CN114875283A - 一种可铸造第四代超轻超细晶高强铝锂合金 - Google Patents

Abstract

本申请公开了金属材料技术领域的一种可铸造第四代超轻超细晶高强铝锂合金，其元素配比以质量百分比计包括：Zn 3.5～7.0％；Li1.5～4.5％；Cu1.5～2.8％；Mg1.5～3.0％；Zr0.05～0.15％；Fe＜0.05％；Si＜0.05％；Na＜0.001％；Ca＜0.001％；H＜0.0001％，余量为Al。本申请通过复合微合金化的方法，发挥Zn、Mg、Cu、Li还有Zr的协同强化作用，改善合金铸态组织，得到近球状的超细晶组织，提高合金的综合力学性能；同时本发明的合金固液相线区间较窄，具有较好的铸造性。

Description

一种可铸造第四代超轻超细晶高强铝锂合金

技术领域

本发明涉及金属材料技术领域，具体涉及一种可铸造第四代超轻超细晶高强铝锂合金。

背景技术

铝锂合金因具有高比强度、高耐腐蚀和抗疲劳等优点，常作为受力结构件被广泛应用于航天航空领域。进入空中的航天运载器，每减轻1kg，其发射费用将节省约2万美元，在航天上减重1克，相当于1克铂金的价值，在航空航天轻量化要求日益严峻的情况下，结构减重在航天航空领域可谓“克克计较”。降低合金重量最简单的方法就是向其中添加轻原子量元素，以减少合金的密度，在合金中添加1％的Li，密度降低3％，弹性模量上升5％～6％。采用铝锂合金代替铝合金，密度降低10％，零部件减重14％～30％，刚度提高15％～20％。因此，世界各国十分重视研制和开发航空航天用轻质结构材料。

铝锂合金的发展可分三个阶段，第一代铝锂合金2020具有较高强度、较好耐腐蚀和疲劳性能。苏联研制的BAД23合金具有高强度和优良成型性能，但是不能满足损伤容限要求。第二代铝锂合金相比第一代Li含量较高(1.9～2.7％)，Cu含量有所降低(＜3％)，由于Li含量的增加，其弹性模量显著提升，轻量化效果显著，但是第二代铝锂合金存在各向异性严重，裂纹敏感性高、热稳定性低以及加工性能差等现象，限制了第二代铝锂合金的发展。第三代铝锂合金降低Li、Mg元素含量，增加Cu等固溶强化合金元素含量，还通过Ag、 Zn等元素的合金化效果进一步提高合金性能，但是由于Li含量的降低，Cu含量的添加，第三代铝锂合金密度较第二代铝锂合金要高。第一代到第三代铝锂合金均为变形铝合金，需要经过形变热处理等塑性成形工艺提高其综合性能，这就导致了没有一种真正的铸造铝锂合金直接用于制备航空航天器中结构复杂的构件，如带有加强筋、不规则通道、变截面、凹凸台等产品。因此，研发一种可铸造的第四代超轻超细晶超强铝锂合金是顺应航空航天发展需求。虽然国外新型铝锂合金已实现规模化工业生产和大量应用，第四代铝锂合金研发已有了新成果，但是国内外对于第四代铝锂合金还没有具体的成分范围以及合金牌号，仅仅定义第四代铝锂合金应满足轻质、超高强度要求，即在抗疲劳性能、弹性模量基本不降低的前提下进一步提高强度以及降低密度。

