CN111621682B

CN111621682B - 一种Al-Li系轻质铝合金及其制备方法

Info

Publication number: CN111621682B
Application number: CN202010603062.7A
Authority: CN
Inventors: 张瑾; 张飞; 叶翔; 周建波
Original assignee: Ningbo Jinyue New Material Co ltd
Current assignee: Ningbo Jinyue New Material Co ltd
Priority date: 2020-06-29
Filing date: 2020-06-29
Publication date: 2021-09-14
Anticipated expiration: 2040-06-29
Also published as: CN111621682A

Abstract

本发明涉及一种Al‑Li系轻质铝合金，其化学成分质量百分比为：1.4～2%Li，2.1～2.7%Cu，0.2～0.35%Mn，0.25～0.4%Mg，0.6～0.85%Zn，0.02～0.05%Ti，0.05～0.1%Zr，0.03～0.08%RE，Si＜0.05%，Fe＜0.05%，余量为Al。本合金的组分设计属于一种新型Al‑Li合金，本发明Al‑Li系轻质铝合金与第三代Al‑Li合金相比，增加了稀土RE元素，具有低密度、高比强度、高比刚度、低各向异性；稀土元素的添加，对于晶粒细化、固溶和时效强化、塑性水平，焊接性能均起到积极作用，合金综合强塑性水平得到进一步提升。

Description

一种Al-Li系轻质铝合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，尤其是涉及一种Al-Li系轻质铝合金及其制备方法。

背景技术

Al-Li合金的研发已有90年的发展历史，按期发展历程可大致划分为三个阶段，相应的与之对应的合金制品也划分为三代。第三代Al-Li合金与第一、二代Al-Li合金相比，增加了Cu含量，降低了Li含量，并添加了少量的Mg、Mn、Zn、Zr、Ti等合金元素。Cu、Zn和Mg是主要强化元素，并能产生强化相（MgZn2、Al2Mg2Zn3、CuMgAl2），提高合金的强度水平；Mn元素能促进促进组织均匀性，在均质处理环节能长生弥散质点，阻止位错与晶界迁移，抑制晶粒长大，起到细化晶粒作用，同时提高再结晶温度；Zr元素可显著提高再结晶温度，使合金在热变形状态下仍能得到未再结晶组织，同时有助于合金的焊接性能、断裂韧性、应力腐蚀性的改善；Ti元素的添加，可有效细化铸态合金晶粒，并提高再结晶温度。

总体来讲，Al-Li合金在减重效果方面表现突出，在航空领域受到了极大重视。但也存在不少问题，如：第一代Al-Li合金存在断裂韧性低、疲劳裂纹扩展快、缺口敏感性高、生产工艺难度大；第二代Al-Li合金强韧性水平较低、焊接性能差、各向异性严重、热稳定性较低等问题突出；第三代Al-Li合金不再追求良好的综合性能，而是侧重开发具有特殊优势的Al-Li合金，也就是说在综合性能的取舍上存在顾此失彼。

发明内容

本发明设计了一种Al-Li系轻质铝合金及其制备方法，其解决的技术问题是现有的Al-Li合金存在以下问题：第一代Al-Li合金存在断裂韧性低、疲劳裂纹扩展快、缺口敏感性高、生产工艺难度大；第二代Al-Li合金强韧性水平较低、焊接性能差、各向异性严重、热稳定性较低等问题突出；第三代Al-Li合金不再追求良好的综合性能，而是侧重开发具有特殊优势的Al-Li合金，也就是说在综合性能的取舍上存在顾此失彼。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：

一种Al-Li系轻质铝合金，其化学成分质量百分比为：1.4～2%Li，2.1～2.7%Cu，0.2～0.35%Mn，0.25～0.4%Mg，0.6～0.85%Zn，0.02～0.05%Ti，0.05～0.1%Zr，0.03～0.08%RE，Si＜0.05%，Fe＜0.05%，余量为Al。

进一步，其化学成分质量百分比为：1.75%Li，2.6%Cu，0.3%Mn，0.29%Mg，0.64%Zn，0.03%Ti，0.06%Zr，0.04%RE，Si＜0.05%，Fe＜0.05%，余量为Al。

进一步，其化学成分质量百分比为：1.85%Li，2.55%Cu，0.32%Mn，0.4% Mg，0.82%Zn，0.05%Ti，0.07%Zr，0.06%RE，Si＜0.05%，Fe＜0.05%，余量为Al。

一种Al-Li系轻质铝合金的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，准备所需原料，包括3N纯铝、Al-Cu、Al-Mn、Al-Mg、Al-Zr、Al-Ti、Al-Si、Al-Fe、Zn、Li、RE，按照化学成分设计进行配料计算和准备；

