專利名稱：以C變質(zhì)的Be-Sc-RE高強(qiáng)耐熱鋁合金材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋁合金材料及其制備方法，特別涉及一種微合金化元素及稀土 元素的鋁合金材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
鋁合金是一種較年輕的金屬材料，在20世紀(jì)初才開始工業(yè)應(yīng)用。第二次世界 大戰(zhàn)期間，鋁材主要用于制造軍用飛機(jī)。戰(zhàn)后，由于軍事工業(yè)對鋁材的需求量驟減，鋁 工業(yè)界便著手開發(fā)民用鋁合金，使其應(yīng)用范圍由航空工業(yè)擴(kuò)展到建筑業(yè)、容器包裝業(yè)、 交通運(yùn)輸業(yè)、電力和電子工業(yè)、機(jī)械制造業(yè)和石油化工等國民經(jīng)濟(jì)各部門，應(yīng)用到人們 的日常生活當(dāng)中?，F(xiàn)在，鋁材的用量之多，范圍之廣，僅次于鋼鐵，成為第二大金屬材 料。
從制造業(yè)和鋁合金制品的角度，習(xí)慣上把高強(qiáng)度鋁合金分為變形鋁合金和鑄造 鋁合金兩類；從制品可用的溫度條件劃分，高強(qiáng)度鋁合金又分為普通鋁合金和高溫(或 耐熱)鋁合金。到目前為止，能夠滿足高溫高強(qiáng)需要的，只有Al-Cu系鋁合金，從牌號 系列上講，Al-Cu系合金包括鑄造鋁合金和變形鋁合金，而不論鑄造還是變形，都屬于2 系鋁合金；而能夠同時(shí)滿足鑄造性能好又容易進(jìn)行變形加工的高溫高強(qiáng)度鋁合金，還沒 有見公開報(bào)道過。
1、高強(qiáng)度鑄造鋁合金和變形鋁合金
一般鑄造鋁合金包括A1&系、AlCu系、AlMg系和AlZn系4個(gè)系列，其中以 AlCu系和AlZn系鋁合金的強(qiáng)度最高，但多數(shù)在200Mpa 300Mpa之間，高于400Mpa的只有AlCu系的少數(shù)幾個(gè)牌號，但因采用精鋁基體且加入貴重元素，制造成本很高；AlZn 系鑄造合金的耐熱性能很差。因此，一般鑄造鋁合金與變形鋁合金相比因強(qiáng)韌性稍遜使 其應(yīng)用范圍受到較大的限制。許多重要用途如特種重載車負(fù)重輪、航空用鋁合金等多采 用變形鋁合金，而不是鑄造鋁合金。變形鋁合金通過擠壓、軋制、鍛造等手段減少了缺 陷，細(xì)化了晶粒，提高了致密度，因而具有很高的強(qiáng)度、優(yōu)良的韌性以及良好的使用性 能。但是，對設(shè)備和工裝模具要求高，工序多，因此變形鋁合金生產(chǎn)周期長、成本很 高。與變形鋁合金相比，鑄造鋁合金具有價(jià)格低廉、組織各向同性、可以獲得特殊的組 織、易于生產(chǎn)形狀復(fù)雜的零件、可以小批量生產(chǎn)也可以大批量生產(chǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此， 開發(fā)出能夠替代部分變形鋁合金的高強(qiáng)韌鑄造鋁合金材料及其鑄造成形工藝，可以達(dá)到 以鑄代鍛、縮短制造周期、降低制造成本的目的，具有重要的理論意義和重大的實(shí)際應(yīng) 用價(jià)值。
在高強(qiáng)韌鑄造鋁合金的發(fā)展過程中，法國于20世紀(jì)初研制成功的A-U5GT占有 重要的地位，在目前具有代表性的高強(qiáng)韌鑄造鋁合金中它的歷史最久、應(yīng)用最為廣泛， 我國目前沒有與它對應(yīng)的牌號；美國鋁協(xié)會(huì)牌號201.0 (1986年)和206.0(1967年)后是 在A-U5GT基礎(chǔ)上改造而形成的，具有很好的力學(xué)性能和抗應(yīng)力腐蝕能力。
在高強(qiáng)韌鑄造鋁合金領(lǐng)域，我國取得了世界矚目的成績。60年代至70年代，北京航空材料研究院研制成功了 ZL205A合金。ZL205A合金成分復(fù)雜，含有Cu，Mn, Zr, V，Cd，Ti，B等7種合金元素。ZL205A(T6)的抗拉強(qiáng)度為510MPa，是目前已有注 冊牌號的鑄造鋁合金材料強(qiáng)度最高的。ZL205AC^)的強(qiáng)韌性最好，延伸率可達(dá)13%。 但ZL205A最大的缺陷是鑄造性能差、熱裂傾向性大，同時(shí)因配方成本高，應(yīng)用范圍小。
上述3種高強(qiáng)韌鑄造鋁合金同屬于Al-Cu系。該系列合金強(qiáng)度高，塑性和韌性 也較好。但鑄造性能較差，具體表現(xiàn)為熱裂傾向大、流動(dòng)性較差、補(bǔ)縮困難。此外，該 系列合金抗蝕性能較差，有晶間腐蝕傾向。該系列合金的鑄造成品率很低。
此外，已經(jīng)公開的申請?zhí)枮?008103(^670.3、200810302668.6, 200810302669.0 和2008103(^671.8的4個(gè)專利名稱均為“一種高強(qiáng)度鑄造鋁合金材料”的文獻(xiàn)中介紹了 一種由Cu、Mn、Ti、Cr、Cd、Zr、B和稀土元素組成的高強(qiáng)度鑄造鋁合金材料，這種 鋁合金材料具有較高的抗拉強(qiáng)度和延伸率，抗拉強(qiáng)度達(dá)到了 440Mpa，延伸率大于6%; 但此類高強(qiáng)度鑄造鋁合金材料在使用過程中仍未能解決熱裂傾向大的問題、合金強(qiáng)度與 可鑄性的矛盾突出，其主要原因是在合金主元素Cu、Mn成分范圍，合金準(zhǔn)固相溫度范 圍較寬，鑄造凝固時(shí)為具有各向異性的枝晶發(fā)育提供了充分條件，在凝固后期形成強(qiáng)大 的內(nèi)部收縮應(yīng)力，故而收縮熱裂傾向大。
目前正式注冊的2XXX系變形鋁合金牌號有70多個(gè)，絕大多數(shù)是美國注冊的， 其中只有 2001、2004、2011、2011A、2111、2219、2319、2419、2519、2021、2A16、 2A17、2A20、2B16等14個(gè)牌號是銅含量在5%以上的高銅鋁合金，而其中銅含量在6% 以上的只有2A16、2A17、2A20、2B16這4個(gè)牌號。這些變形鋁合金配方中都含有較多 的Si、Mg、Zn等成分，而沒有稀土(RE)等起微合金化作用的元素，因此其配方組成與 2系鑄造鋁合金相差甚遠(yuǎn)，反映出兩種屬性的鋁合金不同的生產(chǎn)工藝和深加工工藝。
2、高溫鋁合金
