CN115652150B - 基于硼元素细化晶粒的高强韧耐热铝合金及其制备和热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于铝合金材料技术领域，具体涉及一种基于硼元素细化晶粒的高强韧耐热铝合金及其制备方法和热处理方法。其包括以下重量百分比的合金成分：铈4~7wt.%，镁0.2~0.5wt.%，铁0.1~0.5wt.%，铒0.1~0.5wt.%，硼0.02~0.3wt.%，杂质含量≤0.3%，其余为铝。本发明通过“细化共晶尺寸、提高体积分数”的微观组织设计思想，提供了一种基于多元共晶相强化以及硼元素细化的低成本高强耐热铝合金的成分及制备方法。该耐热铝合金的室温抗拉强度在300～350MPa之间，350°C下的抗拉强度在150～190MPa之间。
Description
技术领域
本发明属于铝合金材料技术领域，具体涉及一种基于硼元素细化晶粒的高强韧耐热铝合金及其制备方法和热处理方法。
背景技术
铝合金具有密度小，比强度、比刚度高，耐腐蚀性与切削加工性好，铸造性能优良和易于回收等优点，是轻量化的主要结构材料。耐热铝合金是铝合金材料中的一类高性能铝合金材料，其优良的抗高温性能和成形性能，在汽车发动机以及航空航天等领域关键零部件方面起着至关重要的作用。
铝稀土（Al-RE）合金是重要的铸造耐热铝合金，最具代表性的为铝铈(Al-Ce)合金。Al-Ce二元合金铸造性能优良，无热裂及疏松倾向，其铸造性能与Al-Si共晶合金相当。此外，二元共晶合金中的Al11Ce3共晶相还具有优异的组织热稳定性，研究发现Al11Ce3相的耐热温度可达500℃。因此，Al-Ce合金被誉为当前最有发展前景的耐热铸造铝合金之一。Al-Ce共晶合金强度与耐热性提升的关键点在于以下几个方面：（1）耐热相的热稳定性，与耐热相的晶体结构、组成元素的扩散系数有关；（2）耐热相的体积分数，体积分数越高，耐热性越好；（3）耐热相的尺度、空间分布构型，尺度越小，空间分布趋于网状则强度与耐热性有望同时提升。然而，目前所报道的Al-Ce合金的室温力学性能普遍低于200MPa，室温强度甚至不如Al-Si铸造合金。其原因在于铸造条件下，Al-Ce共晶合金中Ce元素易发生偏析，Al11Ce3相的尺寸过大，导致力学性能偏低。因此，如何通过合金元素调控以及相应的工艺调控来细化晶粒组织、减小共晶相的尺度是提高Al-Ce合金强度的关键技术。
中国专利申请号为202210143703 .4的发明公开了一种铝铈铒耐热铸造铝合金及其制备方法，通过在Al-Ce合金中添加稀土元素Er，在合金中形成了Al3Er相，明 显改善了合金中Al11Ce3的形态并细化了α-Al组织，使得长块状初生Al11Ce3相消失，共晶Al11Ce3 相由粗大片状转变为纤维状或点状，从而提高了合金的室温及高温抗拉强度，铸造铝合金的室温抗拉强度为205～225MPa，350℃抗拉强度为170～190MPa。由此看出，室温强度依然偏低。此外，所述合金中Ce元素的含量为12wt.%~16wt.%,合金化程度明显偏高，合金成本高。因此，亟需开发一种新型的低成本合金以弥补上述不足。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，通过“细化共晶尺寸、提高体积分数”的微观组织设计思想，提供了一种基于多元共晶相强化以及硼元素细化的低成本高强耐热铝合金的成分及制备方法。该耐热铝合金的室温抗拉强度在300～350MPa之间，350°C下的抗拉强度在150～190MPa之间。
为了实现上述目的，本发明具体采用以下技术方案：
