一種替代qt600風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的鋁合金材料及其鍛造成型方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種替代QT600風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的鋁合金材料，其特征在于：主成分含量按重量百分比計(jì)：錳Mn:≤2%，鎘Cd:0.05%～0.5%，銅Cu:4.2%～8.0%且Cu≥0.8Mn+4.05%，鋯Zr:0.12%～0.20%；路易斯酸堿對(duì)總量1%×10?4～2.0%，使合金平均晶粒度＜120微米，余量為鋁Al。
【專利說(shuō)明】
一種替代QT600風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的鋁合金材料及其鍛造成型 方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種替代QT600風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的鋁合金材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 球墨鑄鐵(簡(jiǎn)稱球鐵)被廣泛用于制造傳動(dòng)箱體、栗殼、缸體、活塞、輪轂、傳動(dòng)件、 轉(zhuǎn)向件等強(qiáng)度高耐磨性好的零件;球鐵之所以用途廣泛，還在于它有著細(xì)分的標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)，每 種牌號(hào)規(guī)定了較為嚴(yán)格精確的化學(xué)成分組合、熱處理規(guī)范參數(shù)、力學(xué)性能和物理指標(biāo)等，從 而對(duì)應(yīng)著細(xì)分應(yīng)用品類。見(jiàn)表1。
[0003] 表1 GB/T 1348確定的球墨鑄鐵牌號(hào)對(duì)應(yīng)的力學(xué)性能及組織
球鐵的機(jī)械性能指標(biāo)及其分類，可作為錯(cuò)合金材料創(chuàng)新設(shè)計(jì)、提高性能的對(duì)標(biāo)基礎(chǔ)，同 時(shí)可以作為"以鋁代鋼"的比較通道，即：如果鋁合金可以替代某牌號(hào)球鐵，則進(jìn)一步替代與 此牌號(hào)性能接近的鋼材，就足以在產(chǎn)業(yè)界引領(lǐng)一種潮流或時(shí)尚。實(shí)現(xiàn)以輕強(qiáng)結(jié)構(gòu)替代重強(qiáng) 結(jié)構(gòu)。
[0004] 從自然特性和經(jīng)驗(yàn)積累的角度來(lái)看，鋁合金較球鐵具有多種優(yōu)點(diǎn)： ①鋁材料具有極好的低溫性能，在低溫環(huán)境作為結(jié)構(gòu)材料具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，而球鐵則隨 溫度降低逐漸發(fā)生由韌性向脆性的轉(zhuǎn)變，尤其在脆性轉(zhuǎn)變溫度以下，其耐沖擊急劇下降，甚 至發(fā)生"低溫脆斷"。
[0005]②鋁合金比強(qiáng)度高，具有良好的斷裂韌性（衡量金屬材料對(duì)裂紋突然擴(kuò)張的抗 力），而球鐵對(duì)應(yīng)力集中敏感性強(qiáng)，會(huì)造成突然斷裂。
[0006] ③由于鋁及鋁合金是非磁性材料故抗電磁干擾性能好，而球鐵在生物生存的溫度 范圍內(nèi)都是良好的磁性材料，容易受電磁干擾。
[0007] ④鋁合金本身的抗腐蝕性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋼鐵且更適宜于進(jìn)行高技術(shù)表面防腐和裝飾 一體化處理。
[0008] ⑤鋁合金對(duì)水的潤(rùn)濕性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼鐵，因而低溫雨雪天氣鋁表面不會(huì)象鋼鐵表面 那樣容易發(fā)生凍雨冰附增重現(xiàn)象。
[0009] ⑥鋁材料合金化和熱處理工藝較球鐵和鋼材簡(jiǎn)單，鋁的合金化溫度一般低于750 °C，熱處理溫度在150~600°C之間，而球鐵合金化溫度超過(guò)1400°C，熱處理溫度則在500~ l〇〇〇°C，消耗和排放是鋁材料幾倍乃至十多倍。
[0010] ⑦從加工工藝來(lái)比較，鋁材料可以很容易地獲得復(fù)雜形狀或斷面的零件，而用球 鐵加工這種復(fù)雜的零件需要更多的工序和裝備會(huì)消耗比鋁材料更高的功率。
[0011]⑧鋁合金比球鐵慣性小，在啟停頻繁的裝備上更具優(yōu)勢(shì)。
[0012]前述這些鋼材欠缺而鋁材料獨(dú)具的優(yōu)異品質(zhì)，為"以鋁代鋼"的顯著進(jìn)步性提供了 人類社會(huì)文明進(jìn)步追求的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。
[0013]在"以鋁代鋼"的技術(shù)升級(jí)中，為了充分發(fā)揮鋁合金以"輕"為代表的優(yōu)越特性，必 須使其在"強(qiáng)"的方面有長(zhǎng)足發(fā)展，才能大大拓展其使用領(lǐng)域。這就要求必須在鋁合金新材 料設(shè)計(jì)上首先取得突破。
