CN113444923B - 一种高强耐热Al-Fe合金及其制备方法 - Google Patents

一种高强耐热Al-Fe合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于金属材料技术领域，提供了一种高强耐热Al‑Fe合金的制备方法，将铸态Al‑Fe合金依次进行喷射成形和热挤压，得到高强耐热Al‑Fe合金；按质量百分比计，高强耐热Al‑Fe合金包括以下组分：Y0.1～1.0％，Fe2～8％和余量的Al。本发明通过添加稀土元素Y并结合喷射成形，在铝基体中形成了细小弥散分布且在高温下粗化速率低、热稳定性好的三元相AlFeY，消除了粗大针状分布的二元相AlFe，在提高合金耐热性能的同时降低了AlFe相对铝基体的割裂作用。实施例的结果显示，300℃热暴露100h，本发明提供的Al‑Fe合金的抗拉强度仍能保持220.6MPa，屈服强度仍能保持188.4MPa。

Description

一种高强耐热Al-Fe合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，尤其涉及一种高强耐热Al-Fe合金及其制备方法。
背景技术
Al和Fe是地壳中储量最丰富的两种金属元素，因其来源广泛，成本低廉，是工业应用中最普遍的两种金属。Al-Fe合金与其他铝合金相比，保持了铝合金密度较轻的特点，同时由于Fe在Al中会形成多种Al-Fe金属间化合物，因而其强度与硬度都相对较高，具有广泛的应用前景。
目前，为了提高Al-Fe合金的强度和耐热性，通常是在Al基体中添加足够多的Fe，从而在基体中形成更多的金属间化合物，然而过多的Fe会在基体中形成粗大的针状或片状金属间化合物，严重割裂基体，恶化合金力学性能。并且，通过在铝合金基质上结晶和/或沉淀金属间化合物而具有耐热性的合金在200℃或更高温度下存在耐热性劣化的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强耐热Al-Fe合金及其制备方法，本发明提供的高强耐热Al-Fe合金具有优异的耐热性能。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供了一种高强耐热Al-Fe合金的制备方法，包括：
将铸态Al-Fe合金依次进行喷射成形和热挤压，得到高强耐热Al-Fe合金；按质量百分比计，所述高强耐热Al-Fe合金包括以下组分：Y 0.1～1.0％，Fe 2～8％和余量的Al。
优选地，按质量百分比计，所述高强耐热Al-Fe合金包括以下组分：Y0.2～0.8％，Fe 4～8％和余量的Al。
优选地，所述喷射成形的雾化温度为900～1000℃，所述喷射成形的雾化压力为0.35～0.9MPa。
优选地，所述喷射成形的沉积距离为400～800mm，所述喷射成形所用沉积器的旋转速度为1～1.5r/s。
优选地，所述热挤压的挤压比为16～25，所述热挤压的温度为450～550℃。
优选地，所述铸态Al-Fe合金的制备方法包括：将合金原料依次进行熔化、精炼和浇注，得到铸态Al-Fe合金。
优选地，所述合金原料包括金属铝、Al-Fe中间合金和Al-Y中间合金。
优选地，所述熔化的温度为780～850℃，所述熔化的时间为30～60min。
优选地，所述精炼的温度为760～830℃，所述精炼的时间为5～10min。
本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备的高强耐热Al-Fe合金，所述高强耐热Al-Fe合金的微观组织包括铝基体和弥散分布于所述铝基体中的AlFeY相。
