CN109898000B - 一种超高强耐热铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明针对现有耐热铝合金的缺陷，提供一种超高强耐热铝合金及其制备方法，所述超高强耐热铝合金由以下质量百分比的组分组成：铜：5.9~7.2%，银：0.60~1.50%，镁：0.6~0.9%，铬：0.1~0.5%，钼：0.1~0.5%，锆：0.09~0.3%，钪0.07~0.12%和/或铒0.07~0.12%和/或钇0.07~0.12%，余量为铝；其中，铜与镁的质量比控制为7~10。本发明按照以上合金配比，通过微合金化、形变及热处理等多重手段，控制合金中强化相析出和分布，提高合金中强化相密度，使合金在高温下仍有大量细小弥散的强化相，提高合金的强度和耐热性能。
Description
技术领域
本发明属于铝合金技术领域，具体涉及一种超高强耐热铝合金及其制备方法。
背景技术
在科学技术迅猛发展的今天，飞行器正朝着超高速、隐身、智能的方向发展，对航空材料也提出了越来越高的要求。如超音速飞机，其速度达到音速级别，飞机蒙皮材料长时间与空气处于剧烈摩擦的状态，处于高温服役状态。当速度达到M2.5时，蒙皮材料的温度超过150℃，这个温度已经到达了目前铝合金蒙皮材料的使用极限，安全无法保证。钛合金和碳纤维复合材料虽然可以在高温条件（350-400℃）下长期使用，但成本高，不能很好地满足经济可承受性要求。因此开发更高温度下服役的高强耐热铝合金是适应飞行器发展的必然要求。
经检索，公开号为CN 101245430 A的中国发明专利，该专利涉及一种高耐热Al-Cu-Mg-Ag合金，通过适当提高Ag/Mg原子比，提高合金中高温下Ω相数量，但“基体上有些许θʹ相析出”。该专利强化手段较为单一，强化效果不足，合金室温力学性能优势不明显，温度超过250℃后，合金强度急剧下降，综合力学性能较差。公开号为CN 108251724 A的中国发明专利，该专利采用较高的Cu/Mg比，时效热处理后，合金中主要强化相为θ相，其强化效果不及Ω相，且易长大和粗化，对合金金力学性能不利。公开号为CN 103469037 A、 CN108103373 A、CN 103981410 A的中国发明专利，采用较低的Cu含量，合金高温强化效果不足，耐高温性能较差，与钛合金相比竞争劣势明显。公开号为CN 104498785 B的中国发明专利，引入Er、Zr元素，元素固溶度较低，添加量受限，对合金强化效果有限，合金综合性能不足。
发明内容
本发明针对现有耐热铝合金的缺陷，提供一种超高强耐热铝合金及其制备方法，通过微合金化、形变及热处理等多重手段，控制合金中强化相析出和分布，提高合金中强化相密度，使合金在高温下仍有大量细小弥散的强化相，提高合金的强度和耐热性能。
本发明采用如下技术方案：
一种超高强耐热铝合金，由以下质量百分比的组分组成：铜：5.9~7.2%，银：0.60~1.50%，镁：0.6~0.9%，铬：0.1~0.5%，钼：0.1~0.5%，锆：0.09~0.3%，钪0.07~0.12% 和/或 铒0.07~0.12% 和/或 钇 0.07~0.12%，余量为铝；其中，铜与镁的质量比控制为7~10:1。
上述超高强耐热铝合金的制备方法，包括以下步骤：
（1）按照合金中各组分的质量百分比进行配料，于真空条件下进行熔炼，浇铸得到铸锭；本发明制备得到铸锭的过程采用本领域常规制备工艺即可，这不是本发明重点所在，不再赘述；
（2）将步骤（1）所得的铸锭进行双级均匀化处理，冷却后采用热轧或热挤压工艺进行热变形，，得到热变形态合金板；其中，所述双级均匀化处理具体为：先在420~450℃下保温6~12h，再在505~520℃下保温12~24h；热变形温度为450~480℃，变形量为60%~75%；
（3）对步骤（2）所得热变形态合金板进行单级固溶处理，水冷后进行冷轧变形，得到冷变形态合金板；其中，所述单级固溶处理温度为505~530℃，保温时间为3~6 h；冷轧变形量为70%~90%，道次压下量为15~25%；