[0014] 從材料制備的方法審視，材料特性由功能性微觀物相組合得到，需要獲得良好的 功能性物相組合，例如高強(qiáng)度、高塑性、高硬度、耐腐蝕等，是各種制備方法追求的最終結(jié) 果，因此鋁合金的化學(xué)成分設(shè)計(jì)與其制備技術(shù)存在緊密的內(nèi)在統(tǒng)一性，是一種原子如何結(jié) 合成所需的"物相分子"的關(guān)系。鋁合金各配方元素通過(guò)熔煉混合是形成材料物相分子組合 結(jié)構(gòu)的主要決定性環(huán)節(jié)，凝固過(guò)程后晶粒和晶界的金屬間化合物分子物相決定了合金的晶 態(tài)組合(亞微米級(jí)顆粒:尺度10~300μπι左右），后續(xù)熱處理對(duì)晶態(tài)組合框架下微細(xì)結(jié)構(gòu)（微 米級(jí)顆粒:尺度1~30μηι左右)乃至更加微觀的精微結(jié)構(gòu)（亞納米級(jí)或次微米級(jí)質(zhì)點(diǎn)：尺度 10nm~<1μηι =進(jìn)行調(diào)整和完善。
[0015] 在工程應(yīng)用上，鋁合金晶粒大小和形狀及晶界上金屬化合物的大小形狀，對(duì)合金 的力學(xué)性能有著決定性的影響。粗大的平面晶、樹(shù)枝晶、柱狀晶等不規(guī)則晶體和分布在晶界 的粗大的脆硬性金屬間化合物，能夠把合金好的微細(xì)結(jié)構(gòu)和精微結(jié)構(gòu)對(duì)基體的強(qiáng)韌性貢獻(xiàn) 全部抵消掉，目前常規(guī)變質(zhì)手段和細(xì)化晶粒的手段，最好的效果只能使平均晶粒度細(xì)化到 120~150微米，而枝晶的形態(tài)往往沒(méi)有根本的轉(zhuǎn)變，這是合金力學(xué)性能進(jìn)一步提高的重要 瓶頸問(wèn)題。為使鋁合金獲得強(qiáng)度和韌性同時(shí)提高，只有進(jìn)行晶粒的細(xì)化和圓整化，因此如何 進(jìn)一步細(xì)化和圓整合金的平均晶粒度，是產(chǎn)業(yè)界始終追求的目標(biāo)。
[0016] 通過(guò)對(duì)鋁銅錳系(Al-Cu-Mn)合金最高達(dá)0.08nm的極高分辨率的球差校正掃描透 射電子顯微鏡(STEM)精微選區(qū)分析，獲得了建立在原子尺度上的各種物相結(jié)構(gòu)、原子分辨 和化學(xué)元素分布。證實(shí)其中存在一系列強(qiáng)化相，包括眾所周知的Al-Cu二元亞穩(wěn)相(GP區(qū)、 θ"、θ〇、新的盤片相和平衡相0(A12Cu);其中在基體晶粒內(nèi)部，新發(fā)現(xiàn)一種棒叉狀(Τ+ΘΗ)組 合相，該組合相的主干部分T相是Al-Cu-Mn三元相，分子結(jié)構(gòu)式Al2〇Cu2Mn3，分子物相特征是 直徑約lOOnm、長(zhǎng)度約600~lOOOnm呈棒軸狀且其(010)面與鋁合金基體的{010}面共格;而T 相周圍附著生長(zhǎng)了尺寸較大(厚度約20nm、長(zhǎng)約50nm)的Al-Cu二元次生相，由于該次生相與 基體中其它Al-Cu亞穩(wěn)相(GP區(qū)、θ"、θ'或者其它盤片相）比較，在結(jié)構(gòu)上有很大差別，特別是 厚度比其它Al-Cu亞穩(wěn)相厚得多，因此本發(fā)明稱之為ΘΗ相，其分子結(jié)構(gòu)式AlxCu(x可能小于 2)，是一種富Cu分子。
[0017] 根據(jù)合金強(qiáng)化理論，合金的強(qiáng)度體現(xiàn)于界面或位錯(cuò)滑移受到質(zhì)點(diǎn)的阻礙，阻礙越 強(qiáng)強(qiáng)度越大，繞過(guò)質(zhì)點(diǎn)留下位錯(cuò)環(huán)而繼續(xù)滑移的阻礙最強(qiáng)。對(duì)于鋁銅錳系(Al-Cu-Mn)合金， GP區(qū)的Al-Cu二元相是合金主要強(qiáng)化因素，隨著θ"、θ'或者其它盤片狀的二元Al-Cu亞穩(wěn)相 長(zhǎng)大，當(dāng)盤片大到一定程度(直徑超過(guò)150nm而厚度只有1~3nm)，發(fā)揮最大阻礙位錯(cuò)滑移能 力，對(duì)基體的延伸率保持較大的貢獻(xiàn)。
[0018] 如前所述，傳統(tǒng)用球鐵(QT600)制作的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，在實(shí)際制造、使用過(guò)程中 存在以下缺陷： ①因球鐵延伸率較低，對(duì)應(yīng)力集中的敏感性明顯增加，表現(xiàn)為屈服以后變形 量較小易斷裂，造成事故。
[0019] ②球鐵熱處理工藝過(guò)程復(fù)雜、裝備技術(shù)要求高，而且消耗和排放也很大。
[0020] ③沿著零部件應(yīng)用的整個(gè)壽命周期，球鐵因其慣性大、笨重、易腐蝕、易脆斷等缺 陷，其物耗、能耗和維護(hù)成本很高于，其循環(huán)利用的價(jià)值較低。
