CN101838764B - 钪和锶复合微合金化的高锌2099型铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钪和锶复合微合金化的高锌2099型铝合金及其制备方法，它主要由铝(Al)、铜(Cu)、锂(Li)、锌(Zn)、镁(Mg)、锰(Mn)、锆(Zr)和锶(Sr)组成，其中，铜(Cu)的质量百分比为2.33～2.57％，锂(Li)的质量百分比为1.86～1.96％，锌(Zn)的质量百分比为1.14～1.31％，镁(Mg)的质量百分比为0.269～0.420％，锰(Mn)的质量百分比为0.219～0.321％，锆(Zr)的质量百分比为0.0733～0.08％，锶(Sr)的质量百分比为0.0643～0.0943％，钪(Sc)的质量百分比为0.0433～0.079％，余量为铝(Al)和少量杂质。该合金的制备方法是采用了中间合金的制造方法。本发明具有方法简单，制备的合金密度小、硬度高、抗腐蚀性好，可满足我国航空航天、武器装备等领域对高性能铝合金的需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种有色金属及其制备方法，尤其涉及一种含钪和锶的Al-Cu-Li-Zn-Mg-Zr型铝合金及其制备方法。具体来说，是一种钪和锶复合微合金化的高锌2099型铝合金及其制备方法。
背景技术
铝锂合金具有密度低、比强度和比刚度高、耐低温性能优良、良好的焊接性、耐腐蚀性能和超塑成形性能，用其取代常规铝合金，可使构件质量减轻15％，刚度提高15～20％，被认为是航空、航天工业中的理想结构材料。其中2099铝锂合金以其减重显著(替代2024铝合金减重7～17％)、抗腐蚀性优良、塑性成形性能好、可焊、低各向异性等等特性，在空客新一代大飞机A380上大量应用。
众所周知，合金化及微合金化是提高铝合金组织与性能的有效手段。2099铝合金的基本成分为铜(Cu)2.4～3.0，锂(Li)1.6～2.0，锌(Zn)0.4～1.0，镁(Mg)0.1～0.5，锰(Mn)0.1～0.5，锆(Zr)0.05～0.12，余量为铝和少量杂质元素。从主合金元素来看，该合金采用了Zn进行合金化，降低了合金的层错能，促进了T1(Al2CuLi)相析出，降低了合金的各向异性，提高了合金的腐蚀抗力，可见Zn是2099铝合金的有益元素。从微合金化来看，该合金仅采用了过渡族元素Zr进行微合金化。钪(Sc)既是3d过渡族元素，又是稀土元素，对铝合金具有神奇的合金化作用。而当其与过渡族元素Zr进行复合微合金化时，则会形成比Al3Sc尺寸更小、与基体的共格性更好的三元共格相Al3(Sc1-x，Zrx)，使Sc的微合金化作用倍增。锶(Sr)元素是一种活性很高的长效变质剂，加入铝中不仅能有效地净化熔体、细化组织、提高合金元素分布均匀性、阻碍再结晶和晶粒长大，而且能对Sc、Zr的烧损起到保护作用。因此，在2099铝合金中通过添加微量的Sc和Sr，同时适当提高Zn的含量，可进一步提高2099铝合金的综合性能。
但是，到目前为止，我国尚未有一种具有自主知识产权的2099型铝合金可供使用，这一定程度上制约了我国航空航天、武器装备等工业的发展。
发明内容
本发明的目的是在2099合金成分的基础上，通过调整合金的主合金化元素并添加微量Sc和Sr元素，发明一种高性能的Sc和Sr复合微合金化的2099铝合金及其制备方法，以进一步提高其综合性能，满足航空航天、武器装备等领域的需求。
本发明的技术方案之一是：
