CN114703406B - 一种同时含β″相和θ′相的铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种同时含β″相和θ′相的铝合金及其制备方法，属于铝及铝合金铸造技术领域。本发明首次尝试了利用β″相和θ′相两相协同强化提高铝合金(尤其是ZL114A铝合金)强度。本发明所涉及的制备方法为：对ZL114A合金进行熔炼，在其中加入0.33～0.55wt％的Cu；树脂砂型铸造，得到铸锭，对铸锭进行固溶处理，固溶后淬火，接着进行人工时效处理，得到产品；人工时效是时效温度为163～185℃、保温时间为7～12h。本发明可以充分发挥Cu在ZL114A合金中的强化作用，使其在ZL114A合金中出现β″相和θ′相两相协同强化的现象，ZL114A合金的强度大幅提高，砂型铸造条件下达到380MPa以上。

Description

一种同时含β″相和θ′相的铝合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种同时含β″相和θ′相的铝合金及其制备方法，属于铝及铝合金铸造技术领域。
背景技术
ZL114A合金是我国北京航空材料研究院自主研发的铸造Al-Si-Mg合金(Si含量：6.5～7.5wt％；Mg含量：0.45～0.75wt％)，具有良好的力学性能(根据航空标准，金属型铸造条件下，ZL114A合金的抗拉强度需大于300MPa)，被广泛应用于航空航天工业，尤其适合生产结构铸件，如战斗机用导弹挂架、发动机机匣和燃油壳体等。近年来航空航天装备轻量化和高可靠性制造的发展趋势对ZL114A合金的强度提出了更高的要求，提高ZL114A合金的强度不仅有利于现有铸件的生产与实用，也为该合金拓宽工业化使用范围甚至该合金的升级打下了基础。
β″相是纳米Mg-Si析出相，是ZL114A合金中原本就存在的强化相。θ′相是纳米Al-Cu析出相，是ZL114A合金中不存在的强化相。在ZL114A合金中添加适量的Cu，有可能就会出现β″相和θ′相两相协同强化的现象，从而大幅度提高ZL114A合金的强度，Cu含量太高对ZL114A合金的工业化使用有很大的影响，Cu含量太低不会出现β″相和θ′相两相协同强化的现象。董亮等研究了Cu对铸造Al-7Si-0.3Mg合金的影响，但其Cu含量为1.5wt％，远超过Mg含量，对合金的工业化使用有较大的影响(董亮.Cr,Mg,Cu合金化对于Al-7％Si铸造铝合金结构和性能的影响[D].上海交通大学,2018.)；CESCHINI等人研究了Cu对铸造Al-7Si-0.4Mg合金的影响，但其Cu含量为1.5wt％，远超过Mg含量，对合金的工业化使用有较大的影响(Ceschini L,Messieri S,Morri A,et al.Effect of Cu addition onoveragingbehaviour,room and high temperature tensile and fatigue propertiesof A357 alloy[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2020,30(11):2861-2878.)；张洋等人研究了Cu对铸造Al-7.3Si-0.6Mg合金的影响，但其Cu含量仅为0.2wt％，Cu含量太低，不会出现β″相和θ′相两相协同强化的现象(张洋.Sr加入量及微量Cu元素对A357合金组织和性能的影响[D].哈尔滨工业大学,2010.)；周楠等人研究了Cu对铸造Al-7Si-0.6Mg合金的影响，但其Cu含量仅为0.11wt％，Cu含量太低，不会出现β″相和θ′相两相协同强化的现象(周楠.