低密度、高剛度鑄造鋁鋰合金及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于金屬材料類及冶金領(lǐng)域，涉及一種低密度、高剛度鑄造鋁鋰合金及其 制備方法，具體涉及一種通過添加合金元素(Li，Cu，Mg，Ag，Zr，Mn)及相關(guān)熱處理工藝條件 獲得力學(xué)性能優(yōu)良的鑄造鋁鋰合金的制備方法，制得的此類鋁合金具有比傳統(tǒng)鑄造鋁合金 更為優(yōu)越的室溫強度和剛度。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋰是自然界最輕的金屬元素，其密度僅為0.534g/cm3，向鋁合金中每加入lwt % Li，可使合金密度降低3%，彈性模量提高6%，而且合金具有時效強化作用。因此，鋁鋰合金 是高強度、高彈性模量、超輕型鋁合金材料的代表，在航空航天領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前 景。早在1924年德國的材料專家就開發(fā)出了第一個含Li的錯合金Seleron，隨后美國開發(fā)出 2020鋁鋰合金并應(yīng)用于RA-5C軍用預(yù)警飛機(jī)的機(jī)翼蒙皮和尾翼水平安定面上，獲得了 6%的 減重效果。1980~1991年分別在美國、英國、法國、德國召開了6次鋁鋰合金國際會議，鋁鋰 合金逐漸受到了各國的高度重視。
[0003] 鋁鋰合金按照加工工藝可分為鑄造鋁鋰合金、變形鋁鋰合金及粉末冶金鋁鋰合金 等。80年代以來，國內(nèi)外對鋁鋰合金的開發(fā)幾乎完全局限于變形鋁鋰合金，但是高速和高加 速的部件也適合采用鋁鋰合金，比如馬達(dá)活塞和渦輪發(fā)動機(jī)的葉輪等，這些部件形狀復(fù)雜， 通常需采用鑄造方式生產(chǎn)。因此，國內(nèi)外相繼開展了有關(guān)鑄造鋁鋰合金的研制工作。現(xiàn)有研 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(xì) 小結(jié)構(gòu)的復(fù)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型非常有利。山東大 學(xué)韓建德等人通過改變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(xué)性能達(dá)到350Mpa，但延伸率僅為0.4% ;俄羅斯科學(xué)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-3Li-1.5Cu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，但其添加的元素 Cd及Be對人體有害。中國專利文獻(xiàn)CN201410674805.4公開了一 種輕質(zhì)高強鑄造鋁鋰合金及其制備方法，這種合金在室溫具有較高的力學(xué)性能且含2~ 3^%1^，1.5~2.5的％〇1，并沒有最大限度的發(fā)揮鋁鋰合金低密度及高剛度的優(yōu)勢。為進(jìn) 一步降低鋁鋰合金密度及提高其剛度，本課題組在以往的工作基礎(chǔ)上，通過改變合金成分 (主要增加合金鋰含量、降低合金銅含量)及相關(guān)熱處理工藝條件，獲得一種低密度、高剛度 且力學(xué)性能優(yōu)良的鑄造鋁鋰合金。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種低密度、高剛度鑄造鋁鋰合金 及其制備方法，通過添加合金元素 (Li，Cu,Mg,Ag，Zr,Μη)及固溶時效處理，獲得力學(xué)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)鑄造鋁合金更高的彈性模量及更低的密 度，同時成本低廉。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0006] 第一方面，本發(fā)明提供了一種低密度、高剛度鑄造鋁鋰合金，包括以下重量百分含 量的各組分：3~3.5%Li，l~2%Cu，0.5~2%Mg，0.4~0.8%Ag，0.14~0.2%Zr，0.3~ 0.8%Mn;雜質(zhì)元素 Si、Fe、Na和K的總量小于0.25%，余量為A1 jg的添加主要是和Mg-起促 進(jìn)合金TKAhCuLi)相的析出（Ti相是鋁鋰合金中最具強化效果的析出相hMg和Zn的添加也 具有促進(jìn)^相的析出，但是其作用沒有Mg和Ag的強烈。
