CN112301242A - 一种高强度耐腐蚀Al-Y-Sc合金的制备方法及Al-Y-Sc合金 - Google Patents

一种高强度耐腐蚀Al-Y-Sc合金的制备方法及Al-Y-Sc合金 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强度耐腐蚀Al‑Y‑Sc合金的制备方法及Al‑Y‑Sc合金，包括以下步骤：S1：制备合金铸锭：将Cu、Sc、Zr、Y、Fe、Cr、Ti、Mn分别与Al制成中间合金，将Mg分为两份，将中间合金Al‑Cu、Al‑Sc、Al‑Zr、Al‑Y、Al‑Fe、Al‑Cr、Al‑Ti、Al‑Mn与纯Zn、高纯Al进行熔炼，随后依次加入第一份Mg、Al‑Ti‑B晶粒细化剂、六氯乙烷、第二份Mg；浇铸后得到合金铸锭；S2：合金铸锭依次进行均匀化处理、固溶处理、淬火、预时效、回归、再时效处理，获得高强度耐腐蚀铝合金。本发明制备得到的铝合金强度高、韧性好、热稳定性和抗疲劳性能优异，使用寿命长。

Description

一种高强度耐腐蚀Al-Y-Sc合金的制备方法及Al-Y-Sc合金
技术领域
本发明属于铝合金制备技术领域，具体涉及一种高强度耐腐蚀Al-Y-Sc合金的制备方法及Al-Y-Sc合金。
背景技术
7055属于Al-Zn-Mg-Cu系可热处理强化的形变铝合金，具有高的比强度，良好的热加工性，优良的焊接性能等特点，可用于生产厚板，型材，锻件等多种产品，目前已被广泛应用于航空，航海，建筑包装及化工领域。然而，近年来随着科技的进步，铝合金型材的性能越来越难于满足现有的工业生产和深空探索需求，同时，尽管我国的铝合金研究已经有了长足的进步，但仍然难于跻身世界前列，国对7055合金的强韧化理论和腐蚀性理论等方面的基础研究还不够深入。
长久以来稀土元素在铝合金中的应用是个非常重要的研究领域，稀土元素在铸造铝合金中能发生质变的效果，其中Sc(钪，原子序数21，第4周期ⅢB族)、Y(钇，原子序数39，第5周期ⅢB族)较其它合金元素，在铝合金中的溶解度大，逐渐成为材料学者关注的稀土元素。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高强度耐腐蚀Al-Y-Sc合金的制备方法，该制备方法制备得到的铝合金强度高、韧性好、热稳定性和抗疲劳性能优异，使用寿命长等特点。
为了解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种高强度耐腐蚀Al-Y-Sc合金的制备方法，包括以下步骤：
S1：制备合金铸锭：按以下质量百分数准备原料：质量百分比的组分：Sc 0.01％-0.35％、Cu 2.0-2.6％、Mg 1.8-2.3％、Y 0.25％、Zn 7.6-8.4％、Fe 0.15％、Cr 0.04％、Ti0.06％、Mn 0.05％、Zr 0.08-0.25％，余量为Al；将Cu、Sc、Zr、Y、Fe、Cr、Ti、Mn分别与Al制成中间合金，将Mg分为两份，将中间合金Al-Cu、Al-Sc、Al-Zr、Al-Y、Al-Fe、Al-Cr、Al-Ti、Al-Mn与纯Zn、高纯Al进行熔炼，向熔液中加入第一份Mg，待炉料全部熔化后加入Al-Ti-B晶粒细化剂，静置10～20min后加入六氯乙烷进行一次除气；然后加入第二份Mg，静置8～12min后进行二次除气；温度上升到720℃时进行浇铸，浇铸后得到合金铸锭；
S2：将合金铸锭依次进行均匀化处理、固溶处理、淬火、预时效、回归、再时效处理，获得高强度耐腐蚀铝合金；
所述的均匀化处理温度为465℃，保温时间为24h；
所述的固溶处理温度为455℃，时间为2h；
所述的淬火温度为室温，淬火转移时间不超过10s；
所述的预时效温度为120℃，时间为12h；
所述的回归温度为180℃，时间为15min；
所述的再时效温度为120℃，时间为24h。
进一步，所述的步骤S1中，Mg的加入方式为：将Mg用铝箔包起来，用钟罩罩住压入熔液底部，等到完全熔化后取出钟罩。