[0021] 鋁合金風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片在國(guó)內(nèi)未見(jiàn)相關(guān)研究，因?yàn)槠胀ㄤX合金基礎(chǔ)材料的局限 性，其力學(xué)性能較低，尤其是高溫耐熱性能，承受的溫度小于300°C，嚴(yán)重影響壽命，甚至增 加了安全風(fēng)險(xiǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0022]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種替代QT600風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的鋁合金材料 及其制備方法，其中添加路易斯酸堿對(duì)，有效催生臨界晶核(得到等軸晶），使合金在凝固之 前獲得最佳的分子物相組合結(jié)構(gòu)（（Τ+ΘΗ)組合相），促使合金晶態(tài)優(yōu)化，使鋁合金基材實(shí)現(xiàn) 600Mpa及更高的強(qiáng)度等級(jí)，從而達(dá)到生產(chǎn)替代QT600風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的鋁合金制品。
[0023]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種替代QT600風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的錯(cuò)合金材料，主成分含量 按重量百分比計(jì):錳Μη:彡2%，鎘Cd: 0 · 05%~0 · 5%，銅Cu: 4 · 2%~8 · 0%且Cu彡0 · 8Mn+4 · 05%，鋯 Zr: 0.12%~0.20%;路易斯酸堿對(duì)總量1% X 10-4~2.0%，使合金平均晶粒度< 120微米，余量 為錯(cuò)A1。
[0024]所述的合金晶粒為等軸晶。
[0025] 所述的合金晶粒內(nèi)亞納米(Τ+ΘΗ)組合相數(shù)量達(dá)到彡1個(gè)/平方微米。
[0026] 所述路易斯酸堿對(duì)為金屬氫合物、金屬鹵合物、主族類元素中的一種或一種以上 混合。
[0027] 所述的金屬鹵合物:包括四氯合鈷負(fù)離子體[C0Cl4]2'
[0028] 所述的金屬鹵合物，包括氫化鈹BeH2。
[0029] 所述路易斯酸堿對(duì)，按元素添加量占 A1基體重量百分比，范圍為：0.4%<Si< 1.6%，BeH2<0 · 11%，W<0 · 1%，[C0CI4]2-<0· 1%〇
[0030] 一種替代QT600風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的鋁合金材料的制備方法，包含以下步驟： (1) 在前述路易斯酸堿對(duì)、元素比例范圍內(nèi)，選定一組物質(zhì)組合，確定重量比，根據(jù)需要 配制的合金總量，推算出所需的每種物料的重量； (2) 往熔煉爐中加入鋁錠或熔融鋁液，加熱并在700 °C以上保溫； (3) 加入錳Μη、鎘Cd、銅Cu，鋯Zr攪拌，加入選定的路易斯酸堿對(duì)，或者加入選定的路易 斯酸堿對(duì)組合，攪拌均勻； (4) 然后對(duì)上述合金熔體進(jìn)行爐內(nèi)精煉； (5) 精煉后除渣、靜置、取樣分析合金化學(xué)成分，根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整化學(xué)成分至規(guī)定的 偏差范圍內(nèi)；調(diào)溫至650 °C以上，合金液出爐，在線除氣、除渣； (6) 熱頂鑄造:合金液鑄造成圓棒； (7) 鍛造成型：圓棒經(jīng)鍛造成葉片坯料。
[0031] 所述熱頂鑄造，步驟如下： (1) 將溜槽和分流盤預(yù)熱到合適溫度； (2) 熔體從保溫爐經(jīng)溜槽轉(zhuǎn)入分流盤； (3) 開(kāi)啟冷卻水，啟動(dòng)鑄機(jī)，引錠頭向下移動(dòng)； (4) 調(diào)整鑄造速度80-140 mm/min，引錠頭沿著豎井向下移動(dòng)，熔體通過(guò)溜槽和分流盤 流入結(jié)晶器并凝固成型； (5) 鑄造完成后停止鑄機(jī)，關(guān)閉冷卻水； (6) 翻起分流盤吊出鋁棒，并入爐均質(zhì)。
[0032]所述鍛造成型，步驟如下： (1) 將上、下模具預(yù)熱到合適溫度； (2) 加熱鋁棒彡400 °C，并放入下模具內(nèi)； (3) 通過(guò)壓力使鋁棒在模具內(nèi)變形流動(dòng)并充滿模具后取出冷卻； (4) 外觀質(zhì)量檢測(cè):尺寸、裂紋； (5) 固溶處理:將鍛造件送入固溶爐，進(jìn)行550°C以下固溶處理，保溫完成后立刻入水淬 火； (6) 時(shí)效強(qiáng)化:將完成固溶處理的制品送入時(shí)效爐進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化處理，在230°C以下時(shí) 效強(qiáng)化，保溫后出爐自然冷卻； (7) 取樣分析測(cè)試驗(yàn)證； (8) 實(shí)用性能驗(yàn)證。
[0033]本發(fā)明的有益效果:通過(guò)運(yùn)用路易斯酸堿理論，使路易斯酸堿對(duì)在鋁合金熔體環(huán) 境發(fā)生解體和轉(zhuǎn)化，以提供熔體超精細(xì)微區(qū)內(nèi)（〇. lnm~10nm尺度范圍）的充分?jǐn)_動(dòng)和激活 效應(yīng)，達(dá)到催生臨界晶核大量形成，使合金晶粒度得到進(jìn)一步細(xì)化，形狀更加圓整；同時(shí)優(yōu) 化微細(xì)區(qū)域(微米級(jí):尺度1~30μηι左右)和精微區(qū)域(亞納米級(jí)或次微米級(jí)質(zhì)點(diǎn)：尺度10nm ~< 1μηι=的物相分子組合結(jié)構(gòu)，增加(Τ+ΘΗ)組合相在合金基體中的含量，使錯(cuò)合金基體強(qiáng) 度獲得大的提升，在屈服強(qiáng)度在400~600Mpa之間得到良好控制，這是本發(fā)明要解決的工程 應(yīng)用問(wèn)題，即替代系列球鐵材料和制品。