[0007] 優(yōu)選的，所述鋁鋰合金包括以下重量百分含量的各組分：3.2~3.5%Li，1.3~ 1.9%〇1，0.5~1.0%]\%，0.5~0.8%八 8,0.16~0.19%2『，0.35~0.8%]\111;雜質(zhì)元素51、卩6、 他和1(的總量小于0.25%，余量為八1。
[0008] 第二方面，本發(fā)明還提供了一種低密度、高剛度鑄造鋁鋰合金的制備方法，包括以 下步驟：
[0009] A1、秤取原料，包括A1 -Cu中間合金，A1 -Zr中間合金，Α1 -Μη中間合金，純鋰、純鎂、 純銀和純鋁；
[0010] Α2、將純鋁放入坩堝中熔化后，依次加入Al-Cu中間合金、Al-Mn中間合金、Al-Zr中 間合金，熔化后攪拌均勻并在熔體表面撒入覆蓋劑；
[0011] A3、在氬氣保護(hù)條件下用鐘罩將純Li壓入熔體，完全熔化后再加入純鎂和純銀，攪 拌均勻，扒去表面熔渣并撒入覆蓋劑；
[0012] A4、將經(jīng)步驟A3處理后所得熔體進(jìn)行精煉、靜置，然后澆鑄到模具中得到合金鑄 件。
[0013] 優(yōu)選地，所述制備方法還包括對步驟A4所得的合金鑄件進(jìn)行雙級固溶處理。
[0014] 優(yōu)選地，所述的雙級固溶處理具體采用：先520~540 °C固溶處理16h，然后560 °C固 溶處理12~20K520~540°C固溶16h是為了消除非平衡凝固條件下的第二相(主要為Al2Cu 及Al2CuLi相），若固溶溫度低于此溫度范圍，在延長固溶時間的同時也不能較好的固溶這 些第二相;若固溶溫度高于此溫度范圍，則合金會出現(xiàn)過燒現(xiàn)象，嚴(yán)重?fù)p害合金的性能?？?慮到該合金具有非常高的溶質(zhì)元素含量，為了最大限度提高合金的過飽和度，我們選擇560 °(：固溶處理12~20h作為第二級固溶工藝。同樣，溫度低于560°C不能獲得飽和度高的固溶 體合金，溫度高于560 °C則出現(xiàn)過燒。
[0015] 優(yōu)選地，所述制備方法還包括對經(jīng)雙級固溶處理后的合金進(jìn)行單級時效處理。 [0016]優(yōu)選地，所述單級時效處理的條件為在175°C下處理8~32h。鋁鋰合金的力學(xué)性能 受時效工藝影響較大。時效溫度低時（150°C)，達(dá)到相等力學(xué)性能的時效時間較175°C長很 多，增加經(jīng)濟(jì)成本，時效溫度高時（190 °C )，析出相分布沒有175 °C時效的均勻，且容易形成 晶界無析出帶，降低合金的塑性。175°C長時間時效，不僅增加經(jīng)濟(jì)成本，而且不可避免形成 晶界無析出帶，降低合金的延伸率，從而容易出現(xiàn)合金過早斷裂的現(xiàn)象。
[0017]優(yōu)選地，所述覆蓋劑包括質(zhì)量比為1:3的LiF和LiCl。
[0018] 優(yōu)選地，步驟A1中，所述Al-Cu中間合金含49~50wt %的Cu，Al-Zr中間合金含9 · 5 ~10 · 3wt% 的Zr，Α1_Μη中間合金含8 · 9~10 · 6wt% 的Μη。
[0019] 優(yōu)選地，所述Al-Cu中間合金、Al-Mn中間合金、Al-Zr中間合金的加入溫度為750~ 760。。。
[0020] 優(yōu)選地，步驟A4中，所述精煉、靜置的步驟具體采用:將熔體降溫至730~750°C后， 采用精煉劑C2C1 6分兩次對熔體進(jìn)行精煉，精煉結(jié)束后降溫至720°C靜置3~5min。
[0021] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
