CN117107133A - 一种高强耐热铝锂合金及其制备方法 - Google Patents

一种高强耐热铝锂合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于铝合金材料技术领域，公开了一种高强耐热铝锂合金及其制备工艺，该工艺适用的铝锂合金成分及重量百分比为：Cu 3.6～4.4％，Li 1.1～1.5％，Mg 0.3～1.2％，Mn 0.4～0.8％，Zr 0.09～0.15％，Ti 0.02～0.05％，Sc 0.10～0.30％，Ag 0.25～0.40％，杂质元素Fe≤0.1％，Si≤0.1％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al；该合金的制备工艺：铝锂合金熔铸→均匀化→热变形→固溶淬火→冷变形→人工时效。本发明提供的合金在经过上述工艺处理后，在具备良好室温性能的同时，在250℃和300℃的高温条件下均具有较高的强度。

Description

一种高强耐热铝锂合金及其制备方法
技术领域
本发明属于铝合金材料技术领域，涉及一种高强耐热铝锂合金及其制备方法，具体涉及Al-Cu-Li-Mg-X系高强耐热铝锂合金及其制备工艺，所制备的铝锂合金在室温、250℃和300℃下均具有较高的强度。
背景技术
随着航空、航天领域的快速发展，飞行器对低结构重量，高性能指标的需求愈加迫切，采取低密度的材料是有效提高飞行器运载能力的一个重要措施。铝合金拥有优异的低密度特性，但高温性能较差，现有的成熟2xxx系变形耐热铝合金长时间许可使用温度不超过200℃，而发动机附近机身蒙皮和隔框、高速无人机蒙皮以及超高声速的骨架材料则需要使用可在250℃～300℃温度范围内工作的轻质高强耐热铝合金。
提高铝合金中析出相的稳定性是获得更高耐热性能的一个主要方向。为了提高铝合金的高温性能，国内外研究者通常选用多元合金化方法的改变、抑制析出相的长大。专利CN110423926A公开了一种耐热铝合金及其制备方法。在Al-Cu-Mg合金中加入Ag元素，通过固溶后的预拉伸以及双级时效调控析出相的类型，从而提高合金的耐热性能，但该类合金的长期使用温度一般不超过200℃。专利CN115537617A公开了一种高强耐热铝合金及其制备方法，在Al-Cu-Mg合金中引入微量Sn元素，通过引入微量的Sn元素，捕捉晶间大量的空位，形成溶质原子空位对，并阻碍后续S相的形成，同时起到抑制主强化耐热相Ω相的粗化，从而提高合金的耐热性，该合金主要用于飞机轮毂，其工作温度一般不超过165℃。
正常温度下，晶界可以阻碍滑移运动，使变形发生在晶粒内部，从而提高合金强度。当铝合金处于300℃的高温环境下，晶界区域由于众多的点缺陷存在，使其在该温度下发生软化而成为合金的薄弱区域，因此，如何提高晶界强度就是提高铝合金300℃下高温性能的重要措施。
发明内容
本发明的目的是：针对现有成熟的变形耐热铝合金耐温性能不满足无人机以及超高声速飞机(5马赫以上)的使用要求，提出一种Al-Cu-Li-X系高强耐热铝锂合金及其制备方法，使制备的铝锂合金具备250℃下长时间使用(50小时)以及300℃下短时间使用的性能。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：
提供一种高强耐热铝锂合金，所述的铝锂合金各组分及其质量百分比为：Cu 3.6～4.4％，Li 1.1～1.5％，Mg 0.3～1.2％，Mn 0.4～0.8％，Zr 0.09～0.15％，Ti 0.02～0.05％，Sc 0.10～0.30％，Ag 0.25～0.40％，杂质元素Fe≤0.1％，Si≤0.1％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al。
优选地，所述的铝锂合金各组分及其质量百分比为：Cu 3.60％，Li 1.3％，Mg0.8％，Mn 0.6％，Zr 0.15％，Ti 0.03％，Sc 0.10％，Ag 0.25％。