高溫合金又稱耐熱高強(qiáng)合金、熱強(qiáng)合金或超合金，是在20世紀(jì)40年代隨著航空 渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)發(fā)展起來的一種重要金屬材料，能在高溫氧化氣氛和燃?xì)飧g條件下 長期承受較大的工作負(fù)荷，主要用于燃?xì)廨啓C(jī)的熱端部件，是航空航天、艦船、發(fā)電、 石油化工和交通運(yùn)輸工業(yè)的重要結(jié)構(gòu)材料。其中有些合金亦可用于生物工程作骨科和齒 科材料。
常用的高溫合金包括鎢基、鐵基和鈷基合金，能在600 1100°C高溫環(huán)境下工 作；而耐熱鋁合金則是冷戰(zhàn)期間發(fā)展起來的。耐熱高強(qiáng)鋁合金適于在400°C以下的熱環(huán) 境中長期承受較大的工作載荷，在航空航天、重工機(jī)械等領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用。除 航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等直接與高溫燃?xì)饨佑|的部件之外，其余高溫高壓強(qiáng)動(dòng)力部 件均可采用耐熱高強(qiáng)鋁合金鑄造。
由于鋁合金比較容易加工，隨著加工技術(shù)水平的提高，在強(qiáng)度滿足要求的情況 下，人們越來越多地采用變形鋁合金替代鑄造鋁合金。因此耐熱高強(qiáng)鋁合金又分為鑄造 用合金和變形用合金兩大類。
一般說來，耐熱高強(qiáng)合金都含有多種合金化元素，多的達(dá)十余種。所加入的元 素在合金中分別起固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化和表面穩(wěn)定化等作用，使合金能在高 溫下保持高的力學(xué)性能和環(huán)境性能。
選用鑄造用高溫合金時(shí)應(yīng)考慮的因素
(1)鑄件的正常工作溫度、最高和最低的工作溫度以及溫度變化的頻率。
(2)鑄件本身的溫差范圍及合金的膨脹性能。
(3)鑄件承受的載荷性能，加載、支承和外部約束方式。
(4)對鑄件的壽命要求和容許的變形量、工作環(huán)境和性質(zhì)、成形方法和成本因素寸。
目前用于高溫零部件鑄造的鋁合金材料，國家標(biāo)準(zhǔn)中只有A201.0、ZL206、 ZL207、ZL208、206.0幾種牌號，包括鋁銅錳系合金及鋁稀土系合金；其中，鋁銅錳系 合金多數(shù)以高純級鋁錠為合金材料，成本較高，而鋁稀土系合金則在室溫下力學(xué)性能相 對較差。而且，目前耐熱高強(qiáng)鋁合金普遍存在著高溫強(qiáng)度低以上瞬時(shí)抗拉強(qiáng)度小 于200Mpa，持久強(qiáng)度小于IOOMpa)、配方成本高、鑄造性能差、鑄件合格率低、廢品料 及渣料回用性差等缺陷，造成鑄件質(zhì)量差、成本高、渣料處理流程長等問題。此外，近 年來申報(bào)的多數(shù)耐熱鋁合金專利新配方中也都含有貴重元素，而且鑄造性能差，質(zhì)量無 法滿足航空技術(shù)進(jìn)步的要求，不適于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用。
而在國民經(jīng)濟(jì)和國防現(xiàn)代化建設(shè)和發(fā)展中具有廣泛用途和極光明前景的耐熱高 強(qiáng)變形鋁合金，國內(nèi)外文獻(xiàn)中報(bào)導(dǎo)較少，已知的2219、2A02、2A04、2A06、2A10、 2A11、2A12、2A14、2A16、2A17、2A50、2A70、2A80 等 2XXX 系變形鋁合金及 7A04 等7XXX系變形鋁合金，在250°C以上溫度下強(qiáng)度多數(shù)小于lOOMpa，而其主要合金元 素除Cu、Mn外，都是以&、Mg、Zn作為主微合金化元素，而不添加這幾種元素、且 250°C以上溫度下強(qiáng)度在150Mpa以上的耐熱高強(qiáng)變形鋁合金材料未見報(bào)導(dǎo)。
3、鋁合金的變質(zhì)處理
熔體的高質(zhì)化處理是鋁合金熔煉的核心環(huán)節(jié)和追求目標(biāo)，同時(shí)是獲得優(yōu)質(zhì)鋁合 金材料的基礎(chǔ)和前提。高質(zhì)化處理主要包括兩個(gè)方面一是純凈化，二是結(jié)構(gòu)單元細(xì)化 及均勻化。前者主要是采取把雜質(zhì)固態(tài)化濾除和“以氣除氣”的方法降低熔體雜質(zhì)和氫 含量，工藝過程會(huì)產(chǎn)生廢渣和廢氣；后者通常稱為變質(zhì)處理，是以添加劑或機(jī)械、物理 方法使構(gòu)成鋁合金熔體及固溶體的基本單元——結(jié)晶體——的尺寸變得盡可能小、分布 盡可能均勻，因添加劑進(jìn)入合金熔體，成為合金的有效成份，因而過程中不產(chǎn)生廢渣和 廢氣。變質(zhì)處理特別是使用高效變質(zhì)劑是調(diào)整鋁合金鑄態(tài)組織的根本手段。
根據(jù)熔體結(jié)晶理論，作為變質(zhì)劑加入的添加劑應(yīng)該滿足以下要求
(1)在高溫下化學(xué)成分不變，在鋁熔體中有足夠的穩(wěn)定性；
(2)添加劑的熔點(diǎn)應(yīng)比鋁的高；
(3)添加劑和鋁的晶格在結(jié)構(gòu)尺寸上應(yīng)相適應(yīng)；
(4)與被處理的熔體原子形成強(qiáng)而有力的吸附鍵。
目前在變形鋁合金材料領(lǐng)域已普遍采用線材或餅狀添加劑進(jìn)行變質(zhì)處理，包括 鈦、硼、稀土化合物變質(zhì)劑等，實(shí)踐證明，采用適當(dāng)?shù)淖冑|(zhì)劑對變形鋁合金材料的性能 具有良好的改善作用。而在鑄造鋁合金領(lǐng)域，采用的變質(zhì)劑多為粉末狀的堿金屬鹵化物 復(fù)合鹽，此類變質(zhì)劑存在著變質(zhì)效果有限、增加鋁合金中雜質(zhì)含量、產(chǎn)生大量有害氣體 等缺點(diǎn)，在熔體處理中實(shí)現(xiàn)整體凈化作用的同時(shí)又增加了痕量元素，同時(shí)提高了環(huán)保成 本。通常，堿金屬鹵化物復(fù)合鹽作為Alli系鑄造鋁合金的變質(zhì)劑有較好的變質(zhì)效果， 但作為Al-Cu系合金的變質(zhì)劑，變質(zhì)效果不夠。
