CN105970026A - 一种轻质合金材料及其制备方法 - Google Patents

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马志国
吕琰
李敏
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Abstract

本发明提供了一种轻质合金材料及其制备方法，所述轻质合金材料包含以下重量百分含量的成分：Al 53％‑59％，Nb 3％‑4％，Sn 0.5％‑1.0％，C 0.01％‑0.03％，Sc 0.4％‑0.7％，W 0.02％‑0.04％，Mo 0.5％‑1.2％，Ni 0.06％‑0.5％，Cr 0.1％‑0.2％，Dy 0.02％‑0.04％，不可避免的杂质含量小于0.01％，余量为Ti。本发明的制备过程包括：原料预处理、熔炼、精炼、铸模和退火。本发明具有质量轻、抗拉强度高、耐酸碱腐蚀性强、延展性好、塑性高的特点，其抗拉强度可达1350MPa；屈服强度1100MPa，延伸率可达13％；抗弯折能力强。

Description

一种轻质合金材料及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种轻质合金材料及其制备方法。
背景技术
随着人们生活水平的不断提高，各种电子、电器产品成为办公和生活的必需品，如电视机、组合音响、电子办公设备、家用电子保健设备、相机、手机和平板电脑等。所有这些设备的发展都向轻、薄、小的方向发展，使得对其壳体及内部零件材料的要求越来越高，轻质材料也越来越重要。但是轻质材料的硬度低、抗冲击能力差、可塑性低。
钛合金具有质量轻、强度高、耐腐蚀性好等优点，利用钛合金制造发动机零件有很多好处，钛和铝合金的密度低，可以降低运动零件的惯性质量，同时钛气门弹簧可以增加自由振动，减弱车身的振颤，提高发动机的转速及输出功率，但是，钛合金的成本高。
中国专利CN 104404300A的发明名称为“一种新型轻质合金”，该轻质合金由碳、锰、硅、铝、镍、钼、铁和硼组成，该发明具有强的抗拉强度和延伸率，但是耐腐蚀能力差；中国专利CN 102690979B的发明名称为“一种轻质金属工艺品用合金材料及其制备方法”，由镁、铝和锌组成，保留了镁元素密度低比重轻的特点，具有很好的加工性，但该发明只适合用于工艺品的制备上，硬度低。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足而提供一种强度高、耐腐蚀性好、韧性好、耐高温、成本低的轻质合金材料。
本发明的另一目的还在于上述轻质合金材料的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采取的具体技术方案是：
一种轻质合金材料，包含以下重量百分含量的成分：Al 53％-59％，Nb3％-4％，Sn 0.5％-1.0％，C 0.01％-0.03％，Sc 0.4％-0.7％，W 0.02％-0.04％，Mo0.5％-1.2％，Ni 0.06％-0.5％，Cr 0.1％-0.2％，Dy 0.02％-0.04％，不可避免的杂质含量小于0.01％，余量为Ti。
优选的，Al与Nb的重量比为4-6:1。
优选的，包含以下重量百分含量的成分：Al 58％，Nb 3％，Sn 0.7％，C 0.01％，Sc 0.55％，W 0.03％，Mo 0.75％，Ni 0.1％，Cr 0.1％，Dy 0.025％，不可避免的杂质含量小于0.01％，余量为Ti。
一种轻质合金材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)原料预处理：将所有原料置于干燥箱内，在100-160℃下干燥20-30min，烘干，按照上述配比称量各原料，搅拌，得混合原料，备用；
