CN113234965B

CN113234965B - 一种耐高温高强铝合金及制备方法

Info

Publication number: CN113234965B
Application number: CN202110486406.5A
Authority: CN
Inventors: 李烈军; 张鑫奎; 彭政务; 黄宇鸿; 高吉祥; 邓炽裕
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2021-04-30
Filing date: 2021-04-30
Publication date: 2022-06-10
Anticipated expiration: 2041-04-30
Also published as: CN113234965A

Abstract

本发明公开了一种耐高温高强铝合金及制备方法。其成分按重量百分比包括Mg:4.10～6.30％、La：11.50～11.90％、Si：0.25～0.35％、Mn：0.55～0.70％，余量为Al和不可避免的杂质。本发明加入了11.50～11.90％的稀土La和常用铝合金元素Mg、Mn、Si并使用了热挤压工艺，使该合金在室温下的抗拉强度大于300MPa，断后延伸率大于8％；其在300℃下的抗拉强度大于210MPa，断后延伸率大于15％。本发明的耐高温高强铝合金成分设计合理，同时兼顾了室温和高温性能的要求。提高了铝合金在300℃下的强度，加快了铝合金在塑料加工模具、汽车发动机和航空航天的应用。

Description

一种耐高温高强铝合金及制备方法

技术领域

本发明属于铝合金材料领域，具体涉及一种耐高温高强铝合金及制备方法。

背景技术

在塑料制造行业中，随着生产效率的不断提高。其加工用的模具要求导热快、在300℃下具有一定的强度。这样能够在短时间内降温，从而提高了出料的速度、使生产效率得以快速提高。同时汽车、航空航天领域的轻量化需求，并且在300℃工作环境的零件能实现对钛合金的替换。实现成本的降低同时又能达到轻量化的效果。由于具有比强度高、导热率高等的优点，铝合金在这些领域中具有巨大的潜力。

然而，现如今常用的高强铝合金多为沉淀硬化铝合金，其多为高温亚稳定状态。目前常用的7系和2系高强铝合金，其在300℃下长时保温会使第二相发生粗化，使力学性能降低。所以对于耐高温高强铝合金的需求日益迫切。对此，Yingtao Liu等人研制了Al-10La-1Mn合金。该材料在300℃下的性能衰退较小，仍能维持45％的室温抗拉强度。然而，其室温和高温强度偏低(室温抗拉强度约175MPa；300℃抗拉强度约为80MPa)。

基于上述应用领域的特点，要求铝合金材料具备某些性能，即在室温下具有足够的强度及塑性，同时在300℃下具有组织稳定性且仍能保持一定的强度。所以有必要设计出一种专门适用于高温领域应用的铝合金，满足塑料模具及航空航天的需求。

发明内容

为了解决传统高强铝合金在高温下由于第二相粗化导致强度下降的问题，本发明的目的在于提供一种在300℃下具有优良的高温力学性能的新型铝合金及制备方法。

本发明的目的由以下的技术方案来实现：

一种耐高温高强铝合金，其成分包括Mg：4.10～6.30wt％、La：11.50～11.90wt％、Si：0.25～0.35wt％、Mn：0.55～0.70wt％，余量为Al和不可避免的杂质。

优选的，其成分包括Mg:5.10～5.30wt％、La：11.50～11.90wt％、Si：0.25～0.35wt％、Mn：0.55～0.70wt％、Ti:0.25-0.35wt％、Zr:0.20-0.90wt％，余量为Al和不可避免的杂质。

优选的，其成分包括：Mg:5.10～5.30wt％、La：11.50～11.90wt％、Si：0.25～0.35wt％、Mn：0.55～0.70wt％、Ti:0.25-0.35wt％、Zr:0.50-0.60wt％，余量为Al和不可避免的杂质。