綜上所述，可知目前國內(nèi)外在耐熱高強(qiáng)度鋁合金領(lǐng)域研究中存在的問題有熔 煉過程中缺乏高效的變質(zhì)處理，高溫強(qiáng)度和耐久性不足，250°C以上高溫瞬時(shí)強(qiáng)度均小于 250Mpa,高溫持久強(qiáng)度均小于IOOMpa ；材料加工性能差；廢料處理流程長、成本高， 無法滿足航空技術(shù)進(jìn)步的要求等。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對目前高強(qiáng)度鋁合金領(lǐng)域存在的熔體處理工 藝粗放、質(zhì)量差、熱裂傾向大、鑄造性能差，制品成品率低、高溫強(qiáng)度低、廢品料及渣 料回用性差等技術(shù)難題，以優(yōu)質(zhì)熔體、固溶體和相圖理論為指導(dǎo)，以C元素作為高效變 質(zhì)劑，通過優(yōu)選合金主元素Cu、Mn及稀土元素配方，降低合金準(zhǔn)固相溫度范圍，解決 鑄造時(shí)熱裂傾向大、制品高溫強(qiáng)度低(包括瞬時(shí)強(qiáng)度和持久強(qiáng)度)的帶有普遍性的問題； 優(yōu)選低成本多元微合金化元素配方，為固溶體中高溫相和強(qiáng)化相的培育和細(xì)晶化作用創(chuàng) 造物質(zhì)基礎(chǔ)條件；以及優(yōu)化熔煉、熱處理工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)固溶體中高溫相和強(qiáng)化相的足 量培育和細(xì)晶化作用的充分發(fā)揮。最終研制出一種稀土多元微合金化的AlCu系新型高強(qiáng) 耐熱(鑄造性和變形性)鋁合金材料。
本發(fā)明的技術(shù)方案是，按重量百分比計(jì)，該合金成分為Cu: 1.0 10.0%， Mn 0.05 ~ 1.5%, Cd 0.01 ~ 0.5%, Ti 0.01 0.5%， C 0.0001 0.15%， Zr 0.01 ~ 1.0%, Be: 0.001 ~ 0.1%, Sc: 0.01 1.0%，稀土元素 RE 0.05 ~ 5%,其余 為Al。
上述的稀土元素RE為單一稀土元素或一種以上的混合稀土元素。
上述的稀土元素RE包括La、Ce、Pr、Nd、Er和Y。
該新型高強(qiáng)耐熱鋁合金的制備方法包括如下步驟
(1)在上述元素比例范圍內(nèi)，選定一組可行的元素比例，再根據(jù)需要配制的合金 總量，推算出所需的每種單質(zhì)金屬的質(zhì)量，或者中間合金的質(zhì)量，或者混合金屬添加劑 (包括鹽類化合物)的質(zhì)量，編制合金生產(chǎn)配料表，并按配料表選足備料。
(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700 800°C下保溫；為防止熔體吸入過多的空氣，熔化過程應(yīng)盡可能在短時(shí)間內(nèi)和封閉環(huán)境內(nèi) 完成。
(3)再按配方比例先加入Mn、Ti、Zr、Be、Sc純金屬或Al_Mn、Al-Ti> Al-Zr, ΑΙ-Be, Al-Sc中間合金或者混合金屬添加劑(包括鹽類化合物)，攪拌均勻后再 加入Cu、Cd純金屬或Al-Cu、Al-Cd中間合金或者混合金屬添加劑(包括鹽類化合物)， 再加入C和稀土元素RE，攪拌均勻。
其中，混合金屬添加劑是指添加、調(diào)整合金組元用的餅狀或塊狀非燒結(jié)性粉末 冶金制品。粉末冶金制品包括錳、銅、鋯、鈹、鈧或鈦金屬粉末與熔劑混合而成；熔劑 是指堿金屬或堿土金屬鹵素鹽類的混合物(如NaCl、KCL Na3AlF6等)。C是指化合物 或鋁碳中間合金，包括二元中間合金、三元中間合金和多元中間合金。
(4)然后對上述合金熔體進(jìn)行爐內(nèi)精煉；往合金熔體中加入精煉劑(可根據(jù)不同 工況采用氯氣、六氯乙烷、氯化錳等作為精煉劑)，并攪拌均勻，同時(shí)為防止熔體吸入水 份和燒損，熔體精煉應(yīng)盡可能在封閉環(huán)境中操作。
(5)精煉后打渣、靜置、調(diào)溫至630 850°C，合金液傾倒出爐，在線除氣、除 渣處理。
(6)鑄造(在鑄模中結(jié)晶凝固)。
(7)為了防止材料過燒，確定對鑄件進(jìn)行470 560°C、30小時(shí)以內(nèi)的固溶處理。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下主要優(yōu)點(diǎn)
解決了目前Al-Cu系高強(qiáng)韌鋁合金(ZL201A、ZL 204A、ZL 205A等)大多采用精鋁為基體原料，成本較高，導(dǎo)致Al-Cu系高強(qiáng)韌鋁合金只能用于航空航天、國防軍工 等尖端領(lǐng)域，民用領(lǐng)域因性價(jià)比不高而應(yīng)用受限的問題。
隨著中國和世界鋁產(chǎn)量的快速增長和鋁產(chǎn)業(yè)規(guī)模在中國的不斷擴(kuò)大，“以鋁代 鋼”日漸成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢和潮流，而在民用領(lǐng)域也迫切需要性價(jià)比高的高強(qiáng)韌鋁合 金；本發(fā)明通過采用普鋁為基體原料，配予少量的貴重元素，優(yōu)選特征微合金化元素配 方，以及采用集約、簡練的熔鑄、凈化等工藝，添加高效變質(zhì)劑，研制出新型高強(qiáng)耐熱 鋁合金材料，克服了現(xiàn)有材料的在成本上的門檻。
具體說來，本發(fā)明具有以下八個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
1、高強(qiáng)度和高硬度。從材料強(qiáng)度看，在滿足塑性要求前提下，可通過熱處理等 工藝技術(shù)手段，使各種強(qiáng)化相在鑄態(tài)組織中充分、均勻、合理析出和分布，使材料強(qiáng)度 達(dá)到 480 540MPa ；硬度 2HB140。
2、材料的雙重屬性。從材料用途屬性上看，它屬于兩性鋁合金，既有鑄造鋁合 金的特性又有變形鋁合金的特性，既可以直接用于鑄造各類輕強(qiáng)功能件和結(jié)構(gòu)件，也可 以先鑄成棒材再進(jìn)行熱擠壓成為各種斷面的型材。
本質(zhì)上，該材料屬于多元微合金化的鑄造鋁合金，但由于材料具有極好的流動(dòng) 性及晶間自潤滑性能，使其同時(shí)具備了變形鋁合金的易加工特性。
3、工藝的先進(jìn)性。從生產(chǎn)工藝上看，在熔煉技術(shù)上改變了傳統(tǒng)的粗放工藝，可 使用電爐進(jìn)行嚴(yán)密的保護(hù)性熔煉，從而避免了熔體混入過多的雜質(zhì)和氣體，既保持了合 金的純凈度，也簡化和縮短了復(fù)雜的后續(xù)熔體處理流程；同時(shí)，熔煉過程較傳統(tǒng)反射式 熔煉工藝大大提高了能源利用率并降低了對環(huán)境的污染，屬于綠色環(huán)保節(jié)能型工藝。
(1)保護(hù)性熔煉顯著降低了能耗、污染，簡化了生產(chǎn)流程，提高了集約化程度