(2)熔炼：将步骤(1)所述的混合原料置于熔炼炉内，在氩气气氛下于660-690℃条件下熔炼10-15min，继续加热至910-950℃，熔炼15-30min；
(3)精炼：将步骤(2)所得熔炼物降温至486-490℃，熔炼0.5-1.0h，然后升温至600-660℃，熔炼1-1.5h，继续升温至910-950℃，熔炼1.5-2h，最后降温至520-550℃，熔炼0.5-1.5h，得混合液；
(4)铸模：将步骤(3)得到的混合液倒入水冷锭模中，自然冷却到室温，得到铸锭；
(5)退火：将铸锭置于退火炉内，于180-190℃下退火30-60min，得到轻质合金材料。
优选的，所述步骤(2)中加热的升温速率为15-20℃/min。
优选的，所述步骤(3)中的降温速率为15-25℃/min。
优选的，所述步骤(3)中的升温速率为5-10℃/min。
本发明的有益效果：
本发明中主要成分为Al-Ti合金复合使用，与单独钛金属相比可以获得较高的相变点，降低残余β相的含量，降低钛合金高温蠕变过程中的扩散，提高钛合金的高温抗蠕变性能；同时，Al元素在高温条件下可以在钛合金表面生成具有稳定保护作用的Al2O3保护膜，提高耐热钛合金的表面抗氧化性；另外Al元素可以使钛合金具有较好的塑性，所以Al和Ti的相互作用可以明显改善轻质合金的力学性能；Ti的加入则可以改善单一金属Al的机械性能，克服Al抗拉强度接近屈服强度，韧性差，硬度低，不耐磨，不耐冲击，热传导系数较大，热变形大，热稳定性差等缺陷。
少量金属元素加入对Al-Ti合金具有辅助增效的作用：Nb具有较好的固溶强化效果，而且可以有效韧化合金，使轻质合金具有较好的强度、塑性和高温性能，在Al与Nb的重量比为4-6:1时性能变化最为明显。C元素的加入可以增加耐热钛合金中α+β两相区的温度范围，增大合金的加工温度窗口，能够相对容易的控制初生α相的含量，有效协调钛合金的热稳定性能、蠕变性能和疲劳性能，C和Ti的共同作用提高了轻质合金的综合力学性能；Sc和W是微合金化元素，有效地改善了合金的组织结构，细化了晶粒，提高了轻质合金在高温下的强度、塑性和蠕变等性能；Mo、Ni和Cr的共同作用使轻质合金在高温下的组织稳定性好，另外，钼还可以改善合金的耐间隙腐蚀性和耐酸性；Sn和Ti相互作用可以起到固溶强化的作用，可以有效增加轻质合金在常温下的强度；Dy具有内氧化作用，在合金体内形成许多细小稳定的氧化镝颗粒，产生弥散强化的效果，改善了轻质合金的强度，另外，可以降低合金体内氧的浓度，抑制合金内晶粒的长大，起到细化晶粒的作用，有效提高了轻质合金材料的维氏硬度和抗冲击韧性。
本发明的合金材料具有质量轻、抗拉强度高、耐酸碱腐蚀性强、延展性好、塑性高，其抗拉强度可达1350MPa；屈服强度1100MPa，延伸率可达13％；抗弯折能力强；本发明制备过程简单，易于操作。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐述本发明：
实施例1
一种轻质合金材料，包含以下重量百分含量的成分：Al 53％，Nb 3％，Sn0.5％，C 0.01％，Sc 0.4％，W 0.02％，Mo 0.5％，Ni 0.06％，Cr 0.1％，Dy 0.02％，不可避免的杂质含量小于0.01％，余量为Ti。
其制备方法，包括以下步骤：
(1)原料预处理：将所有原料置于干燥箱内，在100℃下干燥30min，烘干，按照上述配比称量各原料，搅拌，得混合原料，备用；
(2)熔炼：将步骤(1)所述的混合原料置于熔炼炉内，在氩气气氛下于660℃条件下熔炼15min，继续15℃/min的速率加热至910℃，熔炼30min；
(3)精炼：将步骤(2)所得熔炼物以15℃/min的速率降温至486℃，熔炼1.0h，然后以7℃/min的速率升温至600℃，熔炼1.5h，继续以7℃/min的速率升温至910℃，熔炼2h，最后以15℃/min的速率降温至520℃，熔炼1.5h，得混合液；
(4)铸模：将步骤(3)得到的混合液倒入水冷锭模中，自然冷却到室温，得到铸锭；