进一步，所述的步骤S1中，浇铸方式为：准备Cu模，将Cu模加热，然后把Al合金液缓缓注入Cu模中，控制浇铸过程不断流，直至Al合金液全部浇铸到Cu模内。
进一步，所述的Cu模加热至450～550℃。
进一步，所述的步骤S1中，第一份Mg与第二份Mg的质量比为7:3。
进一步，所述的步骤S1中，Al-Ti-B晶粒细化剂的加入量为炉料重量的0.2～0.6％。
进一步，所述的步骤S1中，一次除气六氯乙烷的加入量为炉料重量的2～6％。
进一步，所述的步骤S1中，二次除气六氯乙烷的加入量为炉料重量的1～3％。
进一步，所述的步骤S2中，均匀化处理的升温速率为2℃/min。
一种根据所述的高强度耐腐蚀制备方法制备的Al-Y-Sc合金。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明的Al-Y-Sc合金的原料中，适量的Sc对铝合金的强化机理在于，Sc与Al元素发生微合金化作用，弥散的Al3Sc颗粒对合金产生强烈的细晶强化、亚结构强化、弥散强化和共格强化等强化作用；Sc元素沿枝晶和晶界分布，形成网状组织，提高晶界强度和抗蠕变性能，使裂纹不易扩展；此外添加Sc元素可减少由于添加Cu元素造成合金焊接过程中的热裂纹倾向，明显改善合金的强度。
2.本发明的Al-Y-Sc合金的原料中，适量的稀土元素Y对合金铸态组织晶粒细化作用显著，进而有效提升材料的力学性能；Y也对Cu元素造成原料在焊接过程中的热裂纹倾向有改善作用，改善铝合金材料的抗拉强度、耐热耐震和抗腐蚀能力，同时又可以提高其导电性能改善焊接性，而不会影响铝合金材料的导电性能，从而明显地改善铝合金材料的强度和焊接性能，又可以起到一定的净化去氢的作用，改善铝合金的组织结构；此外Y与Al、Cu等形成弥散分布的高熔点化合物，也提升了铝合金棒材的热稳定性与耐热性。
3.本发明的Al-Y-Sc合金的原料中，适量的Zr能一定程度提高合金的断裂韧性，并且由于其淬火敏感性较小，Zr可以提高铝合金的淬透性和焊接性；Zr还具有较强的有耐腐蚀性，高温时，可与非金属元素和许多金属元素反应，生成固体溶液化合物，非常稳定，能够提高合金整体的耐腐蚀性；此外Zr的价格不到Sc的百分之一，用Zr替代昂贵的Sc，可大辐降低原料成本。
4.本发明通过合理调整各组分之间的配比关系，形成特有的内部结构，有效地改善了铝合金材料的力学强度，解决了铝合金材料普遍存在强度低的问题；本发明的Al-Y-Sc合金材料具有较高力学强度和耐腐蚀性，且其综合性能好，强度高韧性好，如实施例4所示，抗拉强度可达到395.8MPa，延伸率可达到14.2％，电导率可达到33.8IACS，抗腐蚀性能良好，腐蚀电流密度降低至1.26×10-7A/cm2，减缓了腐蚀速度；在本发明的原料配比和制备方法下制备的铝合金材料晶粒具有较高的均匀度和较小的粒径，减少了缺陷的产生；同时原料成本控制合理，具有较强的市场竞争力，较好地满足了现代科技发展对高性能铝合金材料的苛刻要求。
5.由表1的数据可见，Sc、Zr、Y均有提高铝合金材料抗拉强度、延伸率、耐腐蚀性的效果，但Sc、Zr、Y一起作用时的效果更优于Sc、Zr、Y分别单独作用效果的叠加，因此Sc、Zr、Y之间具有协同提高抗拉强度、延伸率、耐腐蚀性的效果。
附图说明
图1为本发明实施例2制备的样品的OM照片；
图2为对比1制备的样品的OM照片；
图3为对比2制备的样品的OM照片；
图4为对比3制备的样品的OM照片；
图5为对比4制备的样品的OM照片。
具体实施方式
为便于更好地理解本发明，通过以下实例加以说明，这些实例属于本发明的保护范围，但不限制本发明的保护范围。
下面通过更具体实施例对本发明进行说明。
实施例1
一种高强度耐腐蚀Al-Y-Sc合金的制备方法，包括以下步骤：