基于硼元素细化晶粒的高强韧耐热铝合金，其包括以下重量百分比的合金成分：铈4~7wt.%，镁0.2~0.5wt.%，铁0.1~0.5wt.%，铒0.1~0.5wt.%，硼0.02~0.3wt.%，杂质含量≤0.3%，其余为铝。
上述的一种基于硼元素细化晶粒的高强韧耐热铝合金，其还包括按重量百分比计算的以下合金成分：镍1~3wt.%，锰0.2~0.5wt.%。
一种基于硼元素细化晶粒的高强韧耐热铝合金的制备方法，其包括：
（1）熔炼静置：将纯度大于等于99.7%的铝锭放在熔炉中熔化获得铝熔体，所述铝熔体温度为720~750℃，向铝熔体中加入铝铈、铝镁、铝铁、铝铒、铝硼中间合金锭，使得合金成分按重量百分比计算达到铈4~7wt.%，镁0.2~0.5wt.%，铁0.1~0.5wt.%，铒0.1~0.5wt.%，硼0.02~0.3wt.%，杂质含量≤0.3%；在720~750℃下熔炼合金，待中间合金锭充分熔化后利用石磨棒充分搅拌熔体并静置5分钟；
（2）造渣除渣：加入精炼剂造渣，并使用石墨棒缓慢充分搅拌，扒去表面浮渣；将熔体温度降至750°C以下并通入高纯氩气，得到纯净的铝合金液体，静置5分钟；
（3）重力铸造：在750℃下将纯净的铝合金液体浇注到模具中，模具预热温度为300℃，即得到基于硼元素细化晶粒的高强韧耐热铝合金。
上述的一种基于硼元素细化晶粒的高强韧耐热铝合金的制备方法，其铝铈中间合金锭中稀土成分铈含量为10%，铝铁中间合金锭中铁成分含量为10%，铝镁中间合金锭中镁成分的含量为10%，铝铒和铝硼中间合金锭中铒和硼的含量均为2%。
上述的一种基于硼元素细化晶粒的高强韧耐热铝合金的制备方法，其所述步骤（1）向铝熔体中还加入铝镍、铝锰中间合金锭，使得合金成分按重量百分比计算达到镍1~3wt.%，锰0.2~0.5wt.%。
上述的一种基于硼元素细化晶粒的高强韧耐热铝合金的制备方法，其所述铝镍和铝锰中间合金锭中镍和锰的成分含量均为10%。
一种基于硼元素细化晶粒的高强韧耐热铝合金的热处理方法，其包括：将基于硼元素细化晶粒的高强韧耐热铝合金在热处理炉内进行热处理，热处理温度为280℃～350°C，热处理时间为30～90min。
有益效果：
1、本发明突破耐热铝合金的常规设计思路，通过“细化共晶尺寸、提高体积分数”的微观组织设计思想，提供了一种基于多元共晶相强化以及硼元素细化的低成本高强耐热铝合金的成分及制备方法。本发明的高强耐热铝合金的室温抗拉强度在300～350MPa之间，350°C下的抗拉强度在150～200MPa之间。其技术指标在现有技术中具有领先性。
2、本发明主要依靠B元素的晶粒细化作用。B元素细化Al-Ce共晶合金，在目前的技术资料中未见报道，也是通过常规理论所无法预测的，这是本发明的一个重要创新点。
3. 合金成分中的Er元素在热处理过程中析出了与铝基体共格的L12-Al3Er的纳米析出相，通过Orowan强化增强了铝合金的强度和耐热性。稀土元素Ce主要形成耐热性好的Al11Ce3共晶相，Mn和Ni元素主要通过形成Al20Mn2Ce三元相以及Al3Ni共晶相以提高金属间化合物的体积分数，提高强度与耐热性，同时Mn在铝中具有较高的固溶度，还可以产生显著的固溶强化效果。Mg元素通过与Ce形成热稳定性好的Al-Ce-Mg三元化合物进一步提高了耐热性。本发明所规定的合金元素成分范围，所添加元素都起到了积极的作用，规避了合金元素交互作用带来的不利影响，在技术上具有创新性。
4、由于Er在共晶两相中皆有分布，共晶层片间距小导致Er的体扩散激活能低，因此Al3Er析出相的析出动力学过程明显加快。本发明的时效热处理温度为280～350°C，时效处理时间30～90min，热处理时间极大缩短。