[0022] (1)采用在覆蓋劑及氬氣雙重保護(hù)下用鐘罩壓入純Li方式來添加 Li元素，能夠減 少由Al-Li中間合金方式加 Li元素代入的夾雜物，并且減少合金在高溫度下的停留時間，降 低其氧化燒損，提高合金元素的實得率(Li的實得率在80%以上）。
[0023] (2)用(：2(：16精煉劑分兩次對熔體進(jìn)行精煉除氣，合金含Η量大為降低，有效的提高 了合金熔體的質(zhì)量。
[0024] (3)該鑄造鋁鋰合金提高了合金元素 Li的含量，同時降低了 Cu元素的含量，極大限 度的提高了合金的剛度及降低了合金的密度(彈性模量^82GPa，彈性模量由拉伸應(yīng)力應(yīng)變 曲線獲得，密度S 2.53g/cm3，阿基米德法測密度）。
[0025] (4)考慮合金高的合金元素含量，采用分級固溶處理，特別是第二級固溶溫度(560 °C )，能獲得極大過飽和度的鋁固溶體，為后面的時效強化提供有利條件。
【附圖說明】
[0026]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點將會變得更明顯：
[0027]圖1為實施例1制備的鋁鋰合金的透射明場相和暗場相;其中，圖la為透射明場相， Al3Zr相在固溶期間沿晶內(nèi)析出；圖lb為透射暗場相，大量細(xì)小Al3Li相在淬火后析出；
[0028]圖2為實施例2制備的鋁鋰合金的透射明場相和暗場相;其中，圖2a為透射明場相， 可見Al3(Li，Zr)復(fù)合粒子及大量Al3Li相；圖2b為透射暗場相，相比實施例1，其Al 3Li相有所 長大；
[0029] 圖3為實施例3制備的鋁鋰合金的透射明場相和暗場相;其中，圖3a為透射明場相， 隨著時效時間的延長?\相數(shù)量有所增加；圖3b為透射暗場相，可見Al 3Li相相比實施例2有所 長大；
[0030] 圖4為實施例3制備的鋁鋰合金的透射明場相和暗場相;其中，圖4a為透射明場相， 合金中出現(xiàn)了Al2QCu 2Mn3相及GPB區(qū)；圖4b為透射暗場相及衍射斑點。
【具體實施方式】
[0031] 下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù) 人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)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(jìn)。這些都屬于本發(fā)明 的保護(hù)范圍。
[0032] 實施例1
[0033] 先將純鋁、純鎂及中間合金六1-(：11，41-26 41-111，預(yù)熱到180°(：~200°(：，然后將純 鋁放入石墨坩堝中熔化。鋁錠熔化后，在750~760°C加入Al-Cu中間合金，待鋁液溫度回升 到750~760°C后，將Al-Mn中間合金直接加入到鋁液中并保溫5min。保溫結(jié)束后于760°C加 入Al-Zr中間合金，待其熔化后攪拌均勻并在熔體表面撒入覆蓋劑(LiF:LiCl = l:3)。在氬 氣保護(hù)條件下用鐘罩將純Li壓入熔體，完全熔化后立即加入Mg及Ag，加入后攪拌均勻，扒去 表面熔渣并撒入覆蓋劑。將熔體溫度降低到740°C左右后，將C2C16精煉劑分兩次對熔體進(jìn)行 精煉，精煉結(jié)束后扒去熔渣并撒覆蓋劑，降溫到720°C靜置4min左右。靜置結(jié)束除去熔體表 面覆蓋劑，將熔體澆鑄到預(yù)熱至200°C左右的鋼制模具。
[0034] 該合金的固溶處理工藝為540°C/16h+560°C/18h，最后水淬得到固溶態(tài)合金（如圖 1所示）。經(jīng)化學(xué)分析合金成分為(wt% ):
[0035]
[0036] 該鑄造鋁鋰合金固溶態(tài)室溫力學(xué)性能、彈性模量及密度為: ' '
[0037] 抗拉強度:287MPa，屈服強度：104MPa，延伸率:22.3% ;
[0038] 彈性模量:81 · 6GPa，密度：2 · 49g/cm