步骤二，将3N纯铝加入到坩埚中加热熔炼，熔体温度为720～750℃；

步骤三，将中间合金加入到坩埚中，撒入LiF+LiCl熔剂对熔体进行覆盖保护，并在机械搅拌下均匀成分；

步骤四，依次加入RE、Zn和Li，并加入精炼剂进行除气精炼，随后除去反应副产物，静置冷却得到铸锭；

步骤五，将步骤四中得到的铸锭车去表面，切除头尾，并依次进行均质处理、热挤压、固溶和时效处理，得到Al-Li合金型材。

进一步，步骤三中，LiF+LiCl熔剂与合金按照质量比为1：80对熔体进行覆盖保护。

进一步，步骤四中，精炼时间为10～25min。

进一步，步骤五中，均质处理工艺为：将铸锭在505～515℃保温12～16小时，然后升温至525～540℃保温18～24小时。

进一步，步骤五中，热挤压工艺为：挤压比15～30，挤压温度420～480℃，挤压速度1～5mm/s。

进一步，步骤五中，固溶工艺为：将铸锭在520～560℃保温10～30min，之后迅速进行水淬，时效工艺为：将铸锭在146～170℃保温24～36小时。

该Al-Li系轻质铝合金及其制备方法具有以下有益效果：

本合金的组分设计属于一种新型Al-Li合金，本发明Al-Li系轻质铝合金与第三代Al-Li合金相比，增加了稀土RE元素，具有低密度、高比强度、高比刚度、低各向异性；稀土元素的添加，对于晶粒细化、固溶和时效强化、塑性水平，焊接性能均起到积极作用，合金综合强塑性水平得到进一步提升，铸造阶段，稀土元素提供了大量的形核位置，细化铸锭晶粒；均质阶段，稀土元素钉扎和阻滞晶界迁移，抑制晶粒长大；热变形阶段，由于稀土元素阻碍位错、亚晶界、晶界迁移，合金可在热变形状态下获得未再结晶组织，强塑性水平均得到提升。此外，稀土元素的添加对于合金焊接性能的改善和各项异性降低均有明显作用；本发明在比强度、比刚度、焊接性能、各向异性等方面具有显著的优势，可替代国家关键技术领域中第一、二、三代Al-Li合金中的部分牌号产品。

附图说明

图1：本发明Al-Li系轻质铝合金制备方法工艺流程图。

具体实施方式

下面结合图1和实施例，对本发明做进一步说明：

实施例1：一种Al-Li系轻质铝合金，其化学成分质量百分比为：1.75%Li，2.6%Cu，0.3%Mn，0.29%Mg，0.64%Zn，0.03%Ti，0.06%Zr，0.04%RE，Si＜0.05%，Fe＜0.05%，余量为Al。

实施例2：一种Al-Li系轻质铝合金，其化学成分质量百分比为：1.85%Li，2.55%Cu，0.32%Mn，0.4% Mg，0.82%Zn，0.05%Ti，0.07%Zr，0.06%RE，Si＜0.05%，Fe＜0.05%，余量为Al。

如图1所示，本发明Al-Li系轻质铝合金的制备方法包括的步骤有：合金成分设计、熔铸、均质处理、热挤压、固溶及时效处理，以上步骤是铝合金型材研制通用的也是必要的技术工序。但是不同合金对应的以上各工序所采用的具体工艺参数各不相同，以上六个步骤之间顺序不可调换，存在相互依赖的关系。对于可热处理强化铝合金，以上六个步骤缺一不可；对于不可热处理强化铝合金，可以省略固溶及时效处理步骤。

一种Al-Li系轻质铝合金的制备方法，包括以下步骤：

步骤三中，LiF+LiCl熔剂与合金按照质量比为1：80对熔体进行覆盖保护。

步骤四中，精炼时间为10～25min。

步骤五中，均质处理工艺为：将铸锭在505～515℃保温12～16小时，然后升温至525～540℃保温18～24小时。

步骤五中，热挤压工艺为：挤压比15～30，挤压温度420～480℃，挤压速度1～5mm/s。

步骤五中，固溶工艺为：将铸锭在520～560℃保温10～30min，之后迅速进行水淬，时效工艺为：将铸锭在146～170℃保温24～36小时。

实施例3：

一种Al-Li系轻质铝合金的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，准备所需原料，包括3N纯铝、Al-Cu、Al-Mn、Al-Mg、Al-Zr、Al-Ti、Al-Si、Al-Fe、Zn、Li、RE，其化学成分质量百分比为：1.75%Li，2.6%Cu，0.3%Mn，0.29%Mg，0.64%Zn，0.03%Ti，0.06%Zr，0.04%RE，Si＜0.05%，Fe＜0.05%，余量为Al；