5、本发明所规定的Ce元素含量低，相比现有技术成本大幅度降低。
附图说明
图1是实施例2与对比例1中金属间化合物强化相的比例图；
图2是实施例2的微观组织形貌及晶粒大小图；
图3是实施例2时效态的透射电镜组织形貌图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
本实施例的基于硼元素细化晶粒的高强韧耐热铝合金，包括以下重量百分比的合金成分：铈4~5wt.%，镁0.3~0.5wt.%，铁0.1~0.5wt.%，镍 1～2%，锰0.2～0.5wt.%，铒0.3~0.5wt.%，硼0.02~0.1wt.%，杂质含量≤0.3%，其余为铝。
本实施例基于硼元素细化晶粒的高强韧耐热铝合金的制备方法包括：
选择纯度为99.7%工业纯铝置于熔炼炉中熔化成铝液，将铝液升温至720～730℃，称取并向铝液中加入铝铈、铝镁、铝铁、铝镍、铝锰、铝铒、铝硼中间合金锭，其中，铝铈中间合金锭中稀土成分铈含量为10%，铝铁中间合金锭中铁成分含量为10%，铝镁中间合金锭中镁成分的含量为10%，铝镍和铝锰中间合金锭中镍和锰的成分含量均为10%，铝铒和铝硼中间合金锭中铒和硼的含量均为2%，使得合金成分按重量百分比计算达到铈4~5wt.%，镁0.3~0.5wt.%，铁0.1~0.5wt.%，镍 1～2%，锰0.2～0.5wt.%，铒0.3~0.5wt.%，硼0.02~0.1wt.%，杂质含量≤0.3%；在720~730℃下熔炼合金，待中间合金锭充分熔化后利用石磨棒充分搅拌熔体并静置5分钟；加入精炼剂精炼，并使用石墨棒缓慢充分搅拌，扒去表面浮渣；将熔体温度保持在720～730°C并通入高纯氩气，得到纯净的铝合金液体并静置5分钟。最后在720～730℃下将纯净的铝合金液体浇注到模具中，模具预热温度为300℃，最终得到基于硼元素细化晶粒的高强韧耐热铝合金材料。
将基于硼元素细化晶粒的高强韧耐热铝合金材料在热处理炉内进行热处理，处理温度为280℃～350°C，处理时间为30～90min。经测试热处理后的室温抗拉强度为300MPa，350°C下的抗拉强度为150MPa。
实施例2
本实施例的基于硼元素细化晶粒的高强韧耐热铝合金，包括以下重量百分比的合金成分：铈5~7wt.%，镁0.2~0.3wt.%，铁0.1~0.3wt.%，镍2～3wt.%，锰0.2～0.3wt.%，铒0.1~0.3wt.%，硼0.1~0.3wt.%，杂质含量≤0.3%，其余为铝。
本实施例基于硼元素细化晶粒的高强韧耐热铝合金的制备方法与实施例1不同之处在于：
选择纯度大于99.7%工业纯铝置于熔炼炉中熔化成铝液，将铝液升温至730～750℃，按配方Ce 5～7wt.%，Mg0.2～0.3wt.%，Fe 0.1～0.3wt.%，Ni 2～3wt.%，Mn 0.2～0.3wt.%，Er 0.1～0.3wt.%，B 0.1～0.3wt.%分别称取中间合金锭放入铝液中，在730~750℃下熔炼合金，待中间合金锭充分熔化后利用石磨棒充分搅拌熔体并静置5分钟；待中间合金熔化后放入精炼剂精炼，并使用石墨棒缓慢充分搅拌，扒去表面浮渣；将熔体温度控制在740°C以下并通入高纯氩气，得到纯净的铝合金液体并静置5分钟。最后在740℃下将铝合金液体浇注到模具中，模具预热温度为300℃，最终得到铸造铝合金材料。在热处理炉内进行热处理，热处理温度为280℃～350°C，热处理时间为30～90min。经测试热处理后的室温抗拉强度为350MPa， 350°C下的抗拉强度为190MPa。参照图1可以看出，本实施例中金属间化合物强化相的相分数大于对比例1；参照图2可以看出本实施例的微观组织形貌呈现出多相强化、硼元素的细化作用；参照图3可以看出本实施例时效态的透射电镜组织形貌弥散析出的共格Al3Er粒子。