凝固条件与Cu元素对A357合金筒形件组织及力学性能影响.哈尔滨工业大学,2013.)；王东成等人研究了Cu元素对铸造Al-7Si-0.6Mg合金的影响，最佳Cu含量为0.5wt％，但添加Cu后合金最大的抗拉强度仅有331MPa(王东成.ZL114A合金组织与力学性能的综合优化.南昌航空大学,2010.)；王爽等人研究了Cu元素对铸造Al-7Si-0.3Mg合金的影响，Cu含量为0.5wt％，但添加Cu后合金最大的抗拉强度仅有300MPa(王爽.柴油机用Cu、Cr改性A356铸铝合金时效工艺研究[D].山东大学,2018.)。总之，在目前有关Cu元素对类似ZL114A合金的铸造Al-Si-Mg合金的影响的研究中，没有研究者利用β″相和θ′相两相协同强化的方法大幅提高合金的强度，在现有的研究中，添加Cu后，Al-Si-Mg合金的最大抗拉强度远小于350MPa。
发明内容
本发明提供了一种添加适量的Cu后，利用β″相和θ′相两相协同强化的方法大幅提高ZL114A合金的强度的方法，按照本方法处理后，ZL114A合金的抗拉强度能达到380MPa以上。
本发明一种同时含β″相和θ′相的铝合金，所述铝合金以质量百分比计，包括下述组分：
Si：6～8wt％，Mg：0.4～0.8wt％，Cu：0.33～0.6wt％，Ti：0.1～0.2wt％，余量为Al；所述铝合金同时含有β″相和θ′相。
在本发明中β″相是纳米Mg-Si析出相。θ′相是纳米Al-Cu析出相。
作为优选方案；本发明一种同时含β″相和θ′相的铝合金，所述铝合金以质量百分比计，包括下述组分：
Si：6.5～7.5wt％，Mg：0.45～0.75wt％，Cu：0.33～0.55wt％，Ti：0.1～0.2wt％，余量为Al。
作为进一步的优选方案；本发明一种同时含β″相和θ′相的铝合金，所述铝合金以质量百分比计，包括下述组分：
Si：7.00wt％，Mg：0.60wt％，Cu：0.50wt％，Ti：0.12wt％，余量为Al。本发明一种同时含β″相和θ′相的铝合金的制备方法，包括下述步骤：
步骤一熔铸
按设计组分配取各原料；铸造；得到铸件；
步骤二固溶淬火处理：
对步骤一所得铸件进行固溶处理，固溶处理后进行水淬；得到固溶处理后的试样；固溶处理时控制温度为525～545℃(优选为535～545℃)、保温为12～16h，淬火时，淬火水温控制在45～80℃(优选为50～60℃)；
步骤三人工时效处理：
对步骤二所得固溶淬火处理后的试样进行级时效处理，得到成品；时效温度为163～185℃(优选为175-185℃、进一步优选：时效温度为180-182℃)、保温时间为7～12h、优选为8-10h。
作为优选方案，本发明一种同时含β″相和θ′相的铝合金的制备方法；步骤一中，铜单独配取，其余合金元素通过ZL114A合金提供；按设计组分配取ZL114A合金和铜，然后经熔炼、铸造得到铸件；所述铸件中铜的含量为0.33～0.55wt％。
本发明一种同时含β″相和θ′相的铝合金的制备方法；当采用树脂砂型铸造时，产品的抗拉强度大于等于380MPa(远远高于现有产品的强度)。
本发明一种同时含β″相和θ′相的铝合金的制备方法；当按照下述步骤操作时，产品的性能远远优于其他方案：
(1)添加0.5wt％的Cu，合金熔炼：按常规方法对ZL114A合金进行熔炼，在其中加入0.5wt％的Cu；树脂砂型铸造；得到铸件；步骤(1)中；添加Zn后，各元素的含量分别为Si：7.00wt％，Mg：0.60wt％，Cu：0.50wt％，Ti：0.12wt％，余量为Al；
