一種高性能鈰鐠鋁合金的制備方法
【專利摘要】一種高性能鈰鐠鋁合金的制備方法，包括以下步驟：（1）在熔化的Al-Si-Cu中加入預熱的Al-Ce-Pr合金，配制成含質(zhì)量百分數(shù)為0.1～0.9%的Ce/Pr稀土鋁合金，其中稀土Ce:Pr為1:0.5~2；（2）熔化時引入高能超聲處理，間歇超聲5～10min；（3）將熔體溫度控制在730～750℃保溫20～30min；繼續(xù)超聲5~10min；（4）將熔體降至720～730℃精煉、除氣、除渣澆注。本發(fā)明合金成分穩(wěn)定，通過Ce/Pr的合金化作用和超聲作用，顯著改善Al-Si-Cu合金顯微組織，細化球化晶粒，改變第二相形態(tài)，大幅提高合金強度；同時Ce/Pr的加入，形成了微米級熱穩(wěn)定強化相Al4Ce、Al11Pr3，這些相起到了阻礙位錯移動和釘扎晶界的作用，極大的提高了合金的機械性能，工藝簡單、安全可靠，操作方便，無三廢污染。
【專利說明】一種高性能鈰鐠鋁合金的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于冶金【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 鋁合金作為金屬材料中典型的輕質(zhì)材料，具有高強度、低密度、高斷裂韌度，以及 高抗應(yīng)力腐蝕能力等優(yōu)良特性，在機械、化工、汽車、建筑、航空、航天領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。 Al-Si-Cu合金具有良好的鑄造工藝性能，但力學性能較差。合金在熔融狀態(tài)下吸氣傾向大， 鑄件容易形成氧化夾渣、縮孔、縮松等缺陷，澆注前液體金屬需要變質(zhì)處理，改善合金力學 性能，限制了它在汽缸體、缸蓋、引擎齒輪箱、連桿及電動工具體等零部件的應(yīng)用。
[0003] 對鋁合金鑄錠來說，細化晶?？墒蛊鋬?nèi)部組織均勻，減少偏析，提高塑性，防止裂 紋和縮孔等缺陷。在鋁及鋁合金中添加適量的稀土元素，能改善其性能，發(fā)展新材料。通常 稀土元素具有很強的表面化學活性，具有合金化、凈化、變質(zhì)等作用。由于稀土均有不同程 度的變質(zhì)能力，可以生成不同的金屬間化合物。因此可以通過添加幾種不同的稀土構(gòu)成混 合稀土，獲得幾種提高合金性能的金屬間化合物，起到一種協(xié)同作用。通常這些金屬間化合 物具有非常好的熱穩(wěn)定性，可以阻礙合金中位錯移動，并且釘扎于晶界，極大的提高了合金 的機械性能。
[0004] 此外，近年來不同的研究者將功率超聲應(yīng)用于材料制備過程中，開辟了制備高性 能材料的新途徑。作為高能超聲的重要參數(shù)，毫無疑問，超聲功率、超聲時間、超聲頻率等對 高性能合金的制備將起到關(guān)鍵作用。不同的超聲頻率下會產(chǎn)生不同數(shù)量的空化氣泡。超聲 頻率小于22kHz時，空化氣泡經(jīng)歷一次性膨脹和收縮就破滅，空化效應(yīng)明顯，為瞬態(tài)空化， 并且在15 kHz時，空化氣泡振幅變化比在超聲頻率為22 kHz要大。隨著頻率逐漸地升高， 空化氣泡開始需要經(jīng)歷多次膨脹、收縮的過程，最后才能破滅。空化氣泡由瞬態(tài)空化逐漸變 化到穩(wěn)態(tài)空化，空化氣泡的振幅變化也隨頻率的增大而逐漸減小。
