CN110592448A - 新型耐热耐腐蚀2219型铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种新型耐热耐腐蚀2219型铝合金及制备方法,其特征在于:它主要由铝、铜、锰、锌、锶、锆和钛组成。所述的制备方法包括:首先,将纯Al、Al‑Cu、Al‑Sr、Al‑Zr、Al‑Ti‑B和Al‑Mn中间合金置于电阻丝熔炼炉中熔炼,保温1h后降温至750℃加入纯Zn;其次,保温1.5~2h,待所有中间合金和金属熔化后,调温至760±10℃,加入六氯乙烷一次除气,静置保温后,再加入六氯乙烷二次除气,静置保温后去渣并浇入预热至400±10℃的金属模具中浇铸成锭;最后,进行均匀化退火—热挤压—固溶—淬火—时效处理。本发明铝合金耐腐蚀性好,耐热性好,能极大地满足高温服役铝合金结构件的制造需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝合金改性技术,尤其是一种牌号为2219铝合金材料的改性技术,具体地说是一种新型耐热耐腐蚀2219型铝合金及其制备方法。
背景技术
在20世纪初,德国人Wilm发现了Al-Cu-Mg合金在时效时会出现硬化现象,在这之后该型合金就广泛应用于世界各类航空工业。21世纪后,又发明了各方面性能优异的2424,2524型和2618型等铝合金,被大量地应用于航空航天、枪械火炮等关键部位的耐热结构件,比如航空发动机的汽缸头和活塞,飞机表面蒙皮。
随着我国大飞机、载人航天事业的不断发展,2xxx铝合金引起国内各研究机构的关注。现有的2xxx合金中主要高温强化相是S(Al2CuMg)相和θ(Al2Cu)相,S相具有很高的室温强度,其耐热性较高。加适量的Zn可以促进T相的生成,抑制β相,从而提高合金的抗腐蚀性能。在合金中加入少量的Mn, 一部分固溶进材料内部,超过固溶度的部分,会生成Al6Mn化合物,不但能够形成弥散强化作用对材料的力学性能有积极的影响,而且Al6Mn化合物能有效减少杂志Fe的含量。锶(Sr)元素是铝合金中的一种很有效的长效变质剂,可以有效细化Al-Si(-Cu)系铸造合金中的Si相。锆(Zr)元素是一种与Al亲和力强的3d过渡族元素,加入到铝合金中,在合金凝固过程中锆(Zr)元素与Al形成A13Zr等高熔点物相,对合金的后续凝固起到非均质形核作用,不仅细化合金铸态基体组织,促进细小等轴晶形成,而且提高液态合金的流动性和元素分布均匀性。钛(Ti)元素是铝合金中常用的添加元素,主要作用是细化铸造组织,减小开裂倾向,提高材料力学性能。钛(Ti)加入铝中形成Al3Ti,与熔体发生包晶反应而形成非自发核心,起细化作用。
然而到目前为止,我国尚未有一种具有自主知识产权的兼顾强度、耐热性和耐腐蚀性的2219铝合金可供使用,这一定程度上制约了我国航空航天、武器装备等工业的发展。
发明内容
本发明的目的是在2219铝合金成分设计的基础上,通过调整Mn、Cu元素含量,同时添加微量锶(Sr)、锆(Zr)并加入最适量的钛(Ti)进行合金化,在不降低合金成型性能(流动性)的同时,细化合金中的Si相和化合物相,提高合金的强度、耐热性和耐腐蚀性,获得新型耐热耐腐蚀2219型铝合金,同时提供其制备方法。
本发明的技术方案之一是:
一种新型耐热耐腐蚀2219型铝合金,其特征在于:它主要由铝(Al)、铜(Cu)、锰(Mn)、锌(Zn)、锶(Sr)、锆(Zr)和钛(Ti)组成。其中,铜(Cu)的质量百分比为6.50~6.90%,锰(Mn)的质量百分比为0.35~0.45%,锌(Zn)的质量百分比为0.09~0.12%,锶(Sr)的质量百分比为0.09~0.11%,锆(Zr)的质量百分比为0.18~0.22%,钛(Ti)的质量百分比为0.48~0.50%,余量为铝和少量杂质元素,各组份的质量百分比之和为100%。
本发明的技术方案之二是:
一种新型耐热耐腐蚀2219型铝合金的制备方法,其特征是其制备过程依次包括:
(1)首先,将纯Al、Al-Cu、Al-Sr、Al-Zr、Al-Ti-B和Al-Mn中间合金置于电阻丝熔炼炉中设置温度900±10℃,待熔化后保温1h,降温至750±10℃加入纯Zn。
(2)其次,保温1.5~2h,待所有中间合金和金属熔化后,调节温度至760±10℃,加入六氯乙烷一次除气至没有气体逸出,静置保温15 min后,再加入六氯乙烷二次除气直至没有气体逸出,静置保温15 min后去渣并浇入预热至400±10℃的金属模具中浇铸成锭。
(3)最后,进行均匀化退火—热挤压—固溶—淬火—时效处理,得到拉伸强度为364.42 MPa、延伸率为10.1%,断口呈韧窝特征的典型韧性断裂,250℃热压缩热力试验的应力峰值为252.76MPa,最大晶间腐蚀深度为181.56mm的2219型铝合金。
