CN102021457B - 一种高强韧铝锂合金及其制备方法 - Google Patents

一种高强韧铝锂合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种高强韧铝锂合金及其制备方法，该合金的化学成分及重量百分比为：Cu 3.2～4.2％，Li 0.7～1.8％，Mn 0.20～0.60％，Zn 0.20～0.60％，Zr 0.06～0.20％，Mg 0.20％～0.80％，Ag 0.2～0.7％，Si≤0.10％，Fe≤0.10％，Ti≤0.12％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al。其中合金元素Mn、Zn、Mg、Ag与Zr可选择加入其中1～5种。按合金成分配料，将原料融化，经炉内精炼、静置后，浇注成所需规格的合金锭。合金锭经优选均匀化后可通过热挤压、热轧制等任一工艺加工成形，经优选的工艺热处理后可供加工零件使用。本发明一种新型高强韧铝锂合金材料的显微组织均匀、性能稳定，适于制造厚板及挤压材。极限抗拉强度可达510MPa以上，同时延伸率高于8％、KIc可达30MPam1/2以上。该材料制品可用于航空航天、核工业、交通运输、体育用品、兵器等领域的结构元件。

Description

一种高强韧铝锂合金及其制备方法
技术领域
本发明是一种高强韧铝锂合金及其制备方法，属于金属材料工程领域。 
背景技术
近年来，随着铝冶金装备技术及冶金学基础技术水平的提高，铝锂合金经历了三代发展，铝锂合金的冶金设计原则已发展为：适中的强度、略低的密度、低各向异性，并充分发挥其刚性及耐损伤优势。在生产上追求更低的工艺成本，表现为其生产工艺更接近普通铝合金。 
随着航空工业，特别是民用大型飞机制造业的竞争加剧，波音、空客、庞巴迪及中国商飞等飞机制造公司纷纷将飞机运营的经济性及高寿命设计作为其核心技术。结构减重及选用耐损伤材料是实现该核心技术的重要手段，先进的铝锂合金可同时满足以上两项要求，本发明可用来替代2124-T851厚板及7050-T7451厚板在飞机上应用，可减重10～15％，预估使用寿命可提高4倍以上。在航空航天、核工业、交通运输、体育用品、兵器等领域具有广阔的应用前景。 
近年来，欧美开展了三代高性能铝锂合金研究，并有一些已接近工业化生产的水平。其高强韧型代表合金有2050合金(Al-3.6Cu-1.0Li-0.3Mn-0.4Mg-0.5Ag-0.1Zr)及2195合金(Al-4.0Cu-1.2Li-0.6Mg-0.5Ag-0.1Zr)。 
铝锂合金的生产传统由原苏联工艺及欧美工艺，原苏联工艺采用真空熔炼技术，研制生产了Al-Mg-Li系及Al-Mg-Li-Sc系铝锂合金，并在多种型号上应用；欧美国家更多的发展气体精炼技术，合金体系以Al-Cu-Li系为主，本发明特点在于采用气体精炼或气体+真空混合精炼技术，研制了新型高强韧型铝锂合金。研究表明，较好的工艺控制下不同的精炼技术是等效的。 
铝铜锂合金的强度主要取决于Li+Cu的合金元素总量，塑性取决于固溶程度，以锂当量(Li+Cu/2.82)可以粗略估计合金的固溶程度，当Li+Cu总量超过5％时，其挤压棒的强度可以达到500Mpa以上，而Li 当量控制在2.4～2.6时，合金的塑性可确保在6％左右。本发明控制Li+Cu总量接近5％，Li当量略高于2.6，从而保证合金强度及塑性。 
Al-Li系合金的各向异性来源于δ′相引起的共面滑移和织构，Zr的加入会抑制δ′相的共面滑移，同时对合金有很好的韧化作用，但不能大幅度降低合金的各向异性。 
发明内容
本发明正是针对上述现有技术状况而设计提供了一种高强韧铝锂合金及其制备方法 。 
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的： 
本发明技术方案提出了一种高强韧铝锂合金，其特征在于：合金的化学成分及重量百分比为：Cu 3.2～4.2％，Li 0.7～1.8％，Si≤0.10％，Fe≤0.10％，Ti≤0.12％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al。 
在该合金的化学成分中还加入Mn、Zn、Mg、Ag和Zr中的1～5种，加入的重量百分比为：Mn 0.20～0.60％，Zn 0.20～0.60％，Zr 0.06～0.20％，Mg 0.20％～0.80％，Ag 0.2～0.7％。 
本发明技术方案采取Zr+Mn联合加入的方式，从而大幅度降低铝-锂-铜合金的各向异性。Mg、Zn、Ag等微量元素对Al-Li-Cu合金都有一定的强韧化作用，其中Mg+Ag的联合微合金化强化效果最好，Mg+Zn次之。本发明可从强韧匹配及性能/成本等不同方面考虑生产Mg+Ag及Mg+Zn微合金化铝锂合金，亦可生产少无微合金化的铝锂合金。该合金适用于制造航空航天、核工业、交通运输、体育用品、兵器等领域用10mm～80mm规格板材。 
本发明技术方案还提出了一种制备上述高强韧铝锂合金的方法，其特征在于：该方法的步骤是： 
(1)按合金的化学成分及重量百分比要求配料； 
(2)在熔炼炉内进行熔化，熔化温度为680℃～780℃； 
(3)对完全熔化的金属液进行精炼，精炼时金属温度维持在690℃～750℃的范围内； 
(4)精炼后应进行充分静置，静置时间不低于30分钟； 
(5)充分静置后开始浇铸，炉口温度维持在700℃～720℃的范围 内，浇铸速度为15～200mm/分钟； 
(6)在加热炉内对合金铸锭进行优选均匀化处理，均匀化温度为450℃～490℃； 