(2)固溶淬火处理：按常规方法对步骤(1)所得铸造件进行固溶处理，温度控制在540±5℃、保温13h、淬火水温控制在50～60℃；
(3)时效处理：对步骤(2)所得合金进行时效处理，时效温度为180℃，时间为10h；
经过上述处理，树脂砂型铸造条件下，ZL114A合金铸件的抗拉强度为390MPa。
本发明具有如下特点：
(1)按照本方法处理后，ZL114A合金中出现β″相和θ′相两相协同强化的现象。
(2)根据航空标准，金属型铸造条件下，ZL114A合金的抗拉强度需大于300MPa，按照本方法处理后，树脂砂型铸造条件下，ZL114A合金的抗拉强度能达到380MPa以上。
附图说明
图1为本发明的室温拉伸试样尺寸。
图2为时效温度为180℃，时间为8h，Cu含量分别为0、0.3wt％和0.5wt％的纳米析出相图。图中用方框标记的是β″相，用箭头标记的是θ′相。
图3为时效温度为165℃，时间为1h，Cu含量分别为0、0.3wt％和0.5wt％的纳米析出相图。图中用方框标记的是β″相。
具体实施方式
实施例一：在ZL114A合金中添加0.5wt％的Cu，时效温度为180℃，时间为8h。
(1)添加0.5wt％的Cu，合金熔炼：按常规方法对ZL114A合金进行熔炼，在其中加入0.5wt％的Cu；树脂砂型铸造；得到铸件；步骤(1)中；添加Zn后，各元素的含量分别为Si：7.00wt％，Mg：0.60wt％，Cu：0.50wt％，Ti：0.12wt％，余量为Al。
(2)固溶淬火处理：按常规方法对步骤(1)所得铸造件进行固溶处理，温度控制在540±5℃、保温13h、淬火水温控制在50～60℃。
(3)时效处理：对步骤(2)所得合金进行时效处理，时效温度为180℃，时间为8h。
经过上述处理，树脂砂型铸造条件下，ZL114A合金铸件的抗拉强度为384MPa。
实施例二
其他条件和实施一一致，不同之处在于：对步骤(2)所得合金进行时效处理，时效温度为180℃，时间为10h。经过上述处理，树脂砂型铸造条件下，ZL114A合金铸件的抗拉强度为390MPa。
实施例三：在ZL114A合金中添加0.5wt％的Cu，时效温度为165℃，时间为8h。
(1)添加0.5wt％的Cu，合金熔炼：按常规方法对ZL114A合金进行熔炼，在其中加入0.5wt％的Cu；树脂砂型铸造；得到铸件；步骤(1)中；添加Zn后，各元素的含量分别为Si：7.00wt％，Mg：0.60wt％，Cu：0.50wt％，Ti：0.12wt％，余量为Al。
(2)固溶淬火处理：按常规方法对步骤(1)所得铸造件进行固溶处理，温度控制在540±5℃、保温13h、淬火水温控制在50～60℃。
(3)时效处理：对步骤(2)所得合金进行时效处理，时效温度为165℃，时间为8h。
经过上述处理，树脂砂型铸造条件下，ZL114A合金铸件的抗拉强度为362MPa。
实施例四
其他条件和实施三一致，不同之处在于：对步骤(2)所得合金进行时效处理，时效温度为165℃，时间为10h。经过上述处理，树脂砂型铸造条件下，ZL114A合金铸件的抗拉强度为369MPa。
实施例五
其他条件和实施三一致，不同之处在于：对步骤(2)所得合金进行时效处理，时效温度为170℃，时间为8h。经过上述处理，树脂砂型铸造条件下，ZL114A合金铸件的抗拉强度为365MPa。
对比例1：
其他条件和实施例1一致，不同之处在于：
在ZL114A合金中添加0.3wt％的Cu，时效温度为165℃，时间为1h。
树脂砂型铸造条件下，所得ZL114A合金铸件的抗拉强度仅为295MPa。
对比例2：
其他条件和实施例1一致，不同之处在于：
在ZL114A合金中添加0.5wt％的Cu，时效温度为165℃，时间为1h。
