CN114058912B - 一种高比强度、比刚度铝锂合金厚壁环形件及其制备方法 - Google Patents

一种高比强度、比刚度铝锂合金厚壁环形件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高比强度、比刚度铝锂合金厚壁环形件及其制备方法，属于铝锂合金新材料和制造技术领域，其包括如下化学组成：Cu 0.8‑2.8wt%，Li 2.4‑3.8wt%，Mg 0.8‑1.8wt%，Zn 0.5‑1.5wt%，Er 0.1‑0.5wt%，Zr 0.05‑0.2wt%，Fe≤0.08wt%，Si≤0.05wt%，且合金元素总量不超过8.5wt%，余量为Al和不可避免的杂质。所述制备方法包括：合金配料、涂刷氮化硼、熔炼、精炼、离心浇铸、热处理。本发明能够简化铝合金环形件成形过程，内部结构致密，显著提升铝合金环形件的比强度、比刚度。

Description

一种高比强度、比刚度铝锂合金厚壁环形件及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝锂合金新材料和制造技术领域，特别是指一种高比强度、比刚度铝锂合金厚壁环形件及其制备方法。
背景技术
金属环形材料可作为关键的连接、传动、回转和支承部件在重大机械设备、压力容器、航空航天设备制造领域应用非常广泛。由于铝锂合金具有较宽的服役温度范围，较好的铸造性能和力学性能，并且目前轻质铝锂合金的密度仅为于传统钢铁材料的1/3，因此在全球能源危机和环境恶化的背景下，探索利用铝锂合金环形结构件代替传统钢铁材料具有广阔的工业应用前景，并且结构轻量化也会对节能减排产生重大的意义。
铝锂合金厚壁环形件是制备大型铝合金薄壁环件的基础，后续主要通过热机械手段同时调控其形状、性能。目前传统铸造Al-Si合金的屈服强度仅能达到200~300MPa左右，而且其密度均大于纯铝的2.7 g/cm3，比强度优势不大。而向铝合金中添加2 wt%以上的Li元素所形成的新一代Al-Li合金可以显著减小合金密度，达到减重而提高强度和刚度的目的。
但在铝锂合金厚壁环件成形方面，目前主要手段还是铸造成锭坯之后，再通过机械加工、锻造和热处理，进而优化其组织性能。除了传统重力铸造方法外，离心铸造工艺也是一种制备金属环形件的一种有效方法，利用快速旋转产生的离心力在特定铸型中使液态金属快速成形，直接得到环形铸件，再通过后续热处理，能直接使金属环件达到使用性能。
虽然，离心铸件较重力铸造件的夹杂、气孔缺陷要少得多，但由于离心力的存在，使宽凝固区间的铸件成形急剧挑战性。而对于轻质高强、高刚度铝锂合金，由于其凝固区间是普通Al-Si合金的3倍，传统低速离心铸造几乎无法成形厚壁铸件，必须克服热裂问题。同时，铝锂合金大型构件热处理过程中氧化严重，如不进行惰性气体保护，最终构件性能非常低。
CN105937000 B公开了一种替代QT400船柱的铝合金材料及其离心铸造方法，主要是向Al-Cu合金中添加路易斯酸碱对，达到在金属液中引入微量重合金元素，以有效催生临界晶核，细化晶粒，使合金强度达到400MPa强度等级，替代QT400船柱制品。在该发明中Li元素的添加量为0.5wt%，而Cu元素的含量却达到了5wt%以上，并且其他重金属元素含量也较多，这会使合金密度升高，转速在500r/min，维持2min，从而造成环形件的致密度不高、比强度较低，普遍低于150MPa/(g/cm3)，比刚度没有报道，金相以等轴晶，晶粒尺寸80微米以上，晶粒内以
Figure 754477DEST_PATH_IMAGE001
组合数量2~4个/
Figure 140984DEST_PATH_IMAGE002
，密度远高于2.7 g/cm3，无法满足日益增长的减重需求。
