輕質(zhì)高強鑄造鋁鋰合金及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種輕質(zhì)高強鑄造鋁鋰合金及其制備方法，所述合金由特定重量百分比含量的Li、Cu、Mg、Zn、Zr、Ti、Mn、Ce、雜質(zhì)元素以及余量的Al組成。制備時，以Al-Li、Al-Cu、Al-Zr、Al-Ti-B、Al-Mn、Al-Ce中間合金、純鋁、純Zn和純Mg熔煉后得到鋁合金，再經(jīng)400～450℃/8～10h+510～540℃/20～28h雙級固溶熱處理，淬水處理后，進行120～190℃×30～48h單級時效處理，得到所述輕質(zhì)高強鑄造鋁鋰合金。本發(fā)明制得的鋁合金具有比傳統(tǒng)商業(yè)鋁合金優(yōu)越的室溫強度、硬度、剛度，斷裂韌性等機械性能，同時成本低廉。
【專利說明】輕質(zhì)高強鑄造鋁鋰合金及其制備方法

【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明屬于金屬材料類及冶金領域；具體涉及一種輕質(zhì)高強鑄造鋁鋰合金及其制 備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在鋁合金中加入鋰，可在降低合金密度的同時提高合金的彈性模量。研究表明，在 鋁合金中每添加 Iwt % Li，可使合金密度降低3 %，而彈性模量提高6 %，而且合金在固溶和 時效后硬化效果良好。因此，鋁鋰合金作為一種低密度，高彈性模量，高比強度和高比剛度 的鋁合金，在航空航天領域顯示出了廣闊的應用前景。在諸多類型鋁鋰合金中，變形鋁鋰 合金因強度高，塑性好等優(yōu)點被廣泛用于航空航天等領域，然而，變形鋁鋰合金存在以下問 題：生產(chǎn)環(huán)節(jié)繁多，各向異性問題嚴重，合金中Li含量較低，取代其他鋁合金時不能起到非 常明顯的減重效果等問題，而且變形合金的應用受到零件形狀的限制，某些零件只能采用 鑄造成型的方式生產(chǎn)，因此有必要開發(fā)出鑄造性能和機械性能優(yōu)良，成本較低的鑄造鋁鋰 合金。
[0003] 鋁鋰合金鑄件及鑄造合金的研究是近年來鋁鋰合金研究領域內(nèi)出現(xiàn)的新動向。 現(xiàn)有的研究表明，鋁鋰合金除具有優(yōu)良的高比特性外，還有較好的鑄造性能，尤其是該合 金對型腔細小結(jié)構(gòu)的復制能力一般要好于傳統(tǒng)鋁合金，這對于航空用薄壁件的成形非常 有利，然而，由于鋰高的化學活性，鋁鋰合金較傳統(tǒng)鋁合金吸氣嚴重，鑄造鋁鋰合金強度和 延伸率低等缺點。目前關(guān)于鑄造鋁鋰合金的相關(guān)研究極少。俄羅斯科學工作者（Effect of alloying elements on the structure and properties of Al-Li-Cu cast alloys, Russian Metallurgy, 2009,4, 338-344)研究了合金元素對鑄造錯鋰合金性能的影響，并開 發(fā)出了一種在Al-Li-Cu三元合金中添加不同微量元素而獲得性能較好的鑄造鋁鋰合金， 但其鑄造性能較差，鑄件熱裂傾向嚴重，而且添加的一些合金元素具有放射性；山東大學韓 建德等人（鑄造 Al-Li-Cu合金的組織與性能，鑄造技術(shù)，2002, 23 (4)，245-247)通過改變 Li和Cu的含量，研究了 Al-Li-Cu三元鑄造合金的組織和性能的變化，在時效態(tài)其合金的力 學性能達到350Mpa，但延伸率僅為0. 4%，這嚴重制約著鋁鋰合金的實際應用。本課題組在 綜合前人成果的基礎上，通過添加合金元素和優(yōu)化合金的成分、熔煉及熱處理工藝，不但使 合金具有良好的鑄造性能，而且能獲得優(yōu)良的力學性能，特別是延伸率得到了很大的提高， 這對推動鑄造鋁鋰合金在航空航天等方面的應用具有顯著的實際意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種輕質(zhì)高強鑄造鋁鋰合 金及其制備方法，本發(fā)明通過添加不同合金元素（Li, Cu, Mg, Zn, Zr, Ti, Mn, Ce)及改變烙 煉和熱處理的工藝條件，獲得力學性能優(yōu)良的鑄造鋁鋰合金，制得的此類鋁合金具有比傳 統(tǒng)商業(yè)鋁合金優(yōu)越的室溫強度、硬度、剛度，斷裂韌性等機械性能，同時成本低廉。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：