一种钪和锶复合微合金化的高锌2099型铝合金，其特征是它主要由铝(Al)、铜(Cu)、锂(Li)、锌(Zn)、镁(Mg)、锰(Mn)、锆(Zr)、锶(Sr)和钪(Sc)组成；其中，铜(Cu)的质量百分比为2.33～2.57％，锂(Li)的质量百分比为1.86～1.96％，锌(Zn)的质量百分比为1.14～1.31％，镁(Mg)的质量百分比为0.269～0.420％，锰(Mn)的质量百分比为0.219～0.321％，锆(Zr)的质量百分比为0.0733～0.08％，锶(Sr)的质量百分比为0.0643～0.0943％，钪(Sc)的质量百分比为0.0433～0.079％，余量为铝(Al)和少量杂质，各组分的质量百分比之和为100％。
所述的Zn的质量百分为1.14～1.31％，比2099合金Zn含量的上限高0.14～0.31％，以便使合金具有更低的各向异性、更高的强度和更高的抗腐蚀性。
本发明的技术方案之二是：
一种钪和锶复合微合金化的高锌2099型铝合金的制备方法，其特征在于：
首先，将纯Al熔化，然后依次加入Al-Cu中间合金、Al-Sr中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Sc中间合金、纯Zn和纯Mg，在添加过程中必须按所列次序添加，即必须等前一中间合金或待添加的金属熔化后再加入后一中间合金或待添加金属，然后再加入六氯乙烷精炼直至没有气体逸出，静置保温5～10min后加入氟化锂(LiF)覆盖剂，然后加入纯Li，再次加入六氯乙烷精炼直至没有气体逸出，静置保温3～5min后去渣并浇铸成锭；
其次，对浇铸成锭的合金进行后处理；即可获得钪和锶复合微合金化的高锌2099型铝合金。
所述的Al-Cu中间合金中Cu的质量百分比约为50.12％，Al-Sr中间合金中Sr的质量百分比约为9.89％，Al-Mn中间合金Mn的质量百分比约为10.02％，Al-Zr中间合金中Zr的质量百分比约为4.11％，Al-Sc中间合金中Sc的质量百分比约为2.0％。
所述的浇铸成锭合金的后处理其最佳工艺为470～490℃×24h退火、470～490℃预热后的锻压加工、T6处理(即进行540℃～550℃×2～4.6h的固溶处理和121℃×14h+151℃×48h的两次时效处理，两次时效处理应连续进行。
本发明的有益效果是：
(1)本发明在合金中添加了Sc和Sr，与合金中原有的Zr一起对合金进行复合微合金化，高效地发挥了各微合金化元素的作用，大幅提高了合金的综合性能，具有密度小、硬度高、抗腐蚀性好等特点。
(2)本发明的钪和锶复合微合金化的高锌2099型铝合金的制备方法，一定程度上打破了国外对高性能铝合金的技术封锁，可满足我国航空航天、武器装备等领域的需求。
(3)本发明通过大量的试验获得了理想的制备方法，尤其是通过采用依次加入各中间合金及纯金属的方法来控制各组份含量，按本发明的工艺顺序才能最终得到符合要求的铝合金材料。
(4)本发明的铝合金材料经实验证明在继续保持减重(替代2024铝合金减重7～17％)的同时，可提高抗腐蚀性10％以上、塑性成形性能、可焊性及各向异性保持不变。
附图说明
图1是本发明钪和锶复合微合金化的高锌2099型铝合金晶间腐蚀试验后横截面金相组织；
图2是市购标准2024-T6铝合金晶间腐蚀试验后横截面金相组织。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
实施例一
如图1、2所示
一种钪和锶复合微合金化的高锌2099型铝合金，采用以下方法制造而得：
按28kg配制为例。
先将22.884kg A00等级纯Al(成分：99.79Al，0.14Fe，0.04Si，所有实施例中元素符号前的数字均表示质量百分比)熔化后依次加入1.39kg Al-Cu中间合金(49.62Al，50.12Cu，0.15Fe，0.11Si)(Al-Cu中间合金可直接根据配比从市场购置，也可采用常规方法配制，Cu的损失率约为6.25％)、0.303kgAl-Sr中间合金(89.86Al，9.89Sr，0.15Fe，0.10Si)(Al-Sr中间合金可直接根据配比从市场购置，也可采用常规方法配制，Sr的损失率约为40％)、0.99kg Al-Mn中间合金(89.73Al，10.02Mn，0.19Fe，0.06Si)(Al-Mn中间合金可直接根据配比从市场购置，也可采用常规方法配制，Mn的损失率约为10％)、0.543kg