因此，本领域急需一种低密度、高比强度、高比刚度铝锂合金，同时成本较低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是传统应用于离心铸造的普通铝合金环形件密度低（密度大于2.7 g/cm3），且比强度、比刚度不足，无法满足日益增长的减重需求，提供一种高比强度、比刚度铝锂合金厚壁环形件及其制备方法。本发明能够采用高速离心铸造实现铸造成形一体化制备铝锂合金大尺寸环形件，能够简化铝合金环形件成形过程，且本发明的铝合金环形件内部结构致密，比强度、比刚度显著提升。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种高比强度、比刚度铝锂合金厚壁环形件，包括如下化学组成：Cu 0.8-2.8wt%，Li 2.4-3.8wt%，Mg 0.8-1.8wt%，Zn 0.5-1.5wt%，Er 0.1-0.5wt%，Zr 0.05-0.2wt%，Fe≤0.08wt%，Si≤0.05wt%，且合金元素总量不超过8.5wt%，余量为Al和不可避免的杂质。
其中，优选地，Cu 1.3-2.6wt%，Li 2.4-3.6wt%，Mg 1-1.5wt%，Zn 0.5-1wt%，Er0.1-0.4wt%，Zr 0.1-0.2wt%，Fe≤0.08wt%，Si≤0.05wt%，且合金元素总量不超过8.5wt%，余量为Al和不可避免的杂质。
其中，优选地，所述铝锂合金厚壁环形件的显微组织为细等轴枝晶，且其晶粒尺寸在30~80
Figure 957630DEST_PATH_IMAGE002
。
其中，优选地，所述铝锂合金厚壁环形件的壁厚在20~140mm。
其中，优选地，所述铝锂合金厚壁环形件的高度在300mm~500mm，外径在300~600mm。
其中，优选地，所述铝锂合金厚壁环形件的性能满足：密度在2.41~2.68 g/cm3，抗拉强度在400~550MPa，弹性模量在80~85GPa，延伸率在4~7%，比强度不小于150MPa/(g/cm3)，比刚度不小于30GPa/(g/cm3)。
一种所述的铝锂合金厚壁环形件的制备方法，包括：
S1、根据需求配备原料，并任选的将原料进行预热；
S2、将S1得到的原料进行熔炼、精炼；
S3、将S2得到的物料进行离心浇铸、冷却，获得环形铸件；
S4、将S3得到的环形铸件进行热处理，所述热处理的过程包括：先在惰性气氛下进行固溶处理，再进行淬火处理，然后在惰性气氛下进行时效处理，之后进行可选的冷却；
其中，对所有接触到原料熔化后的金属液的器件的表面分别设置氮化硼涂层。
其中，优选地，所述氮化硼涂层厚度在0.5~1mm。
其中，优选地，S2中，所述熔炼的过程包括：先将纯Al熔化至700~730℃，依次加入Al-Cu，Al-Mg，Al-Zn中间合金，并在700~730℃保温下10~20min；接着依次加入Al-Er，Al-Zr中间合金，并在720~750℃保温20~30min；然后将温度降至720℃，再引入Al-Li中间合金，控制熔炼温度为700~730℃，保温5~10min。
其中，优选地，所述精炼的过程包括：利用旋转除气装置进行搅拌和除气精炼，控制旋转除气时间为5~10min，转速为30~200r/min，优选转速为30~100r/min，惰性气体流量为1~5L/min；并可选地，在所述除气精炼完成后对熔体液面处固体熔渣打捞干净，并同时重新覆盖保护剂，在惰性气氛下，将温度降至710~730℃，保温10~20min。
其中，优选地，S3中，所述离心浇铸的条件包括：浇铸温度为700-730℃，浇铸时间为20~40s，离心铸型转速为1000r/min以上。
其中，S4中，优选地，所述固溶处理采用双级固溶处理，且所述时效处理采用双级时效处理。
优选地，S4中，所述双级固溶处理包括：先在420-480℃保温4~12h，再在500-560℃保温6~20h，期间控制升温速率为5-15℃/min，保温结束后在水中进行所述淬火处理。
其中，优选地，S4中，所述双级时效处理包括：先在80~120℃保温1~12h，再在125-225℃保温24~72h。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
(1)合金中添加了2.4wt%以上的Li元素，Cu元素含量在2.8wt%以下，并且全部合金总含量不高于8.5wt%，能够有效避免合金中重金属含量过高而使合金密度下降不明显。此外，由于合金中添加了少量的Zr和Er元素，能够在离心铸造过程中迅速均匀化，并最大化其价值，如通过钉扎初生