S1：制备合金铸锭：按以下质量百分数准备原料500g：质量百分比的组分：Sc0.01％、Cu 2.0％、Mg 1.8％、Y 0.25％、Zn 7.6％、Fe 0.15％、Cr 0.04％、Ti 0.06％、Mn0.05％、Zr 0.08％，余量为Al；将Cu、Sc、Zr、Y、Fe、Cr、Ti、Mn分别与Al制成中间合金，按质量比为7:3将Mg分为两份，将中间合金Al-Cu、Al-Sc、Al-Zr、Al-Y、Al-Fe、Al-Cr、Al-Ti、Al-Mn与纯Zn、高纯Al进行熔炼，将第一份Mg用铝箔包起来，用钟罩罩住压入熔液底部，等到完全熔化后取出钟罩，待炉料全部熔化后加入1g Al-Ti-B晶粒细化剂，静置10min加入10g六氯乙烷进行一次除气；然后将第二份Mg用铝箔包起来，用钟罩罩住压入熔液底部，等到完全熔化后取出钟罩，静置8min后再次添加5g六氯乙烷进行二次除气；温度上升到720℃时进行浇铸，把Al合金液缓缓注入事先加热到450℃的Cu模中，控制浇铸过程不断流，直至Al合金液全部浇铸到Cu模内，得到合金铸锭；
S2：将合金铸锭依次进行均匀化处理、固溶处理、淬火、预时效、回归、再时效处理，其中，均匀化处理升温速率为2℃/min，升温至465℃，保温时间为24h；固溶处理温度为455℃，时间为2h；淬火温度为室温，淬火转移时间为9s；预时效温度为120℃，时间为12h；回归温度为180℃，时间为15min；再时效温度为120℃，时间为24h；获得高强度耐腐蚀铝合金。
实施例2
一种高强度耐腐蚀Al-Y-Sc合金的制备方法，包括以下步骤：
S1：制备合金铸锭：按以下质量百分数准备原料500g：质量百分比的组分：Sc0.25％、Cu 2.3％、Mg 2.0％、Y 0.25％、Zn 8.0％、Fe 0.15％、Cr 0.04％、Ti 0.06％、Mn0.05％、Zr 0.15％，余量为Al；将Cu、Sc、Zr、Y、Fe、Cr、Ti、Mn分别与Al制成中间合金，按质量比为7:3将Mg分为两份，将中间合金Al-Cu、Al-Sc、Al-Zr、Al-Y、Al-Fe、Al-Cr、Al-Ti、Al-Mn与纯Zn、高纯Al进行熔炼，将第一份Mg用铝箔包起来，用钟罩罩住压入熔液底部，等到完全熔化后取出钟罩，待炉料全部熔化后加入2g Al-Ti-B晶粒细化剂，随后静置15min加入20g六氯乙烷进行一次除气；然后将第二份Mg用铝箔包起来，用钟罩罩住压入熔液底部，等到完全熔化后取出钟罩，静置10min后再次添加10g六氯乙烷进行二次除气；温度上升到720℃时进行浇铸，把Al合金液缓缓注入事先加热到500℃的Cu模中，控制浇铸过程不断流，直至Al合金液全部浇铸到Cu模内，得到合金铸锭；
S2：将合金铸锭依次进行均匀化处理、固溶处理、淬火、预时效、回归、再时效处理，其中，均匀化处理升温速率为2℃/min，升温至465℃，保温时间为24h；固溶处理温度为455℃，时间为2h；淬火温度为室温，淬火转移时间为8s；预时效温度为120℃，时间为12h；回归温度为180℃，时间为15min；再时效温度为120℃，时间为24h；获得高强度耐腐蚀铝合金。
实施例3
一种高强度耐腐蚀Al-Y-Sc合金的制备方法，包括以下步骤：
S1：制备合金铸锭：按以下质量百分数准备原料500g：质量百分比的组分：Sc0.35％、Cu 2.6％、Mg 2.3％、Y 0.25％、Zn 8.4％、Fe 0.15％、Cr 0.04％、Ti 0.06％、Mn0.05％、Zr 0.25％，余量为Al；将Cu、Sc、Zr、Y、Fe、Cr、Ti、Mn分别与Al制成，按质量比为7:3将Mg分为两份，将中间合金Al-Cu、Al-Sc、Al-Zr、Al-Y、Al-Fe、Al-Cr、Al-Ti、Al-Mn与纯Zn、高纯Al进行熔炼，将第一份Mg用铝箔包起来，用钟罩罩住压入熔液底部，等到完全熔化后取出钟罩，待炉料全部熔化后加入3g Al-Ti-B晶粒细化剂，静置10-20min加入30g六氯乙烷进行一次除气；然后将第二份Mg用铝箔包起来，用钟罩罩住压入熔液底部，等到完全熔化后取出钟罩，静置12min后再次添加15g六氯乙烷进行二次除气；温度上升到720℃时进行浇铸，把Al合金液缓缓注入事先加热到500℃的Cu模中，控制浇铸过程不断流，直至Al合金液全部浇铸到Cu模内，得到合金铸锭；
S2：将合金铸锭依次进行均匀化处理、固溶处理、淬火、预时效、回归、再时效处理，其中，均匀化处理升温速率为2℃/min，升温至465℃，保温时间为24h；固溶处理温度为455℃，时间为2h；淬火温度为室温，淬火转移时间为7s；预时效温度为120℃，时间为12h；回归温度为180℃，时间为15min；再时效温度为120℃，时间为24h；获得高强度耐腐蚀铝合金。