实施例3
本实施例的基于硼元素细化晶粒的高强韧耐热铝合金，包括以下重量百分比的合金成分：铈5~7wt.%，镁0.1~0.3wt.%，铁0.1~0.3wt.%，铒0.1~0.3wt.%，硼0.02~0.1wt.%，杂质含量≤0.3%，其余为铝。
制备时，本实施例与实施例2的不同之处在于，选择纯度为99.7%工业纯铝置于熔炼炉中熔化成铝液，将铝液升温至720～730℃，按配方Ce 5～7wt.%，Mg0.1～0.3wt.%，Fe0.1～0.3wt.%，Er 0.1～0.3wt.%，B 0.02～0.1wt.%分别称取中间合金锭放入铝液中；待中间合金熔化后用石磨棒充分搅拌熔体并静置5分钟，放入精炼剂精炼，并使用石墨棒缓慢充分搅拌，扒去表面浮渣；将熔体温度控制在750°C以下并通入高纯氩气，得到纯净的铝合金液体并静置5分钟。最后在温度低于750℃下将铝合金液体浇注到模具中，模具预热温度为300℃，最终得到铸造铝合金材料。在热处理炉内进行热处理，温度为280℃～350°C，时间为30～90min。经测试热处理后的室温抗拉强度为320MPa， 350°C下的抗拉强度为170MPa。
对比例1
本实施例包括以下重量百分比的合金成分：铈5~7wt.%，镁0.1~0.3wt.%，铁0.1~0.3wt.%，杂质含量≤0.3%，其余为铝。
制备时，本实施例与实施例3的不同之处在于，选择纯度99.7%工业纯铝置于熔炼炉中熔化成铝液，将铝液升温至720～730℃，按配方Ce 5～7wt.%，Mg0.1～0.3wt.%，Fe 0.1～0.3wt.%，分别称取中间合金锭放入铝液中；待中间合金熔化后用石磨棒充分搅拌熔体并静置5分钟，放入精炼剂精炼，并使用石墨棒缓慢充分搅拌，扒去表面浮渣；将熔体温度降至750°C以下并通入高纯氩气，得到纯净的铝合金液体并静置5分钟。最后在750℃下将铝合金液体浇注到模具中，模具预热温度为300℃，最终得到铸造铝合金材料。在热处理炉内进行热处理，温度为280℃～350°C，时间为30～90min。经测试热处理后的室温抗拉强度为160MPa，350°C下的抗拉强度为90MPa。
通过以上实施例和对比例可以看出，本发明主要依靠B元素的晶粒细化作用，利用B元素细化Al-Ce共晶合金，Er元素在热处理过程中析出了与铝基体共格的L12-Al3Er的纳米析出相，通过Orowan强化增强了铝合金的强度和耐热性。稀土元素Ce主要形成耐热性好的Al11Ce3共晶相，Ce元素含量低，相比现有技术成本大幅度降低。Mn和Ni元素主要通过形成Al20Mn2Ce三元相以及Al3Ni共晶相以提高金属间化合物的体积分数，提高强度与耐热性，同时Mn在铝中具有较高的固溶度，还可以产生显著的固溶强化效果。Mg元素通过与Ce形成热稳定性好的Al-Ce-Mg三元化合物进一步提高了耐热性。
本发明突破耐热铝合金的常规设计思路，通过“细化共晶尺寸、提高体积分数”的微观组织设计思想，提供了一种基于多元共晶相强化以及硼元素细化的低成本高强耐热铝合金的成分及制备方法。本发明的高强耐热铝合金的室温抗拉强度在300～350MPa之间，350°C下的抗拉强度在150～200MPa之间。其技术指标在现有技术中具有领先性。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (2)