所述的均匀化退火采用525±10℃×24h的退火制度;
所述的热挤压采用380±10℃预热保温2h,挤压比为6-8;
所述的固溶采用535±10℃×3h的固溶制度;
所述的淬火采用60±5℃的温水;
所述的时效采用191±10℃×12h的时效制度,随炉冷至室温。
本发明的有益效果:
(1)本发明获得了一种拉伸强度为364.42 MPa、延伸率为10.1%,断口呈韧窝特征的典型韧性断裂,250℃热压缩热力试验的应力峰值为252.76MPa,最大晶间腐蚀深度为181.56mm的新型耐热耐腐蚀2219型铝合金。
(2)本发明公开了一种新型耐热耐腐蚀2219型铝合金及其制备方法。一定程度上打破了国外对高性能铝合金的技术封锁,可满足我国对高耐热、高强度、耐腐蚀铝合金的需求。
(3)本发明通过大量的试验获得了理想的制备方法,尤其是通过采用按次序加入各中间合金及纯金属的方法来控制各组份含量,按本发明的工艺能容易地得到符合要求的铝合金材料。
附图说明
图1(a)、(b)、(c)分别是本发明实施例一、对比例一、对比例二的金相组织扫描电子显微镜照片。
图2(a)、(b)、(c)分别是本发明实施例一、对比例一、对比例二的金相组织光学显微镜照片。
图3(a)、(b)、(c)分别是本发明实施例一、对比例一、对比例二的拉伸断口金相组织扫描电子显微镜照片。
图4是本发明实施例一、对比例一、对比例二的热压缩模拟实验曲线图。
图5(a)、(b)、(c)分别是本发明实施例一、对比例一、对比例二的晶间腐蚀深度照片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明,但本发明不仅限于实施例。
实施例一。
一种新型耐热耐腐蚀2219型铝合金,其制备方法:
首先,将纯Al、Al-Cu、Al-Sr、Al-Zr、Al-Ti-B和Al-Mn中间合金置于电阻丝熔炼炉中设置温度900±10℃,待熔化后保温1h,降温至750±10℃加入纯Zn。其次,保温1.5~2h,待所有中间合金和金属熔化后,调节温度至760±10℃,加入六氯乙烷一次除气至没有气体逸出,静置保温15 min后,再加入六氯乙烷二次除气直至没有气体逸出,静置保温15 min后去渣并浇入预热至400±10℃的金属模具中浇铸成锭。最后,依次进行525±10℃×24h均匀化退火,380±10℃预热保温2h,挤压比为6-8(最佳为7)的热挤压,535±10℃×3h固溶,60±5℃温水淬火,191±10℃×12h时效处理,随炉冷至室温,即获得一种新型耐热耐腐蚀2219型铝合金。
本实施例的新型耐热耐腐蚀2219型铝合金经EDS实际测量成分为:6.65%Cu,0.39%Mn, 0.11%Zn, 0.1%Sr, 0.2%Zr, 0.49%Ti, 余量为铝和杂质元素。
本实施例的新型耐热耐腐蚀2219型铝合金,拉伸强度为364.42MPa,250℃热压缩热力试验的应力峰值为252.76MPa,最大晶间腐蚀深度为181.56mm。
实施例二。
本实施例的制备方法与实施例一相同,所不同的是各组份不同,本实施例的新型耐热耐腐蚀2219型铝合金经EDS实际测量成分为:6.50%Cu, 0.35%Mn, 0.09%Zn, 0.09%Sr,0.18%Zr, 0.48%Ti, 余量为铝和杂质元素。
本实施例的新型耐热耐腐蚀2219型铝合金,拉伸强度为360.42MPa,250℃热压缩热力试验的应力峰值为250.76MPa,最大晶间腐蚀深度为180.56mm。
实施例三。
本实施例的制备方法与实施例一相同,所不同的是各组份不同,本实施例的新型耐热耐腐蚀2219型铝合金经EDS实际测量成分为:6.90%Cu, 0.45%Mn, 0.12%Zn, 0.11%Sr,0.22%Zr, 0.50%Ti, 余量为铝和杂质元素。
本实施例的新型耐热耐腐蚀2219型铝合金,拉伸强度为368.42MPa,250℃热压缩热力试验的应力峰值为254.76MPa,最大晶间腐蚀深度为182.56mm。
对比例一。
一种未添加Ti(采用控制变量法,其余成分不变)的2219铝合金,其制备方法:
首先,将纯Al、Al-Cu、Al-Sr、Al-Zr和Al-Mn中间合金置于电阻丝熔炼炉中设置温度800℃,待熔化后保温1h,降温至750℃加入纯Zn。其次,保温1.5~2h,待所有中间合金和金属熔化后,调节温度至760±10℃,加入六氯乙烷一次除气至没有气体逸出,静置保温15 min后,再加入六氯乙烷二次除气直至没有气体逸出,静置保温15 min后去渣并浇入预热至400±10℃的金属模具中浇铸成锭。最后,依次进行525℃×24h均匀化退火,380℃预热保温2h,挤压比为7的热挤压,535℃×3h固溶,60±5℃温水淬火,191℃×12h时效处理,随炉冷至室温,即获得一种未添加Ti的2219铝合金。
