CN1482267A - Al-Mg-Li-Zr-Er合金 - Google Patents
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Abstract
一种Al－Mg－Li－Zr－Er合金涉及金属合金技术领域。其特征在于包括以下成分：Mg4.9～5.5wt％，Li1.8～2.1wt％，Zr0.08～0.15wt％，Er0.05～0.70wt％，Al为余量。本发明的关键在往Al－Mg－Li－Zr合金中添加.050～0.70wt％的稀土元素Er；制备这种合金的方法是在1420合金熔炼过程中加入经真空熔炼的Al－Er中间合金。与1420合金相比较，Al－Mg－Li－Zr－Er合金具有细小的铸态晶粒组织以及较高的强度性能大幅度提高合金强度，然而塑性变化不大。而且，相对于Sc，Er的价格比较便宜，在铝合金中添加Er元素不会大幅度提高生产成本，1420合金又是航空航天用重要材料，因此，在本发明的基础上可以开发出一系列含Er的新型稀土铝锂合金，广泛应用于航空航天、高速列车、汽车等民用领域。
Description
一、技术领域
本发明属于金属合金技术领域。
二、背景技术
铝锂合金以其低密度、高弹性模量等优点在航空航天工业中日益受到重视。在诸多类型的铝锂合金中，以1420(Mg4.9～5.5wt％，Li1.8～2.1wt％，Zr0.08～0.15wt％，Al为余量)为代表的Al-Mg-Li系合金的减重效果最佳。但是，这种合金还存在韧性差、各向异性明显以及强度不够高等问题。为进一步改善合金的性能，原苏联科学工作者(根据魏建锋，何明等的文章，铝锂合金研究进展，稀有金属材料与工程，1994，2，Vol.23)通过添加微量稀土元素Sc的方法对其进行改良，研制出了性能更为有益的1421及1423等合金。与1420合金相比，1421和1423合金的特点是强度高，特别是屈服强度和疲劳强度提高较大，可焊性好，但是合金塑性明显降低。另外，各国研究者还对稀土元素Ce、La在1420铝锂合金中的作用进行了研究，虽然这两种稀土元素对合金某些性能有一定的改善，但依然不是理想的合金元素。本研究小组发现稀土Er对Al-Mg系合金有较显著的强化效果，其强化作用主要来自Er元素对Al基体的细化以及在晶粒内形成的均匀分布的细小Al3Er相。Al3Er与Al3Sc结构相同，属于Pm3m空间群，晶格参数与Al基体很接近，因此，铝合金中添加Er可起到类似Sc的改善合金性能的作用(Sc是对铝合金改性作用最为有效的微量元素，但Sc的价格非常昂贵，而Er的价格仅为Sc的1/40)。本发明进一步将稀土Er添加到1420铝锂合金中，结果发现Er的加入能显著细化合金晶粒，大幅度提高合金强度。尽管将Sc元素添加到铝锂合金中也有这种作用，但Sc的价格昂贵，通过添加Sc来实现铝合金改性将成倍提高合金成本，只有少量的航天和军工领域的特殊需求能够承受如此高的价格。然而，通过添加Er对铝合金进行改性，合金成本增加很小，因此非常适合在航空、高速列车、汽车等民用领域内推广应用。1420铝锂合金是一种发展较为成熟的工业铝合金，对其进行研究可以开发出一系列含Er的新型稀土铝锂合金。关于Al-Mg-Li-Zr-Er合金的研究至今尚未见任何报道。
三、发明内容
本发明的目的在于寻找一种价格相对比较便宜的稀土元素，以合适的量加入到1420合金中，能与合金发生有效的微合金化作用，从而提高合金的强度性能，与此同时，对塑性影响不大。
本发明所提供的Al-Mg-Li-Zr-Er合金，其特征在于，它包括以下成分：Mg4.9～5.5wt％，Li1.8～2.1wt％，Zr0.08～0.15wt％，Er0.05～0.70wt％，Al为余量。
采用传统的铸锭冶金法制备Al-Mg-Li-Zr-Er合金，具体分两步：首先以高纯Al、高纯Zr以及高纯Er为原料，经真空熔铸制备Al-Zr、Al-Er中间合金；然后以高纯Al，高纯Mg，高纯Li和Al-Zr、Al-Er中间合金为原料在真空感应炉中熔炼，在氩气保护下浇入铜模中制备Al-Mg-Li-Zr-Er合金。
实际上，本发明是在1420合金基础上加入了0.05～0.70wt％的稀土元素Er。本发明中，Al-Mg-Li-Zr-Er合金与1420合金相比较有以下特点：1.晶粒明显细化，如图1所示，图1(a)为1420合金铸态金相组织，图1(b)为Al-Mg-Li-Zr-0.2Er合金铸态金相组织；2.时效硬化程度提高，同时提前了时效峰值的出现，如图2所示，其中线(a)为Al-Mg-Li-Zr-0.2Er合金170℃下的时效硬度曲线，线(b)为1420合金170℃下的时效硬度曲线。Al-Mg-Li-Zr-0.2Er合金在170℃下时效6小时即达到峰值，而1420合金在同样条件下时效30小时才达到峰值；3.时效强度强度提高，而延伸率基本不变，由图3可以看出，Al-Mg-Li-Zr-Er合金较1420合金的抗拉强度(σb)提高约30MPa，屈服强度(σ0.2)提高约70MPa，而延伸率(δ)变化很小。