(5)退火：将铸锭置于退火炉内，于180℃下退火60min，得到轻质合金材料。
实施例2
一种轻质合金材料，包含以下重量百分含量的成分：Al 58％，Nb 3％，Sn0.7％，C 0.01％，Sc 0.55％，W 0.03％，Mo 0.75％，Ni 0.1％，Cr 0.1％，Dy 0.025％，不可避免的杂质含量小于0.01％，余量为Ti。
其制备方法，包括以下步骤：
(1)原料预处理：将所有原料置于干燥箱内，在160℃下干燥20min，烘干，按照上述配比称量各原料，搅拌，得混合原料，备用；
(2)熔炼：将步骤(1)所述的混合原料置于熔炼炉内，在氩气气氛下于690℃条件下熔炼10min，继续20℃/min的速率加热至950℃，熔炼15min；
(3)精炼：将步骤(2)所得熔炼物以25℃/min的速率降温至490℃，熔炼0.5h，然后以7℃/min的速率升温至660℃，熔炼1h，继续以10℃/min的速率升温至950℃，熔炼1.5h，最后以15℃/min的速率降温至550℃，熔炼0.5h，得混合液；
(4)铸模：将步骤(3)得到的混合液倒入水冷锭模中，自然冷却到室温，得到铸锭；
(5)退火：将铸锭置于退火炉内，于190℃下退火30min，得到轻质合金材料。
实施例3
一种轻质合金材料，包含以下重量百分含量的成分：Al 59％，Nb 4％，Sn1.0％，C 0.03％，Sc 0.7％，W 0.04％，Mo 1.2％，Ni 0.5％，Cr 0.2％，Dy 0.04％，不可避免的杂质含量小于0.01％，余量为Ti。
其制备方法，包括以下步骤：
(1)原料预处理：将所有原料置于干燥箱内，在120℃下干燥25min，烘干，按照上述配比称量各原料，搅拌，得混合原料，备用；
(2)熔炼：将步骤(1)所述的混合原料置于熔炼炉内，在氩气气氛下于670℃条件下熔炼13min，继续17℃/min的速率加热至930℃，熔炼20min；
(3)精炼：将步骤(2)所得熔炼物以18℃/min的速率降温至489℃，熔炼0.8h，然后以5℃/min的速率升温至630℃，熔炼1.2h，继续以7℃/min的速率升温至930℃，熔炼1.7h，最后以15℃/min的速率降温至530℃，熔炼0.8h，得混合液；
(4)铸模：将步骤(3)得到的混合液倒入水冷锭模中，自然冷却到室温，得到铸锭；
(5)退火：将铸锭置于退火炉内，于185℃下退火50min，得到轻质合金材料。
实施例4
一种轻质合金材料，包含以下重量百分含量的成分：Al 56％，Nb 4％，Sn0.7％，C 0.02％，Sc 0.6％，W 0.03％，Mo 1％，Ni 0.2％，Cr 0.15％，Dy 0.035％，不可避免的杂质含量小于0.01％，余量为Ti。
其制备方法，包括以下步骤：
(1)原料预处理：将所有原料置于干燥箱内，在130℃下干燥28min，烘干，按照上述配比称量各原料，搅拌，得混合原料，备用；
(2)熔炼：将步骤(1)所述的混合原料置于熔炼炉内，在氩气气氛下于675℃条件下熔炼12min，继续16℃/min的速率加热至915℃，熔炼16min；
(3)精炼：将步骤(2)所得熔炼物以20℃/min的速率降温至487℃，熔炼0.6h，然后以7℃/min的速率升温至645℃，熔炼1.1h，继续以9℃/min的速率升温至915℃，熔炼1.7h，最后以15℃/min的速率降温至535℃，熔炼1.3h，得混合液；
(4)铸模：将步骤(3)得到的混合液倒入水冷锭模中，自然冷却到室温，得到铸锭；
(5)退火：将铸锭置于退火炉内，于180℃下退火45min，得到轻质合金材料。
实施例5
一种轻质合金材料，包含以下重量百分含量的成分：Al 57％，Nb 3.5％，Sn0.8％，C 0.015％，Sc 0.6％，W 0.035％，Mo 0.8％，Si 0.3％，Cr 0.16％，Dy 0.035％，P 0.005％，不可避免的杂质含量小于0.01％，余量为Ti。
其制备方法，包括以下步骤：
