所得金相组织无明显差异。

经测试，该铸造铝锂合金抗拉强度：398.2MPa，屈服强度：240.2.0MPa，伸长率:4.65%，密度：2.40g/cm³。

实施例2

一种超轻高强铸造铝锂合金，由以下质量百分比的组分组成：Li：3.3%，Mg：7.2%，Zr：0.16%，Sc：0.25%，余量为Al。

上述超轻高强铸造铝锂合金的制备方法，包括以下步骤：

（1）按照合金中各组分的质量百分比进行配料，包括纯铝，纯锂，纯镁，Al-Zr10中间合金，Al-Sc2中间合金，Al-Ti-B细化剂，对上述原材料进行抛光、120~150℃预热；

（3）依次打开机械泵、罗茨泵抽真空至3Pa，开始送电熔化并通入氩气至4000Pa，待合金溶液完全熔化时进行测温，当温度为730~760℃时加入Al-Ti-B晶粒细化剂并通入惰性气体惰性气体进行精炼8min，随后于725℃静置7min除去熔体表面杂质；

（4）合金溶液温度为725℃时进行浇注至铜模具中，得到铝锂合金铸锭；

（5）对铸造铝锂合金进行单级固溶、单级时效处理，固溶热处理工艺为455℃*10h，时效热处理工艺为125℃*16h。

经测试，该铸造铝锂合金抗拉强度：422.7MPa，屈服强度：305.2MPa，伸长率:5.3%，密度：2.37g/cm³。

实施例3

一种超轻高强铸造铝锂合金，由以下质量百分比的组分组成：Li：2.8%，Mg：8.2%，Zr：0.15%，Sc：0.14%，余量为Al。

上述超轻高强铸造铝锂合金的制备方法，包括以下步骤：

（3）依次打开机械泵、罗茨泵抽真空至3Pa，开始送电熔化并通入氩气至5000Pa，待合金溶液完全熔化时进行测温，当温度为730~760℃时加入Al-Ti-B晶粒细化剂并通入惰性气体惰性气体进行精炼10min，随后于730℃静置5min除去熔体表面杂质；

（4）合金溶液温度为730℃时进行浇注至铜模具中，得到铝锂合金铸锭；

（5）对铸造铝锂合金进行单级固溶、单级时效处理，固溶热处理工艺为460℃*6h，时效热处理工艺为130℃*15h。

经测试，该铸造铝锂合金抗拉强度：412.3MPa，屈服强度：280.1MPa，伸长率:4.7%，密度：2.41g/cm³。

实施例4

一种超轻高强铸造铝锂合金，由以下质量百分比的组分组成：Li：3.1%，Mg：9.2%，Zr：0.18%，Sc：0.20%，余量为Al。

上述超轻高强铸造铝锂合金的制备方法，包括以下步骤：

（3）依次打开机械泵、罗茨泵抽真空至3Pa，开始送电熔化并通入氩气至5000Pa，待合金溶液完全熔化时进行测温，当温度为730~760℃时加入Al-Ti-B晶粒细化剂并通入惰性气体惰性气体进行精炼10min，随后于730℃静置7min除去熔体表面杂质；

（5）对铸造铝锂合金进行单级固溶、单级时效处理，固溶热处理工艺为450℃*9h，时效热处理工艺为130℃*17h。

经测试，该铸造铝锂合金抗拉强度：419.2MPa，屈服强度：269.3MPa，伸长率:4.6%，密度：2.38g/cm³。

对比例1

本对比例提供了一种铸造Al-Cu-Mg-Li合金的制备方法，与实施例1的方法基本相同，不同之处在于：该合金中添加Cu元素，且Cu的添加量为4.2%，Li元素3.2%，Mg元素为1%。

对比例1的金相显微图如图3所示，实施例1与对比例1中的金相均为等轴晶，但实施例1中的晶粒尺寸小于对比例1中的晶粒尺寸。

对比例1中的合金经过固溶和时效热处理后的力学性能为：抗拉强度：430.2MPa，屈服强度：390.4MPa，伸长率:2.2%，密度：2.61g/cm³。与实施例1中进行对比，对比例1中的密度比实施例1中的密度增加9%，这也说明了本发明通过即使零添加Cu、Ag、Mn等元素，通过Mg的添加依然能保持高强度的性能，同时实现了降低密度的技术效果。

最后所应说明的是：上述实施例仅用于说明而非限制本发明的技术方案，任何对本发明进行的等同替换及不脱离本发明精神和范围的修改或局部替换，其均应涵盖在本发明权利要求保护的范围之内。

Claims

1.一种超轻高强铸造铝锂合金，其特征在于，由以下质量百分比的组分组成：Li 2.5~3.5%，Mg 5.2~9.2%，Zr 0.08~0.20%，Sc 0.08~0.30%，少量杂质元素且杂质元素总含量小于0.25%，余量为Al。

2.权利要求1所述的超轻高强铸造铝锂合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、按照合金中各组分的质量百分比进行配料，将所配原料于真空+惰性气体保护下进行熔炼，得到金属液；

（2）、当金属液温度达到715~740℃时，加入Al-Ti-B晶粒细化剂，并采用惰性气体进行精炼5~10min，精炼结束后，于720~730℃静置5min，最后浇铸成型，得到铸锭；

3.根据权利要求2所述的超轻高强铸造铝锂合金的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，配料时所用原料为纯Al，纯Li，纯Mg，Al-Zr10中间合金，Al-Sc2中间合金和Al-Ti-B细化剂。

4.根据权利要求3所述的超轻高强铸造铝锂合金的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述纯铝的纯度为99.99%，纯镁的纯度为99.95%，纯锂的纯度为99.9%，Al-Zr10中间合金中的Zr的质量百分比为9.5~10.5%，Al-Sc2中间合金中的Sc的质量百分比为1.8~2.2%，Al-Ti-B细化剂中的Ti含量为4.8~5.2%。

5.根据权利要求2所述的超轻高强铸造铝锂合金的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，配料后熔炼前，对除Li以外的原料抛光后，并进行120~150℃的预热处理。

6.根据权利要求2所述的超轻高强铸造铝锂合金的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，浇铸成型的具体操作为：将金属液浇注至铜模具中，得到铸锭，其中，所述铜模具需要预热处理2~4h，预热温度为130~160℃。

7.根据权利要求2所述的超轻高强铸造铝锂合金的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，所述单级固溶处理的温度为440~465℃，处理时间为5~15h。

8.根据权利要求2所述的超轻高强铸造铝锂合金的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，所述单级时效处理的温度为120~160℃，处理时间为12~18h。