四、附图说明
图1为合金的铸态金相组织，放大倍数为100，其中图1(a)为1420铝锂合金，图1(b)为Al-Mg-Li-Zr-0.2Er合金；
图2为合金170℃下的时效硬度曲线；线(a)为Al-Mg-Li-Zr-0.2Er合金时效硬度曲线，线(b)1420合金时效硬度曲线；
图3为合金在450℃/0.5h淬火+120℃/12h时效的热处理制度下的拉伸性能随着Er含量的变化曲线，抗拉强度-σb，屈服强度-σ0.2，延伸率-δ。
五、具体实施方式
熔配1420合金和Al-Mg-Li-Zr-Er合金，按铸模的容重10kg配料。Zr和Er等元素均以其与Al的中间合金的形式加入，Al、Mg、Li均选用高纯金属，采用ZGG-0.025真空感应炉，真空下熔炼并氩气保护。这里中间合金的制备是以高纯Al、高纯Zr、高纯Er为原料，采用对掺法在真空感应电炉中熔炼制得，其成分为：Al-3.6wt％Zr、Al-6.2wt％Er。
对比例：采用铸锭冶金方法制备1420合金，具体成分见表1，所用原料为纯度为99.99％的高纯Al、纯度为99.99％的高纯Mg、纯度为99.99％的高纯Li以及中间合金Al-3.6wt％Zr，按铸模的容重10kg配料。将8899克高纯铝和361克Al-Zr中间合金放入Al203坩埚，并将其置于ZGG-0.025真空感应炉中，在真空度高于0.3Pa后，通电升温化料，直到溶液温度上升到760℃时断电，保持真空除气。当溶液温度降至710℃，真空度在0.3Pa以上时，通入氩气200mmHg，加入540克Mg和200克Li(铝箔包好)。间断通电大功率搅拌5分钟，温度升至740℃～760℃后浇入水冷铜模。所得合金铸锭尺寸为290×200×70mm。1420合金的拉伸性能指标：抗拉强度σb为440.49Mpa，屈服强度σ0.2为233.79Mpa，延伸率δ为19.09％，详见表1。
例1：采用铸锭冶金方法制备Al-Mg-Li-Zr-0.05Er合金，具体成分见表1，所用原料为纯度为99.99％的高纯Al、纯度为99.99％的高纯Mg、纯度为99.99％的高纯Li以及中间合金Al-3.6wt％Zr、Al-6.2wt％Er，按铸模的容重10kg配料。将8818克高纯铝、361克Al-Zr中间合金以及81克Al-6.2Er中间合金放入Al2O3坩埚，并将其置于ZGG-0.025真空感应炉中，在真空度高于0.3Pa后，通电升温化料，直到溶液温度上升到760℃时断电，保持真空除气。当溶液温度降至710℃，真空度在0.3Pa以上时，通入氩气200mmHg，加入540克Mg和200克Li，Li用铝箔包好。间断通电大功率搅拌5分钟，温度升至740℃～760℃后浇入水冷铜模。所得合金铸锭尺寸为290×200×70mm。Al-Mg-Li-Zr-0.05Er合金的拉伸性能指标：抗拉强度σb为457.39Mpa，屈服强度σ0.2为266.65Mpa，延伸率δ为17.58％，详见表1。
例2：采用铸锭冶金方法制备Al-Mg-Li-Zr-0.1Er合金，具体成分见表1，所用原料为纯度为99.99％的高纯Al、纯度为99.99％的高纯Mg、纯度为99.99％的高纯Li以及中间合金Al-3.6wt％Zr、Al-6.2wt％Er，按铸模的容重10kg配料。将8737克高纯铝、361克Al-Zr中间合金以及162克Al-6.2Er中间合金放入Al2O3坩埚，并将其置于ZGG-0.025真空感应炉中，在真空度高于0.3Pa后，通电升温化料，直到溶液温度上升到760℃时断电，保持真空除气。当溶液温度降至710℃，真空度在0.3Pa以上时，通入氩气200mmHg，加入540克Mg和200克Li，Li用铝箔包好。间断通电大功率搅拌5分钟，温度升至740℃～760℃后浇入水冷铜模。所得合金铸锭尺寸为290×200×70mm。Al-Mg-Li-Zr-0.1Er合金的拉伸性能指标：抗拉强度σb为454.9Mpa，屈服强度σ0.2为269.28Mpa，延伸率δ为17.2％，详见表1。