[0034]正離子體和負(fù)離子體作為路易斯"酸堿對(duì)"，在鋁合金熔體的高溫環(huán)境中發(fā)生分 解，生成路易斯酸和路易斯堿，①高溫下分解釋放的氣態(tài)物質(zhì)形成的初始?xì)馀葜挥幸粋€(gè)分 子大小(小于lnm，即次納米級(jí)），比表面積最大，具有極強(qiáng)的活性和納米范圍的擾動(dòng)能力，造 成熔體超精微區(qū)內(nèi)原子能量起伏、結(jié)構(gòu)起伏和濃度起伏，促使鄰近的更多原子跨越結(jié)晶勢(shì) 皇，形成大量臨界晶核，優(yōu)于普通變質(zhì)劑如鋁鈦硼的作用；同時(shí)正、負(fù)離子體在次納米范圍 的超精微區(qū)內(nèi)擾動(dòng)和激活效應(yīng)，是常規(guī)外加凈化氣泡(直徑大于〇.5mm)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的;②分解 釋放的金屬原子或正離子具有比配體更小的體積和更大的比表面積，其對(duì)周圍原子的擾動(dòng) 和激活效應(yīng)更強(qiáng)，造成的超精微區(qū)狀態(tài)起伏更加顯著，對(duì)金屬間化合物生成反應(yīng)催化和合 金基體組織晶粒細(xì)化作用也更強(qiáng);③酸堿對(duì)在高溫熔體中的分裂和重構(gòu)增強(qiáng)了質(zhì)點(diǎn)在微區(qū) 的擴(kuò)散速度，而有效地抑制了因添加劑造成的合金成分偏析以及大顆粒質(zhì)點(diǎn)的聚集和長(zhǎng) 大，可防止鈦Ti和稀土相的粗化;④配體氣泡發(fā)生次生反應(yīng)后，經(jīng)過(guò)一系列變化凈化氣體排 出熔體或進(jìn)入熔渣，其凈化作用比常規(guī)的氣體凈化方式效果更好。通過(guò)這種機(jī)理，使基體結(jié) 晶狀態(tài)普遍成為等軸晶，晶粒度平均小于120μπι，進(jìn)一步的優(yōu)化效果可達(dá)到晶粒度平均在50 ~100μπ?ο
[0035] 在合金熔體中，不同金屬原子或離子的接近，它們之間也會(huì)產(chǎn)生能級(jí)分裂發(fā)生熱 化學(xué)反應(yīng)（不發(fā)生電子轉(zhuǎn)移）而形成金屬間化合物的模式，根據(jù)電負(fù)性大小，Al xCu和 Al2〇Cu2Mn3都可以看成路易斯"酸堿對(duì)"。當(dāng)加入熔體中的外來(lái)路易斯酸堿對(duì)分解時(shí)，與基體 存在界面能差的金屬間化合物前驅(qū)體顯然也受到擾動(dòng)和激活而發(fā)生結(jié)構(gòu)起伏，產(chǎn)生更多的 臨界晶核，使(Τ+ΘΗ)組合相在合金中的濃度和平均分布密度，使之達(dá)到1個(gè)/[μπι] 2以上，這 就是路易斯酸堿對(duì)在納米尺度的擾動(dòng)和激活效應(yīng)能夠增加亞納米級(jí)質(zhì)點(diǎn)（Τ+ΘΗ)組合相和 納米級(jí)質(zhì)點(diǎn)GP區(qū)、θ"、Θ '系列強(qiáng)化相的機(jī)理。
[0036] 鋁合金熔體整體作為一個(gè)高溫富電子體系，對(duì)于電負(fù)性高于它的金屬元素，是給 電子體，而對(duì)于電負(fù)性低于它的活潑金屬元素，又是電子受體，可見(jiàn)鋁合金熔體也具有路易 斯酸堿的一般共性，它本身與添加到它之中的元素，也會(huì)形成廣義的"路易斯酸堿對(duì)"，因 此，可以把調(diào)整熔體化學(xué)活性的各種元素，統(tǒng)一視為鋁合金的"路易斯酸"或"路易斯堿"，當(dāng) 使用本發(fā)明給出的主族類元素如Mg、內(nèi)過(guò)渡類元素如Ce時(shí)，為了簡(jiǎn)化描述，同時(shí)也為了突出 對(duì)鋁合金熔體的優(yōu)化作用，把單個(gè)元素也簡(jiǎn)稱為"路易斯酸堿對(duì)"。
[0037]對(duì)鋁合金熔體來(lái)說(shuō)，金屬的鹵合物如[C0Cl4]2_和氫合物如BeH2,其原子間以共價(jià) 鍵結(jié)合，有路易斯酸堿對(duì)的特征，這些在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下十分穩(wěn)定且耐熱性特別好的物質(zhì)，當(dāng)以 納米態(tài)粉末分散地吹送入熔體之后，由于高溫、富電子和非常大的比表面積，產(chǎn)生的界面能 足以引起物質(zhì)分子發(fā)生極化變形乃至歧化分解，也會(huì)在納米范圍引起擾動(dòng)和激活效應(yīng)，也 可以歸于"路易斯酸堿對(duì)"。
[0038] 綜上，本發(fā)明所述路易斯酸堿對(duì)，可以表現(xiàn)為多種形態(tài)，包括金屬與配體結(jié)合而成 的正負(fù)離子體、金屬鹵合物、金屬氫合物主族類元素、內(nèi)過(guò)渡類元素中的一種或多種混合。
[0039] 另外，由于路易斯酸堿對(duì)能夠提供給合金熔體更大的異類物質(zhì)濃度，因此增大了 熔體結(jié)晶過(guò)程的成分過(guò)冷度，導(dǎo)致晶核在更強(qiáng)結(jié)晶動(dòng)力下快速越過(guò)臨界尺寸，而在過(guò)冷的 液體中自由成核和生長(zhǎng)，形成具有各向同性和形狀更接近于球形的等軸晶粒；由于等軸晶 的這種緣于液體內(nèi)部自由生長(zhǎng)的內(nèi)生機(jī)制，改變了平面晶、樹(shù)枝晶、柱狀晶等不規(guī)則晶體緣 于鑄造型腔的型壁生核、自外向液體內(nèi)部單向延伸的生長(zhǎng)方式，因此避免或減輕了合金的 成分偏析、結(jié)晶粗大單向、宏觀性能不均勻的缺陷，從而有效避免或減輕了合金的一些常見(jiàn) 缺陷，如針孔、氣孔、縮孔、縮松、偏析、粗大固溶體、高硬度化合物、裂紋等。