优选的，所述耐高温高强铝合金在室温下的抗拉强度大于300MPa，断后延伸率大于8％；其在300℃下的抗拉强度大于210MPa，断后延伸率大于15％。

上述耐高温高强铝合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)对原料进行熔炼；

(2)将熔化后的金属液在750-900℃下保温后进行浇铸获得铸锭；

(3)将所得的铸锭进行热挤压。

优选的，步骤(1)所选原料为纯铝锭、纯镁锭、和Al-La、Al-Mn、Al-Si、Al-Ti、Al-Zr中间合金。

优选的，所述熔炼为真空感应熔熔炼；

优选的，步骤(2)所述保温的时间为5-30分钟。

优选的，步骤(2)所述保温的温度为860℃；保温的时间为15分钟；所述浇铸为用铜模浇铸。

优选的，步骤(3)所述热挤压的温度为350-500℃，热挤压的挤压比5比1至30比1。进一步优选的，所述热挤压的温度为400℃，热挤压的挤压比为20比1。

优选地，热挤压前模具要预热至400℃，同时工件要在400℃保温15min。

本发明通过成分设计和后续的热加工，大大提高了铝合金在300℃时的强度，具体地，本发明的特点是：

1.采用较便宜的稀土元素La，确保产品的高温稳定性。

归因于沉淀相在高温下易粗化，传统的铝合金在高温下通常表现不太理想。经研究得La与Al的原子半径差别大，所以La在铝中的扩散系数很低。使该材料即使在高温下也具有良好的稳定性。同时由于La化学性质比较活泼，使其与传统的铝合金添加元素(Mg、Si、Mn)会发生反应，进一步提高强度。同时传统的铝合金添加元素会强化基体，使基体在拉伸过程中不会过早屈服，导致基体与第二相的界面过早破坏而使材料失效。

同时由于La与Ce是其他贵重稀土生产的副产品，加大La与Ce的用量有利于提高La与Ce的价格从而降低其他贵重稀土的价格。所以使用稀土La不仅在材料高温性能上具有优势同时能有利于稀土市场的健康发展。

2.高的镁含量

高的镁含量能降低铝基体的层错能，提高了材料的加工硬化能力。且溶质原子镁也起固溶强化的作用。与此同时，镁密度小，能够减轻高密度的镧带来的影响。

3.使用热挤压工艺，确保产品的塑韧性。

通过热挤压能使铸造过程中产生的孔洞得以消除，同时组织中大块的第二相会破碎并重新排列使其强韧性得到更进一步的提高。

附图说明

图1为实施例1-3制备的耐高温高强铝合金在室温下拉伸的工程应力应变曲线。

图2为实施例1-3制备的耐高温高强铝合金在300℃下拉伸的工程应力应变曲线。

图3为实施例4制备的耐高温高强铝合金组织示意图；

图4为实施例4-7制备的耐高温高强铝合金在室温下拉伸的工程应力应变曲线。

图5为实施例4-7制备的耐高温高强铝合金在300℃下拉伸的工程应力应变曲线。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进行具体地描述，但本发明的实施方式和保护范围不限于以下实施例。

实施例中所选原料为纯铝锭、纯镁锭、和Al-La、Al-Mn、Al-Si、Al-Ti、Al-Zr中间合金。

实施例1

一种耐高温高强铝合金的制备方法

工艺流程：将按成分比例Mg:5.10～5.30wt％、La：11.50～11.90wt％、Si：0.25～0.35wt％、Mn：0.55～0.70wt％，余量为Al配好的混合原料用真空感应熔炼冶炼，将金属液加热到860℃保温15分钟使金属液在感应线圈的作用下翻滚均匀后用铜模浇铸获得铸锭；

将浇铸好的铸锭进行热挤压，热挤压参数为：挤压比为9：1；挤压温度为350℃。

实施例2

一种耐高温高强铝合金的制备方法

本实施例与实施例1基本相同，区别在于挤压温度为400℃。

实施例3

一种耐高温高强铝合金的制备方法

本实施例与实施例1基本相同，区别在于挤压温度为450℃。

实施例4

本实例所述基于一种耐高温高强铝合金的制备方法，工艺流程：将按成分比例Mg:5.10～5.30wt％、La：11.50～11.90wt％、Si：0.25～0.35wt％、Mn：0.55～0.70wt％、Ti:0.25-0.35wt％、Zr:0.20-0.90wt％，余量为Al配好的混合原料用真空感应熔炼冶炼，将金属液加热到860℃保温15分钟使金属液在感应线圈的作用下翻滚均匀后用铜模浇铸获得铸锭；