对比例1
与实施例2基本相同，唯有不同的是铝合金的制备原料缺少Sc、Zr、Y。
对比例2
与实施例2基本相同，唯有不同的是铝合金的制备原料中缺少Sc。
对比例3
与实施例2基本相同，唯有不同的是铝合金的制备原料中缺少Zr。
对比例4
与实施例2基本相同，唯有不同的是铝合金的制备原料中缺少Y。
实施例4
1.铝合金机械强度的测定
在板材面积、夹距相同的基础上，采用QT-1136PC万能材料试验机(广东高泰检测仪器有限公司)对实施例1-3、比例1-4的制备的板材进行机械强度测试。取实施例1-3、对比例1～4制得的铝合金作为阳极电极，浸没在质量分数3.5％的NaCl水溶液中，使用CHI-660电化学工作站进行防腐性能测试。
结果如表1所示。
表1各铝合金材料的机械强度测试结果
材料 抗拉强度/MPa 延伸率/％ 电导率/IACS 腐蚀电流密度/A/cm<sup>2</sup>
实施例1 366.9 11.6 33.6 7.50×10<sup>-7</sup>
实施例2 395.8 14.2 33.8 1.26×10<sup>-7</sup>
实施例3 391.3 13.8 33.7 1.32×10<sup>-7</sup>
对比例1 321.8 9.4 30.3 22.79×10<sup>-7</sup>
对比例2 365.3 11.5 33.2 7.53×10<sup>-7</sup>
对比例3 383.0 13.5 32.0 8.22×10<sup>-7</sup>
对比例4 371.9 13.3 33.1 7.66×10<sup>-7</sup>
由表1可知：实施例2为最优实施例；
(1)与实施例2对比，在其他制备条件相同的基础上，对比例1中制备铝合金的制备原料缺少Sc、Zr、Y，制备的铝合金抗拉强度降低了74.0MPa，延伸率降低了4.8％，电导率降低了3.42IACS，腐蚀电流密度提高了21.53A/cm2；对比例2中制备铝合金的原料中缺少Sc，制备的铝合金抗拉强度降低了30.5MPa，延伸率降低了2.7％，电导率降低了0.6IACS，腐蚀电流密度提高了6.27×10-7A/cm2；对比例3中制备铝合金的原料中缺少Zr，制备的铝合金抗拉强度降低了12.8MPa，延伸率降低了1.8％，电导率降低了0.7IACS，腐蚀电流密度提高了6.96×10-7A/cm2；对比例4中制备铝合金的原料中缺少Y，制备的铝合金抗拉强度降低了23.9MPa，延伸率降低了0.9％，电导率降低了0.7IACS，腐蚀电流密度提高了6.4×10-7A/cm2。
(2)由(1)可知，与实施例2对比，Sc、Zr、Y一起作用时可将抗拉强度提高74.0MPa，将延伸率提高4.8％，将电导率提高3.42IACS，将腐蚀电流密度降低21.53×10-7A/cm2；Sc单独作用时，可将抗拉强度提高30.5MPa，将延伸率提高2.7％，将电导率降提高0.6IACS，将腐蚀电流密度提高6.27×10-7A/cm2；Zr单独作用时，可将抗拉强度提高12.8MPa，将延伸率提高1.8％，将电导率降提高0.7IACS，将腐蚀电流密度提高6.96×10-7A/cm2；Y单独作用时，可将抗拉强度提高23.9MPa，将延伸率提高0.9％，将电导率降提高0.7IACS，将腐蚀电流密度提高6.4×10-7A/cm2；由此可以计算Sc、Zr、Y一起作用时比Sc、Zr、Y分别单独作用时提高抗拉强度的效果增加了：[74.0-(30.5+12.8+23.9)]÷(30.5+12.8+23.9)×100％＝10.1％＞10％；Sc、Zr、Y一起作用时比Sc、Zr、Y分别单独作用时提高弯曲强度的效果增加了：[4.8-(2.7+0.7+0.9)]÷(2.7+0.7+0.9)×100％＝11.6％＞10％；Sc、Zr、Y一起作用时比Sc、Zr、Y分别单独作用时提高电导率的效果增加了：[3.42-(0.6+1.8+0.7)]÷(0.6+1.8+0.7)×100％＝10.3％＞10％；Sc、Zr、Y一起作用时比Sc、Zr、Y分别单独作用时降低腐蚀电流密度的效果增加了：[4.8-(2.7+0.7+0.9)]÷(2.7+0.7+0.9)×100％＝11.6％＞10％；Sc、Zr、Y一起作用时比Sc、Zr、Y分别单独作用时提高电导率的效果增加了：[21.60×10-7-(6.27×10-7+6.96×10-7+6.4×10-7)]÷(6.27×10-7+6.96×10-7+6.4×10-7)×100％＝10.0％。