目前所有铝锂合金均为变形合金，铸态组织为粗大树枝晶晶粒、合金元素多而复杂且易偏析、固液相线温度区间宽凝固收缩大等特点导致其铸造强度不高，铸造性能差，限制了铝锂合金的制备以及应用。经研究发现，生产中通常采用改变合金元素含量以及优化热处理来提高其综合性能，对铝合金采用合金化方法可以析出更多细小弥散分布的强化相。有研究表明Zn和Mg元素是Al-Zn-Mg系铝合金的主要强化元素，Zn和Mg元素在Al基体中的溶解度比较大，可以通过固溶时效强化来提高强度；Cu元素主要强化作用是固溶强化，在合金中添加Cu元素可以提高合金强度；Li元素可以显著降低合金密度并提高合金的弹性模量，并能在合金中生成析出强化相，提高合金强度；在合金中添加Zr会形成Al3Zr，这种粒子对合金晶粒的细化程度较高。当合金发生变形时，这些粒子可以钉扎变形组织，抑制再结晶和阻止再结晶晶粒长大，提高综合性能。加入Zr元素到铝合金中还可改善合金的铸造性能，提高流动性。基于此，本发明在Al-Zn-Mg系三元合金的基础上复合添加Cu、Li、Zr元素来改善合金的铸造性能，以期得到超轻超细晶高强的第四代铝锂合金材料。

本发明正是基于以上的考虑，设计了Al-Zn-Mg-Cu-Li-Zr可铸造的铝合金，并确定此合金合适的成份范围和相应的制备工艺。

发明内容

本发明意在提供一种可铸造第四代超轻超细晶高强铝锂合金，通过复合微合金化的方法，发挥Zn、Mg、Cu、Li还有Zr的协同强化作用，改善合金铸态组织，得到近球状的超细晶组织，提高合金的综合力学性能；同时本发明的合金固液相线区间较窄，具有较好的铸造性。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种可铸造第四代超轻超细晶高强铝锂合金，其元素配比以质量百分比计包括：Zn 3.5～ 7.0％；Li1.5～4.5％；Cu1.5～2.8％；Mg1.5～3.0％；Zr0.05～0.15％；Fe＜0.05％；Si＜0.05％； Na＜0.001％；Ca＜0.001％；H＜0.0001％，余量为Al。

进一步，所述Zn的质量百分比为4.5～6.7％，进一步优选为5.0～6.5％。

进一步，所述Li的质量百分比为1.7～3.7％，进一步优选为2.1～3.5％。

进一步，所述Mg的质量百分比为1.9～2.6％，进一步优选为2.0～2.5％。

进一步，所述Cu的质量百分比为1.9～2.6％，进一步优选为2.0～2.5％。

进一步，所述Zr的质量百分比为0.08～0.15％，进一步优选为0.09～0.12％。

进一步，所述Zn、Li、Cu、Mg和Zr五种元素的添加量为10～15％，特别是Li和Zn含量总和为5.5～10.3％。

进一步，其元素配比以质量百分比计包括：Zn 5.0～6.5％、Li 2.1～3.5％、Cu2.0～2.5％、 Mg 2.0～2.5％、Zr 0.09～0.12％、Fe＜0.05％、Si<0.05％、Na<0.0005％、Ca<0.0005％、H <0.0001％、余量为Al。

一种可铸造第四代超轻超细晶高强铝锂合金的制备方法，包括以下步骤：

S1、配料：按照比例称取金属原材料进行配料；

S2、坯料制备：将配料在30～100kg级真空感应熔炼炉中进行熔炼，采用石墨坩埚，真空度<1000Pa，熔炼温度750～780℃，浇注温度680～720℃，浇注到直径50～150mm的金属型模具中，获得铸锭；

S3、热处理：将铸锭进行先三级均匀化退火处理即得到超轻超细晶高强铝锂合金。

本发明的有益效果：

(1)本发明所述新型第四代铝锂合金通过加入Zn、Li、Cu、Mg和Zr等元素，经过合金化作用得到平均晶粒尺寸小于25μm的超细晶粒，且这些晶粒呈近球状。这种超细晶会增加强化效果，提高合金强度。而近球状晶粒在后续变形过程中发生各向异性的可能性较小，避免了第二代铝锂合金由于Li含量过高造成各向异性严重的现象。