(1)原料预处理：将所有原料置于干燥箱内，在150℃下干燥28min，烘干，按照上述配比称量各原料，搅拌，得混合原料，备用；
(2)熔炼：将步骤(1)所述的混合原料置于熔炼炉内，在氩气气氛下于675℃条件下熔炼11min，继续18℃/min的速率加热至940℃，熔炼27min；
(3)精炼：将步骤(2)所得熔炼物以17℃/min的速率降温至488℃，熔炼0.7h，然后以7℃/min的速率升温至655℃，熔炼1.5h，继续以10℃/min的速率升温至920℃，熔炼2h，最后以15℃/min的速率降温至535℃，熔炼0.9h，得混合液；
(4)铸模：将步骤(3)得到的混合液倒入水冷锭模中，自然冷却到室温，得到铸锭；
(5)退火：将铸锭置于退火炉内，于185℃下退火45min，得到轻质合金材料。
硅与钛的原子尺寸差别较大，在固溶体中容易在位错处偏聚，阻止位错运动，增强了合金材料的耐热性和耐腐蚀性；磷在合金熔炼过程中一方面可以作为的脱氧剂，改善合金的力学性能，另一方面硅的加入可以提高合金熔体的流动性，改善合金的耐腐蚀性和强度。
实施例6
一种轻质合金材料，包含以下重量百分含量的成分：Al 55％，Nb 3.6％，Sn0.75％，C 0.03％，Sc 0.55％，W 0.025％，Mo 1.1％，Ni 0.2％，Cr 0.16％，Si 0.01％，Dy 0.02％，Ce 0.01％，不可避免的杂质含量小于0.01％，余量为Ti。
其制备方法，包括以下步骤：
(1)原料预处理：将所有原料置于干燥箱内，在160℃下干燥30min，烘干，按照上述配比称量各原料，搅拌，得混合原料，备用；
(2)熔炼：将步骤(1)所述的混合原料置于熔炼炉内，在氩气气氛下于680℃条件下熔炼15min，继续19℃/min的速率加热至925℃，熔炼30min；
(3)精炼：将步骤(2)所得熔炼物以18℃/min的速率降温至487℃，熔炼1.0h，然后以7℃/min的速率升温至650℃，熔炼1.3h，继续以9℃/min的速率升温至930℃，熔炼1.5h，最后以15℃/min的速率降温至545℃，熔炼0.9h，得混合液；
(4)铸模：将步骤(3)得到的混合液倒入水冷锭模中，自然冷却到室温，得到铸锭；
(5)退火：将铸锭置于退火炉内，于190℃下退火60min，得到轻质合金材料。
少量铈固溶于合金熔体内，它一方面降低了轻质合金晶格内溶质原子的数量，提高了合金的导电能力，另一方面夺取了氧形成难溶稀土化合物，降低了合金中间隙氧的含量，改善了合金材料的维氏硬度和抗冲击韧性；硅和镍在合金溶体内共同作用，增强了合金材料的耐腐蚀性。
对比例1
一种轻质合金材料，包含以下重量百分含量的成分：Al 59％，Nb 3.5％，Sn0.65％，C 0.03％，Sc 0.4％，W 0.025％，Mo 0.5％，Ni 0.35％，Cr 0.1％，Dy 0.02％，不可避免的杂质含量小于0.01％，余量为Ti。
其制备过程与实施例1基本相同，其不同之处在于，在铸模过程中是将步骤(3)得到的混合液倒入锭模中，自然冷却到室温，得到铸锭。
对比例2
一种轻质合金材料，包含以下重量百分含量的成分：Al 54％，Nb 3.5％，Sn0.5％，C 0.015％，Sc 0.45％，W 0.02％，Mo 0.5％，Ni 0.07％，Cr 0.12％，Dy 0.02％，不可避免的杂质含量小于0.01％，余量为Ti。
其制备方法与实施例1大致相同，其不同之处在于在铸模的过程中没有采用水冷铸模。
对比例3
一种轻质合金材料，包含以下重量百分含量的成分：Al 58％，Sn 0.7％，C0.01％，Sc 0.55％，W 0.03％，Mo 0.75％，Cr 0.1％，Dy 0.025％，不可避免的杂质含量小于0.01％，余量为Ti，其制备过程与实施例2相一致。
对比例4
一种轻质合金材料，包含以下重量百分含量的成分：Al 59％，Nb 4％，Sn1.0％，C 0.03％，Sc 0.7％，W 0.04％，Ni 0.5％，Cr 0.2％，不可避免的杂质含量小于0.01％，余量为Ti，其制备过程与实施例3相一致。