进一步地，所述的铝锂合金各组分及其质量百分比为：Cu 3.8％，Li 1.4％，Mg1.2％，Mn 0.8％，Zr 0.15％，Ti 0.03％，Sc 0.3％，Ag 0.3％。
还提供一种权利要求1所述的耐热铝锂合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、根据合金成分进行熔炼铸造，制备成半连续铸锭；
步骤2、在空气循环炉内对铸锭进行均匀化处理，处理时采取双级加热工艺；
步骤3、将均匀化处理后的铸锭扒皮处理后，经过初次热变形→高温保温→中温二次热变形；
步骤4、成形后的板材/锻件经过固溶淬火、冷变形、时效处理，得到高强耐热铝锂合金材料。
步骤2中所述二级加热工艺具体为：第一级均匀化温度为380～440℃，第二级均匀化温度为485～510℃。
步骤3中所述热加工工艺为热轧、热锻工艺中任意一种，初次热轧/热锻加热温度400～440℃，初次热变形至成品厚度1.5～1.7倍为止；高温保温490℃～530℃，保温2～4h；出炉空冷、风冷或水冷至180℃～210℃进行中温二次热轧/热锻，直至达到成品厚度规格。
所述步骤4中采取的固溶处理为双级固溶，首先在470～490℃保温0.5～3h，然后升温至520℃～540℃。保温0.5～4h，室温水淬火，然后在30min内进行4.5％～6.5％的冷变形处理。
步骤4中的时效处理为120～130℃保温6～10h，随炉升温至145～155℃保温12～20h。
本发明的有益效果是：
本发明针对上述两种可改善铝合金高温性能的措施，通过合理搭配铝锂合金中的向Cu、Li、Mg元素的含量，同时引入微量合金化元素Ag、Sc、Ti、Zr等，搭配本发明的制备方法可以有效的提高析出相的稳定性，并控制合金晶界处高温稳定相弥散析出，同时利用热变形-高温保温-中温变形制备工艺结合后续的分级固溶处理工艺，调控铝锂合金的晶粒组织形貌，使其成为相互嵌套的块状特征组织，由此提高铝锂合金高温性能。具体有以下效果：
1、本发明通过多元成分设计、多级均匀化工艺、变温变形以及形变热处理等工艺，获得相对较大且晶界相互嵌套的特征组织(如图1、2所示)，有效抑制高温下晶界的滑动，获得具有良好高温稳定性的宏观、微观特征组织，从而提高铝锂合金耐热性；
2、本发明所采取的制备工艺及方法均可在现有的工业化装备上实现，具有较强的可操作性和可实施性。
3、本发明的Al-Cu-Li系铝合金具有优异的高温力学性能，在250℃下的持久强度可达300MPa以上，300℃下的高温抗拉强度可达300MPa以上，屈服强度270MPa以上。
附图说明
图1为实施例1的锻件高倍组织形貌，所示为嵌套块状组织图；
图2为实施例3的板材高倍组织形貌，所示为粗大的完全再结晶形貌图。
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，下面将结合本发明的实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将详细描述本发明实施例的各个方面的特征。在下面的详细描述中，提出了许多具体的细节，以便对本发明的全面理解。在下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。
本发明的高强耐热铝锂合金各组分及其质量百分比为：Cu 3.6～4.4％，Li1.1～1.5％，Mg 0.3～1.2％，Mn 0.4～0.8％，Zr 0.09～0.15％，Ti 0.02～0.05％，Sc 0.10～0.30％，Ag 0.25～0.40％，杂质元素Fe≤0.1％，Si≤0.1％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al。本发明高强耐热铝锂合金的制备方法的步骤为：按照合金成分配比，对合金进行熔炼，制备成铸锭；铸锭均匀化处理后表面扒皮，经过初次热变形→高温保温→中温二次热变形达到预定尺寸；随后进行双级固溶+淬火+冷变形处理；冷变形后的材料进行双级时效处理。