由于鋁及鋁合金熔體具有極強(qiáng)的吸氣傾向，故在敞開式或封閉性不好的爐內(nèi)融 化和熔煉時(shí)，熔融的合金液會(huì)大量地吸收空氣中的02、水分等氣體，生成不溶性的Al2O3 和具有良好活性的H2,在熔體中形成雜質(zhì)和氣體，如果不及時(shí)除去，會(huì)在鑄造時(shí)形成鑄 件的夾渣、氣孔、疏松等缺陷，導(dǎo)致制品報(bào)廢；其中尤其以熔體中H2的危害最大，因?yàn)?H2在鋁及鋁合金熔融態(tài)時(shí)的溶解度大大高于固態(tài)時(shí)的溶解度，因此在凝固時(shí)，會(huì)有大量 的H2從合金中逸出造成大量缺陷。而不溶性渣則相對較易除去。因此，避免熔體吸氣 是保持熔體質(zhì)量和鑄造質(zhì)量的重要措施。
普通的大型工業(yè)鋁合金熔煉爐是以液體或氣體燃料為能源的反射式加熱爐或保 溫爐，需要大量的空氣助燃，同時(shí)燃燒產(chǎn)物中含有大量水蒸汽和C02、NOx等物質(zhì)，在 高溫下極易與鋁發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成各種有害雜質(zhì)，同時(shí)這些雜質(zhì)本身與鋁液一樣極易 吸附H2,使熔體受到嚴(yán)重污染，在進(jìn)行鑄造之前，熔體必須經(jīng)歷一道或幾道專門的凈化工序，并經(jīng)取樣檢測合格后方可進(jìn)入鑄造流程，這無疑延長了作業(yè)流程，能耗和污染 指標(biāo)都難以降低；同時(shí)因?yàn)樯a(chǎn)的連續(xù)性要求，必須使裝備大型化，增加了投資，提高 了技術(shù)準(zhǔn)入門檻；而設(shè)備的大修成本、啟動(dòng)成本均隨著設(shè)備的大型化和長流程而成倍增長。
而一般的鋁合金鑄造件生產(chǎn)車間，由于產(chǎn)量規(guī)模小，設(shè)備簡單粗放，對鋁合金 熔體很少采取密閉保護(hù)措施，同樣造成熔體質(zhì)量和鑄造質(zhì)量不高。
本發(fā)明要求的制備方法，其熔煉方式是采用帶密封蓋的感應(yīng)電熱設(shè)備，根除了 燃料燃燒時(shí)空氣、水蒸汽和各種燃燒產(chǎn)物對熔體的污染，同時(shí)在熔煉過程中，可采用保 護(hù)性氣體進(jìn)行保護(hù)氣氛熔煉，最大程度地隔絕空氣的侵襲；由于保持了熔體的高純潔 性，在其后的鑄造階段可采取很簡單的通過式除氣、除渣裝置，而不必添加專門的停留 式保溫凈化設(shè)備，從而大大簡化了工藝流程。
(2)優(yōu)化了鑄件的熱處理工藝，避免了因“過燒”而造成的材料力學(xué)性能降低、 制品報(bào)廢的發(fā)生
申請?zhí)枮?200810302670.3、200810302668.6、200810302669.0 和 200810302671.8的4個(gè)專利名稱均為“一種高強(qiáng)度鑄造鋁合金材料”的發(fā)明中，規(guī)定材料的熱處理工藝 參數(shù)為“620°C以下、72小時(shí)以內(nèi)”，在材料應(yīng)用試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)固溶處理時(shí)溫度超560°C 時(shí)，常常會(huì)發(fā)生“過燒”現(xiàn)象，造成材料微觀結(jié)構(gòu)的破壞，其典型特征是強(qiáng)度和延展性 等主要指標(biāo)顯著降低，鑄件變脆，表面發(fā)黑發(fā)暗，甚至在熱處理過程中即產(chǎn)生裂紋、變 形而報(bào)廢。而當(dāng)固溶溫度低于470°C時(shí)，由于強(qiáng)化相的培育、析出強(qiáng)化作用不充分，材料 的強(qiáng)度難以達(dá)到期望的目標(biāo)值；同時(shí)，在經(jīng)過多次試驗(yàn)摸索后，發(fā)現(xiàn)熱處理時(shí)間超過30 小時(shí)，對材料性能的提高沒有顯著效果。因此，為了提高效果和效率，將熱處理工藝參 數(shù)優(yōu)化調(diào)整為470 560°C、30小時(shí)以內(nèi)的固溶處理。
4、配方的科學(xué)性和經(jīng)濟(jì)性。從原料來源上看，新材料系列的基體合金可以采用 普通工業(yè)純鋁(即雙零鋁，包括鋁液和重熔用鋁錠)，比已有的高強(qiáng)度鋁合金必須采用精 鋁或高純級鋁為基體合金的配方模式，具有原料供應(yīng)充足、成本低、采購方便等優(yōu)勢； 同時(shí)，該材料同樣可以采用精鋁或高純級鋁作為基體合金，而這種配方的材料比該品種 的普鋁基材料具有更高的延展性。
本發(fā)明通過優(yōu)選合金主元素銅(Cu)、錳(Mn)和以鈹(Be)、鈧6c)為特征微 合金化元素的多元配方，為固溶體中高溫相和強(qiáng)化相的培育和細(xì)晶化作用創(chuàng)造物質(zhì)基礎(chǔ) 條件；以碳(C)為合金高效變質(zhì)劑，由于形成的碳化物的晶格常數(shù)最接近于鋁固溶體的 晶格常數(shù)，這些碳化物質(zhì)點(diǎn)團(tuán)作為結(jié)晶核心十分細(xì)小(其尺寸小于 μιη)且在適當(dāng)細(xì)化 溫度下在鋁液中能夠穩(wěn)定存在，在鑄錠凝固過程中，對α-Al基本具有極好的穩(wěn)定的細(xì) 化形核能力，從而使碳變質(zhì)劑抗衰減能力優(yōu)于其他變質(zhì)劑，最大程度提高合金的組織分 散度，實(shí)現(xiàn)最佳的變質(zhì)效果；選用高溫元素鈹(Be)、鈧6c)和稀土元素RE作為復(fù)雜合 金化的微量添加元素，Be在合金中形成α、β彌散性高溫強(qiáng)化相，可防止合金元素的氧 化、燒損、吸氣，提高合金的冶金質(zhì)量及表面氧化膜的致密度，可使雜質(zhì)鐵(Fe)由針狀 變?yōu)閳F(tuán)粒狀，還可防止?jié)沧r(shí)砂型鑄件與模型的反沖；合金中加入少量Sc元素后，Sc在 合金中主要形成A13Sc、Al3(SC, Zr)等金屬化合物，其晶體的晶胞類型與鋁相同，二者 的點(diǎn)陣常數(shù)接近，錯(cuò)配度很小，完全共格，A13Sc、Al3(Sc, Zr)作為異質(zhì)型核質(zhì)點(diǎn)，顯著細(xì)化鑄態(tài)晶粒組織，具有細(xì)晶強(qiáng)化和增塑作用；合金中添加微量Sc后，明顯提高合金高 溫強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、焊接性能和抗腐蝕性能，并可避免高溫下長期工作時(shí)易產(chǎn)生的脆 化現(xiàn)象。