CN110423926B - 一种耐热铝锂合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及铝合金材料技术领域，具体涉及一种耐热铝锂合金及其制备方法；耐热铝锂合金各组分及其质量百分比为：Cu 2.0～3.5％，Li 0.9～1.7％，Mg 1.6～2.6％,Mn 0.20～0.6％，Zr 0.08～0.20％，Ti 0.01～0.10％，以及Sc 0.05～0.35％，Ag 0.2～0.8％，Er 0.10～0.25％中的任意1～3种，杂质元素Si≤0.15％,Fe≤0.40％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al。本发明还提出了该合金的制备方法，通过特定的热处理工艺使合金中析出高温稳定的析出相，从而提高了高温性能。本发明一种耐热铝合金在具备良好的热加工性能、成性能、优良的耐损伤性能的同时，具有较为优良的耐热性能。该工艺方法简单可行，仅在现有的成熟制备工艺上进行局部调整即可实现，适用于工业化批量生产。

Description

一种耐热铝锂合金及其制备方法
技术领域
本发明属于铝合金材料领域，涉及一种Al-Cu-Mg-Li-X系耐热铝锂合金及其制备工艺。
背景技术
随着航空、航天领域的快速发展，为了满足预期技战术指标，对结构重量提出了严格要求，需要在飞行速度的增加的同时，对结构重量进一步优化，从而增加有效载荷比例。为了满足这一需求，在部分承载部位比如蒙皮、壳体、尾翼、发动机附近的承载框等部位采取具有更低密度、更高使用温度的轻质材料成为主要措施。铝合金由于其低密度、高导热性能、良好的成形性等优点成为主选材料。然而，传统的变形耐热铝合金长期工作温度一般在150℃以下，难以满足使用需求。
为了提高耐热铝合金的温度，国内外研究者先后开发了Al-Fe-V-Si、Al-Fe-Cr系列耐热铝合金，通过在铝合金中加入过渡族元素形成大量弥散分布且具有热稳定性的沉淀相，提高了合金的耐热性能，最高使用温度可以达到300℃，但是这些合金需要采用粉末冶金方法制备，工艺复杂，成形性能较差，难以制备大尺寸的零件。
此外，在Al-Cu-Mg系列合金中加入一定量的Ag元素，通过调控析出相的类型，提高合金的耐热性能，但该类合金的长期使用温度一般不超过200℃，同时，较高Ag元素的加入，增加了合金的密度，不利于结构减重。
发明内容
本发明的目的是：针对现有成熟的变形耐热铝合金耐温性能不满足使用要求，而高耐温的铝合金制备工艺复杂、工艺塑性较差，难以批量制备等问题，提出一种Al-Cu-Mg-Li-X系耐热铝锂合金及其制备方法。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：
一种耐热铝锂合金，各组分及其质量百分比为：Cu 2.0～3.5％，Li 0.9～1.7％，Mg 1.6～2.6％,Mn 0.20～0.6％，Zr 0.08～0.20％，Ti 0.01～0.10％，Be20～30ppm以及Sc 0.05～0.35％，Ag 0.2～0.6％，Er 0.10～0.25％中的任意1～3种；杂质元素Si≤0.15％,Fe≤0.40％；其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al。
一种耐热铝锂合金的制备方法，所述制备方法中时效处理工艺为三级时效处理，工艺参数设置为：140℃～170℃温度下保温16～24h，然后升温至380℃～420℃温度范围保温40min～80min，室温水淬火，然后在135℃～148℃温度下保温10～18h，然后室温空冷。
所述制备方法包含以下步骤：
步骤一、将Al、Cu、Mg、Li、Mn、Zr、Ti、Sc、Ag和Er按照所述的成分配料，Al、Mg、Li、Ag以纯金属方式加入，其他元素以中间合金方式加入，在熔炼炉内进行熔化，加热至700℃～820℃，充分熔化后对合金液进行精炼并除去表面浮渣，精炼时金属温度维持在700℃～740℃；熔化后搅拌；搅拌时不要破坏表层氧化膜，静置10～20min，温度保持在690～730℃；