Figure 429063DEST_PATH_IMAGE003
晶界细化晶粒，通过异质形核细化粗大第二相等；从而与离心铸造提供的高额冷速形成协同作用，进一步细化铸态合金显微组织。
(2)在本发明中，合金的Li含量较高，导致实际生产中金属液的活性较高。而氮化硼是一种兼具稳定性和润滑性的物质，所以本发明将所有与金属液接触的部件都使用了氮化硼进行涂敷，通过涂敷器件（例如坩埚）会极大程度地净化金属液，避免金属液直接与器件反应，生成有害夹杂；同时，可以快速清理浇铸过后的坩埚内残留物和取出铸型中的铸件。
(3)本发明提供的铝锂合金厚壁环形件，轻质，且具有较好的强度、刚度和塑性，并且由于合金本身密度低，其比强度要远大于目前不含Li元素的铝合金环形件。
本发明提供的制备方法提高铝锂合金厚壁环形件内部致密性，提高其比强度、比刚度；其制备无相关机械热加工过程，有效节约能源消耗，在航空航天领域具有广阔的应用前景。而传统大尺寸铝锂合金环形件的一体化制备过程中过度依靠热机械加工，加工过程能源消耗大，成本高。
在本发明优选方案中，利用旋转除气装置以及特定的工艺条件，能够使金属液在机械搅拌和惰性气体（如氩气）流的双重作用下实现温度场均匀化，进而在凝固过程中减弱枝晶偏析，实现环形件各处冷速差异小，补缩均匀，进而使铸件内部具有均匀细小的晶粒组织，且结构致密。同时排除金属液内部的气体，使得浇铸后的环形件组织致密，内部气孔和缩松缺陷大幅减小。
在本发明优选方案中，通过优化离心铸造时铸型的中心轴转速（也即离心铸型转速）可以实现轻质高Li含量铝合金的快速成形，并且由于铸型表面氮化硼涂层的作用，能够使离心铸造成形后的环形件表面光洁度显著提升，无表面缺陷，得到品质优良的铸件。同时通过改变铸型内外层之间的间距可以调整中间层及环形件的壁厚和直径，达到制备不同壁厚环形件的目的。
在本发明优选方案中，进行双级固溶处理和双级时效处理，能够最大程度的发挥各合金元素的强化作用，通过特定的双级固溶处理，首先将铸件中低熔点金属间化合物在420-480℃溶进
Figure 14765DEST_PATH_IMAGE003
基体中，然后升高温度至500~560℃，再使高熔点金属间化合物溶进
Figure 241347DEST_PATH_IMAGE003
基体，可以有效避免直接升高温度至500~560℃时低熔点金属间化合物的过烧，使合金中的Cu-Li-Mg-Zn元素有效固溶，在淬火过程中形成过饱和程度较高的固溶体；然后再通过80~120℃下低温时效，先使过饱和固溶态中形成一定数量的尺寸在几个纳米的原子团簇，再提升温度至125-225℃，使过饱和固溶体快速分解，合金中的纳米析出相如T1相(Al2CuLi)、
Figure 76448DEST_PATH_IMAGE004
相(Al3Li)快速在这些已经形成的团簇上异质形核长大，有效促进纳米析出相的弥散分布，减小晶界处的无析出区宽度，长时间时效后有效提升合金的强度和避免塑性的过大损失。
附图说明
图1为实施例1所使用的离心铸造铸型。
图2为实施例2所使用的离心铸造铸型。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明中，晶粒尺寸是指经光学显微镜和扫描电子显微镜测量的晶粒的平均粒径。
第一方面，本发明提供一种高比强度、比刚度铝锂合金厚壁环形件，包括如下化学组成：Cu 0.8-2.8wt%，Li 2.4-3.8wt%，Mg 0.8-1.8wt%，Zn 0.5-1.5wt%，Er 0.1-0.5wt%，Zr0.05-0.2wt%，Fe≤0.08wt%，Si≤0.05wt%，且合金元素总量不超过8.5wt%，余量为Al和不可避免的杂质。
上述方案中，通过添加2.4wt%以上的Li元素，并保证Cu元素含量在2.8wt%以下，有效避免合金中重金属含量过高使合金密度下降不明显。此外，由于合金中添加了Er元素，能够在离心铸造过程中迅速均匀化，有效促提升其价值，如促进初生