同時(shí)，&在熱加工過程中對位錯(cuò)和亞晶界起釘扎作用，穩(wěn)定亞結(jié)構(gòu)并有效抑制 合金再結(jié)晶，具有亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化和直接析出強(qiáng)化作用；稀土(RE)在合金中形成多種金屬化 合物彌散性高溫強(qiáng)化相(例如稀土 Ce在合金中形成CI-Ce3Al11- β-Ce3Al等7種金屬 化合物；稀土 La在合金中形成α -Al11La3 β Al11La3等6種金屬化合物；稀土 Pr在合 金中形成a-AlnPr3 β-Al1Jr3等6種金屬化合物；稀土 Nd在合金中形成a-Al11Nd3 β-Al11Nd3 等 6 種金屬化合物；稀土:Er 在合金中形成 ErAl3、ErAl2、ErAL Er3Al2、Er2Al 等5種金屬化合物；稀土 Y在合金中形成A13Y、Al2Y, A1Y、A12Y3、AlY2等5種金屬化 合物；稀土 Dy在合金中形成a-DyAl3 β-DyAl3等6種金屬化合物；稀土 Eu在合金中 形成EuA14、EuAl2> EuAl等3種金屬化合物；稀土 Sm在合金中形成AlnSm3、Al3Sm、 Al2Sm、AISm、AlSm2等5種金屬化合物；稀土 Pm在合金中形成AlnPm3、AlPm2等5 種難熔活性金屬化合物；稀土 Gd在合金中形成Al4Gd、Al17Gd2等7種難熔活性金屬化合 物；稀土 Tb在合金中形成Al3Tb、AlTb2等5種難熔活性金屬化合物；稀土 Ho在合金中 形成AI3Hck AlHo2等5種難熔活性金屬化合物；稀土 Tm在合金中形成Al3Tm、AlTm等 3種難熔活性金屬化合物；稀土 Yb在合金中形成Al3Yb、Al2Yb等2種難熔活性金屬化合 物；稀土 Lu在合金中形成A13Lu、AlLu2等5種難熔活性金屬化合物等等)，都提高了合 金的室溫強(qiáng)度、耐熱強(qiáng)度和熔體流動(dòng)性。
本發(fā)明的主合金元素作用機(jī)理如下。
①該材料允許銅(Cu)含量在1 10%范圍，較Al-Cu系鑄造鋁合金含銅(Cu) 量為3 11%的范圍略有不同，但在理論上則具有極為重大的創(chuàng)新意義。
一方面，在銅(Cu)含量為5.65 5.7%時(shí)，正好等于Cu在Al-Cu合金中的共晶 溶解度，在熱處理過程中按照“完全固溶-均勻析出-晶界強(qiáng)化相-晶隙填充劑(粘結(jié)、 鑲嵌、防滑)”的轉(zhuǎn)變模式和作用機(jī)理變化，形成較多的富Cu強(qiáng)化相(其中包括Al2Cu, 即θ相)，從而使鋁合金的室溫和高溫力學(xué)性能都大大提高，也改善了加工性能；但由 于Cu在Al中的溶解度隨溫度降低而急劇下降，在結(jié)晶凝固過程中，Cu在a -Al固溶體 中的過飽和度快速提高，a-Al枝晶一邊長大，一邊強(qiáng)烈增加地向晶界外排出富Cu強(qiáng)化 相的傾向，造成晶內(nèi)和晶界間巨大的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，同時(shí)合金整體正處于凝固收縮階段，收 縮應(yīng)力與結(jié)構(gòu)應(yīng)力疊加在一起，當(dāng)超過合金的即時(shí)實(shí)際強(qiáng)度，則形成熱裂紋，因此在銅 (Cu)含量《5.65%的一定范圍內(nèi)，鋁合金的鑄造性能最差、熱裂傾向性最大。但總的趨 勢是，隨著銅含量的降低，合金的熱裂傾向性也降低；當(dāng)Cu含量<1%時(shí)，其強(qiáng)化相不 足，強(qiáng)化相的轉(zhuǎn)變模式和作用機(jī)理難以充分發(fā)揮，在溫度變化時(shí)在晶界的析出和向晶內(nèi) 的溶入會(huì)形成晶界間較多的缺陷，降低合金的室溫和高溫強(qiáng)度，所以Cu含量過低，對簡 單的Al-Cu合金來說沒有意義；但如果合金中加入了較多的稀土元素(RE)，則可以起到 彌補(bǔ)Cu含量過低的特殊效果。
另一方面，在Cu含量功.7%時(shí)，富Cu相在熱處理時(shí)不能被基體全部吸收，則 以邊界富Cu金屬化合物形態(tài)彌散分布于晶界，降低了 a-Al固溶體內(nèi)外Cu質(zhì)點(diǎn)的濃度 差，在凝固過程中平緩了 a-Al固溶體枝晶向晶界排出富Cu相的強(qiáng)度，即降低了結(jié)構(gòu)應(yīng) 力和熱裂傾向。顯然，當(dāng)Cu含量湯.7%，富Cu相越多，結(jié)晶時(shí)合金內(nèi)部的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和熱裂傾向越??；同時(shí)，高熔點(diǎn)細(xì)晶彌散的富Cu相在熔體結(jié)晶時(shí)形成活性異質(zhì)晶核，加速 熔體結(jié)晶反應(yīng)但又阻止晶核長大，細(xì)化了晶粒，也降低了合金熱裂傾向性；并使基體晶 界之間充填更加飽滿；富Cu相還能與Al、Mn等多種元素形成難熔金屬化合物。所有 這些作用，明顯地弱化了熔體的表面張力，降低了熔體粘度，從而顯著提高了熔體流動(dòng) 性及合金的鑄造性能。
當(dāng)Cu含量處于5.7%左右時(shí)，經(jīng)熱處理后，在基體晶界有較多的富Cu相(溶 入-析出相)與較少的(約0.5% )Cu基金屬化合物細(xì)晶彌散相，使室溫狀態(tài)下的合金強(qiáng) 度保持較高水平，但當(dāng)處于高溫環(huán)境時(shí)，因大量富Cu相重新溶入基體中，就會(huì)造成較多 的晶間空隙和缺陷，這會(huì)使合金的高溫強(qiáng)度顯著下降。隨著Cu含量繼續(xù)增加，合金強(qiáng)度 受溫度影響的程度減小，而當(dāng)彌散相與析出相基本處于等量狀態(tài)時(shí)，材料強(qiáng)度受溫度變 化的影響最低，此時(shí)合金中Cu含量應(yīng)為11 12%。
但當(dāng)合金中Cu含量> 10%時(shí)，因結(jié)晶時(shí)過剩的Cu相具有優(yōu)先結(jié)晶性質(zhì)而形成 巨大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，合金粘度大大增強(qiáng)，過剩相在結(jié)晶過程中取代鋁基體成為控制結(jié)晶的 主要因素，原有彌散相對鋁基體相的優(yōu)良作用全部受到屏蔽，因此合金的各種性能又大 幅下降。
根據(jù)以上理論基礎(chǔ)及實(shí)踐的驗(yàn)證，確定主合金元素Cu含量的合理范圍為1 10% (wt% )。