步骤二、将合金液导入铸造系统，浇铸成铸锭，浇铸过程中合金液温度保持在690～720℃；
步骤三、在空气循环炉内对铸锭进行均匀化处理，处理时采取双级加热工艺；
步骤四、将均匀化处理后的铸锭扒皮处理后，在加热炉内加工成形，加热温度为440℃～490℃，成形过程中坯料温度不应低于380℃；
步骤五、热加工处理后的材料经过固溶淬火、冷变形、时效处理，随后加工成所需的零部件。
所述步骤一加入配料的顺序为：精炼前加入除Li以外的其他合金，精炼完毕后加入纯锂；加入纯锂时通入高纯氩气保护。
优选地，步骤二中所述合金液在高纯氩气保护下导入铸造系统。
优选地，步骤二中浇铸成铸锭时通过在结晶器上表面采用覆盖剂以及高纯氩气联合保护的方式进行。
优选地，步骤三中双级加热工艺具体为：第一级温度为380℃～440℃，第二级均匀化温度为500～520℃。
优选地，步骤四中所述加工工艺具体为热轧、热挤压或热锻工艺中任意一种。
所述步骤五中采取的固溶处理温度为525℃～540℃，室温水淬火，然后在4h内进行2.5％～6.5％的冷变形处理。
本发明的有益效果是：
1、工艺简单可行，便于工业化批量生产。本发明方法工艺简单，在现有的铝锂合金熔铸设备以及传统铝合金的轧制、热处理设备上就可完成工业化制备；
2、效果显著。本发明的Al-Cu-Mg-Li-X系耐热铝锂合金，在引入锂元素后可以在降低密度，提高刚度的同时，提高合金的强度；通过时效工艺的调整，获得均匀分布的稳定析出相，可以在不影响工艺塑性的前提下大幅度提高合金的耐热性能，可实现工业化批量制备与应用。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将详细描述本发明实施例的各个方面的特征。在下面的详细描述中，提出了许多具体的细节，以便对本发明的全面理解。但是，对于本领域的普通技术人员来说，很明显的是，本发明也可以在不需要这些具体细节的情况下就可以实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例对本发明更好的理解。本发明不限于下面所提供的任何具体设置和方法，而是覆盖了不脱离本发明精神的前提下所覆盖的所有的产品结构、方法的任何改进、替换等。
在下面实施例的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。
本发明耐热铝锂合金的制备方法的步骤为：按照合金成分配比，对合金进行熔炼，制备成铸锭；铸锭均匀化处理后表面扒皮，加热后进行热变形到预定尺寸；随后进行固溶淬火+冷变形处理；冷变形的材料进行三级时效处理。通过固溶后的预拉伸以及三级时效，可以在晶内以及晶界上均匀析出高稳定性的片状平衡相，该析出相具有强的高温稳定性，在强化合金的同时，可以很好的钉扎晶界，提高合金的高温稳定性。
实施例一
采用本发明所涉及的一种耐热铝锂合金及其制备方法，所对应的合金成分及重量百分比为：Cu2.8％，Li 1.4％，Mg 1.8％，Mn 0.42％，Ag 0.30％，Zr 0.12％，Ti 0.02％，Si0.06％，Fe 0.11％，Be20ppm，余量为Al。
按照成分配比加入纯铝、纯镁、纯银、Al-Cu、Al-Zr、Al-Be、Al-Mn中间合金，加热至780℃充分熔化，然后在730℃对金属液进行精炼，并及时去除表层浮渣。
在熔炼炉内通入高纯氩气，待炉内充满氩气后按照成分配比在合金液中加入纯锂，保持溶液温度700℃～720℃，待充分溶解后进行搅拌，精致10min，然后在氩气保护下将金属液转移至半连续铸造机组进行浇铸，浇铸时结晶器熔液表层采用氩气与覆盖剂联合保护，浇铸成δ280×1200mm的铸锭；
将铸锭在空气循环炉内进行均匀化处理，采取双级均匀化，第一级为400℃/8～10h，第二级为500℃/36～40h；
将均匀化处理后的铸锭扒皮，然后在460℃下加热10h，轧制成6mm的板材。板材切片在辊底式淬火炉中进行固溶淬火处理，固溶工艺为，530℃/40min；淬火后在拉伸机上进行冷变形，拉伸变形量4.5％；