[0006] 第一方面，本發(fā)明涉及一種輕質(zhì)高強鑄造鋁鋰合金，所述合金由如下重量百分比 含量的各組分組成：Li 2 ?3%、Cu L 5 ?2. 5%、Mg 0? 4 ?1. 2%、Zn 0? 2 ?0? 8%、Zr 0.08 ?0.25%、Ti 0.06 ?0.16%、Mn 0.1 ?0.8%、Ce 0.08 ?0.25%，雜質(zhì)元素小于 0.25%，以及余量的Al。本發(fā)明的實施例中優(yōu)選：Li 2.0?2. 72%、Cu L 83?2. 19%、 Mg 0? 46 ?0? 71%、Zn 0? 32 ?0? 51%、Zr 0? 08 ?0? 12%、Ti 0? 09 ?0? 12%、Mn 0? 1 ? 0? 5%、Ce 0? 12 ?0? 24%。
[0007] 作為優(yōu)選方案，所述雜質(zhì)元素包括Si、Fe、Na和K。
[0008] 第二方面，本發(fā)明還涉及一種本發(fā)明的輕質(zhì)高強鑄造鋁鋰合金的制備方法，所述 制備方法包括如下步驟：
[0009] A、按所述輕質(zhì)高強鑄造鋁鋰合金的組成以及各組成的化學計量比，準備原料： Al-Li中間合金、Al-Cu中間合金、Al-Zr中間合金、Al-Ti-B中間合金、Al-Mn中間合金、 Al-Ce中間合金、純鋅、純鎂和純鋁；將所述原料預熱到180°C?200°C ;
[0010] B、將所述純鋁融化，在750?760°C加入Al-Cu中間合金，待鋁液溫度回升到 750?760°C后，加入Al-Mn中間合金，當鋁液溫度到達740?750°C后，加入純Zn,溫度回 升到760?770°C時于鋁液表面撒入熔劑并在氬氣保護下直接加入Al-Li中間合金，鋁液溫 度回升到750?760°C后再加入中間合金Al-Ce、Al-Ti-B及純Mg,最后當溫度到達760? 770°C后加入Al-Zr中間合金，待Al-Zr中間合金熔化后除去表面浮渣并撒熔劑，攪拌；
[0011] C、將鋁液溫度降低至730?740°C后，精煉；精煉后降溫至710°C靜置，澆鑄得到鋁 鋰合金；
[0012] D、對所述鋁鋰合金進行雙級固溶處理、單級時效處理，即得所述輕質(zhì)高強鑄造鋁 鋰合金。
[0013] 作為優(yōu)選方案，所述Al-Li中間合金中Li含量為9. 8?Ilwt%，Al-Cu中間合金 中Cu含量為49?50wt%，Al-Zr中間合金中Zr含量為4?5wt%，Al-Ti-B中間合金中 Ti含量為4. 8?5. 2wt %，Al-Mn中間合金中Mn含量為8. 9?10. 6wt %，Al-Ce中間合金 中Ce含量為28?30wt%，純鋅中雜質(zhì)含量彡0. 4wt%。
[0014] 作為優(yōu)選方案，步驟A中，所述中間合金Al-Li待要加入鋁熔體前30min預熱到 180。。?200。。。
[0015] 作為優(yōu)選方案，步驟B中，所述熔劑為重量比為1 : 3的LiF與LiCl的混合熔劑。 [0016] 作為優(yōu)選方案，步驟C中，所述精煉具體為：不斷電用C2Cl6或氬氣精煉5?8分 鐘。
[0017] 作為優(yōu)選方案，步驟C中，所述靜置時間為3?5分鐘；所述澆鑄用鋼制模具預先 加熱至180?200°C。
[0018] 作為優(yōu)選方案，步驟D中，所述雙級固溶處理具體為：400?450°C下處理8?10h， 再在510?540°C下處理20?28h。
[0019] 作為優(yōu)選方案，步驟D中，淬水處理進行所述單級時效處理；所述單級時效處理的 處理溫度為120?190°C，處理時間為30?48小時。
[0020] 本發(fā)明的鑄造鋁鋰合金的制備方法包括熔煉澆注和熱處理兩個工序；其中
[0021] (I)Li的密度低，同時其在Al中具有高的的固溶度（610°C時為4. 2% )，采用Li為 合金元素的主要目的是降低鋁合金的密度和時效時析出強化相強化鋁合金。本專利中設計 的成分為Li2?3wt%，目的在于提高Li的時效強化效果；同時根據(jù)相關(guān)文獻的研究結(jié)果， Li含量過高會導致晶界偏析，嚴重降低合金的鑄造性能和機械性能，因此Li的加入量不高 于 3. 5wt%。
[0022] (2) Cu為合金主要時效強化相T1 (Al2CuLi)、S (Al2CuMg)和0 (Al2Cu)的組成元素， 時效析出提高合金的力學性能。
[0023] (3)Mg的加入主要起固溶強化和降低密度的作用，同時降低主要溶質(zhì)元素 Li, Cu 等在Al中的溶解度，增加合金時效析出強化相的數(shù)量，提高合金的強度。