本对比例的一种未添加Ti的2219铝合金经EDS实际测量成分为:6.71%Cu, 0.38%Mn, 0.11%Zn,0.09%Sr, 0.21%Zr,余量为铝和杂质元素。
本对比例的未添加Ti的2219铝合金拉伸强度为302.1MPa,250℃热压缩热力试验的应力峰值为212.89MPa,最大晶间腐蚀深度为236.21mm。
对比例二。
一种Ti合金化(采用控制变量法,Ti含量增加至1.0 (wt. %),其余成分不变)的2219铝合金,其制备方法:
首先,将纯Al、Al-Cu、Al-Sr、Al-Zr、Al-Ti-B和Al-Mn中间合金置于电阻丝熔炼炉中设置温度900℃,待熔化后保温1h,降温至750℃加入纯Zn。其次,保温1.5~2h,待所有中间合金和金属熔化后,调节温度至760±10℃,加入六氯乙烷一次除气至没有气体逸出,静置保温15 min后,再加入六氯乙烷二次除气直至没有气体逸出,静置保温15 min后去渣并浇入预热至400±10℃的金属模具中浇铸成锭。最后,依次进行525℃×24h均匀化退火,380℃预热保温2h,挤压比为7的热挤压,535℃×3h固溶,60±5℃温水淬火,191℃×12h时效处理,随炉冷至室温,即获得一种Ti合金化2219铝合金。
本对比例的Ti合金化2219铝合金经EDS实际测量成分为:6.76%Cu, 0.38%Mn,0.10%Zn, 0.09%Sr,0.19%Zr, 0.89%Ti, 余量为铝和杂质元素。
本对比例的Ti合金化的2219铝合金拉伸强度为315.59MPa,250℃热压缩热力试验的应力峰值为222.65MPa,最大晶间腐蚀深度为274.99mm。
实施例和对比例结果分析:
随着Ti含量的增加,未溶相增多,晶粒尺寸细化(图1、图2)。随着Ti含量的增加,合金的室温强度提升效果先升后降。其中添加0.49Ti合金的常温力学性能最好,与未添加Ti的合金相比,抗拉强度提升了62.32MPa、达到364.42MPa,断后伸长率为10.1%;断口呈韧窝特征的典型韧性断裂(图3);最大晶间腐蚀深度下降了54.64μm,为181.56μm(图4);添加0.49Ti合金具有最好的耐温性能,与未添加Ti的合金相比,250℃热压缩真应力峰值提升39.87MPa,达到252.76MPa(图5)。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (7)
1.一种新型耐热耐腐蚀2219型铝合金,其特征在于:它主要由铝(Al)、铜(Cu)、锰(Mn)、锌(Zn)、锶(Sr)、锆(Zr)和钛(Ti)组成。其中,铜(Cu)的质量百分比为6.50~6.90%,锰(Mn)的质量百分比为0.35~0.45%,锌(Zn)的质量百分比为0.09~0.12%,锶(Sr)的质量百分比为0.09~0.11%,锆(Zr)的质量百分比为0.18~0.22%,钛(Ti)的质量百分比为0.48~0.50%,余量为铝和少量杂质元素,各组份的质量百分比之和为100%。
2.一种权利要求1所述的新型耐热耐腐蚀2219型铝合金的制备方法,其特征是其制备过程依次包括:
(1)首先,将纯Al、Al-Cu、Al-Sr、Al-Zr、Al-Ti-B和Al-Mn中间合金置于电阻丝熔炼炉中设置温度900±10℃,待熔化后保温1h,降温至750±10℃加入纯Zn;
(2)其次,保温1.5~2h,待所有中间合金和金属熔化后,调节温度至760±10℃,加入六氯乙烷一次除气至没有气体逸出,静置保温15 min后,再加入六氯乙烷二次除气直至没有气体逸出,静置保温15 min后去渣并浇入预热至400±10℃的金属模具中浇铸成锭;
(3)最后,进行均匀化退火—热挤压—固溶—淬火—时效处理,得到拉伸强度为364.42MPa、延伸率为10.1%,断口呈韧窝特征的典型韧性断裂,250℃热压缩热力试验的应力峰值为252.76MPa,最大晶间腐蚀深度为181.56mm的2219型铝合金。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征是所述步骤(3)中的均匀化退火采用525±10℃×24h的退火制度。
4.根据权利要求2所述的方法,其特征是所述步骤(3)中的热挤压采用380±10℃预热保温2h,挤压比为6-8。
5.根据权利要求2所述的方法,其特征是所述步骤(3)中的固溶采用535±10℃×3h的固溶制度。
6.根据权利要求2所述的方法,其特征是所述步骤(3)中的淬火采用60±5℃的温水。
7.根据权利要求2所述的方法,其特征是所述步骤(3)中的时效采用191±10℃×12h的时效制度,随炉冷至室温。
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