(7)将均匀化后的铸锭扒皮后，进行热挤压及热轧制等任一工艺加工成形，成形过程中坯料应保持在350℃～470℃的温度； 
(8)成形后毛坯需经固溶、淬火及人工时效热处理达到产品交付状态。 
步骤(1)～(5)中优选以氩气作为保护气体。 
步骤(3)优选采用真空精炼。 
步骤(3)优选采用3～10％氯气+氩气混合气体精炼。 
步骤(3)优选采用C2Cl6精炼剂精炼。 
步骤(8)中的热处理固溶温度优选465℃～560℃。 
步骤(8)中固溶处理后，优选对材料进行冷变形，并保留1～5％的永久变形量。 
步骤(8)中热处理采用的时效热处理优选工艺为：在120℃～205℃加热1～72小时。 
附图说明
图1为本发明提出的制备高强韧铝锂合金的熔炼铸造流程 
图2为本发明合金板材显微组织 
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案进一步地详述： 
表一给出了本发明所提出的新型高强韧铝锂合金化学成分及重量百分比实施例。 
表1：新型超高强韧铝锂合金化学成分及重量百分比 
  铸锭号   Cu   Li   Mn   Zn   Zr   Mg   Ag   Ti   Fe   Si
  122   3.2   1.6   0.3   0.2   0.10   0.4   -   ＜0.12   ＜0.10   ＜0.10
  123   3.2   1.5   0.2   0.4   0.12   0.5   -   ＜0.12   ＜0.10   ＜0.10
  125   3.4   1.8   0.4   0.2   0.18   0.8   -   ＜0.12   ＜0.10   ＜0.10
  126   3.5   1.3   0.4   0.6   0.15   0.6   -   ＜0.12   ＜0.10   ＜0.10
  127   3.5   1.4   0.3   0.3   0.14   0.5   -   ＜0.12   ＜0.10   ＜0.10
  128   4.0   1.6   0.5   0.4   0.15   0.6   -   ＜0.12   ＜0.10   ＜0.10
  129   3.8   1.7   0.5   0.4   0.20   0.2   -   ＜0.12   ＜0.10   ＜0.10
  130   3.7   1.5   0.4   0.5   0.12   0.3   -   ＜0.12   ＜0.10   ＜0.10
  131   3.6   1.3   0.6   -   0.10   0.2   0.6   ＜0.12   ＜0.10   ＜0.10
  134   4.2   1.2   0.4   -   0.06   0.6   0.6   ＜0.12   ＜0.10   ＜0.10
  135   3.8   1.2   0.6   -   0.12   0.5   0.2   ＜0.12   ＜0.10   ＜0.10
  136   3.9   1.0   0.2   -   0.08   0.5   0.7   ＜0.12   ＜0.10   ＜0.10
  137   3.2   0.7   0.5   -   0.14   0.3   0.5   ＜0.12   ＜0.10   ＜0.10
  138   3.4   0.9   0.5   -   0.12   0.4   0.4   ＜0.12   ＜0.10   ＜0.10
  139   3.6   0.8   0.4   -   0.08   0.5   0.5   ＜0.12   ＜0.10   ＜0.10
参见附图1所示，制备上述高强韧铝锂合金的方法步骤是： 
(1)按合金的化学成分及重量百分比要求配料，可选择加入微合金化元素Mn、Zn、Mg、Ag与Zr中的1～5种； 
(2)在熔炼炉内进行熔化，熔化温度为680℃～780℃； 
(3)对完全熔化的金属液进行精炼，采用不同精炼介质或精炼方式是等效的，精炼时金属温度维持在690℃～750℃的范围内； 
(4)精炼后应进行充分静置，静置时间不低于30分钟； 
(5)充分静置后开始浇铸，炉口温度维持在700℃～720℃的范围内，浇铸速度为15～200mm/分钟，浇铸成δ250mm扁锭； 
(6)在加热炉内对合金铸锭进行优选均匀化处理，均匀化温度为450℃～490℃； 
(7)将均匀化后的铸锭扒皮后，进行热轧制成10mm～80mm特定规格厚板，成形过程中坯料应保持在350℃～470℃的温度； 
(8)厚板热处理固溶温度为465℃～560℃；固溶处理后，对厚板进行冷变形，保留的永久变形量控制为1～5％，预拉伸后板材进行时效热处理，工艺为：在120℃～205℃/1～72小时。 
铸锭号为131、134的铸锭采用3～10％氯气+氩气混合气体精炼；铸锭号为135、136的铸锭采用C2Cl6精炼剂精炼；其余铸锭采用真空精炼。 
加工带材时，与上述工艺路线不同处在于： 
1、在步骤(7)中采用热挤压成形制成10mm～80mm特定规格带材，成形过程中坯料应保持在380℃～430℃的温度； 
2、在步骤(7)中预拉伸后带材时效热处理工艺为：在135℃～190℃/2～78h。 
表2为路线一板材性能 
表2： 
Figure BSA00000319904900051
表3为路线二带材性能 
表3： 
Figure BSA00000319904900052
通过对从上述性能进行分析可以看出，本发明所述的新型高强韧铝锂合金材料的显微组织均匀、性能稳定，可在在航空航天、核工业、交通运输、体育用品、兵器等领域有很好的应用。 