[0040] 本發(fā)明基于對(duì)合金微觀結(jié)構(gòu)極高分辨率的襯度圖像和精微選區(qū)結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)了 晶內(nèi)存在著次微米級(jí)的(Τ+ΘΗ)棒叉狀組合相的超精細(xì)結(jié)構(gòu)。與Al-Cu各二元相比較，（Τ+ΘΗ) 組合相有許多優(yōu)點(diǎn)，包括:質(zhì)點(diǎn)粒度大，抗位錯(cuò)滑移面大;主干部分T是高硬高穩(wěn)定化合物聚 合而成的棒狀孿晶，能夠以位錯(cuò)繞過(guò)方式為合金提供強(qiáng)度支撐;其次生ΘΗ附著相在主干上 斜向或垂直于T棒軸方向而向周圍基體生長(zhǎng)同時(shí)又與基體共格，增強(qiáng)了主干對(duì)周圍晶格點(diǎn) 陣的收緊能力，或者換句話說(shuō)，T棒軸通過(guò)附著其上向周圍生長(zhǎng)的ΘΗ次生相，把收緊作用向 周圍的基體空間傳遞和擴(kuò)散，這種作用在次微米區(qū)域內(nèi)對(duì)基體產(chǎn)生了類似建筑結(jié)構(gòu)中鋼筋 網(wǎng)格在混凝土中的強(qiáng)化作用(可稱為"類砼強(qiáng)化結(jié)構(gòu)"），使基體強(qiáng)度大大提高。這種作用，如 果從單體比較，是基體中薄片狀A(yù)l-Cu亞穩(wěn)相(GP區(qū)、θ"、θ'或者其它盤片相)或者其組合都 遠(yuǎn)不能相比的；但是，在常見(jiàn)的鋁銅錳系(Al-Cu-Mn)合金中，由于各二元Al-Cu亞穩(wěn)相在基 體內(nèi)部的分布密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于(Τ+ΘΗ)組合相的分布密度，致使(Τ+ΘΗ)組合相的作用被掩蓋而 一直沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)。
[0041] (Τ+ΘΗ)組合相優(yōu)化了鋁銅錳系(Al-Cu-Mn)合金的物相分子組合結(jié)構(gòu)，為基體提 供了高硬質(zhì)點(diǎn)T相的繞過(guò)強(qiáng)化效應(yīng)和高于游離態(tài)Al-Cu亞穩(wěn)相組合的切過(guò)強(qiáng)化效應(yīng)兩種作 用;所以必須把材料設(shè)計(jì)關(guān)注的重點(diǎn)從傳統(tǒng)單純對(duì)Al-Cu亞穩(wěn)相組合轉(zhuǎn)移出來(lái)，而集中在對(duì) (Τ+ΘΗ)組合相的催生效果上。
[0042] 本發(fā)明配方設(shè)計(jì)作為主要技術(shù)手段之一，是使合金的晶態(tài)組合實(shí)現(xiàn)平均晶粒度< 120微米的等軸晶前提下，還可實(shí)現(xiàn)合金晶粒內(nèi)部（Τ+ΘΗ)組合相數(shù)量在1個(gè)/[μπι] 2以上。因 此主成分設(shè)計(jì)為按重量百分比：錳Μη:彡2%，鎘Cd: 0.05%~0.5%，銅Cu: 4.2%~8.0%且Cu彡 0.8Mn+4.05%，鋯Zr: 0.12%~0.20%;路易斯酸堿對(duì)總量1% X 10-4~2.0%，使合金平均晶粒度 < 120微米，余量為鋁A1，鋯Zr能細(xì)化晶粒，并提高合金的再結(jié)晶溫度和固溶體的穩(wěn)定性，從 而提高合金的耐熱性，并改善合金的焊接性和焊縫的塑性。
[0043]通過(guò)DSC差示掃描量熱分析法得到的結(jié)果可知，鋁銅錳系(Al-Cu-Mn)合金的化學(xué) 熱效應(yīng)發(fā)生的溫度范圍高低限之差有l(wèi)〇〇°C，在Al-Cu二元各相中，平衡態(tài)的A12CU(0)相共 晶的熔點(diǎn)最高為548°C，在DSC曲線上處于開(kāi)始發(fā)生熱效應(yīng)的溫度位置，當(dāng)溫度在648.5°C時(shí) 熱效應(yīng)最大，溫度更高之后就沒(méi)有了化學(xué)熱效應(yīng)。這種情況的合理推斷是與基體共格的(T+ ΘΗ)組合相發(fā)生熔化(基體同時(shí)熔化)而造成的吸熱現(xiàn)象。
[0044] (Τ+ΘΗ)組合相的主干T相大大提高了合金的耐熱性和熱強(qiáng)度;而(Τ+ΘΗ)組合相數(shù) 量和分布密度的提高，則同時(shí)提升了合金的強(qiáng)度、硬度和延伸率。
[0045] 根據(jù)金屬凝固理論，從宏觀角度看，臨界晶核的大量形成需要給熔體中處于游離 態(tài)的原子向晶格點(diǎn)陣有序態(tài)的"跳躍"降低勢(shì)能門檻，而這種低門檻來(lái)自于兩個(gè)條件:一是 降低液態(tài)金屬的表面張力使原始晶核容易擴(kuò)散和容易吸收周圍游離態(tài)的原子，一種形式就 是創(chuàng)造盡可能多的穩(wěn)態(tài)異質(zhì)結(jié)晶核心。