Al-Zr中间合金(95.69Al，4.11Zr，0.20Fe，0.10Si)(Al-Zr中间合金可直接根据配比从市场购置，也可采用常规方法配制，Zr的损失率约为8％)、0.68kg Al-Sc中间合金(98％Al，2％Sc)(Sc的损失率约为8％)、0.38kg纯Zn(Zn的损失率约为8％)、0.13kg纯Mg(Mg的损失率约为20％)，待其熔化后加入六氯乙烷精炼(加入量为56g)除气，静置保温5～10min后加入LiF覆盖剂(其中的锂以杂质的形式出现，因此不会影响锂的总含量，下同)，然后加入0.70kg纯Li(Li的损失率约为22％)，再次加入六氯乙烷精炼(加入量为28g)除气，静置保温3～5min后去渣并浇铸成锭；对浇铸成锭的合金进行470～490℃×24h退火、经470～490℃预热后的锻压加工、T6处理(包括固溶处理540℃～550℃×2～4.6h、时效处理121℃×14h+151℃×48h)；即获得钪和锶复合微合金化的高锌2099型铝合金。
具体实施时对锻压后的合金采用不同的T6处理对材料的性能也有一定的区别，如经540℃×2h的固溶处理和121℃×14h+151℃×48h两次时效处理后，实测的硬度为169.3HV，比2024-T6(固溶处理500℃×2h、时效处理191℃×12h)铝合金的硬度高19.3％；按GB/T 7998-2005(铝合金晶间腐蚀测试方法)进行腐蚀，其晶间腐蚀最大深度为111.5μm(附图1)，而2024-T6铝合金的晶间最大腐蚀深度为202μm(附图2)，可提高耐腐蚀性约50％。
再如经540℃×2h+550℃×2.6h的两次固溶处理和121℃×14h+151℃×48h的两次时效处理后，实测的硬度为156.0HV，比2024-T6(固溶处理500℃×2h、时效处理191℃×12h)铝合金高10.0％；按GB/T 7998-2005(铝合金晶间腐蚀测试方法)进行腐蚀，其晶间腐蚀最大深度为141.52μm。耐腐蚀性能提高约30％。
本实施例的铝合金经光谱实际测量成分为：2.33(质量百分比，下同)Cu，1.96Li，1.249Zn，0.371Mg，0.319Mn，0.0733Zr，0.0643Sr，0.0447Sc，余量为铝和杂质元素。
实施例二
一种钪和锶复合微合金化的高锌2099型铝合金，采用以下方法制造而得：
按28kg配制为例。
先将22.611kgA00等级纯Al(成分：99.79Al，0.14Fe，0.04Si)熔化后依次加入1.53kg Al-Cu中间合金(49.62Al，50.12Cu，0.15Fe，0.11Si)(Al-Cu中间合金可直接根据配比从市场购置，也可采用常规方法配制，Cu的损失率约为6.25％)、0.445kg Al-Sr中间合金(89.86Al，9.89Sr，0.15Fe，0.10Si)(Al-Sr中间合金可直接根据配比从市场购置，也可采用常规方法配制，Sr的损失率约为40％)、0.997kg Al-Mn中间合金(89.73Al，10.02Mn，0.19Fe，0.06Si)(Al-Mn中间合金可直接根据配比从市场购置，也可采用常规方法配制，Mn的损失率约为10％)、0.544kg Al-Zr中间合金(95.69Al，4.11Zr，0.20Fe，0.10Si)(Al-Zr中间合金可直接根据配比从市场购置，也可采用常规方法配制，Zr的损失率约为8％)、0.659kg