具体步骤如下：
步骤1、根据合金成分进行熔炼铸造，制备成半连续铸锭；
步骤2、在空气循环炉内对铸锭进行均匀化处理，处理时采取双级加热工艺；第一级均匀化温度为380～440℃，第二级均匀化温度为485～510℃；
步骤3、将均匀化处理后的铸锭扒皮处理后，经过初次热变形→高温保温→中温二次热变形；热加工工艺为热轧、热锻工艺中任意一种，初次热轧/热锻加热温度400～440℃，初次热变形至成品厚度1.5～1.7倍为止；高温保温490℃～530℃，保温2～4h；出炉空冷、风冷或水冷至180℃～210℃进行中温二次热轧/热锻，直至达到成品厚度规格；
步骤4、成形后的板材/锻件经过固溶淬火、冷变形、时效处理，得到高强耐热铝锂合金材料。固溶处理为双级固溶，首先在470～490℃保温0.5～3h，然后升温至520℃～540℃。保温0.5～4h，室温水淬火，然后在30min内进行4.5％～6.5％的冷变形处理；时效处理为120～130℃保温6～10h，随炉升温至145～155℃保温12～20h。
下面结合具体实施例说明本发明合金成分与工艺对最终合金性能的影响。
本发明的耐热铝锂合金采取了Ag、Sc联合微合金化细化晶粒，结合制备工艺使其形成粗大再结晶，有利于提高合金高温强度。为了说明Ag、Sc联合微合金化对合金耐热性能的增益作用，进行了多组对比实验，见实施例1～4，其中，实施例1和实施例3为Ag、Sc联合微合金化的铝锂合金，实施例2采用Ag微合金化的铝锂合金，实施例4为采用Sc微合金化的铝锂合金，通过实施例1与2，实施例3与4进行对比，以说明采用该发明针对提高铝锂合金高温力学性能的实施效果。
实施例1：
耐热铝锂合金成分及重量百分比为：Cu 3.60％，Li 1.3％，Mg 1.0％，Mn0.73％，Ag 0.28％，Sc 0.10％，Zr 0.12％，Ti 0.03％，Fe 0.08％，Si 0.06％，余量为Al。
实施例2
采用一种Ag微合金化的铝锂合金，所对应的合金成分及重量百分比为:Cu3.62％，Li 1.3％，Mg 0.85％，Mn 0.71％，Zr 0.12％，Ag 0.33％，Ti 0.03％，Fe 0.08％，Si0.06％，余量为Al。
采用本发明所涉及的合金制备方法，将实施例1和实施例2采用以下制备方法制备成锻件：
将Φ440mm铸锭放入空气循环炉进行二级均匀化，第一级：410℃/10h，第二级：505℃/22h；
将均匀化后的铸锭扒皮，在430℃±10℃下进行加热，然后出炉进行自由锻造，经过两墩两拔后制备成厚度为200mm的锻件，将锻件放入空气循环炉内加热，500℃下保温4h，出炉空冷至210℃进行二次热锻，锻造成厚度130mm的锻件。
将锻件放入箱式淬火炉中进行固溶淬火处理，固溶工艺：470℃保温4h，然后升温至520℃，保温2h，室温水淬火，淬火后的锻件进行冷压缩处理，压缩变形量5.2％；将冷压缩完毕的锻件进行双级人工时效处理，时效工艺为125℃保温8h，随炉升温至145℃保温16h。
将Φ440mm铸锭放入空气循环炉进行二级均匀化，第一级：410℃/10h，第二级：505℃/22h；
将均匀化后的铸锭扒皮，在430℃±10℃下进行加热，然后出炉进行自由锻造，经过两墩两拔后制备成厚度为200mm的锻件，将锻件放入空气循环炉内加热，500℃下保温4h，出炉空冷至210℃进行二次热锻，锻造成厚度130mm的锻件。
将锻件放入箱式淬火炉中进行固溶淬火处理，固溶工艺：470℃保温4h，然后升温至520℃，保温2h，室温水淬火，淬火后的锻件进行冷压缩处理，压缩变形量5.2％；将冷压缩完毕的锻件进行双级人工时效处理，时效工艺为125℃保温8h，随炉升温至145℃保温16h。
实施效果：