[0024] (4)合金中還加入少量的Zn, Zn的加入主要是與Mg共同作用影響合金時效行為， 促進T1相的析出。
[0025] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：
[0026] (1)加入微量元素 Zr,Ti,Mn,主要作用是細化晶粒，改善合金的塑性，Zr還可以在 時效階段與Al3Li形成Al3 (Zrx，Li1J復合粒子，提高合金的力學性能。Ce的加入能提高合 金的鑄造性能，降低鑄件熱裂傾向。
[0027] ⑵優(yōu)化了合金的組分，通過對Li, Cu, Mg, Zn, Zr, Ti, Mn, Ce等合金元素各種不同 組分配比的研究，得出該系合金優(yōu)化的合金組分配比，合金在該組分配比下具有比往合金 更加優(yōu)越的鑄造性能和室溫性能。
[0028] (3)熔煉采用熔劑和氬氣的雙重保護，澆鑄采用氬氣保護澆鑄，有效的減少了合金 的吸氫和氧化，提高合金的鑄造性能和力學性能。
[0029] (4)含Zr鋁合金加入Ti細化晶粒時，合金會出現(xiàn)細化"中毒"現(xiàn)象，導致細化效果 減弱甚至消失，本發(fā)明的熔煉工藝條件能很大程度的降低"中毒"現(xiàn)象。
[0030] (5)對合金在不同溫度下的固溶和時效行為進行了全面的研究，得到了優(yōu)化的固 溶處理和時效處理工藝；合金在該處理工藝下可充分發(fā)揮其固溶強化和時效強化效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0031] 通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其他特征、 目的和優(yōu)點將會變得更明顯：
[0032] 圖1為輕質(zhì)高強鑄造鋁鋰合金的微觀金相組織照片，放大倍數(shù)為100 ;其中，圖 1(a)為鑄態(tài)合金組織，圖1(b)為合金固溶時效后的組織。

【具體實施方式】
[0033] 下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下是實施例將有助于本領域的技 術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應當指出的是，對本領域的普通技 術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā) 明的保護范圍。
[0034] 實施例1
[0035] 本實施例涉及一種輕質(zhì)高強鑄造鋁鋰合金及其制備方法。所述制備方法具體為：
[0036] (1)準備含9. 8?Ilwt % Li的Al-Li中間合金,含49?50wt % Cu的Al-Cu中 間合金，含4?5wt % Zr的Al-Zr中間合金，含4. 8?5. 2wt % Ti的Al-Ti-B中間合金， 含8. 9?10. 6wt % Mn的Al-Mn中間合金，含28?30wt % Ce的Al-Ce中間合金，雜質(zhì)含量 < 0. 4wt%的純鋅，余量為純鎂和純鋁；
[0037] (2)將純鋁、純鎂、純鋅、中間合金Al-Cu，Al-Zr，Al-Ti，Al-Mn，Al-Ce預熱到 180°C，中間合金Al-Li待要加入鋁熔體前30min預熱，然后將純鋁放入石墨坩堝中熔化；
[0038] (3)鋁錠熔化后，在750°C加入Al-Cu中間合金，待鋁液溫度回升到750°C后，將 Al-Mn中間合金直接加入到鋁液中，當鋁液溫度到達740°C后，加入純Zn,溫度回升到760°C 時于鋁液表面撒入熔劑（LiF : LiCl = 1 : 3)并在氬氣保護下直接加入Al-Li中間合金， 鋁液溫度回升到750°C后再加入中間合金Al-Ce、Al-Ti-B及純Mg,最后當溫度到達760°C 后加入Al-Zr中間合金，待Al-Zr中間合金熔化后除去表面浮渣并撒熔劑，攪拌5分鐘；
[0039] (4)攪拌后將鋁液溫度降低至730°C后，不斷電用C2Cl6精煉8分鐘，精煉后降溫至 7 KTC靜置5分鐘；
[0040] (5)靜置后撇去鋁液表面浮渣和熔劑進行澆鑄，得到鑄造鋁鋰合金，澆鑄用鋼制模 具預先加熱至180°C ;
[0041] (6)對得到的合金進行430°C /9h+525°C /28h雙級固溶處理，冷水淬火；
[0042] (7)對固溶處理后合金進行160°C X36小時的單級時效處理，最后得到力學性能 優(yōu)良的鑄造鋁鋰合金。
[0043] 經(jīng)化學分析合金成分為（wt % ):
[0044]

【權(quán)利要求】