Figure 820413DEST_PATH_IMAGE003
晶粒细化，通过异质形核细化粗大第二相等。从而与离心铸造提供的高冷速形成协同作用，进一步细化铸态合金显微组织。
其中，Cu例如可以为0.8wt%，1wt%，1.2wt%，1.6wt%，1.9wt%，2wt%，2.3wt%，2.5wt%，2.8wt%中的任意值以及相邻值之间的任意值。
Li例如可以为2.4wt%，2.6wt%，2.7wt%，3wt%，3.2wt%，3.5wt%，3.7wt%，3.8wt%中的任意值以及相邻值之间的任意值。
Mg例如可以为0.8wt%，1wt%，1.2wt%，1.4wt%，1.6wt%，1.8wt%中的任意值以及相邻值之间的任意值。
Zn例如可以为0.5wt%，0.8wt%，1.2wt%，1.1wt%，1.3wt%，1.5wt%中的任意值以及相邻值之间的任意值。
Er例如可以为0.1wt%，0.2wt%，0.4wt%，0.5wt%中的任意值以及相邻值之间的任意值。
Zr例如可以为0.05wt%，0.08wt%，0.11wt%，0.14wt%，0.17wt%，0.2wt%中的任意值以及相邻值之间的任意值。
优选情况下，Cu 1.3-2.6wt%，Li 2.4-3.6wt%，Mg 1-1.5wt%，Zn 0.5-1wt%，Er0.1-0.4wt%，Zr 0.1-0.2wt%，Fe≤0.08wt%，Si≤0.05wt%，且合金元素总量不超过8.5wt%，余量为Al和不可避免的杂质。
其中，优选地，所述铝锂合金厚壁环形件的显微组织为细等轴枝晶，且其晶粒尺寸在30~120μm，优选在30~80μm。
其中，优选地，所述铝锂合金厚壁环形件的壁厚在20~140mm。
其中，优选地，所述铝锂合金厚壁环形件的高度在300mm~500mm，外径在300~600mm。
其中，所述铝锂合金厚壁环形件的性能满足：密度在2.41~2.68 g/cm3，抗拉强度在320~550MPa，弹性模量在78~85GPa，延伸率在1.8~7%，比强度不小于129MPa/(g/cm3)，比刚度不小于30GPa/(g/cm3)。
优选地，所述铝锂合金厚壁环形件的性能满足：密度在2.41~2.68 g/cm3，抗拉强度在400~550MPa，弹性模量在80~85GPa，延伸率在4~7%，比强度不小于150MPa/(g/cm3)，比刚度不小于30GPa/(g/cm3)。
第二方面，本发明提供一种第一方面所述的铝锂合金厚壁环形件的制备方法，包括：
S1、根据需求配备原料，并任选的将原料进行预热；
S2、将S1得到的原料进行熔炼、精炼；
S3、将S2得到的物料进行离心浇铸、冷却，获得环形铸件；
S4、将S3得到的环形铸件进行热处理，所述热处理的过程包括：先在惰性气氛下进行固溶处理，再进行淬火处理，然后在惰性气氛下进行时效处理，之后进行可选的冷却；
其中，对所有接触到原料熔化后的金属液的器件的表面分别设置氮化硼涂层。
所述所有接触到原料熔化后的金属液的器件包括但不限于坩埚、浇道、除渣工具、除气工具、不锈钢铸型。
优选地，所述氮化硼涂层厚度在0.5~1mm。
在一些实施方式中，所述氮化硼涂层通过以下方法获得：喷涂氮化硼，自然干燥后，利用火焰喷枪对其表面加热，维持表面温度在100~200℃保持5~10min。
S1中，所述根据需求配备原料，本领域技术人员具体可以根据所需合金环形件的尺寸，确定合金总质量，按照各元素所占质量比进行配比。在一些具体实施方式中，以纯Al、Al-Li、Al-Cu中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Zn中间合金、Al-Er中间合金和Al-Zr中间合金作为熔炼原料，按比例进行称重配比。
优选地，S1中进行所述预热。在一些具体实施方式中，将S1中称量好的原料（如纯Al、Al-Cu中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Zn中间合金、Al-Er中间合金和Al-Zr中间合金）在150-220℃预热1-2h。