Al-Sc中间合金(98％Al，2％Sc)(Sc的损失率约为8％)、0.399kg纯Zn(Zn的损失率约为8％)、0.147kg纯Mg(Mg的损失率约为20％)，待其熔化后加入六氯乙烷精炼(加入量为56g)除气，静置保温5～10min后加入LiF覆盖剂(其中的锂以杂质的形式出现，因此不会影响锂的总含量，下同)，然后加入0.668kg纯Li(Li的损失率约为22％)，再次加入六氯乙烷精炼(加入量为28g)除气，静置保温3～5min后去渣并浇铸成锭；对浇铸成锭的合金进行470～490℃×24h退火、经470～490℃预热后的锻压加工、T6处理(固溶处理540℃～550℃×2～4.6h、时效处理121℃×14h+151℃×48h)；即获得钪和锶复合微合金化的高锌2099型铝合金。
对上述锻压后的合金采用不同的T6处理对最终性能也有一定的影响，如经固溶处理540℃×2h、时效处理121℃×14h+151℃×48h后，实际的硬度为176.4HV，比2024-T6(固溶处理500℃×2h、时效处理191℃×12h)铝合金高24.2％；按GB/T 7998-2005(铝合金晶间腐蚀测试方法)进行腐蚀，其晶间腐蚀最大深度为198.3μm。
再如经两次固溶处理540℃×2h+550℃×2.6h和两次时效处理121℃×14h-151℃×48h后，实际的硬度为161.4HV，比2024-T6(固溶处理500℃×2h、时效处理191℃×12h)铝合金高13.8％；按GB/T 7998-2005(铝合金晶间腐蚀测试方法)进行腐蚀，其晶间腐蚀最大深度为173.47μm。
本实施例的铝合金经光谱实际测量成分为：2.57(质量百分比，下同)Cu，1.86Li，1.31Zn，0.42Mg，0.321Mn，0.0733Zr，0.0943S r，0.0433Sc，余量为铝和杂质元素。
实施例三
一种钪和锶复合微合金化的高锌2099型铝合金，采用以下方法制造而得：
按28kg配制为例。
先将22.552kgA00等级纯Al(成分：99.79Al，0.14Fe，0.04Si)熔化后依次加入1.466kg Al-Cu(49.62Al，50.12Cu，0.15Fe，0.11Si)中间合金(Al-Cu中间合金可直接根据配比从市场购置，也可采用常规方法配制，Cu的损失率约为6.25％)、0.382kgAl-Sr中间合金(89.86Al，9.89Sr，0.15Fe，0.10Si)(Al-Sr中间合金可直接根据配比从市场购置，也可采用常规方法配制，Sr的损失率约为40％)、0.68kg Al-Mn中间合金(89.73Al，10.02Mn，0.19Fe，0.06Si)(Al-Mn中间合金可直接根据配比从市场购置，也可采用常规方法配制，Mn的损失率约为10％)、0.592kg Al-Zr中间合金(95.69Al，4.11Zr，0.20Fe，0.10Si)(Al-Zr中间合金可直接根据配比从市场购置，也可采用常规方法配制，Zr的损失率约为8％)、1.202kgAl-Sc中间合金(98％Al，2％Sc)(Sc的损失率约为8％)、0.35kg纯Zn(Zn的损失率约为8％)、0.094kg纯Mg(Mg的损失率约为20％)，待其熔化后加入六氯乙烷精炼(加入量为56g)除气，静置保温5～10min后加入LiF覆盖剂(其中的锂以杂质的形式出现，因此不会影响锂的总含量，下同)，然后加入0.682kg纯Li(Li的损失率约为22％)，再次加入六氯乙烷精炼(加入量为28g)除气，静置保温3～5min后去渣并浇铸成锭；对浇铸成锭的合金进行470～490℃×24h退火、经470～490℃预热后的锻压加工、T6处理(固溶处理540℃～550℃×2～4.6h、时效处理121℃×14h+151℃×48h)；即获得钪和锶复合微合金化的高锌2099型铝合金。