本发明提供了一种高强耐热Al-Fe合金的制备方法，将铸态Al-Fe合金依次进行喷射成形和热挤压，得到高强耐热Al-Fe合金；按质量百分比计，所述高强耐热Al-Fe合金包括以下组分：Y 0.1～1.0％，Fe 2～8％和余量的Al。本发明以Al-Fe合金为基础，通过添加元素Y，并结合喷射成形，提高了Al-Fe合金材料的耐热性能，得到了一种高强耐热Al-Fe合金。本发明通过添加稀土元素Y并结合喷射成形，在铝基体中形成了细小弥散分布且在高温下粗化速率低、热稳定性好的三元相AlFeY，消除了粗大针状分布的二元相AlFe，在提高合金耐热性能的同时降低了AlFe相对铝基体的割裂作用。实施例的结果显示，本发明提供的高强耐热Al-Fe合金室温抗拉强度可达220～280MPa，屈服强度可达160～240MPa，伸长率可达20～33％；300℃热暴露100h后，Al-Fe合金的抗拉强度仍能保持170～220MPa，屈服强度仍能保持120～180MPa。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的高强耐热Al-Fe合金的扫描电镜图；
图2为对比例1制备的Al-Fe合金的扫描电镜图。
具体实施方式
本发明提供了一种高强耐热Al-Fe合金的制备方法，包括：
将铸态Al-Fe合金依次进行喷射成形和热挤压，得到高强耐热Al-Fe合金；按质量百分比计，所述高强耐热Al-Fe合金包括以下组分：Y 0.1～1.0％，Fe 2～8％和余量的Al。
本发明将铸态Al-Fe合金依次进行喷射成形和热挤压，得到高强耐热Al-Fe合金。本发明通过添加稀土元素Y并结合喷射成形，在铝基体中形成了细小弥散分布且在高温下粗化速率低、热稳定性好的三元相AlFeY，消除了粗大针状分布的二元相AlFe，在提高合金耐热性能的同时降低了AlFe相对铝基体的割裂作用。
在本发明中，所述铸态Al-Fe合金的制备方法优选包括：将合金原料依次进行熔化、精炼和浇注，得到铸态Al-Fe合金。
本发明对所述合金原料的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的合金原料即可。在本发明中，所述合金原料的纯度优选为99.9％以上。在本发明中，所述合金原料优选包括金属铝、Al-Fe中间合金和Al-Y中间合金；所述金属铝优选为工业纯铝锭，所述Al-Fe中间合金优选为Al-30Fe中间合金，所述Al-Y中间合金优选为Al-20Y中间合金。
在本发明中，所述合金原料在进行熔化前优选进行预热。在本发明中，所述预热的温度优选为150～200℃，更优选为180℃；所述预热的时间优选为30～50min，更优选为30min。
在本发明中，所述熔化的温度优选为780～850℃，更优选为820℃；所述熔化的时间优选为30～60min，更优选为40～50min。本发明优选将所述熔化的温度控制在上述范围，既实现了合金原料的熔化，又不浪费能量。本发明优选先将金属铝和Al-Fe中间合金进行第一熔化，再加入Al-Y中间合金进行第二熔化。在本发明中，所述第一熔化的时间优选为20～30min；所述第二熔化的时间优选为10～30min。在本发明中，所述熔化的装置优选为坩埚。
熔化完成后，本发明优选将所述熔化后的产物进行扒渣，再进行精炼。本发明对所述扒渣和精炼的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的扒渣和精炼的技术方案即可。在本发明中，所述精炼的温度优选为760～830℃，更优选为800℃；所述精炼的时间优选为5～10min，更优选为5min。在本发明中，所述精炼的气氛优选为氩气，所述氩气的纯度优选为99.999％，所述氩气的流量优选为0.50～0.65m3/h，更优选为0.55m3/h。
精炼完成后，本发明优选将所述精炼后的产物依次进行静置和浇注，得到铸态Al-Fe合金。在本发明中，所述静置的温度优选为760～830℃，更优选为800℃；所述静置的时间优选为30～40min，更优选为30min。
本发明对所述浇注的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的浇注的技术方案即可。在本发明中，所述浇注的温度优选为150～200℃，更优选为200℃；所述浇注的时间优选为15～30min，更优选为15～25min。在本发明中，所述浇注的装置优选为铜模。
得到铸态Al-Fe合金后，本发明将所述铸态Al-Fe合金依次进行喷射成形和热挤压，得到高强耐热Al-Fe合金。