(2)本发明所述新型第四代铝锂合金通过加入2.0～3.5％(质量量百分比)的Li含量，降低了铝合金的密度至2.45～2.60g/cm³。

(3)本发明所述新型第四代铝锂合金经过系列热处理后可得到较高的强度，其强度高于400MPa。

(4)本发明所述新型第四代铝锂合金固相线和液相线区间相较于2195、2050以及7xxx 铝合金要窄得多，铸造性能优异，铸造后缩孔疏松等缺陷减少。

(5)本发明所述新型第四代铝锂合金不添加稀土元素、贵金属元素等，具有低成本和可操作，适合工业化生产和规模化应用。当前第二代和第三代铝锂合金，都添加稀土元素或贵重元素，如2195含Ag，1460含Sc。

附图说明

图1为本发明实施例1到实施例4中超轻超强超细晶高强第四代铝锂合金铸态低倍金相组织照片。

图2为本发明实施例1到实施例4中第四代超轻超强超细晶高强铝锂合金铸态高倍金相组织照片。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

实施例1：一种超轻超强超细晶高强第四代铝锂合金铸锭的制备方法，包括以下步骤：

(1)配料：称取金属原材料进行配料，金属原材料中包括以下质量百分比的化学元素： Li 2.2％、Zn 5.6％、Cu2.0％、Mg2.6％、Zr0.12％、Fe 0.018％、Si 0.016％、Na0.0001％、Ca 0.0004％、 H 0.0002％、余量为Al。

(2)坯料制备：将配料在30kg级真空感应熔炼炉中进行熔炼，采用石墨坩埚，真空1000Pa，熔炼温度760℃，浇注温度700℃，浇注到直径50mm的金属型模具中，获得铸锭。

(3)热处理：将铸锭进行三级均匀化退火处理，退火制度500℃/16h+510℃/16h+520℃ /16h。

实施例2：一种超轻超强超细晶高强第四代铝锂合金铸锭的制备方法，具体步骤如下：

(1)配料：称取金属原材料进行配料，金属原材料中包括以下质量百分比的化学元素： Li 2.7％、Zn 5.6％、Cu 2.0％、Mg2.6％、Zr0.12％、Fe0.018％、Si0.016％、Na0.0001％、Ca 0.0004％、 H 0.00002％、余量为Al。

(2)坯料制备：将配料在30kg级真空感应熔炼炉中进行熔炼，采用石墨坩埚，真空度 1000Pa，熔炼温度760℃，浇注温度700℃，浇注到直径50mm的金属型模具中，获得铸锭。

(3)热处理：将铸锭进行三级均匀化退火处理，退火制度500℃/16h+510℃/16h+520℃ /16h。

实施例3：一种超轻超强超细晶高强第四代铝锂合金铸锭的制备方法，具体步骤如下：

(1)配料：称取金属原材料进行配料，金属原材料中包括以下质量百分比的化学元素： Li3.2％、Zn5.6％、Cu2.0％、Mg 2.6％、Zr 0.12％、Fe 0.023％、Si 0.016％、Na0.0002％、Ca 0.0004％、 H0.00003％、余量为Al。

(2)坯料制备：将配料在30kg级真空感应熔炼炉中进行熔炼，采用石墨坩埚，真空度 1000Pa，熔炼温度760℃，浇注温度700℃，浇注到直径50mm的金属型模具中，获得铸锭。

(3)热处理：将铸锭三级均匀化退火处理，退火制度500℃/16h+510℃/16h+520℃/16h。

实施例4：一种超轻超强超细晶高强第四代铝锂合金铸锭的制备方法，具体步骤如下：

(1)配料：称取金属原材料进行配料，金属原材料中包括以下质量百分比的化学元素： Li3.6％、Zn 5.6％、Cu2.0％、Mg2.6％、Zr 0.12％、Fe 0.045％、Si 0.036％、Na0.0003％、Ca 0.0007％、 H 0.00004％、余量为Al。

(2)坯料制备：将配料在30kg级真空感应熔炼炉中进行熔炼，采用石墨坩埚，真空度 1000Pa，熔炼温度760℃，浇注温度700℃，浇注到直径50mm的金属型模具中，获得铸锭。