例3：采用铸锭冶金方法制备Al-Mg-Li-Zr-0.2Er合金，具体成分见表l，所用原料为纯度为99.99％的高纯Al、纯度为99.99％的高纯Mg、纯度为99.99％的高纯Li以及中间合金Al-3.6wt％Zr、Al-6.2wt％Er，按铸模的容重10kg配料。将8575克高纯铝、361克Al-Zr中间合金以及324克Al-6.2Er中间合金放入Al2O3坩埚，并将其置于ZGG-0.025真空感应炉中，在真空度高于0.3Pa后，通电升温化料，直到溶液温度上升到760℃时断电，保持真空除气。当溶液温度降至710℃，真空度在0.3Pa以上时，通入氩气200mmHg，加入540克Mg和200克Li，Li用铝箔包好。间断通电大功率搅拌5分钟，温度升至740℃～760℃后浇入水冷铜模。所得合金铸锭尺寸为290×200×70mm。Al-Mg-Li-Zr-0.2Er合金的拉伸性能指标：抗拉强度σb为467.72Mpa，屈服强度σ0.2为292.04Mpa，延伸率δ为17％，详见表1。
例4：采用铸锭冶金方法制备Al-Mg-Li-Zr-0.35Er合金，具体成分见表1，所用原料为纯度为99.99％的高纯Al、纯度为99.99％的高纯Mg、纯度为99.99％的高纯Li以及中间合金Al-3.6wt％Zr、Al-6.2wt％Er，按铸模的容重10kg配料。将8332克高纯铝、361克Al-Zr中间合金以及567克Al-6.2Er中间合金放入Al2O3坩埚，并将其置于ZGG-0.025真空感应炉中，在真空度高于0.3Pa后，通电升温化料，直到溶液温度上升到760℃时断电，保持真空除气。当溶液温度降至710℃，真空度在0.3Pa以上时，通入氩气200mmHg，加入540克Mg和200克Li，Li用铝箔包好。间断通电大功率搅拌5分钟，温度升至740℃～760℃后浇入水冷铜模。所得合金铸锭尺寸为290×200×70mm。Al-Mg-Li-Zr-0.35Er合金的拉伸性能指标：抗拉强度σb为467.12Mpa，屈服强度σ0.2为297.02Mpa，延伸率δ为16.4％，详见表1。
例5：采用铸锭冶金方法制备Al-Mg-Li-Zr-0.55Er合金，具体成分见表1，所用原料为纯度为99.99％的高纯Al、纯度为99.99％的高纯Mg、纯度为99.99％的高纯Li以及中间合金Al-3.6wt％Zr、Al-6.2wt％Er，按铸模的容重10kg配料。将8008克高纯铝、361克Al-Zr中间合金以及891克Al-6.2Er中间合金放入Al2O3坩埚，并将其置于ZGG-0.025真空感应炉中，在真空度高于0.3Pa后，通电升温化料，直到溶液温度上升到760℃时断电，保持真空除气。当溶液温度降至710℃，真空度在0.3Pa以上时，通入氩气200mmHg，加入540克Mg和200克Li，Li用铝箔包好。间断通电大功率搅拌5分钟，温度升至740℃～760℃后浇入水冷铜模。所得合金铸锭尺寸为290×200×70mm。Al-Mg-Li-Zr-0.55Er合金的拉伸性能指标：抗拉强度σb为470.24Mpa，屈服强度σ0.2为300.05Mpa，延伸率δ为16.4％，详见表1。
例6：采用铸锭冶金方法制备Al-Mg-Li-Zr-0.70Er合金，具体成分见表1，所用原料为纯度为99.99％的高纯Al、纯度为99.99％的高纯Mg、纯度为99.99％的高纯Li以及中间合金Al-3.6wt％Zr、Al-6.2wt％Er，按铸模的容重10kg配料。将7765克高纯铝、361克Al-Zr中间合金以及1134克Al-6.2Er中间合金放入Al2O3坩埚，并将其置于ZGG-0.025真空感应炉中，在真空度高于0.3Pa后，通电升温化料，直到溶液温度上升到760℃时断电，保持真空除气。当溶液温度降至710℃，真空度在0.3Pa以上时，通入氩气200mmHg，加入540克Mg和200克Li，Li用铝箔包好。间断通电大功率搅拌5分钟，温度升至740℃～760℃后浇入水冷铜模。所得合金铸锭尺寸为290×200×70mm。Al-Mg-Li-Zr-0.70Er合金的拉伸性能指标：抗拉强度σb为458.34Mpa，屈服强度σ0.2为272.58Mpa，延伸率δ为15.4％，详见表1。
铸锭制备后，采用ICP-AES法，即电感耦合等离子体原子发射光谱法(所用仪器为LEEMAN SPEC-E型电感耦合等离子体原子发射光谱仪)检测铸锭化学成分，测试结果如表1所示。
取合金铸态试样，在OLYMPUS-PMG3金相显微镜下进行组织观察。图1(a)和图1(b)分别为1420合金与Al-Mg-Li-Zr-0.2Er合金的铸态金相组织。由图可见，Al-Mg-Li-Zr-0.2Er合金较1420合金的铸态组织明显细化。