拉伸完毕后的板材进行时效处理，采取三级时效工艺，一级工艺为140℃/16h，然后快速升温至380℃保温40min，室温水淬火，然后在135℃下时效12h。
随后，测量合金的室温拉伸性能以及不同温度下的高温持久性能和高温蠕变性能，轧制板材的高温性能结果如表1所示。可以发现合金在200℃温度下具有良好的高温性能。
表1
状态 取样方向 试验温度，℃ 高温持久强度,σ<sub>100</sub>/MPa 高温蠕变强度，σ<sub>0.2/100</sub>/MPa
T8 纵向 150 411 401
T8 纵向 175 398 376
T8 纵向 200 355 338
实施例二
采合金成分(质量百分比)为：Cu 3.4％，Mg 2.0％，Li 1.6％，Mn 0.51％，Ag0.42％，Zr 0.12％，Sc0.10％，Er0.10％，Ti 0.04％，Si 0.10％，Fe 0.18％，Be30ppm，余量为Al。
按照成分配比加入纯铝、纯镁、纯银、Al-Cu、Al-Zr、A-Sc、Al-Er、Al-Be、Al-Mn中间合金，加热至780℃充分熔化，然后在730℃对金属液进行精炼，并及时去除表层浮渣。
在熔炼炉内通入高纯氩气，待炉内充满氩气后按照成分配比在合金液中加入纯锂，保持溶液温度700℃～720℃，待充分溶解后进行搅拌，静置10min，然后在氩气保护下将金属液转移至半连续铸造机组进行浇铸，浇铸时结晶器熔液表层采用氩气与覆盖剂联合保护，浇铸成δΦ650mm的圆棒；
将铸锭在空气循环炉内进行均匀化处理，采取双级均匀化，第一级为440℃/8～10h，第二级为505℃/32～38h；
将均匀化处理后的铸锭扒皮，然后在460℃下加热10h，挤压成δ100×300mm的带板。带板锯切后在辊底式淬火炉中进行固溶淬火处理，固溶工艺为，535℃/300min，室温水淬火；淬火后在拉伸机上进行冷变形，拉伸变形量5.1％；
拉伸完毕后的带板进行时效处理，采取三级时效工艺，一级工艺为165℃/20h，然后快速升温至400℃保温100min，室温水淬火，然后在140℃下时效16h。
随后，测量合金的室温拉伸性能以及不同温度下的高温持久性能和高温蠕变性能，挤压带板的高温性能结果如表2所示。可以发现合金在250℃温度下具有良好的高温性能。
表2
状态 取样方向 试验温度，℃ 高温持久强度,σ<sub>100</sub>/MPa 高温蠕变强度，σ<sub>0.2/100</sub>/MPa
T84 纵向 150 489 473
T84 纵向 175 477 467
T84 纵向 200 438 421
T84 纵向 225 389 378
T84 纵向 250 345 322
实施例三
采合金成分(质量百分比)为：Cu 3.4％，Mg 2.0％，Li 1.6％，Mn 0.51％，Ag0.42％，Zr 0.12％，Sc0.10％，Ti 0.04％，Si 0.10％，Fe 0.18％，Be30ppm，余量为Al。
按照成分配比加入纯铝、纯镁、纯银、Al-Cu、Al-Zr、Al-Sc、Al-Be、Al-Mn中间合金，加热至780℃充分熔化，然后在730℃对金属液进行精炼，并及时去除表层浮渣。
在熔炼炉内通入高纯氩气，待炉内充满氩气后按照成分配比在合金液中加入纯锂，保持溶液温度700℃～720℃，待充分溶解后进行搅拌，静置10min，然后在氩气保护下将金属液转移至半连续铸造机组进行浇铸，浇铸时结晶器熔液表层采用氩气与覆盖剂联合保护，浇铸成δΦ650mm的圆棒；
将铸锭在空气循环炉内进行均匀化处理，采取双级均匀化，第一级为440℃/8～10h，第二级为505℃/32～38h；
将均匀化处理后的铸锭扒皮，然后在460℃下加热10h，挤压成δ100×300mm的带板。带板锯切后在辊底式淬火炉中进行固溶淬火处理，固溶工艺为，535℃/300min，室温水淬火；淬火后在拉伸机上进行冷变形，拉伸变形量5.1％；