对实施例1和实施例2在250℃的持久性能以及250℃、300℃下的拉伸性能进行对比，持久测试方法为：GB/T 2039-1997,短时力学拉伸测试方法为GB/T228.2-2015，结果如表1所示，可以发现采用Ag、Sc联合微合金化的合金在250℃的持久强度提高16％，300℃下的抗拉强度提高约35％。
表1实施例1和实施例2的高温持久性能和拉伸性能对比
合金 试验温度/℃ σ50/MPa σb/MPa σ0.2/MPa δ5％
实施例1 250 312 345 318 9.8
实施例2 250 278 320 287 10.5
实施例1 300 / 321 289 10.4
实施例2 300 / 238 204 15.8
实施例3
设计一种Ag、Sc微合金化的铝锂合金，所对应的合金成分及重量百分比为：Cu3.73％，Li 1.48％，Mg 1.2％，Mn 0.80％，Zr 0.12％，Ag 0.28％，Sc 0.10％，Ti 0.03％，Fe 0.08％，Si 0.06％，余量为Al。
实施例4
设计一种Sc微合金化的铝锂合金，所对应的合金成分及重量百分比为：Cu 3.8％，Li 1.46％，Mg 1.2％，Mn 0.80％，Zr 0.12％，Sc 0.30％，Ti 0.03％，Fe0.08％，Si0.06％，余量为Al。
采用本发明所涉及的合金制备方法，将实施例3和实施例4采用以下制备方法制备成板材：
将厚度330mm的扁锭放入空气循环炉进行二级均匀化，第一级：420℃/8h，第二级：500℃/28h；将均匀化后的铸锭扒皮，在420℃±10℃下加热，然后出炉热轧，轧至100mm，将板材放入空气循环炉加热至510℃下保温2h，出炉风冷至200℃进行二次热轧，轧制至60mm，空冷至室温。
将轧板放入箱式淬火炉中进行固溶淬火处理，固溶工艺：485℃保温3h，然后升温至535℃，保温1.5h，室温水淬火，淬火后的板材进行预拉伸，变形量4.5％。预拉伸完毕的轧板进行双级人工时效处理，时效工艺为125℃保温8h，随炉升温至150℃保温16h。
将厚度330mm的扁锭放入空气循环炉进行二级均匀化，第一级：420℃/8h，第二级：500℃/28h；将均匀化后的铸锭扒皮，在420℃±10℃下加热，然后出炉热轧，轧至100mm，将板材放入空气循环炉加热至510℃下保温2h，出炉风冷至200℃进行二次热轧，轧制至60mm，空冷至室温。
将轧板放入箱式淬火炉中进行固溶淬火处理，固溶工艺：485℃保温3h，然后升温至535℃，保温1.5h，室温水淬火，淬火后的板材进行预拉伸，变形量4.5％。预拉伸完毕的轧板进行双级人工时效处理，时效工艺为125℃保温8h，随炉升温至150℃保温16h。
实施效果：
对实施例3和实施例4在250℃、300℃下的高温拉伸性能进行对比，结果如表2所示，可以发现采用Ag、Sc联合微合金化的合金板材在250℃的持久强度提高约27％，300℃下的抗拉强度提升约40％。
表2实施例3、4的高温拉伸性能对比
合金 试验温度/℃ σ50/MPa Rm/MPa R0.2/MPa A％
实施例3 250 308 331 294 7.8
实施例4 250 243 280 258 9.6
实施例3 300 / 305 272 10.5
实施例4 300 / 217 178 16.3
实施效果：
将本发明的合金与新一代航空耐热铝合金2024高温性能进行对比，如表3所示，本专利发明的耐热铝锂合金在250℃下的拉伸强度更为优越，抗拉强度能提高10％～17％。
表3本专利合金与2024合金高温拉伸性能对比
合金 试验温度/℃ Rm/MPa R0.2/MPa
实施实例1 250 345 318
实施实例3 250 331 294
2024合金 250 296 278
最后为了说明步骤3中初次热轧加热温度以及高温保温温度对合金性能的影响，做了实施例5～8，其中实施例5～6为不同热轧温度对比组，实施例7～8为不同保温温度对比组，以说明采用该发明的制备方法针对提高铝锂合金高温力学性能的实施效果，具体试验参数见表4和表6。
