CN112708803B - 一种高比模量铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高比模量铝合金。所述合金以质量百分比包括下述组分：Li：2～4％，Mn：1～7％，Zr：0.05～0.3％，Ti：0.0～0.3％、Sc：0.0～0.3％，余量为Al；其中Li、Mn为必备的提高铝合金模量的元素，Zr、Ti、Sc为晶粒调控元素。其制备方法为：按设计的铝合金组分配比，称取各组分，在真空熔炼炉中进行熔炼并浇铸成型，然后热变形成棒材或板材。本发明采用熔炼铸造及形变热处理方法，通过控制提高模量的合金元素(Li、Mn)与晶粒控制元素Zr、Ti、Sc的含量，制备成具有高模量和高比模量的铝合金。本发明制备出了比现有铝合金更高模量的的铝锰锂合金，制备工艺简单，可做为高比刚度轻量化结构材料。

Description

一种高比模量铝合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高比模量铝合金及其制备方法，属于新型金属结构材料。
背景技术
铝合金作为空天、陆地与水面运载工具的主干材料，性价比高，应用面广。高模量铝合金对于实现减重增效、长寿命起着决定性作用，不可或缺。高模量是高性能铝合金的共性特征，相近强度条件下大幅提高铝合弹性模量以提高比模量，是实现运载工具减重增效的主要发展方向。
航空用高性能铝合金主要包括7XXX系的Al-Zn-Mg-Cu铝合金与2XXXX系的Al-Cu-Mg与Al-Li合金。7XXX系铝合金具有高的比强度(180-208MPa.cm3/g)，但其比模量偏低(不超过25GPa.cm3/g)。2XXX系的Al-Cu-Mg铝合金的比强度(140-170MPa.cm3/g)与比模量(26-27GPa.cm3/g)均偏低，而Al-Li合金具有相对高的比强度(180-220MPa.cm3/g)与比模量(27-31GPa.cm3/g)，但其比模量有特进一步的提高。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种高比模量铝合金及其制备方法，本发明在成份设计上，通过调控强化元素(Li，Mn)与晶粒控制元素Zr、Sc的含量，在制备工艺上，采用真空熔炼铸造及形变热处理方法，析出Al3Li、Al6Mn、Al4Mn等高模量相，从而获得低密度高模量的铝合金，以提高合金的比模量，制得的此类铝合金具有比传统铝合金的更高模量、更高比模量。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明一种高比模量铝合金，包含以下重量百分比的组分：Li：2～4％，Mn：1～7％，Zr：0.05～0.3％，Ti：0.0～0.3％、Sc：0.0～0.2％，余量为Al。
本发明的高比模量铝合金，其中Li、Mn为必备的提高铝合金模量的元素，Zr、Ti、Sc为晶粒调控元素。优化的条件下，本发明所提供的合金的弹性模量达到90GPa，比模量达到34GPa.cm3/g。
在本发明中，首创的添加了高含量的Mn(5.3～7％)，相对于现有技术中的Mn含量大幅提升了，因为Mn属于高密度元素，过多添加Mn会提高合金的密度，最终降低材料的比强度；另一方面，同时由于Mn是一种易挥发物质，在常规的高温熔炼过程中，易产生烧损，因此高含量Mn的加入常导致铸锭产生大量的气孔、宿松、裂纹、偏析等缺陷，因此在现有技术中的铝合金中通常仅添加微量Mn(一般是0.1-0.3质量分数％)，目的在于通过弥散析出Al20Cu2Mn相，抑制铝合金在加工变形过程中的再结晶，减少回复再结晶程度，从而改善后续的疲劳与腐蚀性能，然而微量Mn并不能提高合金的弹性模量。
本发明克服现有技术的障碍，反其道而行，通过添加高Mn含量(5.3～7％)从而使合金中形成Al6Mn、Al4Mn等高模量化合物相，从而提高基体合金的弹性模量；同时，合金中添加2-4％Li，一方面使合金的整体密度降低，另一方面使合金在后续的热处理过程中析出高模量的Al3Li相。由于Mn与Li对铝基体合金的模量与密度的影响，在它们以及晶粒调控元素Zr、Ti、Sc的协同作用下，最终形成了高比模量铝合金。
作为优选方案，本发明一种高比模量铝合金，包含以下重量百分比的组分：Li：2～4％，Mn：5.3～7％，Zr：0.05～0.1％，余量为Al。
作为优选方案，本发明一种高比模量铝合金，包含以下重量百分比的组分：Li：3％，Mn：5.3％，Zr：0.1％，余量为Al。在该优选方案中，比模量最优，达到34.24GPa.cm3/g。
本发明一种高比模量铝合金的制备方法，按设计的铝合金组分配比，称取各组分，采用真空熔炼把铝、锂、铝锆中间合金、铝锰中间合金、铝钪中间合金、铝钛合金在真空环境下熔化，然后在熔体中充入氩气进行复合除气除渣处理，静置后浇铸成型获得铸锭，然后把铸锭经过热挤压、固溶处理后室温水淬、时效处理即得高比模量铝合金。