在本发明中，所述喷射成形的雾化温度优选为900～1000℃，更优选为900℃；所述喷射成形的雾化压力优选为0.35～0.9MPa，更优选为0.4～0.8MPa；所述喷射成形的气氛优选为氮气，所述氮气的纯度优选为99.999％。本发明优选将所述喷射成形的雾化温度控制在上述范围，有利于得到耐热性能好、强度高的Al-Fe合金。在本发明中，所述喷射成形的装置优选为喷射成形感应炉。
在本发明中，所述喷射成形的沉积距离优选为400～800mm，更优选为500～600mm；所述喷射成形所用沉积器的旋转速度优选为1～1.5r/s，更优选为1r/s。
在本发明中，所述热挤压的挤压比优选为16～25，更优选为16；所述热挤压的温度优选为450～550℃，更优选为480～540℃；所述热挤压的时间优选为10～30min，更优选为15～25min。本发明优选将所述热挤压的挤压比控制在上述范围，挤压比小于16时，合金的强度和耐热性能将显著降低，而高于25将无法进行热挤压。
按质量百分比计，本发明提供的高强耐热Al-Fe合金包括Y 0.1～1.0％，优选为0.2～0.8％。本发明通过向Al-Fe合金中添加稀土元素Y，结合喷射成形可获得细小弥散分布且在高温下扩散率和粗化速率低的三元相AlFeY，消除了Al-Fe合金中粗大针状分布的二元相AlFe，在提高合金的耐热性的同时降低了Al-Fe相对铝基体的割裂作用，从而获得了高强耐热Al-Fe合金。本发明通过将Y的含量控制在上述范围，有利于得到细小弥散分布的三元相AlFeY，进而有效提高了合金的强度和耐热性，而Y的含量过多或过少都不利于三元相AlFeY的细小弥散分布。
按质量百分比计，本发明提供的高强耐热Al-Fe合金包括Fe 2～8％，优选为4～8％。在本发明中，所述Fe元素具有低固溶度和低扩散速率的特点，有利于与Y形成热稳定性良好的三元相AlFeY，提高合金的高温性能。本发明通过将Fe的含量控制在上述范围，显著提高了合金的耐热性能和强度。
按质量百分比计，本发明提供的高强耐热Al-Fe合金还包括除上述各元素外余量的Al。在本发明中，所述铝作为合金基体。
本发明以Al-Fe合金为基础，通过添加元素Y，并结合喷射成形，在铝基体中形成了细小弥散分布且在高温下粗化速率低、热稳定性好的三元相AlFeY，消除了粗大针状分布的二元相AlFe，在提高合金耐热性能的同时降低了AlFe相对铝基体的割裂作用，得到了一种高强耐热Al-Fe合金。
本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备的高强耐热Al-Fe合金，所述高强耐热Al-Fe合金的微观组织包括铝基体和弥散分布于所述铝基体中的AlFeY相。在本发明中，所述AlFeY相具有良好的高温稳定性，有效提高了合金的强度和耐热性。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
成分(质量百分比)：Y 0.6％，Fe 6％和余量的Al。
制备过程：
(1)将工业纯铝锭、Al-30Fe和Al-20Y在180℃下预热30min；
(2)将上述预热后的工业纯铝锭和Al-30Fe置于坩埚中，在820℃下进行熔化，40min后全部熔化，再加入Al-20Y进行熔化，熔化20min后扒去熔渣，通入氩气，并控制氩气流量为0.55m3/h，在800℃下精炼5min，保持温度静置35min，之后浇注到200℃的铜模中，25min后得到铸态Al-Fe合金；
(3)将上述铸态Al-Fe合金置于喷射成形感应炉中进行喷射成形，其中，喷射成形的工艺参数为：雾化温度900℃，雾化压力0.8MPa，氮气气氛，沉积距离600mm，沉积器的旋转速度1r/s；
(4)将上述喷射成形后的Al-Fe合金在挤压比为16，挤压温度为540℃的条件下热挤压15min，得到高强耐热Al-Fe合金。
图1为本实施例制备的高强耐热Al-Fe合金的扫描电镜图。由图1可以看出，本实施例制备的高强耐热Al-Fe合金中AlFeY相呈细小弥散分布。
实施例2
成分(质量百分比)：Y 0.6％，Fe 4％和余量的Al；
制备过程同实施例1。
实施例3
成分(质量百分比)：Y 1％，Fe 8％和余量的Al；