对上述锻压后的合金采用不同的T6处理对最终性能也有一定的影响，如经固溶处理540℃×2h、时效处理121℃×14h+151℃×48h后，实际的硬度为173.2HV，比2024-T6(固溶处理500℃×2h、时效处理191℃×12h)铝合金高22％；按GB/T 7998-2005(铝合金晶间腐蚀测试方法)进行腐蚀，其晶间腐蚀最大深度为193.34μm。
本实施例合金经固溶处理540℃×2h+550℃×2.6h、时效处理121℃×14h+151℃×48h后，实际的硬度为157.4HV，比2024-T6(固溶处理500℃×2h、时效处理191℃×12h)铝合金高10.8％；按GB/T 7998-2005(铝合金晶间腐蚀测试方法)进行腐蚀，其晶间腐蚀最大深度为168.56μm。
本实施例的铝合金经光谱实际测量成分为：2.46(质量百分比，下同)Cu，1.96Li，1.14Zn，0.269Mg，0.219Mn，0.08Zr，0.081S r，0.079Sc，余量为铝和杂质元素。
以上仅列出了几个常见配比的铝合金的配比及制造方法，本领域的技术人员可以根据上述实例适当地调整各组份的配比并严格按上述步骤进行制造即可获得理想的硬度高、抗蚀性能好的钪和锶复合微合金化的2099型铝锂合金。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (4)
1.一种钪和锶复合微合金化的高锌2099型铝合金，其特征是它主要由铝(Al)、铜(Cu)、锂(Li)、锌(Zn)、镁(Mg)、锰(Mn)、锆(Zr)、锶(Sr)和钪(Sc)组成；其中，铜(Cu)的质量百分比为2.33～2.57％，锂(Li)的质量百分比为1.86～1.96％，锌(Zn)的质量百分比为1.14～1.31％，镁(Mg)的质量百分比为0.269～0.420％，锰(Mn)的质量百分比为0.219～0.321％，锆(Zr)的质量百分比为0.0733～0.08％，锶(Sr)的质量百分比为0.0643～0.0943％，钪(Sc)的质量百分比为0.0433～0.079％，余量为铝(Al)和少量杂质，各组份的质量百分比之和为100％。
2.一种权利要求1所述的钪和锶复合微合金化的高锌2099型铝合金的制备方法，其特征在于：
首先，将纯Al熔化，然后依次加入Al-Cu中间合金、Al-Sr中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Sc中间合金、纯Zn和纯Mg，在添加过程中必须按所列次序添加，即必须等前一中间合金或金属熔化后再加入后一中间合金或金属，然后再加入六氯乙烷精炼直至没有气体逸出，静置保温5～10min后加入氟化锂(LiF)覆盖剂，然后加入纯Li，再次加入六氯乙烷精炼直至没有气体逸出，静置保温3～5min后去渣并浇铸成锭；
其次，对浇铸成锭的合金进行后处理；即可获得钪和锶复合微合金化的高锌2099型铝合金。
3.根据权利要求2所述的钪和锶复合微合金化的高锌2099型铝合金的制备方法，其特征在于：所述的Al-Cu中间合金中Cu的质量百分比为50.12％，Al-Sr中间合金中Sr的质量百分比为9.89％，Al-Mn中间合金Mn的质量百分比为10.02％，Al-Zr中间合金中Zr的质量百分比为4.11％，Al-Sc中间合金中Sc的质量百分比为2.0％。
4.根据权利要求2所述的钪和锶复合微合金化的高锌2099型铝合金的制备方法，其特征在于：所述的浇铸成锭合金的后处理包括470～490℃×24h退火、470～490℃预热后的锻压加工和T6处理，所述的T6处理包括至少一次的540℃～550℃×2～4.6h的固溶处理和121℃×14h及151℃×48h两次时效处理。
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