作为优选方案，本发明一种高比模量铝合金的制备方法，所述时效处理的温度为145℃～170℃，时效处理的时间为20h～48h。
本发明利用真空熔炼、氩气精炼及保护的复合熔铸方法，能减少常规熔铸方法所带来的缺陷，从而提高铸锭质量，并且在后续的变形加工过程中，通过控制热变形工艺，最终获得高比模量的铝锰锂合金。
本发明的特点：
本发明采用熔炼铸造及形变热处理方法，通过控制提高模量的合金元素(Li、Mn)与晶粒控制元素Zr、Ti、Sc的含量，制备成具有高模量和高比模量的铝合金。
具体实施方式
对比例1
采用7XXX系的典型7085铝锌镁合金，其成分为Al-7.5Zn-1.5Mg-1.6Cu-0.2Zr，原材料以A00纯铝、工业纯镁、纯锌、Al-5Cu合金及Al-4Zr合金等形式加入。合金熔炼在电阻炉中进行，熔体温度在720℃时浇入铁模中。铸锭在450℃进行均匀化处理24h，然后在热挤压成，合金固溶处理后室温水淬，在120℃时效处理24h。材料的密度、模量与比模量如表1。
对比例2
采用典型的1420铝锂合金，其成分为Al-2.2Li-5.0Mg-0.1Zr，原材料以A00纯铝、工业纯镁、Al-10Mn及Al-4Zr合金等形式加入。合金熔炼在真空熔炼炉中进行熔炼与浇铸，然后再热轧成5mm的板材，合金固溶处理后室温水淬，在145℃时效处理48h。材料的密度、模量与比模量如表1。
对比例3
采用典型的2XXX系2195铝铜锂合金，其成分为Al-3.8Cu-1.1Li-0.36Ag-0.36Mg-0.1Zr，原材料以A00纯铝、工业纯镁、纯银、Al-50Cu、Al-10Li及Al-4Zr合金等形式加入。合金熔炼在真空熔炼炉中进行熔炼与浇铸，然后再热轧成30mm的板材，合金固溶处理后室温水淬，在145℃时效处理32h。材料的密度、模量与比模量如表1。
实施例1
合金的组份及其重量百分比为Al-3Li-5.3Mn-0.1Zr。原材料以纯铝、纯锂、Al-10Mn合金及Al-4Zr合金等形式加入。合金熔炼在真空熔炼炉中进行熔炼与浇铸，然后再热挤压12mm的板材，合金固溶处理后室温水淬，在145℃时效处理48h。材料的密度、模量与比模量如表1。
实施例2
合金的组份及其重量百分比为Al-2.5Li-1Mn-0.3Zr。原材料以纯铝、纯锂、Al-10Mn合金及Al-4Zr合金等形式加入。合金熔炼在真空熔炼炉中进行熔炼与浇铸，然后再热轧成15mm的板材，合金固溶处理后室温水淬，在150℃时效处理40h。材料的密度、模量与比模量如表1。
实施例3
合金的组份及其重量百分比为Al-3Li-7Mn-0.05Zr。原材料以纯铝、纯锂、Al-10Mn合金及Al-4Zr合金等形式加入。合金熔炼在真空熔炼炉中进行熔炼与浇铸，然后再热轧成15mm的板材，合金固溶处理后室温水淬，在150℃时效处理40h。材料的密度、模量与比模量如表1。
实施例4
合金的组份及其重量百分比为Al-4Li-3Mn-0.05Zr-0.15Ti-0.3Sc。原材料以纯铝、纯锂、Al-10Mn合金、Al-5Ti合金、Al-4Zr合金及Al-2Sc合金等形式加入。合金熔炼在真空熔炼炉中进行熔炼与浇铸，然后再热挤压成10mm的棒材，合金固溶处理后室温水淬，在170℃时效处理20h。材料的密度、模量与比模量如表1。
实施例5
合金的组份及其重量百分比为Al-2Li-5Mn-0.1Zr-0.1Ti-0.1Sc。原材料以纯铝、纯锂、Al-10Mn合金、Al-5Ti合金、Al-4Zr合金及Al-2Sc合金等形式加入。合金熔炼在真空熔炼炉中进行熔炼与浇铸，然后再热挤压成10mm的棒材，合金固溶处理后室温水淬，在170℃时效处理20h。材料的密度、模量与比模量如表1。
表1本发明合金的性能
Figure GDA0003528619160000031
比较实施例与对比例的性能参数值，可以看出：本发明制备的铝合金的模量、比模量明显高于对比实施例合金。

Claims (2)

1.一种高比模量铝合金的制备方法，其特征在于：按设计的铝合金组分配比，称取各组分，采用真空熔炼把铝、锂、铝锆中间合金、铝锰中间合金、铝钪中间合金、铝钛合金在真空环境下熔化，然后在熔体中充入氩气进行复合除气除渣处理，静置后浇铸成型获得铸锭，然后把铸锭经过热挤压、固溶处理后室温水淬、时效处理即得高比模量铝合金；
所述高比模量铝合金，由以下重量百分比的组分组成：Li：2～4%，Mn：5.3～7%，Zr：0.05～0.1%，Ti 0.15%，Sc 0.3%，余量为Al；
所述时效处理的温度为145℃~170℃，时效处理的时间为20h~48h。
2.根据权利要求1所述的一种高比模量铝合金的制备方法，其特征在于：由以下重量百分比的组分组成：Li：3 %，Mn：5.3 %，Zr： 0.1%，Ti 0.15%，Sc 0.3%，余量为Al。
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