[0005] 空化氣泡在超過一定的閾值的聲壓下發(fā)生崩潰并產(chǎn)生沖擊激波，而這一切均是在 極短的時間里，以很高的頻率發(fā)生的?？栈菰诒罎⒑笞?yōu)榇蟠笮⌒〉臍馀?，其中大的氣?將繼續(xù)作為核心，從而促使空化氣泡不斷產(chǎn)生、崩潰，不斷的產(chǎn)生沖擊激波，這樣在聲空化 效應(yīng)的作用下，己結(jié)晶長大的晶粒被急劇的沖擊激波打碎，抑制了晶粒的長大，使晶粒得到 細化的同時，晶體也得到了均勻彌散。
[0006] 本發(fā)明是在稀土變質(zhì)細化的基礎(chǔ)上，結(jié)合高能超聲的聲空化效應(yīng)和聲流效應(yīng)制備 合金。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是提供一種高性能鈰鐠鋁合金制備方法，獲得高力學性能的稀土鋁 合金。
[0008] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，包括以下步驟。
[0009] (1)將Al-Si-Cu合金加入到熔煉爐，完全熔化，升高溫度到750?780°C，加入預 熱到150?250°C的Al-Ce-Pr三元中間合金，配制成含質(zhì)量百分數(shù)為0. 1?0. 9%的Ce/Pr 稀土鋁合金，其中稀土 Ce:Pr為1:0. 5~2。
[0010] (2)熔化時引入高能超聲處理，超聲頻率15?22kHz，超聲強度1. llkw/cm2? 1. 2kw/cm2,每次施加時間0?20s，間歇時間0?20s，總超聲時間5?lOmin。
[0011] (3)將熔體溫度控制在730?750°C保溫20?30min ;繼續(xù)超聲5?lOmin，超聲頻 率 22kHz。
[0012] (4)將熔體降至720?730°C精煉、除氣、除渣澆注。
[0013] 材料力學試驗：根據(jù)國家標準GB/T 228-2002,將試驗得到的鑄件加工成標準拉 伸試樣，在SUNS UTM5105型拉伸機上進行拉伸試驗。其中，鑄件未經(jīng)任何熱處理，也不進行 X射線探傷，隨機取樣。
[0014] 拉伸試驗結(jié)果可知，加入稀土后，合金抗拉強度，延伸率都得到大大提高。其中當 添加0. 6%的稀土 Ce/Pr后，相對基體合金其抗拉強度提高了 71. 5%，延伸率提高了 69. 3%。
[0015] 本發(fā)明的技術(shù)效果是：本發(fā)明制備工藝簡單，合金成分穩(wěn)定，通過Ce/Pr的合金化 作用和超聲作用，顯著改善Al-Si-Cu合金顯微組織，細化球化晶粒，改變第二相形態(tài)，大幅 提高合金強度；同時Ce/Pr的加入，形成了微米級熱穩(wěn)定強化相Al 4Ce、AlnPr3,這些相起到 了阻礙位錯移動和釘扎晶界的作用，極大的提高了合金的機械性能。且工藝簡單、安全可 靠，操作方便，無三廢污染。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明制備的Al-Si-Cu-Ο. 3Ce/Pr稀土鋁合金顯微組織金相圖。

【具體實施方式】
[0017] 本發(fā)明將通過以下實施實例作進一步說明，但本發(fā)明的【具體實施方式】不局限于下 述的實施例。
[0018] 實施例1。
[0019] 預熱Al-Ce-Pr三元中間合金到150°C ;將Al-Si-Cu合金加入到熔煉爐，完全熔 化，升高溫度到750°C后加入預熱過的Al-Ce-Pr三元中間合金，配制成含Ce/Pr質(zhì)量分數(shù)為 0. 3% (Ce 0.1%，Pr 0.2%)的稀土鋁合金。熔化時引入高能超聲處理，超聲頻率22kHz，超聲 強度1. llkw/cm2,超聲時間5min，高能超聲每次施加時間5s，間歇時間5s ;再將烙體溫度控 制在740°C保溫25min ;繼續(xù)連續(xù)超聲5min，超聲頻率22kHz ;將熔體降至720°C精煉、除氣、 除渣澆注，得到抗拉強度為241. 58MPa，延伸率為3. 12%的合金。