(3)热处理：将铸锭进行三级均匀化退火，退火制度500℃/16h+510℃/16h+520℃/16h。

按照上述四个实施例中的合金成分和制备方法，浇注得到铸锭的杂质成分如表1所示，由此可以得出铸锭的纯净度比较高。

对比实施例一到实施例四中铸锭中杂质含量(Wt.％)

表1

铸锭的铸态组织如图1和2所示，合金铸态晶粒超细，呈近似球状。

实施例一到实施例四中制得的超细晶铝锂合金的密度测试结果如表2所示，合金密度较低，密度2.45～2.6g/cm³，该合金质量较轻。

对比实施例一到实施例四中合金铸锭密度(g/cm³)

表2

实施例一到实施例四中制得的超细晶铝锂合金硬度测试结果如表3所示，合金的铸态强度较高，硬度大于130HV。

对比实施例一到实施例四中合金铸锭硬度(HV)

表3

经过实施例二中制得的超细晶铝锂合金铸锭的固液相线温度区间与其他合金对比结果如表4所示，从表4可以看出，本发明中的合金相对2050、2195和7xxx铝合金的固液相线温度区间要窄将近一半，说明本发明的合金在浇注凝固过程中凝固收缩小，可减小疏松、缩孔、热裂等铸造缺陷产生的可能，说明本发明具有较好的铸造性能。

表4

Claims (9)

1.一种可铸造第四代超轻超细晶高强铝锂合金，其特征在于：其元素配比以质量百分比计包括：Zn 3.5～7.0％；Li1.5～4.5％；Cu1.5～2.8％；Mg1.5～3.0％；Zr0.05～0.15％；Fe＜0.05％；Si＜0.05％；Na＜0.001％；Ca＜0.001％；H＜0.0001％，余量为Al。

2.根据权利要求1所述的可铸造第四代超轻超细晶高强铝锂合金，其特征在于：所述Zn的质量百分比为4.5～6.7％，进一步优选为5.0～6.5％。

3.根据权利要求1所述的可铸造第四代超轻超细晶高强铝锂合金，其特征在于：所述Li的质量百分比为1.7～3.7％，进一步优选为2.1～3.5％。

4.根据权利要求1所述的可铸造第四代超轻超细晶高强铝锂合金，其特征在于：所述Mg的质量百分比为1.9～2.6％，进一步优选为2.0～2.5％。

5.根据权利要求1所述的可铸造第四代超轻超细晶高强铝锂合金，其特征在于：所述Cu的质量百分比为1.9～2.6％，进一步优选为2.0～2.5％。

6.根据权利要求1所述的可铸造第四代超轻超细晶高强铝锂合金，其特征在于：所述Zr的质量百分比为0.08～0.15％，进一步优选为0.09～0.12％。

7.根据权利要求1所述的可铸造第四代超轻超细晶高强铝锂合金，其特征在于：所述Zn、Li、Cu、Mg和Zr五种元素的添加量为10～15％，特别是Li和Zn含量总和为5.5～10.3％。

8.根据权利要求1所述的可铸造第四代超轻超细晶高强铝锂合金，其特征在于：其元素配比以质量百分比计包括：Zn 5.0～6.5％、Li 2.1～3.5％、Cu 2.0～2.5％、Mg 2.0～2.5％、Zr 0.09～0.12％、Fe＜0.05％、Si<0.05％、Na<0.0005％、Ca<0.0005％、H<0.0001％、余量为Al。

9.根据权利要求1～8任一项所述的可铸造第四代超轻超细晶高强铝锂合金制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、配料：按照比例称取金属原材料进行配料；

S2、坯料制备：将配料在30～100kg级真空感应熔炼炉中进行熔炼，采用石墨坩埚，真空度<1000Pa，熔炼温度750～780℃，浇注温度680～720℃，浇注到直径50～150mm的金属型模具中，获得铸锭；

S3、热处理：将铸锭进行先三级均匀化退火处理即得到超轻超细晶高强铝锂合金。

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