其中，优选地，S2中，所述熔炼的过程包括：先将纯Al熔化至700~730℃，依次加入Al-Cu，Al-Mg，Al-Zn中间合金，并在700~730℃保温下10~20min；接着依次加入Al-Er，Al-Zr中间合金，并在720~750℃保温20~30min；然后将温度降至720℃，再引入Al-Li中间合金，控制熔炼温度为700~730℃，保温5~10min。
在一些具体优选实施方式中，所述引入Al-Li中间合金的方式包括：把Al-Li中间合金用0.05~0.1mm厚的高纯铝箔包覆后，利用含氮化硼涂层的不锈钢过滤罩将Al-Li中间合金压入坩埚距金属液面1/3~1/2处位置。
本领域中，在所述熔炼之前或熔炼过程，通常在合金液面上撒上保护剂，防止其发生氧化等反应。在一些具体实施方式中，将目数为30~50的惰性混合粉末均匀撒在融化后的合金液面上。所述惰性混合粉末例如可以为LiF和LiCl的混合物，其中LiCl的重量百分比为60~80%，LiF的重量百分比为20~40%。
其中，优选地，所述精炼的过程包括：利用旋转除气装置进行搅拌和除气精炼，控制旋转除气时间为5~10min，转速为30~200r/min，优选转速为30~100r/min，惰性气体流量为1~5L/min；并可选地，在所述除气精炼完成后对熔体液面处固体熔渣打捞干净，并同时重新覆盖保护剂，在惰性气氛下，将温度降至710~730℃，保温10~20min。
所述旋转除气装置为现有技术，具体地是将内置通道的石墨转盘放入金属液内部，石墨盘在自转的同时，通过高压气瓶向石墨盘上的各出气通道通入惰性气体（如氩气）。
本发明中，优选地，在所述精炼之后，将金属液面处形成的熔渣利用氮化硼涂敷的漏勺打捞干净后，进行所述离心浇铸。
其中，优选地，S3中，所述离心浇铸的条件包括：浇铸温度为700-730℃，浇铸时间为20~40s。
优选地，所述离心浇铸的条件包括：离心铸型转速为1000r/min以上。
在上述优选方案下，在合金成分中含有Er稀土元素，并且在高速离心铸型转速下快速冷却，更利于控制其显微组织为细等轴枝晶，晶粒尺寸在30~80μm，合金内部结构致密，枝晶偏析显著减弱。
所述离心浇铸所使用的铸型为筒状结构，将金属液浇入后，在离心力作用下凝固成形，可直接成形为环形结构。
在所述离心浇铸之后，本领域技术人员可以根据需求选用冷却的方式。
本发明中，所述双级固溶处理和所述双级时效处理的设备，本领域技术人员可以根据需求选用，例如可以为升降式惰性气体保护炉。
在进行所述热处理之前，需要保证惰性气氛。在一些具体实施方式中，在向通入惰性气体前先将炉内气压抽至0.001MPa以下，通入惰性气体至炉内气压达到0.1-1.0MPa，重复3-5次。
S4中，优选地，所述固溶处理采用双级固溶处理，且所述时效处理采用双级时效处理。
本发明中，所述“双级固溶处理”是指进行两次固溶处理。所述“双级时效处理”是指进行两次时效处理。
其中，优选地，S4中，所述双级固溶处理包括：先在420-480℃保温4~12h，再在500-560℃保温6~20h，期间控制升温速率为5-15℃/min。
更优选地，在所述双级固溶处理的保温结束后在水中进行所述淬火处理。
应当理解的是，所述期间控制升温速率是指在升温至420-480℃，以及升温至500-560℃的过程中的升温速率。两个阶段的升温速率可以相同或不同。
其中，优选地，S4中，所述双级时效处理包括：先在80~120℃保温1~12h，再在125-225℃保温24~72h。
在进行所述双级时效处理之后，优选在空气中进行所述冷却。
本发明中，所述惰性气氛或惰性气体包括但不限于氩气、氦气等。
下面结合具体实施例对本发明进行详细阐述。
实施例1
一种高比强度、比刚度铝锂合金厚壁环形件，其化学成分按重量百分比为：Cu1.4wt%，Li 3.0wt%，Mg 1.2wt%，Zn 0.6wt%，Er 0.1wt%，Zr 0.1wt%，Fe≤0.08wt%，Si≤0.05wt%，余量为Al和不可避免的杂质。