[0020] 實施例2。
[0021] 預熱Al-Ce-Pr三元中間合金到200°C ;將Al-Si-Cu合金加入到熔煉爐，完全熔 化，升高溫度到760°C后加入預熱過的Al-Ce-Pr三元中間合金，配制成含Ce/Pr質(zhì)量分數(shù)為 0. 6% (Ce 0.3%，Pr 0.3%)的稀土鋁合金。熔化時引入高能超聲處理，超聲頻率18kHz，超聲 強度1. 16kw/cm2,超聲時間6min，高能超聲每次施加時間10s，間歇時間10s ;再將烙體溫度 控制在750°C保溫25min ;繼續(xù)連續(xù)超聲8min，超聲頻率22kHz ;將熔體降至725°C精煉、除 氣、除渣澆注，得到抗拉強度為268. 29MPa，延伸率為3. 91%的合金。
[0022] 實施例3。
[0023] 預熱Al-Ce-Pr三元中間合金到250°C ;將Al-Si-Cu合金加入到熔煉爐，完全熔 化，升高溫度到780°C后加入預熱過的Al-Ce-Pr三元中間合金，配制成含Ce/Pr質(zhì)量分數(shù)為 0. 9% (Ce 0.5%，Pr 0.4%)的稀土鋁合金。熔化時引入高能超聲處理，超聲頻率15kHz，超聲 強度1. 2kw/cm2,超聲時間8min，高能超聲每次施加時間20s，間歇時間20s ;再將熔體溫度 控制在730°C保溫20min ;繼續(xù)連續(xù)超聲lOmin，超聲頻率22kHz ;將熔體降至730°C精煉、除 氣、除渣澆注，得到抗拉強度為235. 46MPa，延伸率為3. 43%的合金。
[0024] 由附圖1可以看出，由于稀土 Ce/Pr的變質(zhì)作用及超聲波的聲空化和聲流化效應(yīng) 對熔體的攪拌、分散作用，稀土鋁合金組織中晶粒細小圓整且分布均勻，無氧化夾雜和成 分偏析現(xiàn)象，且工藝簡單、安全可靠，操作方便，無三廢污染。XRD分析可知，合金中生成了 Al4Ce、AlnPr3等微米級熱穩(wěn)定強化相，這些相起到了阻礙位錯移動和釘扎晶界的作用，給 合金的性能帶來了明顯的改善作用。
[0025] 綜上所述，本發(fā)明得到的稀土鋁合金組織分布均勻，無氧化夾雜和成分偏析現(xiàn)象， 合金機械性能大大提高，且工藝簡單、安全可靠，操作方便，無三廢污染。
【權(quán)利要求】
1. 一種高性能鈰鐠鋁合金的制備方法，其特征是包括以下步驟： (1) 將Al-Si-Cu合金加入到熔煉爐，完全熔化，升高溫度到750?780°C，加入預熱到 150?250°C的Al-Ce-Pr三元中間合金，配制成含質(zhì)量百分數(shù)為0. 1?0. 9%的Ce/Pr稀土 鋁合金，其中稀土 Ce:Pr為1:0. 5?2 ; (2) 熔化時引入高能超聲處理，超聲頻率15?22kHz，超聲強度1. llkw/cm2?1. 2kw/cm2， 每次施加時間0?20s，間歇時間0?20s，總超聲時間5?lOmin ; (3) 將熔體溫度控制在730?750°C保溫20?30min ;繼續(xù)超聲5?lOmin，超聲頻率 22kHz ； (4) 將熔體降至720?730°C精煉、除氣、除渣澆注。
【文檔編號】C22C1/03GK104152733SQ201410436492
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年9月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月1日
【發(fā)明者】閆洪, 李正華, 張小軍 申請人:南昌大學