步骤三，将中间合金加入到坩埚中，撒入LiF+LiCl熔剂对熔体进行覆盖保护，LiF+LiCl熔剂与合金的质量比为1：80，并在机械搅拌下均匀成分；

步骤四，依次加入RE、Zn和Li，并加入精炼剂进行除气精炼，精炼时间为10～25min，随后除去反应副产物，静置冷却得到铸锭；

步骤五，将步骤四中得到的铸锭车去表面，切除头尾，并依次进行均质处理、热挤压、固溶和时效处理，得到Al-Li合金型材，其中，均质处理为两次，第一次的温度为510℃，处理时间12小时；第二次的温度为525℃，处理时间18小时；热挤压工艺为：挤压比29，挤压温度460℃，挤压速度5mm/s；固溶工艺的温度为545℃，时间为25min，之后迅速进行水淬，时效工艺的温度为158℃，时间为24小时，得到的Al-Li合金型材的合金力学性能为:σ_b＝540MPa、σ_s＝505MPa、δ＝9.2%。

实施例4：

一种Al-Li系轻质铝合金的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，准备所需原料，包括3N纯铝、Al-Cu、Al-Mn、Al-Mg、Al-Zr、Al-Ti、Al-Si、Al-Fe、Zn、Li、RE，其化学成分质量百分比为：1.85%Li，2.55%Cu，0.32%Mn，0.4% Mg，0.82%Zn，0.05%Ti，0.07%Zr，0.06%RE，Si＜0.05%，Fe＜0.05%，余量为Al；

步骤五，将步骤四中得到的铸锭车去表面，切除头尾，并依次进行均质处理、热挤压、固溶和时效处理，得到Al-Li合金型材，其中，均质处理为两次，第一次的温度为510℃，处理时间12小时；第二次的温度为525℃，处理时间18小时；热挤压工艺为：挤压比29，挤压温度460℃，挤压速度5mm/s；固溶工艺的温度为545℃，时间为25min，之后迅速进行水淬，时效工艺的温度为158℃，时间为24小时，得到的Al-Li合金型材的合金力学性能为:σ_b＝550MPa、σ_s＝515MPa、δ＝9.4%。

固溶工艺中的目的是将粗大或非平衡析出相融入铝合金基体，本质上来讲是将富集于析出相的溶质元素融入铝合金基体中，加热和保温主要作用在于“溶”；水淬的作用是将在高温状态下已回溶到铝合金基体的溶质原子冻结固定，阻止析出，体现在“固”上，所以铝合金固溶包括：在固溶温度下保温一段时间并迅速进行水淬。

本发明为航空航天、轨道交通、舰船游艇、高端汽车等领域用高品质轻质铝合金材料提供了新的选项。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种Al-Li系轻质铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤五，将步骤四中得到的铸锭车去表面，切除头尾，并依次进行均质处理、热挤压、固溶和时效处理;

均质处理工艺为：将铸锭在505～515℃保温12～16小时，然后升温至525～540℃保温18～24小时;

固溶工艺为：将铸锭在520～560℃保温10～30min，之后迅速进行水淬;

时效工艺为：将铸锭在146～170℃保温24～36小时,得到Al-Li合金型材;

得到的Al-Li合金型材的化学成分质量百分比为：1.4～2%Li，2.1～2.7%Cu，0.2～0.35%Mn，0.25～0.4%Mg，0.6～0.85%Zn，0.02～0.05%Ti，0.05～0.1%Zr，0.03～0.08%RE，Si＜0.05%，Fe＜0.05%，余量为Al。

2.根据权利要求1所述的Al-Li系轻质铝合金的制备方法，其特征在于：步骤三中，LiF+LiCl熔剂与合金按照质量比为1：80对熔体进行覆盖保护。

3.根据权利要求1所述的Al-Li系轻质铝合金的制备方法，其特征在于：步骤四中，精炼时间为10～25min。

4.根据权利要求1所述的Al-Li系轻质铝合金的制备方法，其特征在于：步骤五中，热挤压工艺为：挤压比15～30，挤压温度420～480℃，挤压速度1～5mm/s。

5.根据权利要求1所述Al-Li系轻质铝合金的制备方法，其特征在于：步骤五中得到的Al-Li合金型材的化学成分质量百分比为：1.75%Li，2.6%Cu，0.3%Mn，0.29%Mg，0.64%Zn，0.03%Ti，0.06%Zr，0.04%RE，Si＜0.05%，Fe＜0.05%，余量为Al。

6.根据权利要求1所述Al-Li系轻质铝合金的制备方法，其特征在于：步骤五中得到的Al-Li合金型材的化学成分质量百分比为：1.85%Li，2.55%Cu，0.32%Mn，0.4% Mg，0.82%Zn，0.05%Ti，0.07%Zr，0.06%RE，Si＜0.05%，Fe＜0.05%，余量为Al。