②該材料以錳(Mn)元素改善抗蝕性，同時(shí)屏蔽雜質(zhì)Fe，減少:Fe的有害作用。
因錳(Mn)元素與基體作用生成的MnAl6與純鋁具有相同的電位，可以有效地 改善合金的抗蝕性和焊接性；同時(shí)Mn作為高溫強(qiáng)化相，具有提高再結(jié)晶溫度、抑制再 結(jié)晶晶粒粗化的作用，能夠?qū)崿F(xiàn)對合金的固溶強(qiáng)化、補(bǔ)充強(qiáng)化、提高耐熱性能；在晶粒 細(xì)化劑作用下，能與Fe元素生成球團(tuán)狀的Al3 (Fe、Mn),有效消除了:Fe對合金的有害作 用，因此本發(fā)明可允許Fe含量在較寬的范圍(Fe《0.5%)，這樣帶來的好處是實(shí)現(xiàn)普 鋁代替精鋁，降低成本，擴(kuò)大原料來源及材料應(yīng)用領(lǐng)域。
③主要使用稀土 RE作為基礎(chǔ)微合金化元素，且其含量范圍大，最高可達(dá)5%， 可充分發(fā)揮稀土元素在合金中的除氣、除渣、凈化作用、細(xì)化晶粒和變質(zhì)作用、提高合 金的力學(xué)性能以及耐蝕性作用。
稀土元素除氣、除渣、凈化作用的機(jī)理是稀土元素活性很強(qiáng)，對氧、氫、 硫、氮等具有較強(qiáng)的親和力，其脫氧能力超過現(xiàn)有最強(qiáng)的脫氧劑鋁，可把含量為50X10_6 氧，脫至10X10—6以下，其脫硫作用可把含S量為20X10—6脫至1 5X10—6。因此， 含稀土的鋁合金在熔煉時(shí)很容易和鋁液中的上述物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物不溶于鋁 而進(jìn)入渣中，從而使合金中的氣體含量降低，使合金產(chǎn)品產(chǎn)生氣孔和縮松的傾向大大降 低。
稀土元素能顯著提高合金的力學(xué)性能。稀土元素在鋁合金中可形成穩(wěn)定的高熔 點(diǎn)金屬化合物如A14RE、A18CuRE、Al8Mn4RE、AImRE3Mii等。這些高熔點(diǎn)金屬化合物彌 散分布于呈網(wǎng)狀或骨架狀的晶間和枝晶間，并與基體牢固結(jié)合，起到了強(qiáng)化和穩(wěn)定晶界 的作用。同時(shí)，合金中還形成一定數(shù)量的AlSiRE相，由于其熔點(diǎn)和硬度很高，因此對提 高合金的耐熱性和耐磨性均有良好的作用。此外，還可中和金屬液中的低熔點(diǎn)雜質(zhì)元素 Sn、Pb,鄰等，與它們形成高熔點(diǎn)的化合物或使他們從枝晶間向整個(gè)晶體內(nèi)均勻分布，10消除了枝晶組織。
稀土元素有細(xì)化晶粒和變質(zhì)作用。稀土元素為表面活性元素，可集中分布在晶 界面上，降低熔體粘度，增強(qiáng)流動(dòng)性，降低相與相之間的拉力，因?yàn)槭剐纬膳R界尺寸晶 核的功減少，結(jié)晶核數(shù)量增加，從而使晶粒細(xì)化。稀土對鋁合金的變質(zhì)作用具有長效性 和重熔穩(wěn)定性，大多數(shù)單一或混合稀土加入后對α-Al相有很強(qiáng)的細(xì)化和變質(zhì)作用。
此外，稀土元素還能夠提高合金的導(dǎo)電性。由于稀土能細(xì)化鋁晶粒，也能在合 金中Fe、&等雜質(zhì)形成穩(wěn)定的化合物(如CeF&、CeSi> CeSi2等)并從晶內(nèi)析出，再加 上稀土對合金的凈化作用，使得鋁的電阻率得到降低，導(dǎo)電性提高(約2%)。
很少量的稀土元素RE即可對合金性能產(chǎn)生明顯的變質(zhì)改良作用，因此，一般鋁 合金的稀土加入量在 以下，在 2008103(^670.3、200810302668.6, 2008103(^669.0 和 2008103(^671.8專利申請中，稀土含量確定為0.05 0.3%。從Al-RE合金相圖分析， 由于大部分稀土在鋁中的溶解度很小(如Ce約為0.01%)，其存在形態(tài)多以高熔點(diǎn)金屬化 合物分布于晶界或基晶內(nèi)部。由于活性很高，在熔體凈化中充當(dāng)凈化劑消耗掉一部分， 若加入量太少，則其對α-Al相的變質(zhì)作用就難以充分發(fā)揮。為保持稀土變質(zhì)作用的長 效性和重熔穩(wěn)定性，并充分發(fā)揮其高溫強(qiáng)化特性，本發(fā)明特把銅含量與稀土含量一起考 慮，確定其含量范圍為0.05 5%。
④鈹(Be)元素作為復(fù)雜合金化的特征添加元素，在合金中能形成α、β彌散 性高溫強(qiáng)化相，可防止合金元素的氧化、燒損、吸氣，提高合金的冶金質(zhì)量及表面氧化 膜的致密度，可使雜質(zhì)鐵(Fe)由針狀變?yōu)閳F(tuán)粒狀，還可防止?jié)沧r(shí)砂型鑄件與模型的反 沖；鈧6c)元素作為復(fù)雜合金化的特征添加元素，合金中加入少量Sc元素后，Sc在合 金中主要形成A13Sc、Al3 (Sc，Zr)等金屬化合物，Al3Sc、Al3 (Sc, Zr)作為異質(zhì)型核質(zhì) 點(diǎn)，顯著細(xì)化鑄態(tài)晶粒組織，具有細(xì)晶強(qiáng)化和增塑作用，并明顯提高合金高溫強(qiáng)度、結(jié) 構(gòu)穩(wěn)定性、焊接性能和抗腐蝕性能。同時(shí)，Sc在熱加工過程中對位錯(cuò)和亞晶界起釘扎作 用，穩(wěn)定亞結(jié)構(gòu)并有效抑制合金再結(jié)晶，具有亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化和直接析出強(qiáng)化作用。
⑤以碳(C)為合金高效變質(zhì)劑，由于形成的碳化物的晶格常數(shù)最接近于鋁固溶 體的晶格常數(shù)，這些碳化物質(zhì)點(diǎn)團(tuán)作為結(jié)晶核心十分細(xì)小(其尺寸小于 μιη)且在適當(dāng) 細(xì)化溫度下在鋁液中能夠穩(wěn)定存在，在鑄錠凝固過程中，對α-Al基本具有極好的穩(wěn)定 的細(xì)化形核能力，從而使碳變質(zhì)劑抗衰減能力優(yōu)于其他變質(zhì)劑，最大程度提高合金的組 織分散度，實(shí)現(xiàn)最佳的變質(zhì)效果。
5、優(yōu)異的鑄造性能。通過在高科技結(jié)構(gòu)、航空、航天、民用重工等幾個(gè)領(lǐng)域 使用的鑄件多次鑄造試驗(yàn)，驗(yàn)證了該新材料的優(yōu)異性能鑄造性能高于目前的Α201.0、 ZL206、ZL207、ZL208、206.0等高強(qiáng)度鑄造鋁合金，解決了上述鋁合金鑄造時(shí)熱裂傾向 性大、鑄件合格率低的重大問題；舊料回爐重熔與新料可實(shí)現(xiàn)任意比例配料，新舊料混 合熔體澆注性能無改變，且有穩(wěn)定材料強(qiáng)度、提高延展性的良好作用，較原有高強(qiáng)度鋁 合金廢料回用性差、循環(huán)路線長的狀況，具有極顯著的經(jīng)濟(jì)性和集約性。