其显微组织为细等轴枝晶，晶粒尺寸为70μm，合金内部结构致密，枝晶偏析显著减弱。铝锂合金厚壁环形件的尺寸为：高度为400mm，外径为380mm，壁厚为80mm，铸型尺寸如图1所示。所述高比强度铝合金环件的性能为：密度为2.47g/cm3，抗拉强度为450MPa，延伸率为6.3%，弹性模量81GPa，比强度为182MPa/(g/cm3)，比刚度为32.8GPa/(g/cm3)。
所述铝锂合金厚壁环形件一体化制备方法包括如下步骤：
S1、合金配料
根据所需合金环形件的尺寸，确定合金总质量，按照各元素所占质量比进行配比。以纯Al、Al-Li、Al-Cu中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Zn中间合金、Al-Er中间合金和Al-Zr中间合金作为熔炼原料按比例进行称重配比；
S2、涂刷氮化硼
对所有接触到金属液的部件和工具涂敷氮化硼，包括坩埚、浇道、除渣工具、除气工具、不锈钢铸型。涂层厚度为0.5mm，自然干燥后，利用火焰喷枪对其表面加热，表面温度在170℃维持5min。
S3、原料烘干
将步骤S1中称量好的纯Al、Al-Cu中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Zn中间合金、Al-Er中间合金和Al-Zr中间合金在200℃预热2h；
S4、熔炼
将S3中预热之后的原料放入熔炼炉中，先将纯Al融化至720℃，依次加入Al-Cu，Al-Mg，Al-Zn中间合金，并在720℃保温下10min。依次加入Al-Er，Al-Zr中间合金，并在750℃保温30min。将温度降至720℃，把Al-Li中间合金用0.05mm厚的高纯铝箔包覆后，利用含氮化硼涂层的不锈钢过滤罩将Al-Li中间合金压入坩埚距液面1/2处位置。迅速将目数为30~50惰性混合粉末（LiF和LiCl的混合物，其中LiCl的重量百分比为70%，LiF的重量百分比为30%）均匀撒在液面上，控制熔炼温度为700℃，保温5min。
S5、精炼除气
利用旋转除气装置对金属液进行搅拌和除气精炼。旋转除气时间为8min，转速为50r/min，氩气流量为4L/min。精炼除气完成后利用涂有氮化硼的漏勺将坩埚液面处固体熔渣打捞干净，并同时重新覆盖上述惰性混合粉末，将温度控制在730℃保温20min。
S6、浇铸
将坩埚液面处形成的熔渣利用氮化硼涂敷的漏勺打捞干净后进行离心浇铸。离心铸造的工艺参数为：
(1) 浇铸温度为730℃；
(2) 金属液充型时间为30s；
(3) 铸型转速为1000r/min。
S7、热处理
将步骤S6中冷却后的环形件放入升降式惰性气体保护炉中进行双级固溶处理，分别在420℃保温5h；540℃保温12h，升温速率为5℃/min，保温结束后立即将环形件放入水中进行淬火处理。淬火完成后继续在惰性气体保护炉中进行双级时效处理：80℃保温10h；180℃保温32h。时效结束后取出在空气中冷却，得到大尺寸轻质铝合金环形件。
实施例2
一种高比强度、比刚度铝锂合金厚壁环形件，所述高比强度铝合金的化学成分按重量百分比为：Cu 2.5wt%，Li 3.5wt%，Mg 1.3wt%，Zn 0.7wt%，Er 0.2wt%，Zr 0.2wt%，Fe≤0.08wt%，Si≤0.05wt%，且合金元素总量不超过8.5wt%，余量为Al和不可避免的杂质。
其显微组织为细等轴枝晶，晶粒尺寸为40μm，合金内部结构致密，枝晶偏析显著减弱。其尺寸为：高度为400mm，外径为400mm，壁厚为100mm，铸型尺寸如图2所示。所述铝锂合金厚壁环形件的性能为：密度为2.53g/cm3，抗拉强度在550MPa，延伸率为6.1%，弹性模量85GPa，比强度为217MPa/(g/cm3)，比刚度33.6GPa/(g/cm3)。
所述铝锂合金厚壁环形件制备方法包括如下步骤：
S1、合金配料
根据所需合金环形件的尺寸，确定合金总质量，按照各元素所占质量比进行配比。以纯Al、Al-Li、Al-Cu中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Zn中间合金、Al-Er中间合金和Al-Zr中间合金作为熔炼原料按比例进行称重配比；
S2、涂刷氮化硼