[0046] 根據(jù)路易斯酸堿理論，鋁熔體是一個(gè)富電子高溫體系，即屬于強(qiáng)的路易斯堿，當(dāng)過(guò) 量的銅錳加入以后，由于銅錳的電負(fù)性較強(qiáng)，吸聚了較多的電子云，使形成的合金熔體的堿 性降低，表面張力增加，不利于臨界晶核的產(chǎn)生;加入富電子物質(zhì)后，平衡了銅錳的酸性效 應(yīng)，原始晶核面臨的界面張力降低，因而促進(jìn)了（Τ+ΘΗ)組合相的主干T相的原始晶核成長(zhǎng)為 臨界晶核，從而決定了（Τ+ΘΗ)組合相在合金中數(shù)量和分布密度顯著提高。
【具體實(shí)施方式】
[0047] 本發(fā)明【具體實(shí)施方式】包括2個(gè)部分，第一部分為提示和說(shuō)明，第二部分為具體實(shí)施 例。
[0048]第一部分:提示和說(shuō)明 合金恪體準(zhǔn)備的步驟： (1)在前述路易斯酸堿對(duì)、元素比例范圍內(nèi)，選定一組物質(zhì)組合，確定重量比，根據(jù)需要 配制的合金總量，推算出所需的每種物料的重量，編制合金生產(chǎn)配料表，并按配料表選足各 種備料； (2) 往熔煉爐中加入適量的鋁錠或熔融鋁液，加熱使之完全融化并在700 °C以上保溫； 為防止熔體吸入過(guò)多的空氣，熔化過(guò)程應(yīng)盡可能在短時(shí)間內(nèi)和封閉環(huán)境內(nèi)完成； (3) 按配方比例加入猛Μη、鎘Cd、銅Cu、鋯Zr，攪拌均勻后，加入選定的路易斯酸堿對(duì)，或 者加入選定的路易斯酸堿對(duì)組合，攪拌均勻； 所述路易斯酸堿對(duì)或者組合如果呈固體塊狀，可直接加入熔體或者以按壓輔助方式加 入熔體； 所述路易斯酸堿對(duì)或者組合如果呈固體絲線狀，可以在線自動(dòng)送絲方式，在鑄造時(shí)連 續(xù)加入，或者切成合適小段，在每次鑄造前加入澆包或舀瓢； 所述路易斯酸堿對(duì)，活潑金屬元素選擇以保護(hù)形態(tài)加入熔體，高熔點(diǎn)難溶金屬元素選 擇配合物形態(tài)，易溶重金屬選擇單質(zhì)狀態(tài)； 所述路易斯酸堿對(duì)或者組合，化合物或配合物選擇預(yù)先制成固體粉末形態(tài)； 所述路易斯酸堿對(duì)或者組合，選擇于合金主元素恪煉完成后加入恪體，或者在恪體精 煉時(shí)加入恪體，或者在精煉凈化后加入恪體，或者在鑄造成形之前再加入恪體； (4) 然后對(duì)上述合金熔體進(jìn)行爐內(nèi)精煉，所述精煉選擇在封閉環(huán)境中操作，所述封閉環(huán) 境選擇以抽風(fēng)方式連續(xù)排除精煉產(chǎn)生的廢氣； (5) 精煉后除渣、靜置、取樣分析合金化學(xué)成分，根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整化學(xué)成分至規(guī)定的 偏差范圍內(nèi)； 所述調(diào)整化學(xué)成分選擇以加入路易斯酸堿對(duì)或者組合的方式進(jìn)行調(diào)整； 調(diào)溫至650°C以上，合金液出爐，在線除氣、除渣； 所述除氣可以選擇石墨管空心轉(zhuǎn)子攪動(dòng)吹入凈化氣體； 所述凈化氣體可以選擇氮?dú)?、氬氣、氯氣或者它們的混合物?所述除渣可以選擇表面除去浮渣或者選擇過(guò)濾法除去熔體內(nèi)粗大質(zhì)點(diǎn)或者熔體底部 的沉渣； 所述過(guò)濾法可以選擇陶瓷過(guò)濾板或者玻璃纖維或者濾布作為過(guò)濾介質(zhì)； 所述過(guò)濾可以進(jìn)行單級(jí)過(guò)濾或者雙級(jí)過(guò)濾或者多級(jí)過(guò)濾； 所述粗大質(zhì)點(diǎn)可以是顆粒度不小于10微米的質(zhì)點(diǎn)； (6) 熱頂鑄造:圓棒鑄造是指合金液注入結(jié)晶器內(nèi)連續(xù)結(jié)晶凝固； 所述結(jié)晶器是鑄造固定形狀金屬模； 鑄件可以肉眼或用低倍放大鏡或其它試驗(yàn)方法檢驗(yàn)外觀質(zhì)量，所述鑄件外觀質(zhì)量是指 包括表面粗糙度、表面缺陷或尺寸精度;允許鑄件有分型、頂桿及排氣塞等痕跡，允許有鍛 造加工可消除的缺陷，不許裂紋。
[0049]制品鍛造成型步驟： (1) 將上、下模具到合適溫度彡400°C ; (2) 加熱鋁棒彡400 °C，并放入下模內(nèi)； 所述預(yù)熱需要專用的加熱裝置，需要有保溫； (3) 通過(guò)壓力使鋁棒在模具內(nèi)變形流動(dòng)并充滿模具后取出冷卻； 所述鍛造需要專用的機(jī)械裝備，鍛造壓力大于4000噸； (4) 外觀質(zhì)量檢測(cè):尺寸、裂紋； (5)內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)。剖面著色探傷檢測(cè)或者整體熒光或X光檢測(cè)； 所述剖面著色探傷檢測(cè)，可每爐批的制品隨機(jī)抽查一件或數(shù)件進(jìn)行解剖，檢查制品主 要熱節(jié)部位或壁厚較大部位的內(nèi)部質(zhì)量； 所述剖面，可鋸開(kāi)最易產(chǎn)生氣孔、砂眼的鑄造部位如殼體安裝腳、閥體安裝孔、側(cè)蓋安 裝孔或主缸尾部等的厚大部位，用著色劑檢測(cè)，目測(cè)是否有氣孔、砂眼等缺陷； 所述X光檢測(cè)是制品經(jīng)X光透射以檢測(cè)其內(nèi)部冶金質(zhì)量，觀察有無(wú)針孔、氣孔、縮孔、疏 松、縮松、偏析、粗大相顆粒、夾雜、夾渣、冷隔、冷豆或裂紋； (5)固溶處理:將鍛造件送入固溶爐，進(jìn)行550°C以下固溶處理，保溫完成后立刻入水淬 火； (7) 時(shí)效強(qiáng)化:將完成固溶處理的制品送入時(shí)效爐進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化處理，在230°C以下時(shí) 