新材料消除熱裂傾向的原理在于因合金中銅含量增多形成富Cu相，富Cu相 作為高熔點(diǎn)細(xì)晶彌散相以金屬化合物形態(tài)彌散分布于晶界，在熔體結(jié)晶時(shí)有效抵消了晶 粒內(nèi)富Cu溶質(zhì)因過飽和度急劇升高而形成的向晶界擴(kuò)散的強(qiáng)烈傾向，從而減緩了結(jié)晶時(shí) 的結(jié)構(gòu)應(yīng)力；同時(shí)晶界上富Cu彌散相與Be、Sc特征微合金化元素、RE稀土微合金化元素及Mn、Zr, Ti、C等元素的多種彌散相，都具有細(xì)化晶粒、充填基體晶界、形成近鋁 電位金屬化合物的多種作用，所有這些作用明顯地弱化了熔體的表面張力，降低了熔體 粘度，從而顯著提高了熔體流動(dòng)性及合金的鑄造性能，保證了鑄造產(chǎn)品具有較高的合格率。
舊料回用性好的原理在于本發(fā)明中多元微合金化作用具有長效性和重熔穩(wěn)定 性，重熔時(shí)，熔體的結(jié)構(gòu)特性保持了一次合金熔體形成的原子集團(tuán)結(jié)構(gòu)和細(xì)晶結(jié)構(gòu)，大 量的活性晶核能夠在熔體中充分發(fā)揮凝聚、同化微晶結(jié)構(gòu)的作用，并能保持原有的流動(dòng) 性。因此，舊料的配入有穩(wěn)定材料強(qiáng)度、提高延展性的良好作用。
舊料的這種特性，完全可以實(shí)現(xiàn)在生產(chǎn)現(xiàn)場的即時(shí)回用，無論是渣料、加工余 料還是不合格鑄件，均可與新料一同熔煉或直接加入熔體中。
本發(fā)明的此種特性，較目前大量應(yīng)用的IXXX系和2XXX系高強(qiáng)度鋁合金材料 鑄造成品率顯著提高，大大降低了廢品量，因此在生產(chǎn)現(xiàn)場不需要大的廢品堆場(實(shí)際 生產(chǎn)中，鋁合金鑄造車間往往要規(guī)劃出很大的廢品堆放場地)；同時(shí)，很多鑄造鋁合金 不具備重熔穩(wěn)定性，無法在現(xiàn)場直接回用，因此需要組批進(jìn)行集中處理，占據(jù)很大的制 造成本，衍生出一系列處理環(huán)節(jié)和無效勞動(dòng)；而應(yīng)用本發(fā)明提供的新材料，所有這些額 外的環(huán)節(jié)、成本和無效勞動(dòng)均可省去。
6、優(yōu)異的加工、表面防腐處理性能。通過將新材料加工成軸、球、管、角材、 螺栓等各種形狀的成品件的試驗(yàn)，證明材料具有極好的可加工性能，表面可達(dá)到近鏡面 程度的精潔度，光反射率高于純鋁；表面氧化和涂覆試驗(yàn)表明，表面陽極氧化后膜厚可 達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求等級、表面顏色無改變，涂料與氧化表面的附著性完全達(dá)到抗破壞性試驗(yàn) 的標(biāo)準(zhǔn)等級。
7、優(yōu)異的高溫性能。該材料具有高溫鋁合金的特性，可以達(dá)到400°C條件下強(qiáng) 度高于200Mpa以上，高于傳統(tǒng)的高溫(耐熱)鋁合金材料，這一特性使新材料可以替代 除航空發(fā)動(dòng)機(jī)匣體直接承受高溫燃?xì)庾茻牟考獾钠渌鞑课荒蜔岵考牧稀?耐 熱性原理參見特性4 “配方的科學(xué)性和經(jīng)濟(jì)性”中關(guān)于富銅相、稀土 RE、耐熱合金元素 Be、Sc等的內(nèi)容)。
8、典型的原創(chuàng)性。該系列新型材料是申請人在取得合金化理論創(chuàng)新突破后快速 研發(fā)出來的，材料優(yōu)異性質(zhì)的驗(yàn)證同時(shí)就是對新合金化理論的驗(yàn)證，而這種理論突破目 前在所有的文獻(xiàn)資料上都沒有明確記載過，因此該系列新材料在國際上屬于原始性、基 礎(chǔ)性的重大創(chuàng)新。
本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)
表一列出了與本發(fā)明在某一方面的性能和用途上相近的31種鋁合金的元素組 成?？梢钥闯?，與已有各種高銅含量變形鋁合金、耐熱變形鋁合金、耐熱鑄造鋁合金相 比，本發(fā)明主要有以下創(chuàng)新內(nèi)容。
一是銅(Cu)含量允許范圍大，在1 10%;同時(shí)以錳(Mn)元素配合形成多種高溫強(qiáng)化相。
二是主要使用稀土 RE作為基礎(chǔ)微合金化元素，且其含量范圍大，最高可達(dá) 5%,可充分發(fā)揮稀土 RE在合金中的除氣、除渣、凈化作用、細(xì)化晶粒和變質(zhì)作用、提 高合金的力學(xué)性能以及耐蝕性作用；稀土元素RE對氧、硫、氮、氫的親和力都很強(qiáng)，因而其脫氧、脫硫、去除氫氣和氮?dú)獾淖饔枚己軓?qiáng)，此外，RE為表面活性元素，可集中分 布在晶界面上，降低相與相之間的拉力，因?yàn)槭剐纬膳R界尺寸晶核的功減少，結(jié)晶核數(shù) 量增加，從而使晶粒細(xì)化。
三是對鐵元素的限制比較寬松，允許其含量最大可達(dá)0.5%，這為使用普鋁為基 體進(jìn)行合金材熔鑄開拓了空間。
四是不使用鎂、鋅等低熔點(diǎn)元素作為產(chǎn)生強(qiáng)化相的物質(zhì)，避免了高溫下材料強(qiáng) 化相的分解和轉(zhuǎn)化，從而顯著提高了材料的高溫強(qiáng)度。
五是以鈹(Be)元素作為復(fù)雜合金化的特征添加元素，在合金中能形成α、β彌 散性高溫強(qiáng)化相，可防止合金元素的氧化、燒損、吸氣，提高合金的冶金質(zhì)量及表面氧 化膜的致密度，可使雜質(zhì)鐵(Fe)由針狀變?yōu)閳F(tuán)粒狀，還可防止?jié)沧r(shí)砂型鑄件與模型的 反沖；合金中加入少量&元素后，&在合金中主要形成A13Sc、Al3 (SC, Zr)等金屬化合 物，Al3Sc, Al3(Sc, Zr)作為異質(zhì)型核質(zhì)點(diǎn)，顯著細(xì)化鑄態(tài)晶粒組織，具有細(xì)晶強(qiáng)化和增 塑作用，并明顯提高合金高溫強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、焊接性能和抗腐蝕性能。同時(shí)，Sc在 熱加工過程中對位錯(cuò)和亞晶界起釘扎作用，穩(wěn)定亞結(jié)構(gòu)并有效抑制合金再結(jié)晶，具有亞 結(jié)構(gòu)強(qiáng)化和直接析出強(qiáng)化作用。結(jié)合使用鈦(Ti)、鋯(Zr)元素作為綜合晶粒細(xì)化劑，使 合金材料具備了高強(qiáng)高韌耐熱和熔體高流動(dòng)性等全部優(yōu)良性能的物質(zhì)基礎(chǔ)。