对熔炼过程中所有接触到金属液的部件和工具涂敷氮化硼，包括坩埚、浇道、除渣工具、除气工具、不锈钢铸型。涂层厚度在0.8mm，自然干燥后，利用火焰喷枪对其表面加热，维持表面温度在200℃，5min。
S3、原料烘干
将步骤S1中称量好的纯Al、Al-Cu中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Zn中间合金、Al-Er中间合金和Al-Zr中间合金在220℃预热2h；
S4、熔炼
将S3中预热之后的原料放入熔炼炉中，先将纯Al融化至730℃，依次加入Al-Cu，Al-Mg，Al-Zn中间合金，并在730℃保温下10min。依次加入Al-Er，Al-Zr中间合金，并在730℃保温30min。将温度降至720℃，把Al-Li中间合金用0.1mm厚的高纯铝箔包覆后，利用含氮化硼涂层的不锈钢过滤罩将Al-Li中间合金压入坩埚距液面1/2处位置。迅速将目数为30~50惰性混合粉末（同实施例1的组成）均匀撒在液面上，控制熔炼温度为730℃，保温10min。
S5、精炼除气
利用旋转除气装置对金属液进行搅拌和除气精炼。旋转除气时间为8min，转速为100r/min，氩气流量为3L/min。精炼除气完成后利用涂有氮化硼的漏勺将坩埚液面处固体熔渣打捞干净，并同时重新覆盖上述惰性混合粉末，将温度降至730℃保温10min。
S6、浇铸
将坩埚液面处形成的熔渣利用氮化硼涂敷的漏勺打捞干净后进行离心浇铸。离心铸造的工艺参数为：
(1) 浇铸温度为730℃；
(2) 充型时间为40s；
(3) 铸型转速为1000r/min。
S7、热处理
将步骤S6中冷却后的环形件放入升降式惰性气体保护炉中进行双级固溶处理，分别在420℃保温12h；535℃保温20h，升温速率为5℃/min，保温结束后立即将环形件在水中进行淬火处理。淬火完成后继续在惰性气体保护炉中进行双级时效处理：80℃保温12h；180℃保温28h。时效结束后取出在空气中冷却，得到大尺寸轻质铝合金环形件。
实施例3
按照实施例1进行，不同的是，所述精炼的过程不同，具体地，在利用旋转除气装置进行搅拌和除气精炼时，控制旋转除气时间为8min，转速为200r/min，惰性气体流量为4L/min；
所得环形件的显微组织为细等轴枝晶，晶粒尺寸为112μm，枝晶偏析显著减弱，但合金局部区域存在许多密集分布的微气孔，这是由于旋转除气的转速过大，导致内部金属液出现湍流，氩气和金属液内部气体不能在饱和气压的推动下顺利排到大气中，残留在金属液内部。
所述铝锂合金厚壁环形件的性能为：密度为2.45g/cm3，抗拉强度在360MPa，延伸率为2.2%，弹性模量78GPa，比强度为147MPa/(g/cm3)，比刚度为31GPa/(g/cm3)。
实施例4
按照实施例1进行，不同的是，所述固溶处理采用一级固溶处理，具体过程为，将铸造完成且冷却后的环形件放入升降式惰性气体保护炉中进行固溶处理，以5℃/min的升温速率在540℃保温12h，保温结束后立即将环形件放入水中进行淬火处理，其他同实施例1。
所得环形件的显微组织为细等轴枝晶，晶粒尺寸为87μm，合金内部结构致密，枝晶偏析显著减弱，但部分晶粒在固溶过程中长大，晶粒内部存在部分球状复熔颗粒，这是由于直接升到高温后，铸态合金内部部分低熔点共晶颗粒在超过熔点温度发生复熔导致的。
所述铝锂合金厚壁环形件的性能为：密度为2.48g/cm3，抗拉强度在320MPa，延伸率为1.8%，弹性模量82GPa，比强度为129MPa/(g/cm3)，比刚度33GPa/(g/cm3)。
通过上述实施例可知，本发明通过设计轻质铝合金成分，采用离心铸造实现铸造成形一体化制备铝合金大尺寸环形件，能够实现铝锂合金环件的比强度、比刚度的进一步提升，能极大提升结构件轻量化的潜力，并且其制备无相关机械热加工过程，有效节约能源消耗，在航空航天领域具有广阔的应用前景。
进一步地，通过对比实施例1和实施例3-4可知，采用本发明优选方案，更利于获得晶粒尺寸较小的细等轴枝晶，且所得环形件的性能更优。