采用HBWUV-187.5型布洛维光学硬度计，选用洛氏硬度法(钢球直径1.588mm负荷980N)测定试样时效态(450℃×30min固溶处理后，170下不同时效时间)的硬度，结果如图2所示。由图可知稀土元素Er可以增大1420合金的时效硬化程度，同时提前了时效峰值的出现。
铸锭经均匀化退火后，再进行热轧-淬火-冷轧(变形量为50％)，制得2mm薄板。将冷轧薄板按国标GB6397-86制成标准拉伸试样，在810MTS(MaterialTest System)材料试验机上测定试样时效态(450℃×30min固溶处理+120℃×12h时效处理)力学性能，测试结果如图3所示。图3说明，稀土Er可以大幅度提高1420合金的抗拉强度σb和屈服强度σ0.2。在Er含量为0.05～0.70wt％的范围内，Al-Mg-Li-Zr-Er合金的强度均高于1420合金强度(1420合金的抗拉强度σb为440.49Mpa，屈服强度σ0.2为233.79MPa)。当Er含量为0.55％时，强度达到最大值，即Al-Mg-Li-Zr-0.55Er合金时效态抗拉强度σb达470.24Mpa，屈服强度σ0.2达300.05Mpa。Al-Mg-Li-Zr-Er合金与1420合金相比，塑性降低不大，1420合金的延伸率为δ为19.09％，Al-Mg-Li-Zr-Er合金的延伸率均在15.4％以上。其中以Al-Mg-Li-Zr-0.2Er合金的延伸率17％为最好。这里稀土Er对1420合金的强化作用主要来自Er对晶粒的显著细化作用以及由于Er的添加而形成的丰富的亚结构组织，此外稀土Er能促进Al-Mg-Li-Zr合金强化相的时效析出，大幅度提高合金的时效强度(如图3所示)。
表1合金的化学成分与性能指标
| 试样编号 | 合金成分(wt％) | 性能指标 | ||||||
| Mg | Li | Zr | Er | Al | 抗拉强度σb(Mpa) | 屈服强度σ0.2(Mpa) | 延伸率δ(％) | |
| 对比例 | 5.20 | 1.97 | 0.12 | 0 | 余量 | 440.49 | 233.79 | 19.09 |
| 例1 | 5.05 | 1.91 | 0.08 | 0.05 | 余量 | 457.39 | 266.65 | 17.58 |
| 例2 | 5.50 | 1.88 | 0.12 | 0.10 | 余量 | 454.9 | 269.28 | 17.2 |
| 例3 | 4.96 | 1.94 | 0.10 | 0.20 | 余量 | 467.72 | 292.04 | 17 |
| 例4 | 5.30 | 1.86 | 0.13 | 0.35 | 余量 | 467.12 | 297.02 | 16.4 |
| 例5 | 5.35 | 2.08 | 0.13 | 0.55 | 余量 | 470.24 | 300.05 | 16.4 |
| 例6 | 4.90 | 1.83 | 0.15 | 0.70 | 余量 | 458.34 | 272.58 | 15.4 |
Claims (1)
1、一种Al-Mg-Li-Zr-Er合金，其特征在于，它包括以下成分：Mg4.9～5.5wt％，Li1.8～2.1wt％，Zr0.08～0.15wt％，Er0.05～0.70wt％，Al为余量。
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|---|---|---|---|---|
| CN101403080B (zh) * | 2008-11-21 | 2010-06-02 | 北京工业大学 | 含铒的铝-镁-锰变形铝合金的热处理工艺 |
| CN104818412A (zh) * | 2015-05-27 | 2015-08-05 | 东北轻合金有限责任公司 | 一种低钪铝镁钪锆合金板材及其制造方法 |
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| CN109797328A (zh) * | 2017-11-17 | 2019-05-24 | 中南大学 | 一种中高强耐损伤铝锂合金材料及其制备方法和应用 |
-
2003
- 2003-08-18 CN CNA031535763A patent/CN1482267A/zh active Pending
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