因此可见，Sc、Zr、Y一起使用时产生了协同作用，协同提高了铝合金的抗拉强度、延伸率、电导率，并协同降低了电腐蚀密度。
(3)由图1～5可以看出，本发明实施例2制备的样品的晶粒相比对比例1～4制备的样品的晶粒更加均匀，晶粒大小也得到了细化，其产生的缺陷也明显少于对比例1～4制备的样品。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高强度耐腐蚀Al-Y-Sc合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：制备合金铸锭：按以下质量百分比准备原料：Sc 0.01％-0.35％、Cu2.0-2.6％、Mg1.8-2.3％、Y 0.25％、Zn 7.6-8.4％、Fe 0.15％、Cr 0.04％、Ti 0.06％、Mn 0.05％、Zr0.08-0.25％，余量为Al；将Cu、Sc、Zr、Y、Fe、Cr、Ti、Mn分别与Al制成中间合金，将Mg分为两份，将中间合金Al-Cu、Al-Sc、Al-Zr、Al-Y、Al-Fe、Al-Cr、Al-Ti、Al-Mn与纯Zn、高纯Al进行熔炼，向熔液加入第一份Mg，待炉料全部熔化后加入Al-Ti-B晶粒细化剂，静置10～20min后加入六氯乙烷进行一次除气；然后加入第二份Mg，静置8～12min后进行二次除气；温度上升到720℃时进行浇铸，浇铸后得到合金铸锭；
S2：将合金铸锭依次进行均匀化处理、固溶处理、淬火、预时效、回归、再时效处理，获得高强度耐腐蚀铝合金；
所述的均匀化处理温度为465℃，保温时间为24h；
所述的固溶处理温度为455℃，时间为2h；
所述的淬火温度为室温，淬火转移时间不超过10s；
所述的预时效温度为120℃，时间为12h；
所述的回归温度为180℃，时间为15min；
所述的再时效温度为120℃，时间为24h。
2.根据权利要求1所述的高强度耐腐蚀Al-Y-Sc合金的制备方法，其特征在于，所述的步骤S1中，Mg的加入方式为：将Mg用铝箔包起来，用钟罩罩住压入熔液底部，等到完全熔化后取出钟罩。
3.根据权利要求1所述的高强度耐腐蚀Al-Y-Sc合金的制备方法，其特征在于，所述的步骤S1中，浇铸方式为：准备Cu模，将Cu模加热，然后把Al合金液缓缓注入Cu模中，控制浇铸过程不断流，直至Al合金液全部浇铸到Cu模内。
4.根据权利要求3所述的高强度耐腐蚀Al-Y-Sc合金的制备方法，其特征在于：所述的Cu模加热至450～550℃。
5.根据权利要求1所述的高强度耐腐蚀Al-Y-Sc合金的制备方法，其特征在于：所述的步骤S1中，第一份Mg与第二份Mg的质量比为7:3。
6.根据权利要求1所述的高强度耐腐蚀Al-Y-Sc合金的制备方法，其特征在于：所述的步骤S1中，Al-Ti-B晶粒细化剂的加入量为炉料重量的0.2～0.6％。
7.根据权利1所述的高强度耐腐蚀Al-Y-Sc合金的制备方法，其特征在于：所述的步骤S1中，一次除气六氯乙烷的加入量为炉料重量的2～6％。
8.根据权利要求1所述的高强度耐腐蚀Al-Y-Sc合金的制备方法，其特征在于：所述的步骤S1中，二次除气六氯乙烷的加入量为炉料重量的1～3％。
9.根据权利要求1所述的高强度耐腐蚀Al-Y-Sc合金的制备方法，其特征在于：所述的步骤S2中，均匀化处理的升温速率为2℃/min。
10.一种根据权利要求1-9任一项所述的高强度耐腐蚀制备方法制备的Al-Y-Sc合金。
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