本發(fā)明涉及鋁合金，尤其是涉及一種高強(qiáng)耐熱鋁合金及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、鋁合金是向鋁中加入其他合金元素獲得的材料。通常往鋁合金中添加銅(cu)、硅(si)、鎂(mg)、錳(mn)、鋅(zn)等元素，此外，還會(huì)添加鉻(cr)、銀(ag)、鐵(fe)、硼(b)、鎳(ni)等元素。這些合金元素添加到鋁合金中可顯著提高其綜合性能，并保持純鋁的特性，因而使鋁合金得到廣泛應(yīng)用。二十一世紀(jì)以來，鋯(zr)、鈦(ti)和鈧(sc)等[1]元素也廣泛受到研究者的歡迎，將他們微量添加到鋁合金中可制成新一代鋁合金材料，使鋁合金的綜合性能得以提高來滿足各領(lǐng)域?qū)︿X合金越來越高的要求。

2、在汽車用鋁合金中，鑄造鋁合金占比高達(dá)80％。鑄造鋁合金具有良好的流動(dòng)性和充型能力，力學(xué)性能適中，廣泛用來替代鑄鐵材料制造發(fā)動(dòng)機(jī)零部件、缸蓋、車輪、保險(xiǎn)杠等結(jié)構(gòu)件上，越來越多的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞使用鋁合金制造。在發(fā)動(dòng)機(jī)中，活塞的工況條件最為惡劣，燃燒室內(nèi)高溫氣體瞬時(shí)溫度可達(dá)到2000℃，活塞頂部的最高工作溫度已超過400℃，同時(shí)還要承受著10-15mpa的燃?xì)鈮毫?。同時(shí)，活塞結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要高速運(yùn)動(dòng)，所以材料必須質(zhì)量輕、鑄造成型性和耐磨性好、熱膨脹系數(shù)小。

3、如cn111876637b公開了一種耐熱耐磨al-si-cu-ni鋁合金及制備方法與應(yīng)用，屬于鑄造鋁合金領(lǐng)域。該耐熱耐磨al-si-cu-ni鋁合金，包括按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)的如下元素：si為11.5～22％，cu為5.0～7.0％，ni為3.5-5.0％，mg為0.8-1.5％，mn為0.4-0.8％，fe為0.8-1.2％，zr為0.08-0.25％，ti為0.08-0.25％，v為0.08-0.25％，sr為0.1-0.5％，余量為al和雜質(zhì)，其中雜質(zhì)總含量不大于0.3％。其制備方法為：將原料熔煉后，加入sr的原料進(jìn)行變質(zhì)處理，上下加壓澆鑄得到耐熱耐磨al-si-cu-ni鋁合金。

4、如cn113388759b公開了一種耐熱鋁合金粉末及其制備方法和一種鋁合金成型件及其制備方法，屬于鋁合金技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明提供了一種耐熱鋁合金粉末，化學(xué)成分按質(zhì)量百分比計(jì)包括：ni3～15％、fe1.2～4％、ti0.2～1％、sc0.3～0.8％、zr0.4～3％和余量的al。該申請(qǐng)?jiān)阡X合金中添加ni、fe、ti、sc、zr元素，這些元素在鋁基體中具有較大的擴(kuò)散固溶度、較低平衡固溶度和高溫?cái)U(kuò)散系數(shù)，能夠保證合金形成大量的纖維狀al3ni、al3ti、al3(sc,zr)和顆粒狀al9feni納米析出相，通過多種形態(tài)析出相協(xié)同增強(qiáng)，利用析出強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和纖維載荷傳遞提高了鋁合金在高溫條件下的力學(xué)性能。

5、但上述鋁合金材料在高溫下工作，力學(xué)性能下降超50％，在運(yùn)用于汽車活塞時(shí)危險(xiǎn)性極高，因此亟需一種高強(qiáng)耐熱鋁合金。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種高強(qiáng)耐熱鋁合金及其制備方法和應(yīng)用，本技術(shù)得到的鋁合金力學(xué)性能優(yōu)異、耐高溫性能強(qiáng)、熱膨脹系數(shù)小，在高溫下工作，力學(xué)性能下降小。

2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

3、本發(fā)明提供了一種高強(qiáng)耐熱鋁合金，包括按重量份計(jì)的如下組分：

4、ni?4～6％；ti?0.5-1％；zr?0.5-1％；si?0.1-0.5％；mg?0.1-0.5％；cu?1-5％；sc0.1-0.5％；余量為al。

5、優(yōu)選的，所述鋁合金包括按重量份計(jì)的如下組分：

6、ni?4.5～5.5％；ti?0.6-0.8％；zr?0.5-0.7％；si?0.1-0.4％；mg?0.2-0.5％；cu3-5％；sc?0.1-0.4％；余量為al。

7、本發(fā)明還提供了一種高強(qiáng)耐熱鋁合金的制備方法，包括以下步驟：

8、s1，按高強(qiáng)耐熱鋁合金的成分分別稱取適量的純鋁、純銅、純鎂、al-si中間合金、al-sc中間合金、al-zr中間合金、al-ti中間合金、al-ni中間合金備用；