拉伸完毕后的带板进行时效处理，采取三级时效工艺，一级工艺为170℃/20h，然后快速升温至420℃保温100min，室温水淬火，然后在148℃下时效16h。
随后，测量合金的室温拉伸性能以及不同温度下的高温持久性能和高温蠕变性能，挤压带板的高温性能结果如表3所示。可以发现合金在250℃温度下具有良好的高温性能。
表3
状态 取样方向 试验温度，℃ 高温持久强度,σ<sub>100</sub>/MPa 高温蠕变强度，σ<sub>0.2/100</sub>/MPa
T84 纵向 150 490 473
T84 纵向 175 477 468
T84 纵向 200 437 425
T84 纵向 225 389 378
T84 纵向 250 346 327
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种耐热铝锂合金，其特征在于：所述的铝锂合金各组分及其质量百分比为：Cu 2.0～3.5％，Li 0.9～1.7％，Mg2.0～2.6％，Mn 0.20～0.51％，Zr 0.08～0.20％，Ti 0.01～0.10％，Be20～30ppm以及Sc 0.05～0.35％，Ag 0.2～0.6％，Er0.10～0.25％中的任意1～3种；杂质元素Si≤0.15％，Fe≤0.40％；其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al；
所述耐热铝锂合金的时效处理工艺为三级时效处理，工艺参数设置为：140℃～170℃温度下保温16～24h，然后升温至380℃～420℃温度范围保温40min～80min，室温水淬火，然后在135℃～148℃温度下保温10～18h，然后室温空冷。
2.一种用于制备权利要求1所述的耐热铝锂合金的制备方法，其特征在于：所述制备方法包含以下步骤：
步骤一、将Al、Cu、Mg、Li、Mn、Zr、Ti、Sc、Ag和Er按照所述的成分配料，Al、Mg、Li、Ag以纯金属方式加入，其他元素以中间合金方式加入，在熔炼炉内进行熔化，加热至700℃～820℃，充分熔化后对合金液进行精炼并除去表面浮渣，精炼时金属温度维持在700℃～740℃；静置10～20min，温度保持在690～730℃；
步骤二、将合金液导入铸造系统，浇铸成铸锭，浇铸过程中合金液温度保持在690～720℃；
步骤三、在空气循环炉内对铸锭进行均匀化处理，处理时采取双级加热工艺；
步骤四、将均匀化处理后的铸锭扒皮处理后，在加热炉内加工成形，加热温度为440℃～490℃，成形过程中坯料温度不应低于380℃；
步骤五、热加工处理后的材料经过固溶淬火、冷变形、时效处理，随后加工成所需的零部件；所述时效处理工艺为三级时效处理，工艺参数设置为：140℃～170℃温度下保温16～24h，然后升温至380℃～420℃温度范围保温40min～80min，室温水淬火，然后在135℃～148℃温度下保温10～18h，然后室温空冷。
3.根据权利要求2所述的耐热铝锂合金的制备方法，其特征在于：所述步骤一加入配料的顺序为：精炼前加入除Li以外的其他合金，精炼完毕后加入纯锂；加入纯锂时通入高纯氩气保护。
4.根据权利要求2所述的耐热铝锂合金的制备方法，其特征在于：步骤二中所述合金液在高纯氩气保护下导入铸造系统。
5.根据权利要求2所述的耐热铝锂合金的制备方法，其特征在于：所述步骤二中浇铸成铸锭时通过在结晶器上表面采用覆盖剂以及高纯氩气联合保护的方式进行。
6.根据权利要求2所述的耐热铝锂合金的制备方法，其特征在于：步骤三中所述双级加热工艺具体为：第一级温度为380℃～440℃，第二级均匀化温度为500～520℃。
7.根据权利要求2所述的耐热铝锂合金的制备方法，其特征在于：步骤四中所述加工工艺为热轧、热挤压或热锻工艺中任意一种。
8.根据权利要求2所述的耐热铝锂合金的制备方法，其特征在于：所述步骤五中采取的固溶处理温度为525℃～540℃，室温水淬火，然后在4h内进行2.5％～6.5％的冷变形处理。
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