树脂砂型铸造条件下，所得ZL114A合金铸件的抗拉强度仅为305MPa。
对比例3：
其他条件和实施例1一致，不同之处在于：
在ZL114A合金中添加0.5wt％的Cu，时效温度为150℃，时间为8h。树脂砂型铸造条件下，所得ZL114A合金铸件的抗拉强度仅为330MPa。
对比例4
其他条件和实施例1一致，不同之处在于：固溶580℃13h，时效165℃8h，树脂砂型铸造条件下，所得ZL114A合金铸件的抗拉强度260MPa。
对比例5
其他条件和实施例1一致，不同之处在于：
在ZL114A合金中添加0.5wt％的Cu，时效温度为180℃，时间为22h。树脂砂型铸造条件下，所得ZL114A合金铸件的抗拉强度仅为340MPa。
对比例6
其他条件和实施例1一致，不同之处在于：
在ZL114A合金中添加0.5wt％的Cu，时效温度为200℃，时间为8h。
树脂砂型铸造条件下，所得ZL114A合金铸件的抗拉强度仅为350MPa。
对比例7
其他条件和实施例1一致，不同之处在于：
在ZL114A合金中添加0.3wt％的Cu。
树脂砂型铸造条件下，所得ZL114A合金铸件的抗拉强度仅为360MPa。
对比例8
其他条件和实施例1一致，不同之处在于：
在ZL114A合金中不添加Cu。
树脂砂型铸造条件下，所得ZL114A合金铸件的抗拉强度仅为325MPa。
对比例9
其他条件和实施例1一致，不同之处在于：
在ZL114A合金中不添加Cu，时效温度为165℃，时间为1h。
树脂砂型铸造条件下，所得ZL114A合金铸件的抗拉强度仅为275MPa。
在实验过程中还发现，淬火有很大影响的是转移时间，转移时间超过25s，产品的性能就会差很多。
从上述实施例和对比例可以看出，时效温度和时效时间相同，但Cu含量过低，ZL114A合金的强度较低；Cu含量相同，时效时间相同，但时效温度过低，ZL114A合金的强度较低；Cu含量相同，时效温度相同，但时效时间较短，ZL114A合金的强度较低；另外，只有利用β″相和θ′相两相协同强化，ZL114A合金的强度才能大幅度提高，达到380MPa以上。
除了上述探索，在技术开发过程中还发现对Zl114铝合金，不加铜的情况下(其他条件和实施例一一致)；但：
时效190℃，时间为50h，产品的抗拉强度仅为262MPa；
时效190℃，时间为100h，产品的抗拉强度仅为233MPa；
时效190℃，时间为150h，产品的抗拉强度仅为215MPa。

Claims (3)

1.一种同时含β″ 相和θ′ 相的铝合金，其特征在于：所述铝合金以质量百分比计，包括下述组分：
Si：6.00wt%，Mg：0.40wt%，Cu：0.50wt%，Ti：0.12wt%，余量为Al；所述铝合金同时含有β″相和θ′ 相；
所述铝合金的制备方法为：
步骤一熔铸
按设计组分配取各原料；铸造；得到铸件；
步骤二固溶淬火处理
对步骤一所得铸件进行固溶处理，固溶处理后进行水淬；得到固溶处理后的试样；固溶处理时控制温度为535℃、保温为12~16h，淬火时，淬火水温控制在50~60℃；
步骤三人工时效处理
对步骤二所得固溶淬火处理后的试样进行时效处理，得到成品；时效温度为180-182℃、时效的时间为8-10h。
2.根据权利要求1所述的一种同时含β″ 相和θ′ 相的铝合金；其特征在于：固溶处理时控制时间为12.5~13.5h。
3.根据权利要求1-2任意一项所述的一种同时含β″ 相和θ′ 相的铝合金；其特征在于：当采用树脂砂型铸造时，产品的抗拉强度大于等于380MPa。
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