以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，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 (7)

1.一种高比强度、比刚度铝锂合金厚壁环形件的制备方法，其特征在于，所述铝锂合金厚壁环形件包括如下化学组成：Cu 0.8-2.8wt%，Li 2.4-3.8wt%，Mg 0.8-1.8wt%，Zn 0.5-1.5wt%，Er 0.1-0.5wt%，Zr 0.05-0.2wt%，Fe≤0.08wt%，Si≤0.05wt%，且合金元素总量不超过8.5wt%，余量为Al和不可避免的杂质；
所述的制备方法包括：
S1、根据需求配备原料，并任选的将原料进行预热；
S2、将S1得到的原料进行熔炼、精炼；
所述熔炼的过程包括：先将纯Al熔化至700~730℃，依次加入Al-Cu，Al-Mg，Al-Zn中间合金，并在700~730℃保温下10~20min；接着依次加入Al-Er，Al-Zr中间合金，并在720~750℃保温20~30min；然后将温度降至720℃，再引入Al-Li中间合金，控制熔炼温度为700~730℃，保温5~10min；
所述精炼的过程包括：利用旋转除气装置进行搅拌和除气精炼，控制旋转除气时间为5~10min，转速为30~200r/min，惰性气体流量为1~5L/min；并可选地，在所述除气精炼完成后对熔体液面处固体熔渣打捞干净，并同时重新覆盖保护剂，在惰性气氛下，将温度降至710~730℃，保温10~20min；
S3、将S2得到的物料进行离心浇铸、冷却，获得环形铸件；
S4、将S3得到的环形铸件进行热处理，所述热处理的过程包括：先在惰性气氛下进行固溶处理，再进行淬火处理，然后在惰性气氛下进行时效处理，之后进行可选的冷却；
所述固溶处理采用双级固溶处理，且所述时效处理采用双级时效处理；
所述双级固溶处理包括：先在420-480℃保温4~12h，再在500~560℃保温6~20h，期间控制升温速率为5~15℃/min，保温结束后在水中进行所述淬火处理；
所述双级时效处理包括：先在80~120℃保温1~12h，再在125~225℃保温24~72h；
其中，对所有接触到原料熔化后的金属液的器件的表面分别设置氮化硼涂层。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铝锂合金厚壁环形件包括如下化学组成：Cu 1.3-2.6wt%，Li 2.4-3.6wt%，Mg 1-1.5wt%，Zn 0.5-1wt%，Er 0.1-0.4wt%，Zr0.1-0.2wt%，Fe≤0.08wt%，Si≤0.05wt%，且合金元素总量不超过8.5wt%，余量为Al和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铝锂合金厚壁环形件的显微组织为细等轴枝晶，且其晶粒尺寸在30~80μm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
所述铝锂合金厚壁环形件的壁厚在20~140mm；
和/或，所述铝锂合金厚壁环形件的高度在300mm~500mm，外径在300~600mm。
5. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铝锂合金厚壁环形件的性能满足：密度在2.41~2.68 g/cm3，抗拉强度在400~550MPa，弹性模量在80~85GPa，延伸率在4~7%，比强度不小于150MPa/(g/cm3)，比刚度不小于30GPa/(g/cm3)。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氮化硼涂层厚度在0.5~1mm。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S3中，所述离心浇铸的条件包括：浇铸温度为700-730℃，浇铸时间为20~40s，离心铸型转速为1000r/min以上。
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