（4）对步骤（3）所得合金板进行双级时效处理，冷却后即得；其中，所述双级时效处理具体为：先在100~135℃下保温6~12h，再在150~190℃下保温8~16h。
优选地，步骤（2）中，所述冷却的方式为随炉冷却至室温。
优选地，步骤（3）中，所述单级固溶处理后进行冷却的方式为温水水冷，冷却水温度为45~60℃。
优选地，步骤（4）中，所述双级时效处理后冷却的方式为空冷。
本发明的有益效果如下：
1、本发明所得Al-Cu-Mg-Ag合金中的主要耐热强化相Ω相成分与Al2Cu接近，Ω相的Cu含量约为30 at.％，Mg和Ag可有效抑制Ω相的长大和粗化。本发明通过优化Al-Cu-Mg-Ag合金成分，限定Cu/Mg比，极大限度提高合金中主要耐热强化相Ω相的数量和比例，获得最佳强化效果。
2、本发明采用复合微合金化的手段，向Al-Cu-Mg-Ag合金体系复合添加Cr、Mo，可形成热稳定较高的强化相，高温下定扎位错，进一步提高合金耐高温性能；Sc/Er/Y和Zr元素的添加可产生析出强化作用，提高组织和性能稳定性，同时在合金凝固过程中可细化晶粒，提高合金综合性能。
3、本发明采用高真空熔炼铸造、高温热变形开坯、大变形量冷变形强化的生产方法，首先，真空熔炼可减少合金氧化夹渣，获得高纯净铸锭，显著提高合金塑韧性；其次，热变形消除了部分铸造缺陷，热变形后的合金具有完全再结晶组织，有利于后续冷变形；最后，较大的冷变形量，促进基体中强化相的析出，同时冷变形引入的位错抑制了Ω相的析出与长大，细化Ω相的尺寸，最大限度提高合金综合性能。
4、本发明由上述合金元素组成的合金成分，经挤压、固溶、冷变形、时效等工序的加工处理，由此得到的超高强耐热铝合金具有以下特点：室温下抗拉强度可达626MPa，在200～300℃的中温范围内仍具有较高的耐热性，200℃时抗拉强度为532MPa ，250℃时抗拉强度为445MPa，300℃抗拉强度仍达307MPa，较现有耐热铝合金室温和高温力学性能均有显著提升。该合金性能与钛合金相比具有一定竞争力，可应用于超音速飞机蒙皮与结构零件、导弹壳体等航空结构材料，实现对钛合金的部分替代，获得20%～30%的减重效果，提高飞行器的飞行距离。
附图说明
图1是实施例1步骤（1）所得铸锭的铸态组织金相照片；
图2是实施例3步骤（3）所得合金板的挤压态组织金相照片。
具体实施方式
为了使本发明的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案和有益效果作出进一步的说明。
实施例1
一种超高强耐热铝合金，由以下质量百分比的组分组成：Cu：6.8%、Ag：1.2%、Mg：0.8%、Cr：0.3%、Mo：0.3%、Zr：0.12%、Sc：0.12%，其余为Al和不可避免的杂质元素；其中，铜与镁的质量比控制为8.5。
上述超高强耐热铝合金的制备方法，包括以下步骤：
（1）按照合金中各组分的质量百分比进行配料，其中Cu、Ag、Mg以纯金属形式加入，其他组分以铝基中间合金形式加入；将原料置于真空中频感应熔炼炉进行熔炼，熔炼过程先抽真空，后充入3000Pa氩气进行保护，完全熔化后进行搅拌并静置，浇铸到金属模具中得到铸锭；实施例1至4的步骤（1）中采用本领域铝合金铸锭制备的常规工艺参数即可；
（2）将步骤（1）所得的铸锭进行双级均匀化处理：420℃/6h+515℃/12h，冷却方式为随炉冷却到室温；
（3）将步骤（2）所得坯料进行热挤压开坯，得到10mm厚合金板，变形温度为465℃，变形量为70%；
（4）对步骤（3）所得合金板进行固溶处理，固溶处理温度为515℃，保温时间为6 h，冷却方式为水冷，冷却水温度为45℃；
（5）对步骤（4）所得合金板进行冷轧变形，得到2mm厚合金板，冷轧变形量为80%，道次压下量为15%；
（6）对步骤（5）所得板材进行双级时效处理：120℃/10h+160℃/16h，冷却方式为空冷，即得。
实施例1步骤（1）所得铸锭的金相照片如图1所述，从图1中可以看出合金铸态组织呈枝晶状显微组织，晶界上没有较大的金属共晶相和粗大的点状共晶化合物，共晶相分布均匀，基本不存在共晶相偏聚现象，在一定程度上保证成品性能，同时有利于后续的变形加工。
实施例2