9、s2，將s1中的純鋁加入至電阻爐中進(jìn)行合金熔煉，待al完全融化后加入s1中其余成分，攪拌，接著進(jìn)行精煉除氣同時(shí)不斷攪拌，扒渣澆注后得到合金鑄錠；

10、s3，接著將合金鑄錠在馬弗爐中進(jìn)行熱處理，冷卻后再將合金鑄錠進(jìn)行熱軋得到合金熱軋板，接著將合金熱軋板進(jìn)行固溶處理、室溫水淬，得到高強(qiáng)耐熱鋁合金。

11、優(yōu)選的，在步驟s1中，加入的各元素按重量份計(jì)為：

12、ni?4～6％；ti?0.5-1％；zr?0.5-1％；si?0.1-0.5％；mg?0.1-0.5％；cu?1-5％；sc0.1-0.5％；余量為al。

13、優(yōu)選的，在步驟s2中，合金熔煉的溫度為700-750℃；

14、和/或，在步驟s2中，精煉的時(shí)間為10-30min；

15、和/或，在步驟s2中，得到的合金鑄錠為70mm×25mm×10mm。

16、優(yōu)選的，在步驟s3中，所述熱處理的具體條件為：

17、升溫速率5-10℃/min，升溫至400℃-500℃保溫12-20h，自然冷卻。

18、優(yōu)選的，所述熱軋的具體條件為：

19、在500-600℃保溫1-3h，并熱軋至5mm，軋制方向?yàn)榘宀拈L(zhǎng)度方向，單道次下壓量為0.1-0.2mm。

20、優(yōu)選的，所述固溶處理的具體條件為：

21、溫度為500-600℃，時(shí)間為1-2h，優(yōu)選為溫度為560℃，時(shí)間為1h。

22、本發(fā)明又提供了一種如上述的高強(qiáng)耐熱鋁合金的制備方法得到的高強(qiáng)耐熱鋁合金。

23、本發(fā)明再提供了一種如上述的高強(qiáng)耐熱鋁合金在制備活塞中的應(yīng)用。

24、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

25、1、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本技術(shù)在鋁合金中加入ni以形成al-ni共晶合金，相比于al-si共晶合金，al-ni合金具有更高的硬度和良好的耐熱性，這主要是在鋁合金中加入ni會(huì)形成al3ni共晶相。例如可以通過arrhenius公式計(jì)算出不同合金元素在鋁基體中的擴(kuò)散系數(shù)d，事實(shí)上ni元素的擴(kuò)散系數(shù)要低一個(gè)數(shù)量級(jí)左右，以形成熱穩(wěn)定性更好的析出相，提高合金的耐熱性能，并且在合金中仍加入了mg、si元素，使得各個(gè)元素的擴(kuò)撒系數(shù)呈階梯狀，形成的鋁合金中不同的共晶相相鄰以增加合金的致密度，減少氣孔缺陷等，提高合金的力學(xué)性能。

26、2、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本技術(shù)在鋁合金中添加x元素(x＝sc、zr、ti)，均可與基體形成具有l(wèi)12型結(jié)構(gòu)的al3x相，該相可作為異質(zhì)形核質(zhì)點(diǎn)，減小試樣內(nèi)部晶粒尺寸，達(dá)到細(xì)晶強(qiáng)化的效果，還可作為熱穩(wěn)定的析出相存在，達(dá)到沉淀強(qiáng)化的效果，在250～400℃溫度區(qū)間內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間保持與基體的位向關(guān)系，釘扎晶界，一方面阻礙位錯(cuò)滑移，導(dǎo)致位錯(cuò)堆積，另一方面抑制晶界運(yùn)動(dòng)，提高塑性變形的抗力。此外，sc的添加會(huì)細(xì)化鋁合金的基體組織，產(chǎn)生沿晶界分布的細(xì)小β-sc相，并優(yōu)先與mg結(jié)合形成mg2sc相，減少mg2si相的形成，促進(jìn)了al-mg、al-si、al-ni共晶形成，增加合金的致密度，減少氣孔缺陷，提高合金的力學(xué)性能。

27、3、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本技術(shù)傳統(tǒng)均勻化熱處理和熱軋?zhí)嵘虽X合金的力學(xué)性能，在熱處理后，能夠有效去除合金成分偏析，使得合金成分更加均勻化，事實(shí)上，由于加入元素sc，α-al、β-sc和mg2sc相會(huì)發(fā)生明顯粗化，本技術(shù)利用馬弗爐進(jìn)行均勻化熱處理使得粗大相數(shù)量有所減少，由此能夠使得樹枝晶附近合金元素偏析得到了顯著改善。此外，熱軋可以促進(jìn)粗大相溶解，以及促進(jìn)納米級(jí)析出相析出，本技術(shù)由于al-mg、al-si、al-ni共晶形成，使得相鄰晶界附近粗大相，利用熱軋可以有效消除多個(gè)晶界附近粗大相，使得顯著裂紋愈合，消除al-mg、al-si、al-ni共晶晶界鑄造缺陷。