表4实施例5～6的合金成分和制备工艺对比(热轧温度-单一变形量)
实施效果：对比发现初次热轧温度420℃左右较为合适，400℃作为初次热轧温度较低，在热轧过程中不仅易发生开裂现象，同时合金性能下降。
表5不同热轧温度下合金高温拉伸性能对比
合金 试验温度/℃ Rm/MPa R0.2/MPa A％
实施例5 300 310 276 10.6
实施例6 300 278 253 11.8
表6实施例7～8的合金成分和制备工艺对比(保温温度-单一变形量)
实施效果：对比发现经过初次热轧后的高温保温温度宜在510℃左右，480℃作为保温温度过低，合金再结晶晶粒粗化程度降低，不利于合金高温拉伸性能。
表7不同热轧温度下合金高温拉伸性能对比
合金 试验温度/℃ Rm/MPa R0.2/MPa A％
实施例7 300 310 276 10.6
实施例8 300 253 225 13.9
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高强耐热铝锂合金，其特征在于：所述的铝锂合金各组分及其质量百分比为：Cu3.6～4.4％，Li 1.1～1.5％，Mg 0.3～1.2％，Mn 0.4～0.8％，Zr 0.09～0.15％，Ti 0.02～0.05％，Sc 0.10～0.30％，Ag 0.25～0.40％，杂质元素Fe≤0.1％，Si≤0.1％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al。
2.一种高强耐热铝锂合金，其特征在于：所述的铝锂合金各组分及其质量百分比为：Cu3.60％，Li 1.3％，Mg 0.8％，Mn 0.6％，Zr 0.15％，Ti 0.03％，Sc0.10％，Ag 0.25％。
3.一种高强耐热铝锂合金，其特征在于：所述的铝锂合金各组分及其质量百分比为：Cu3.8％，Li 1.4％，Mg 1.2％，Mn 0.8％，Zr 0.15％，Ti 0.03％，Sc 0.3％，Ag 0.3％。
4.一种权利要求1所述的耐热铝锂合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、根据合金成分进行熔炼铸造，制备成半连续铸锭；
步骤2、在空气循环炉内对铸锭进行均匀化处理，处理时采取双级加热工艺；
步骤3、将均匀化处理后的铸锭扒皮处理后，经过初次热变形→高温保温→中温二次热变形；
步骤4、成形后的板材/锻件经过固溶淬火、冷变形、时效处理，得到高强耐热铝锂合金材料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤2中所述二级加热工艺具体为：第一级均匀化温度为380～440℃，第二级均匀化温度为485～510℃。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤3中所述热加工工艺为热轧、热锻工艺中任意一种，初次热轧/热锻加热温度400～440℃，初次热变形至成品厚度1.5～1.7倍为止；高温保温490℃～530℃，保温2～4h；出炉空冷、风冷或水冷至180℃～210℃进行中温二次热轧/热锻，直至达到成品厚度规格。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述步骤4中采取的固溶处理为双级固溶，首先在470～490℃保温0.5～3h，然后升温至520℃～540℃。保温0.5～4h，室温水淬火，然后在30min内进行4.5％～6.5％的冷变形处理。
8.根据权利要求4所述的制备方法，步骤4中的时效处理为120～130℃保温6～10h，随炉升温至145～155℃保温12～20h。
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