效強(qiáng)化，保溫后出爐自然冷卻； (8) 取樣分析測(cè)試驗(yàn)證:從經(jīng)過(guò)熱處理以后的制品上切取試棒，取樣部位選在毛坯本體 有加工余量的適當(dāng)位置、本體受載荷均勻或集中的部位，每個(gè)取樣部位應(yīng)切取三根試棒； 可對(duì)樣品進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試分析、金相分析、二次密度法固溶及時(shí)效程度檢測(cè)或深層 次的微觀結(jié)構(gòu)分析； 所述力學(xué)性能分析包括抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率、硬度，數(shù)值指標(biāo)為:抗拉強(qiáng)度600 ± 50Mpa、屈服強(qiáng)度 550 ± 50Mpa、延伸率12 ± 2%、硬度 160 ± 10HBS; 所述金相分析包括晶粒形貌、晶粒度、粗大脆性相或顯著缺陷，晶粒形貌應(yīng)該為等軸 晶，晶粒度平均< 120μπι，粗大脆性相顆粒度<25μπι，不存在超過(guò)15μπι的孔洞或晶界無(wú)析出 帶顯著缺陷； 所述二次密度法檢測(cè)固溶及時(shí)效程度完成率不小于80%。
[0050] (11)實(shí)用性能驗(yàn)證。通過(guò)機(jī)械加工、表面處理和裝配后，進(jìn)行模擬使用工況的實(shí)用 性能檢測(cè)試驗(yàn)，包括選擇疲勞試驗(yàn)、磨損試驗(yàn)、逆向超載試驗(yàn)或超壓試驗(yàn)。
[0051 ]第二部分:具體實(shí)施例 實(shí)施例1 1、 一種替代QT600的鋁合金風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片材料組分重量百分比為:Mn:0.65%，Cd: 0 · 06%，Cu: 7 · 5%，Si : 1 · 5%，Zr: 0 · 12%，BeH2:0 · 02%，W: 0 · 07%，[C0CI4]2-: 0 · 05%，余量為鋁A1; 2、 制備方法:恪體-熱頂鑄造-圓棒均質(zhì)-鍛造-固溶-矯正-時(shí)效 (1) 熔體溫度彡730°(：; (2) 溜槽預(yù)熱溫度彡750 °C; (3) 熱頂鑄造溫度彡700 °C; (4) 鑄造速度80-140 mm/miη ； (5) 均質(zhì)溫度彡510 °C，保溫彡1小時(shí)； (6) 鍛壓上、下模具預(yù)熱溫度彡400°C ; (7) 鋁棒加熱溫度彡400 °C; (8) 熱處理狀態(tài):T8 -固溶后冷加工再人工時(shí)效； 3、 制品微觀結(jié)構(gòu)指標(biāo):金相組織為等軸晶，平均晶粒度60μπι，晶粒內(nèi)（Τ+ΘΗ)組合相數(shù)量 9 個(gè)/Tym]2; 4、 制品機(jī)械性能:抗拉強(qiáng)度610Mpa，屈服強(qiáng)度470Mpa，斷后延伸率10%，布氏硬度172。
[0052] 實(shí)施例2 1、 一種替代QT600的鋁合金風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片材料組分重量百分比為：Mn:0.8%，Cd: 0 · 08%，Cu: 7 · 8%，Si : 1 · 4%，Zr: : 0 · 18%，BeH2:0 · 01%，W: 0 · 08%，[C0CI4]2-: 0 · 05%，余量為鋁 A1; 2、 制備方法:同實(shí)施例1; 3、 制品微觀結(jié)構(gòu)指標(biāo):金相組織為等軸晶，平均晶粒度68μπι，晶粒內(nèi)（Τ+ΘΗ)組合相數(shù)量 10 個(gè)/Tym]2; 4、 制品機(jī)械性能:抗拉強(qiáng)度620Mpa，屈服強(qiáng)度480 Mpa，斷后延伸率12%，布氏硬度168。
[0053] 實(shí)施例3 1、 一種替代QT600的鋁合金風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片材料組分重量百分比為：Mn:0.8%，Cd: 0 · 08%，Cu: 5 · 4%，Zr: 0 · 18%，BeH2:0 · 1%，余量為鋁 A1; 2、 制備方法:同實(shí)施例1; 3、 制品微觀結(jié)構(gòu)指標(biāo):金相組織為等軸晶，平均晶粒度68μπι，晶粒內(nèi)（Τ+ΘΗ)組合相數(shù)量 9 個(gè)/Tym]2; 4、 制品機(jī)械性能：：抗拉強(qiáng)度610Mpa，屈服強(qiáng)度455Mpa，斷后延伸率10%，布氏硬度170。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種替代QT600風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的錯(cuò)合金材料，其特征在于:主成分含量按重量百分 比計(jì)：錳Μη:彡2%，鎘Cd: 0 · 05%~0 · 5%，銅Cu: 4 · 2%~8 · 0%且Cu彡0 · 8Mn+4 · 05%，鋯Zr: 0 · 12%~ 0.20%;路易斯酸堿對(duì)總量1%X 10_4~2.0%，使合金平均晶粒度< 120微米，余量為鋁A1。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種替代QT600風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的鋁合金材料，其特征在于： 合金晶粒為等軸晶。