一种超高强耐热铝合金，由以下质量百分比的组分组成：Cu：6.3%、Ag：1.0%、Mg：0.9%、Cr：0.1%、Mo：0.3%、Zr：0.16%、Sc：0.09%、Y：0.09%，其余为Al和不可避免的杂质元素；其中，铜与镁的质量比控制为9。
上述超高强耐热铝合金的制备方法，包括以下步骤：
（1）按照合金中各组分的质量百分比进行配料，置于真空中频感应熔炼炉进行熔炼，熔炼过程先抽真空，后充入3000Pa氩气进行保护，完全熔化后进行搅拌并静置，浇铸到金属模具中得到铸锭；
（2）将步骤（1）所得的铸锭进行双级均匀化处理：420℃/12h+515℃/18h，冷却方式为随炉冷却到室温；
（3）将步骤（2）所得坯料进行热轧开坯，得到9mm厚合金板，变形温度为460℃，变形量为75%；
（4）对步骤（3）所得厚板进行固溶处理，固溶处理温度为505℃，保温时间为5 h，冷却方式为水冷，冷却水温度为60℃；
（5）对步骤（4）所得板材进行冷轧变形，得到1mm厚合金板，冷轧变形量为90%，道次压下量为20%；
（6）对步骤（5）所得板材进行双级时效处理：130℃/8h+180℃/12h，冷却方式为空冷，即得。
实施例3
一种超高强耐热铝合金，由以下质量百分比的组分组成：Cu：7.2%、Ag：1.5%、Mg：0.8%、Cr：0.1%、Mo：0.5%、Zr：0.25%、Sc：0.09%、Er：0.09%、Y：0.09%，其余为Al和不可避免的杂质元素；其中，铜与镁的质量比控制为9。
上述超高强耐热铝合金的制备方法，包括以下步骤：
（1）按照合金中各组分的质量百分比进行配料，置于真空中频感应熔炼炉进行熔炼，熔炼过程先抽真空，后充入3000Pa氩气进行保护，完全熔化后进行搅拌并静置，浇铸到金属模具中得到铸锭；
（2）将步骤（1）所得的铸锭进行双级均匀化处理：420℃/10h+515℃/16h，冷却方式为随炉冷却到室温；
（3）将步骤（2）所得坯料进行热挤压开坯，得到10mm厚合金板，变形温度为480℃，变形量为70%；
（4）对步骤（3）所得厚板进行固溶处理，固溶处理温度为525℃，保温时间为6 h，冷却方式为水冷，冷却水温度为50℃；
（5）对步骤（4）所得板材进行冷轧变形，得到2mm厚合金板，冷轧变形量为80%，道次压下量为25%；
（6）对步骤（5）所得板材进行双级时效处理：120℃/8h+190℃/16h，冷却方式为空冷，即得。
实施例3步骤（3）所得合金板的金相照片如图2所述，从图2中可以看出合金挤压态组织晶粒均为等轴晶，为完全再结晶组织，晶粒尺寸为10~20μm，晶粒细小均匀，显著改善合金综合性能。
实施例4
一种超高强耐热铝合金，由以下质量百分比的组分组成：Cu：7.0%、Ag：0.9%、Mg：0.7%、Cr：0.3%、Mo：0.3%、Zr：0.20%、Sc：0.10%、Er：0.10%，其余为Al和不可避免的杂质元素；其中，铜与镁的质量比控制为10。
上述超高强耐热铝合金的制备方法，包括以下步骤：
（1）按照合金中各组分的质量百分比进行配料，置于真空中频感应熔炼炉进行熔炼，熔炼过程先抽真空，后充入3000Pa氩气进行保护，完全熔化后进行搅拌并静置，浇铸到金属模具中得到铸锭；
（2）将步骤（1）所得的铸锭进行双级均匀化处理：420℃/8h+515℃/16h，冷却方式为随炉冷却到室温；
（3）将步骤（2）所得坯料进行热轧开坯，得到14mm厚合金板，变形温度为450℃，变形量为60%；
（4）对步骤（3）所得厚板进行固溶处理，固溶处理温度为515℃，保温时间为4 h，冷却方式为水冷，冷却水温度为55℃；
（5）对步骤（4）所得板材进行冷轧变形，得到3mm厚合金板，冷轧变形量为80%，道次压下量为20%；
（6）对步骤（5）所得板材进行双级时效处理：125℃/6h+165℃/14h，冷却方式为空冷，即得。
对比例
现有常规耐热铝铜合金（Polmear合金），由以下质量百分比的组分组成：Cu：6.5%、Ag：0.5%、Mg：0.5%、Mn：0.3%、Zr：0.17%，其余为Al和不可避免的杂质元素，其制备方法同实施例3。