将浇铸好的铸锭进行热挤压，热挤压参数为：挤压比为20：1，挤压温度为350℃。

实施例5

一种耐高温高强铝合金的制备方法

本实施例与实施例4基本相同，区别在于挤压温度为400℃。

实施例6

一种耐高温高强铝合金的制备方法

本实施例与实施例4基本相同，区别在于挤压温度为450℃。

实施例7

一种耐高温高强铝合金的制备方法

本实施例与实施例4基本相同，区别在于挤压温度为500℃。

实施例4制备的耐高温高强铝合金的微观组织见图3；如图3所示，由于是在背散射模式下拍摄的扫描电镜图。所以根据原子序数的差别可大致推断，黑色部分为铝基体，白亮部分为Al₁₁La₃相。热挤压加工后，其第二相呈现带状分布。第二相提高了材料的室温和高温强度，限制了铝基体在高温下发生软化。同时高含量的镁阻碍基体的动态回复和再结晶过程，所以该材料在高温下性能优越。同时带状之间分布的铝基体为室温塑性起关键的作用。

实施例1-3制备的耐高温高强铝合金在室温和300℃下的拉伸曲线见图1、图2；

实施例4-7制备的耐高温高强铝合金在室温和300℃下的拉伸曲线见图4、图5。

实例1-7制备的耐高温高强铝合金在室温和300℃下的抗拉强度及延伸率汇总见表1

表1各实例拉伸性能数据汇总

从该材料室温下的工程应力应变曲线中可知，在均匀塑性变形阶段发生了波特文-勒夏利埃效应，具体表现为曲线呈锯齿状。具体原理为：溶质原子镁对位错的钉扎和脱扎，导致应力发生小幅度的波动。同时，由拉伸结果可知，不同的挤压温度下，材料均有好的强韧性，给我们提供了很大的加工窗口。

以上实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种耐高温高强铝合金，其特征在于，其成分包括Mg：4.10～6.30 wt%、La：11.50～11.90 wt%、Si：0.25～0.35 wt%、Mn：0.55～0.70 wt%，余量为Al和不可避免的杂质；

所述耐高温高强铝合金的制备方法包括以下步骤：

（1）对原料进行熔炼；

（2）将熔化后的金属液在750-900 ℃下保温后进行浇铸获得铸锭；

（3）将所得的铸锭进行热挤压；

步骤（2）所述保温的时间为5-30分钟；

步骤（3）所述热挤压的温度为350-500 ℃，热挤压的挤压比5比1至30比1。

2.根据权利要求1所述的耐高温高强铝合金，其特征在于，其成分包括Mg:5.10～5.30wt%、La：11.50～11.90 wt%、Si：0.25～0.35 wt%、Mn：0.55～0.70 wt%、Ti:0.25-0.35 wt%、Zr:0.20-0.90 wt%，余量为Al和不可避免的杂质。

3.根据权利要求2所述的耐高温高强铝合金，其特征在于，其成分包括：Mg:5.10～5.30 wt%、La：11.50～11.90 wt%、Si：0.25～0.35 wt%、Mn：0.55～0.70 wt% 、Ti:0.25-0.35 wt%、Zr:0.50-0.60 wt%，余量为Al和不可避免的杂质。

4.根据权利要求1所述的耐高温高强铝合金，其特征在于，所述耐高温高强铝合金在室温下的抗拉强度大于300 MPa，断后延伸率大于8 %；其在300 ℃下的抗拉强度大于210MPa，断后延伸率大于15 %。

5.权利要求1-4任一项所述耐高温高强铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）对原料进行熔炼；

（3）将所得的铸锭进行热挤压；

步骤（2）所述保温的时间为5-30分钟；

6.根据权利要求5所述的一种耐高温高强铝合金的制备方法，其特征在于，步骤（1）所选原料为纯铝锭、纯镁锭、和Al-La、Al-Mn、Al-Si、Al-Ti、Al-Zr中间合金。

7.根据权利要求5所述的一种耐高温高强铝合金的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述保温的温度为860 ℃；保温的时间为15分钟；所述浇铸为用铜模浇铸。

8.根据权利要求5所述的一种耐高温高强铝合金的制备方法，其特征在于，所述热挤压的温度为400 ℃，热挤压的挤压比为20比1。