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種替代QT600風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的鋁合金材料，其特征在于： 合金晶粒內(nèi)亞納米(Τ+ΘΗ)組合相數(shù)量達(dá)到多1個(gè)/平方微米。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種替代QT600風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的鋁合金材料，其特征在于： 所述路易斯酸堿對(duì)為金屬氫合物、金屬鹵合物、主族類元素中的一種或一種以上混合。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種替代QT600風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的鋁合金材料，其特征在于： 所述的金屬鹵合物:包括四氯合鈷負(fù)離子體[C 〇Cl4]2'6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種替代QT600風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的鋁合金材料，其特征在于： 所述的金屬齒合物，包括氫化鈹BeH2。7. 根據(jù)權(quán)利要求1-6之一所述的一種替代QT600風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的鋁合金材料，其特征 在于：所述路易斯酸堿對(duì)，按元素添加量占 A1基體重量百分比，范圍為：0.4%<Si<1.6%， BeH2<0 · 11%，W<0 · 1%，[C0CI4]2-<0 · 1%。8. 如權(quán)利要求7所述的一種替代QT600風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的鋁合金材料的制備方法，其特 征在于:包含以下步驟： (1) 在前述路易斯酸堿對(duì)、元素比例范圍內(nèi)，選定一組物質(zhì)組合，確定重量比，根據(jù)需要 配制的合金總量，推算出所需的每種物料的重量； (2) 往熔煉爐中加入鋁錠或熔融鋁液，加熱并在700 °C以上保溫； (3) 加入錳Μη、鎘Cd、銅Cu，鋯Zr攪拌，加入選定的路易斯酸堿對(duì)，或者加入選定的路易 斯酸堿對(duì)組合，攪拌均勻； (4) 然后對(duì)上述合金熔體進(jìn)行爐內(nèi)精煉； (5) 精煉后除渣、靜置、取樣分析合金化學(xué)成分，根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整化學(xué)成分至規(guī)定的 偏差范圍內(nèi)；調(diào)溫至650 °C以上，合金液出爐，在線除氣、除渣； (6) 熱頂鑄造:合金液鑄造成圓棒； (7) 鍛造成型：圓棒經(jīng)鍛造成葉片坯料。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種替代QT600風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的鋁合金材料的制備方法，其 特征在于:所述熱頂鑄造，步驟如下： (1) 將溜槽和分流盤預(yù)熱到合適溫度； (2) 熔體從保溫爐經(jīng)溜槽轉(zhuǎn)入分流盤； (3) 開(kāi)啟冷卻水，啟動(dòng)鑄機(jī)，引錠頭向下移動(dòng)； (4) 調(diào)整鑄造速度80-140 mm/min，引錠頭沿著豎井向下移動(dòng)，熔體通過(guò)溜槽和分流盤 流入結(jié)晶器并凝固成型； (5) 鑄造完成后停止鑄機(jī)，關(guān)閉冷卻水； (6) 翻起分流盤吊出鋁棒，并入爐均質(zhì)。10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種替代QT600風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的鋁合金材料的制備方法， 其特征在于:所述鍛造成型，步驟如下： (1) 將上、下模具預(yù)熱到合適溫度； (2) 加熱鋁棒彡400 °C，并放入下模具內(nèi)； (3) 通過(guò)壓力使鋁棒在模具內(nèi)變形流動(dòng)并充滿模具后取出冷卻； (4) 外觀質(zhì)量檢測(cè):尺寸、裂紋； (5) 固溶處理:將鍛造件送入固溶爐，進(jìn)行550°C以下固溶處理，保溫完成后立刻入水淬 火； (6) 時(shí)效強(qiáng)化:將完成固溶處理的制品送入時(shí)效爐進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化處理，在230°C以下時(shí) 效強(qiáng)化，保溫后出爐自然冷卻； (7) 取樣分析測(cè)試驗(yàn)證； (8) 實(shí)用性能驗(yàn)證。
【文檔編號(hào)】C22C1/02GK105937001SQ201610492970
【公開(kāi)日】2016年9月14日
【申請(qǐng)日】2016年6月29日
【發(fā)明人】毛春榮, 陳凱, 李祥, 黃亮, 胥光酉
【申請(qǐng)人】貴州華科鋁材料工程技術(shù)研究有限公司