下面采用SUN10电子万能试验机对试样（实施例1~4所制得超高强耐热铝合金以及对比例）的室温（25℃）力学性能进行测试，每个实施例取3组平行样并取平均值；采用SUN10电子万能试验机及其配套的原位加热炉对试样的高温（200℃、250℃、300℃）力学性能进行测试，试样在对应测试温度下加热1h后，保持加热状态下进行拉伸试验，每个测试温度取3组平行样并取平均值。各性能测试结果如表1所示。
表1 超高强耐热铝合金性能测试结果
由表1可知，本发明得到的超高强耐热铝合金室温下抗拉强度可达626MPa，200℃仍具有较高的耐热性，200℃时抗拉强度为532MPa ，250℃时抗拉强度为445MPa，300℃抗拉强度仍达307MPa，相较于普通耐热铝合金，本发明的铝合金的耐热性能具有明显优势。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种超高强耐热铝合金，其特征在于，由以下质量百分比的组分组成：铜：5.9~7.2%，银：0.60~1.50%，镁：0.6~0.9%，铬：0.1~0.5%，钼：0.1~0.5%，锆：0.09~0.3%，钪0.07~0.12%和/或 铒 0.07~0.12% 和/或 钇 0.07~0.12%，余量为铝；其中，铜与镁的质量比控制为7~10：1；
所述超高强耐热铝合金通过如下步骤制备得到：
（1）按照合金中各组分的质量百分比进行配料，于真空条件下进行熔炼，浇铸得到铸锭；
（2）将步骤（1）所得的铸锭进行双级均匀化处理，冷却后采用热轧或热挤压工艺进行热变形，得到热变形态合金板；其中，所述双级均匀化处理具体为：先在420~450℃下保温6~12h，再在505~520℃下保温12~24h；热变形温度为450~480℃，变形量为60%~75%；
（3）对步骤（2）所得热变形态合金板进行单级固溶处理，水冷后进行冷轧变形，得到冷变形态合金板；其中，所述单级固溶处理温度为505~530℃，保温时间为3~6 h；冷轧变形量为70%~90%，道次压下量为15~25%；
（4）对步骤（3）所得合金板进行双级时效处理，冷却后即得；其中，所述双级时效处理具体为：先在100~135℃下保温6~12h，再在150~190℃下保温8~16h。
2.一种制备超高强耐热铝合金的方法，其特征在于，所述超高强耐热铝合金由以下质量百分比的组分组成：铜：5.9~7.2%，银：0.60~1.50%，镁：0.6~0.9%，铬：0.1~0.5%，钼：0.1~0.5%，锆：0.09~0.3%，钪0.07~0.12% 和/或 铒 0.07~0.12% 和/或 钇 0.07~0.12%，余量为铝；其中，铜与镁的质量比控制为7~10：1；
所述方法包括以下步骤：
（1）按照合金中各组分的质量百分比进行配料，于真空条件下进行熔炼，浇铸得到铸锭；
（2）将步骤（1）所得的铸锭进行双级均匀化处理，冷却后采用热轧或热挤压工艺进行热变形，得到热变形态合金板；其中，所述双级均匀化处理具体为：先在420~450℃下保温6~12h，再在505~520℃下保温12~24h；热变形温度为450~480℃，变形量为60%~75%；
（3）对步骤（2）所得热变形态合金板进行单级固溶处理，水冷后进行冷轧变形，得到冷变形态合金板；其中，所述单级固溶处理温度为505~530℃，保温时间为3~6 h；冷轧变形量为70%~90%，道次压下量为15~25%；
（4）对步骤（3）所得合金板进行双级时效处理，冷却后即得；其中，所述双级时效处理具体为：先在100~135℃下保温6~12h，再在150~190℃下保温8~16h。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，所述冷却的方式为随炉冷却至室温。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（3）中，所述水冷具体为温水水冷，冷却水温度为45~60℃。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（4）中，所述双级时效处理后冷却的方式为空冷。
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