Claims (9)

1.一种高强韧铝锂合金，其特征在于：合金的化学成分及重量百分比为以下几种之一：
(1)Cu 3.2％，Li 1.6％，Mn 0.3％，Zn 0.2％，Zr 0.1％，Mg 0.4％，Si＜0.10％，Fe＜0.10％，Ti＜0.12％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al；
(2)Cu 3.5％，Li 1.4％，Mn 0.3％，Zn 0.3％，Zr 0.14％，Mg 0.5％，Si＜0.10％，Fe＜0.10％，Ti＜0.12％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al；
(3)Cu 4.0％，Li 1.6％，Mn 0.5％，Zn 0.4％，Zr 0.15％，Mg 0.6％，Si＜0.10％，Fe＜0.10％，Ti＜0.12％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al；
(4)Cu 3.9％，Li 1.0％，Mn 0.2％，Zr 0.08％，Mg 0.5％，Ag 0.7％，Si＜0.10％，Fe＜0.10％，Ti＜0.12％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al；
(5)Cu 4.2％，Li 1.2％，Mn 0.4％，Zr 0.06％，Mg 0.6％，Ag 0.6％，Si＜0.10％，Fe＜0.10％，Ti＜0.12％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al。
2.用于制备上述权利要求1所述的高强韧铝锂合金的方法，其特征在于：该方法的步骤是：
(1)按合金的化学成分及重量百分比要求配料；
(2)在熔炼炉内进行熔化，熔化温度为680℃～780℃；
(3)对完全熔化的金属液进行精炼，精炼时金属温度维持在690℃～750℃的范围内；
(4)精炼后应进行充分静置，静置时间不低于30分钟；
(5)充分静置后开始浇铸，炉口温度维持在700℃～720℃的范围内，浇铸速度为15～200mm/分钟；
(6)在加热炉内对合金铸锭进行均匀化处理，均匀化温度为450℃～490℃；
(7)将均匀化后的铸锭扒皮后，进行热挤压及热轧制任一工艺加 工成形，成形过程中坯料应保持在350℃～470℃的温度；
(8)成形后毛坯需经固溶、淬火及人工时效热处理达到产品交付状态。
3.根据权利要求2所述的制备高强韧铝锂合金的方法，其特征在于：步骤(1)～(5)中均采用氩气保护。
4.根据权利要求2所述的制备高强韧铝锂合金的方法，其特征在于：步骤(3)采用真空精炼。
5.根据权利要求2所述的制备高强韧铝锂合金的方法，其特征在于：步骤(3)采用3～10％氯气+氩气混合气体精炼。
6.根据权利要求2所述的制备高强韧铝锂合金的方法，其特征在于：步骤(3)采用C2Cl6精炼剂精炼。
7.根据权利要求2所述的制备高强韧铝锂合金的方法，其特征在于：步骤(8)中的热处理固溶温度为465℃～560℃。
8.根据权利要求2所述的制备高强韧铝锂合金的方法，其特征在于：步骤(8)中固溶处理后，对材料进行冷变形，并保留1～5％的永久变形量。
9.根据权利要求2所述的制备高强韧铝锂合金的方法，其特征在于：步骤(8)中热处理的时效热处理工艺为：在120℃～205℃加热1～72小时。 
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