将实施例1-8得到的合金材料制备成25mm×50mm×2mm尺寸的样品，将样品进行离子注入和氧化膜处理，并在样品上用刀刻有划痕，然后进行盐雾实验。
盐雾实验是在喷雾室内进行的，采用浓度为5％的NaCl溶液，压力为100千帕的压缩空气，在相对湿度为96％，温度为35℃的条件下，向每个试样喷射盐水700小时。
实施例1-6与对比例1-4的性能测试结果见表1：
表1 实施例1-6以及对比例1-4的性能测试结果
从表1中可以看出，实施例1-6的制备的轻质合金材料具有高的强度、韧性和耐腐蚀性，抗拉强度最高可达1350MPa；屈服强度1100MPa，延伸率可达13％；抗弯折能力和耐腐蚀性强；对比例1与实施例1相比，其制备过程缺少精炼步骤其强度明显降低；对比例2与实施例1相比，在铸模的过程中没有采用水冷铸模，其屈服强度明显降低；对比例3与实施例2相比缺少镍和铌，其强度和耐腐蚀性降低；对比例4与实施例3相比缺少钼和镝，其强度和耐腐蚀性降低。
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 (7)

1.一种轻质合金材料，其特征在于，包含以下重量百分含量的成分：Al53％-59％，Nb 3％-4％，Sn 0.5％-1.0％，C 0.01％-0.03％，Sc 0.4％-0.7％，W 0.02％-0.04％，Mo 0.5％-1.2％，Ni 0.06％-0.5％，Cr 0.1％-0.2％，Dy0.02％-0.04％，不可避免的杂质含量小于0.01％，余量为Ti。
2.如权利要求1所述的一种轻质合金材料，其特征在于，包含以下重量百分含量的成分：Al 58％，Nb 3％，Sn 0.7％，C 0.01％，Sc 0.55％，W 0.03％，Mo 0.75％，Ni 0.1％，Cr 0.1％，Dy 0.025％，不可避免的杂质含量小于0.01％，余量为Ti。
3.如权利要求1或2所述的一种轻质合金材料，其特征在于，Al与Nb的重量比为4-6:1。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的轻质合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)原料预处理：将所有原料置于干燥箱内，在100-160℃下干燥20-30min，烘干，按照上述配比称量各原料，搅拌，得混合原料，备用；
(2)熔炼：将步骤(1)所述的混合原料置于熔炼炉内，在氩气气氛下于660-690℃条件下熔炼10-15min，继续加热至910-950℃，熔炼15-30m；
(3)精炼：将步骤(2)所得熔炼物降温至486-490℃，熔炼0.5-1.0h，然后升温至600-660℃，熔炼1-1.5h，继续升温至930-950℃，熔炼1.5-2h，最后降温至520-550℃，熔炼0.5-1.5h，得混合液；
(4)铸模：将步骤(3)得到的混合液倒入水冷锭模中，自然冷却到室温，得到铸锭；
(5)退火：将铸锭置于退火炉内，于180-190℃下退火30-60min，得到轻质合金材料。
5.如权利要求4所述的一种轻质合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中加热的升温速率为15-20℃/min。
6.如权利要求4所述的一种轻质合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中降温的速率为15-25℃/min。
7.如权利要求4所述的一种轻质合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中升温的速率为5-10℃/min。
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