專利名稱：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(duì)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(guó)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(hào) 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。高強(qiáng)度鑄造鋁合金和變形鋁合金一般鑄造鋁合金包括AlSi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(hào)，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(duì)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(zhǎng)、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(guó)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(guó)目前沒有與它對(duì)應(yīng)的牌號(hào)；美國(guó)鋁協(xié)會(huì)牌號(hào)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(guó)取得了世界矚目的成績(jī)。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(cè)牌號(hào)的鑄造鋁合金材料強(qiáng)度最高的。ZL205A(T5)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，鑄造成品 率低。此外，已經(jīng)公開的申請(qǐng)?zhí)枮?00810302670.3、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(cè)的2XXX系變形鋁合金牌號(hào)有70多個(gè)，絕大多數(shù)是美國(guó)注冊(cè)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(hào)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(hào)。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。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對(duì)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)，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)選多元微合金化元素配方， 為固溶體中強(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Al-Cu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%, B 0.01 — 0.2%, Zr: 0.01 1.0%, Sc: 0.01 ~ 1.0%, 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、Eu 和 Y。 該新型高強(qiáng)耐熱鋁合金材料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、Sc純金屬或Al_Mn、Al-Ti> Al_Zr、 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Al-B和 Al-RE中間合金，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、鈧、硼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)(4)然后對(duì)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，以及硼鹽變質(zhì)劑等)，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(duì)鑄件進(jìn)行470 560°C、30小時(shí)以內(nèi)的固溶處理。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)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(guó)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(guó)和世界鋁產(chǎn)量的快速增長(zhǎng)和鋁產(chǎn)業(yè)規(guī)模在中國(guó)的不斷擴(kuò)大，“以鋁代 鋼”日漸成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)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(jiǎn)練的熔鑄、凈化等工藝，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)明具有以下八在優(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 ^HB 140。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(rùn)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(jiǎn)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(duì)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(jiǎn)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(duì)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(cè)合格后方可進(jìn)入鑄造流程，這無疑延長(zhǎng)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(zhǎng)流程而成倍增 長(zhǎng)。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(jiǎn)單粗放，對(duì)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(duì)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(jiǎn)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(jiǎn)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(qǐng)?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(duì)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(jí)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(gòu)方便等優(yōu)勢(shì)； 同時(shí)，該材料同樣可以采用精鋁或高純級(jí)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)和以鈧(Sc)為特征微合金化元素 的多元配方，為固溶體中強(qiáng)化相的培育和細(xì)晶化作用創(chuàng)造物質(zhì)基礎(chǔ)條件，合金在主元素 Cu、Mn形成富銅強(qiáng)化相(包括θ相Al2Cu)、T相(Al12Mn2Cu)的基礎(chǔ)上，選用元素 鈧(Sc)和RE作為復(fù)雜合金化的微量添加元素，Sc在在合金中主要形成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(zhǎng)期工作時(shí)易產(chǎn)生的脆化現(xiàn)象。同時(shí)，Sc在熱加工過程 中對(duì)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α -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α -Al11Pr3 β -Al11Pr3 等6種金屬化合物；稀土 Nd在合金中形成α -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> AlY> Al2Y3> AlY2等5種金屬化合物；稀土 Dy在合金中形成 α -DyAl3 β -DyAl3等6種金屬化合物；稀土 Eu在合金中形成EuA14、EuA12、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Al3Trm 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α -Al固溶體 中的過飽和度快速提高，α-Al枝晶一邊長(zhǎng)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(shì)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(duì)簡(jiǎn) 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 α-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 α-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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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50*10_6 氧，脫至10*10_6以下，其脫硫作用可把含S量為20*10_6脫至1 5*10_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)定的金屬 化合物如A14RE、A18CuRE、Al8Mn4RE^ Al24RE3Mn等。這些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(duì)提高合金的強(qiáng) 度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、Sb 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，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(duì)鋁合金的變質(zhì)作用具有長(zhǎng)效性 和重熔穩(wěn)定性，大多數(shù)單一或混合稀土加入后對(duì)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、Si等雜質(zhì)形成穩(wěn)定的化合物(如CeFe5、CeSi> CeSi2等)并從晶內(nèi)析出，再加 上稀土對(duì)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(duì)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 200810302670.3、200810302668.6、200810302669.0 和 200810302671.8專利申請(qǐng)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(duì)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(zhǎng) 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鈧(Sc)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(duì)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、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A201.0、 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(zhǎng)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彌散相與稀土微合金化元素及Mn、Zr, Ti、B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(zhǎng)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(chǎng)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(chǎng)不需要大的廢品堆場(chǎng)(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(chǎng)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(chǎng)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(jí)、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(jí)。

7、典型的原創(chuàng)性。該系列新型材料是申請(qǐng)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(duì)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(guó)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。可以看出，與已有各種高銅含量變形鋁合金、高強(qiáng)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；稀土元素對(duì)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，稀土(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(duì)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。五是以鈧(Sc)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(duì)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)、硼(B)、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)耐熱耐熱和熔體高流動(dòng)性等全部?jī)?yōu)良性能的物質(zhì)基礎(chǔ)。以上是本發(fā)明特征配方中最明顯的五個(gè)方面。表一與 本發(fā)明有關(guān)的各種鋁合金化學(xué)成分
權(quán)利要求
1.一種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%, B 0.01 0.2%, Zr 0.01 ~ 1.0%, 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、Er> Eu 和 Y。
4.一種如權(quán)利要求3所述的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、Sc純金屬或Al-Mn、Al-Ti>Al_Zr、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Al-B中間合金和Al-RE中間合金，攪拌均勻；(4)然后對(duì)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(duì)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、鈧、硼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、氯化錳以及硼鹽變質(zhì)劑。
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)該合金成分為Cu1.0～10.0％，Mn0.05～1.5％，Cd0.01～0.5％，Ti0.01～0.5％，B0.01～0.2％，Zr0.01～1.0％，Sc0.01～1.0％，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，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(hào)C22F1/057GK102021428SQ20091030731
公開日2011年4月20日 申請(qǐng)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, 李祥, 胥光酉, 車云, 門三泉, 陳新孟 申請(qǐng)人:貴州華科鋁材料工程技術(shù)研究有限公司