制备过程同实施例1。
对比例1
成分(质量百分比)：Y 0.05％，Fe 4％和余量的Al；
制备过程同实施例1。
图2为对比例1制备的Al-Fe合金的扫描电镜图。由图2可以看出，对比例1制备的Al-Fe合金中存在较多的二元相AlFe，只有少量细小AlFeY三元相。
对比例2
成分(质量百分比)：Y 1.2％，Fe 6％和余量的Al；
制备过程同实施例1。
对比例3
成分(质量百分比)：Y 0.2％，Fe 1％和余量的Al；
制备过程同实施例1。
对比例4
成分(质量百分比)：Y 0.6％，Fe 1％和余量的Al；
制备过程同实施例1。
对比例5
成分(质量百分比)：Y 0.6％，Fe 10％和余量的Al；
制备过程同实施例1。
对比例6
与实施例1的不同之处在于，步骤(3)中的雾化温度为820℃，其余同实施例1。
对比例7
与实施例1的不同之处在于，步骤(4)中的挤压比为12，其余同实施例1。
对实施例1～3和对比例1～7制备的Al-Fe合金的室温力学性能及热暴露后的力学性能进行测试，结果如表1所示。
表1实施例1～3和对比例1～7制备的Al-Fe合金的室温力学性能及热暴露后力学性能
Figure BDA0003151176730000071
由以上实施例和对比例可以看到，实施例1中添加较多的稀土Y，制得的合金组织中有较多的AlFeY三元相(如图1)，对比例1中添加的稀土Y较少，制得的合金组织中存在较多的二元相AlFe，只有少量细小AlFeY三元相(如图2)，第二相细化效果不如实施例1。
本发明提供的制备方法制备的高强耐热Al-Fe合金具有优异的耐热性能和高强度，室温抗拉强度可达220～280MPa，屈服强度可达160～240MPa，伸长率可达20～33％；300℃热暴露100h后，Al-Fe合金的抗拉强度仍能保持170～220MPa，屈服强度仍能保持120～180MPa。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高强耐热Al-Fe合金的制备方法，包括：
将铸态Al-Fe合金依次进行喷射成形和热挤压，得到高强耐热Al-Fe合金；按质量百分比计，所述高强耐热Al-Fe合金包括以下组分：Y 0.1～1.0％，Fe2～8％和余量的Al；
所述喷射成形的雾化温度为900～1000℃，所述喷射成形的雾化压力为0.35～0.9MPa；
所述热挤压的挤压比为16～25，所述热挤压的温度为450～550℃。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，按质量百分比计，所述高强耐热Al-Fe合金包括以下组分：Y 0.2～0.8％，Fe 4～8％和余量的Al。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述喷射成形的沉积距离为400～800mm，所述喷射成形所用沉积器的旋转速度为1～1.5r/s。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铸态Al-Fe合金的制备方法包括：将合金原料依次进行熔化、精炼和浇注，得到铸态Al-Fe合金。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述合金原料包括金属铝、Al-Fe中间合金和Al-Y中间合金。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述熔化的温度为780～850℃，所述熔化的时间为30～60min。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述精炼的温度为760～830℃，所述精炼的时间为5～10min。
8.权利要求1～7任意一项所述制备方法制备的高强耐热Al-Fe合金，其特征在于，所述高强耐热Al-Fe合金的微观组织包括铝基体和弥散分布于所述铝基体中的AlFeY相。
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