六是以碳(C)為合金高效變質(zhì)劑，由于形成的碳化物的晶格常數(shù)最接近于鋁固 溶體的晶格常數(shù)，這些碳化物質(zhì)點(diǎn)團(tuán)作為結(jié)晶核心十分細(xì)小(其尺寸小于 μιη)且在適 當(dāng)細(xì)化溫度下在鋁液中能夠穩(wěn)定存在，在鑄錠凝固過程中，對α-Al基本具有極好的穩(wěn) 定的細(xì)化形核能力，從而使碳變質(zhì)劑抗衰減能力優(yōu)于其他變質(zhì)劑，最大程度提高合金的 組織分散度，實(shí)現(xiàn)最佳的變質(zhì)效果。
以上是本發(fā)明特征配方中最明顯的幾個(gè)方面。
表一與本發(fā)明有關(guān)的各種鋁合金化學(xué)成分
高銅含量變形鋁合金、耐熱變形鋁合金、耐熱鑄造鋁合金與本發(fā)明的成分比較
一、高銅含量變形鋁合金
權(quán)利要求
1.一種以C變質(zhì)的Be-Sc-RE高強(qiáng)耐熱鋁合金材料，其特征在于按重量百分比計(jì)， 該合金成分為 Cu 1.0 10.0%，Mn 0.05 — 1.5%, Cd 0.01 ~ 0.5%, Ti 0.01 0.5%, C 0.0001 — 0.15%, Zr: 0.01 ~ 1.0%, Be: 0.001 — 0.1%, Sc: 0.01 ~ 1.0%, 稀土元素RE: 0.05 5%，其余為Al。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以C變質(zhì)的Be-Sc-RE高強(qiáng)耐熱鋁合金材料，其特征在于 稀土元素RE為單一稀土元素或一種以上的混合稀土元素。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的以C變質(zhì)的Be-Sc-RE高強(qiáng)耐熱鋁合金材料，其特征在 于稀土元素RE包括La、Ce、Pr、Nd、&和Y。
4.一種如權(quán)利要求3所述的以C變質(zhì)的Be-Sc-RE高強(qiáng)耐熱鋁合金材料的制備方法， 其特征在于包括如下步驟(1)在上述元素比例范圍內(nèi)，選定一組元素比例，再根據(jù)需要配制的合金總量，推算 出所需的每種單質(zhì)金屬的質(zhì)量，或者中間合金的質(zhì)量，或者混合金屬添加劑的質(zhì)量，編 制合金生產(chǎn)配料表，并按配料表選足備料；(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700 800°C下 保溫；熔化過程在封閉環(huán)境內(nèi)完成；(3)再按配方比例先加入Mn、Ti、Zr、Be、Sc純金屬或Al_Mn、Al-Ti>Al_Zr、 Al-Be、Al-Sc中間合金或者混合金屬添加劑，攪拌均勻后再加入Cu、Cd純金屬或 Al-Cu、Al-Cd中間合金或者混合金屬添加劑，再加入C和稀土元素RE，攪拌均勻；(4)然后對上述合金熔體進(jìn)行爐內(nèi)精煉；往合金熔體中加入精煉劑，并攪拌均勻， 熔體精煉在封閉環(huán)境中操作；(5)精煉后打渣、靜置、調(diào)溫至630 850°C，合金液傾倒出爐，在線除氣、除渣處理；(6)鑄造；(7)對鑄件進(jìn)行470 560°C、30小時(shí)以內(nèi)的固溶處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的以C變質(zhì)的Be-Sc-RE高強(qiáng)耐熱鋁合金材料的制備方法，其 特征在于混合金屬添加劑是指添加、調(diào)整合金組元用的餅狀或塊狀非燒結(jié)性粉末冶金 制品。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的以C變質(zhì)的Be-Sc-RE高強(qiáng)耐熱鋁合金材料的制備方法，其 特征在于粉末冶金制品包括錳、銅、鋯、鈹、鈧或鈦金屬粉末與熔劑混合而成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的以C變質(zhì)的Be-Sc-RE高強(qiáng)耐熱鋁合金材料的制備方 法，其特征在于熔劑是指堿金屬或堿土金屬鹵素鹽類的混合物，包括NaCl、KCl和 Na3AlF6。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的以C變質(zhì)的Be-Sc-RE高強(qiáng)耐熱鋁合金材料的制備方法，其 特征在于在步驟(3)中，C是指化合物或鋁碳中間合金，包括二元中間合金、三元中間 合金和多元中間合金。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的以C變質(zhì)的Be-Sc-RE高強(qiáng)耐熱鋁合金材料的制備方法，其 特征在于在步驟(4)中，精煉劑是指氯氣、六氯乙烷、氯化錳。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高強(qiáng)耐熱鋁合金材料及其制備方法，按重量百分比計(jì)其成分為Cu1.0～10.0％，Mn0.05～1.5％，Cd0.01～0.5％，Ti0.01～0.5％，C0.0001～0.15％，Zr0.01～1.0％，Sc0.01～1.0％，Be0.001～0.1％，RE0.05～5％，其余為Al。本發(fā)明以優(yōu)質(zhì)熔體、固溶體和相圖理論為指導(dǎo)，通過優(yōu)選合金主元素Cu、Mn及RE配方，降低合金準(zhǔn)固相溫度范圍，以C為高效變質(zhì)劑，解決鑄造時(shí)熱裂傾向大、制品高溫強(qiáng)度低等問題；優(yōu)選多元微合金化元素配方，為固溶體中高溫相和強(qiáng)化相的培育和細(xì)晶化作用創(chuàng)造物質(zhì)基礎(chǔ)條件，最終研制出一種高強(qiáng)耐熱鋁合金材料。
文檔編號C22C1/02GK102021416SQ20091030727
公開日2011年4月20日 申請日期2009年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月18日
發(fā)明者張中可, 曹躍清, 李祥, 李榮華, 胥光酉, 車云, 門三泉, 陳新孟 申請人:貴州華科鋁材料工程技術(shù)研究有限公司