1.基于硼元素细化晶粒的高强韧耐热铝合金，其特征在于，包括以下重量百分比的合金成分：铈4~7wt.%，镁0.2~0.5wt.%，铁0.1~0.5wt.%，铒0.1~0.5wt.%，硼0.02~0.3wt.%，镍1~3wt.%，锰0.2~0.5wt.%,杂质含量≤0.3 wt.%，其余为铝；
高强韧耐热铝合金的制备方法包括：
（1）熔炼静置：将纯度大于等于99.7%的铝锭放在熔炉中熔化获得铝熔体，所述铝熔体温度为720~750℃，向铝熔体中加入铝铈、铝镁、铝铁、铝铒、铝硼、铝镍、铝锰中间合金锭，使得合金成分按重量百分比计算达到镍1~3wt.%，锰0.2~0.5wt.%，铈4~7wt.%，镁0.2~0.5wt.%，铁0.1~0.5wt.%，铒0.1~0.5wt.%，硼0.02~0.3wt.%，杂质含量≤0.3wt.%，所述铝镍和铝锰中间合金锭中镍和锰的成分含量均为10%；铝铈中间合金锭中稀土成分铈含量为10%，铝铁中间合金锭中铁成分含量为10%，铝镁中间合金锭中镁成分的含量为10%，铝铒和铝硼中间合金锭中铒和硼的含量均为2%；在720~750℃下熔炼合金，待中间合金锭充分熔化后利用石墨棒充分搅拌熔体并静置5分钟；
（2）造渣除渣：加入精炼剂造渣，并使用石墨棒缓慢充分搅拌，扒去表面浮渣；将熔体温度降至750℃以下并通入高纯氩气，得到纯净的铝合金液体，静置5分钟；
（3）重力铸造：在750℃下将纯净的铝合金液体浇注到模具中，模具预热温度为300℃，即得到基于硼元素细化晶粒的高强韧耐热铝合金；
将基于硼元素细化晶粒的高强韧耐热铝合金在热处理炉内进行热处理，热处理温度为280℃～350℃，热处理时间为30～90min。
2.根据权利要求1所述的基于硼元素细化晶粒的高强韧耐热铝合金的制备方法，其特征在于,包括：
（1）熔炼静置：将纯度大于等于99.7%的铝锭放在熔炉中熔化获得铝熔体，所述铝熔体温度为720~750℃，向铝熔体中加入铝铈、铝镁、铝铁、铝铒、铝硼、铝镍、铝锰中间合金锭，使得合金成分按重量百分比计算达到镍1~3wt.%，锰0.2~0.5wt.%，铈4~7wt.%，镁0.2~0.5wt.%，铁0.1~0.5wt.%，铒0.1~0.5wt.%，硼0.02~0.3wt.%，杂质含量≤0.3wt.%，所述铝镍和铝锰中间合金锭中镍和锰的成分含量均为10%；铝铈中间合金锭中稀土成分铈含量为10%，铝铁中间合金锭中铁成分含量为10%，铝镁中间合金锭中镁成分的含量为10%，铝铒和铝硼中间合金锭中铒和硼的含量均为2%；在720~750℃下熔炼合金，待中间合金锭充分熔化后利用石墨棒充分搅拌熔体并静置5分钟；
（2）造渣除渣：加入精炼剂造渣，并使用石墨棒缓慢充分搅拌，扒去表面浮渣；将熔体温度降至750℃以下并通入高纯氩气，得到纯净的铝合金液体，静置5分钟；
（3）重力铸造：在750℃下将纯净的铝合金液体浇注到模具中，模具预热温度为300℃，即得到基于硼元素细化晶粒的高强韧耐热铝合金；
将基于硼元素细化晶粒的高强韧耐热铝合金在热处理炉内进行热处理，热处理温度为280℃～350℃，热处理时间为30～90min。
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| GB1211467A (en) * | 1967-11-02 | 1970-11-04 | Euratom | Fibre-reinforced alloy |
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2022
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