1. 一種輕質(zhì)高強鑄造鋁鋰合金，其特征在于，所述合金由如下重量百分比含量的各 組分組成：Li 2 ?3%、Cu 1. 5 ?2. 5%、Mg 0? 4 ?1. 2%、Zn 0? 2 ?0? 8%、Zr 0? 08 ? 0.25%、110.06?0.16%、]\1110.1?0.8%、06 0.08?0.25%，雜質(zhì)元素總含量小于 0. 25%，以及余量的A1。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輕質(zhì)高強鑄造鋁鋰合金，其特征在于，所述雜質(zhì)元素包括Si、 Fe、Na 和 K。
3. -種根據(jù)權(quán)利要求1所述的輕質(zhì)高強鑄造鋁鋰合金的制備方法，其特征在于，所述 制備方法包括如下步驟： A、 按所述輕質(zhì)高強鑄造鋁鋰合金的組成以及各組成的化學計量比，準備原料：Al-Li 中間合金、Al-Cu中間合金、Al-Zr中間合金、Al-Ti-B中間合金、Al-Mn中間合金、Al-Ce中 間合金、純鋅、純鎂和純鋁；將所述原料預熱到180°C?200°C ; B、 將所述純鋁融化，在750?760°C加入Al-Cu中間合金，待鋁液溫度回升到750? 760°C后，加入Al-Mn中間合金，當鋁液溫度到達740?750°C后，加入純Zn，溫度回升到 760?770°C時于鋁液表面撒入熔劑并在氬氣保護下直接加入Al-Li中間合金，鋁液溫度回 升到750?760°C后再加入中間合金Al-Ce、Al-Ti-B及純Mg，最后當溫度到達760?770°C 后加入Al-Zr中間合金，待Al-Zr中間合金熔化后除去表面浮渣并撒熔劑，攪拌； C、 將鋁液溫度降低至730?740°C后，精煉；精煉后降溫至710°C靜置，澆鑄得到鋁鋰合 金； D、 對所述鋁鋰合金進行雙級固溶處理、單級時效處理，即得所述輕質(zhì)高強鑄造鋁鋰合 金。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的輕質(zhì)高強鑄造鋁鋰合金的制備方法，其特征在于，所述Al-Li 中間合金中Li含量為9. 8?1 lwt %，Al-Cu中間合金中Cu含量為49?50wt %，Al-Zr中 間合金中Zr含量為4?5wt %，Al-Ti-B中間合金中Ti含量為4. 8?5. 2wt %，Al-Mn中間 合金中Mn含量為8. 9?10. 6wt%，Al-Ce中間合金中Ce含量為28?30wt%，純鋅中雜質(zhì) 含量彡0? 4wt%。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的輕質(zhì)高強鑄造鋁鋰合金的制備方法，其特征在于，步驟A中， 所述中間合金Al-Li待要加入鋁熔體前30min預熱到180°C?200°C。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的輕質(zhì)高強鑄造鋁鋰合金的制備方法，其特征在于，步驟B中， 所述熔劑為重量比為1 : 3的LiF與LiCl的混合熔劑。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的輕質(zhì)高強鑄造鋁鋰合金的制備方法，其特征在于，步驟C中， 所述精煉具體為：不斷電用C2C16或氬氣精煉5?8分鐘。
8. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的輕質(zhì)高強鑄造鋁鋰合金的制備方法，其特征在于，步驟C中， 所述靜置時間為3?5分鐘；所述澆鑄用鋼制模具預先加熱至180?200°C。
9. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的輕質(zhì)高強鑄造鋁鋰合金的制備方法，其特征在于，步驟D中， 所述雙級固溶處理具體為：400?450°C下處理8?10b，再在510?540°C下處理20?28h。
10. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的輕質(zhì)高強鑄造鋁鋰合金的制備方法，其特征在于，步驟D中， 所述單級時效處理的處理溫度為120?190°C，處理時間為30?48小時。
【文檔編號】C22F1/057GK104451272SQ201410674805
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月21日
【發(fā)明者】陳安濤, 張亮, 吳國華, 李艷磊, 莫文飛, 魏廣玲 申請人:上海交通大學