CN108425050B - 一种高强高韧铝锂合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强高韧铝锂合金，由以下质量百分比的组分组成：锂：1.6~2.3%，铜：2.9~3.8%，镁：0.15~0.60%，钴：0.18~0.35%，锶：0.05~0.25%，钇：0.09~0.18%，锆：0.06~0.12%，余量为铝；其中，铜与锂的质量比（Cu/Li）控制为1.3~2.0；本发明还公开了该高强高韧铝锂合金的制备方法，包括以下步骤：配料、熔炼、铸造、均匀化、热轧、退火、冷轧、固溶、时效。本发明通过复合微合金化，采用真空无溶剂熔铸获得高品质铸锭，通过后续大变形和固溶、时效工艺，获得强度和塑韧性良好匹配的铝锂合金。
Description
技术领域
本发明属于铝合金技术领域，具体涉及一种高强高韧铝锂合金及其制备方法。
背景技术
铝锂合金作为一种轻质、高强和耐腐蚀的金属结构材料，合金中每添加1%的锂，密度降低3%，在降低合金密度的同时提高合金的弹性模量，在航空、航天领域有十分广阔的应用前景。采用铝锂合金代替常规的高强铝合金可使结构质量减轻10%~20%，弹性模量提高6%，刚度提高15%~20%，被认为是航空航天最理想的结构材料。
锂是化学性质最活泼的金属元素，在铝合金中添加锂，将导致铝锂合金在熔炼过程中非常容易产生氧化、吸氢、夹渣等问题，同时增加合金铸造时的凝固温度区间，常规铸造方法缩松严重，且凝固后容易发生开裂。常规铸造工艺中多添加一定量熔剂，且工业化铸锭规格较小，后续变形量不足，大量织构造成严重的各向异性是铝锂合金塑性和断裂韧性较差的重要原因。
通过对现有技术的文献检索发现，铝锂合金中主要强化相是Al2CuLi相，大量研究表明Li元素以Al2CuLi相析出而不是Al3Li相析出可有效改善铝锂合金的塑韧性。专利CN104451272 B轻质高强铸造铝锂合金及其制备方法，采用较低的Cu/Al比，不利于强化相Al2CuLi相的形成；其采用常规铸造方法，铸造过程中添加熔剂，合金熔体纯净度较低，合金塑性较差。专利CN 104313421 B涉及一种铝锂合金铸锭的制备方法，加入了较高比例Ag元素，大大增加材料成本；而其添加了一定量Mn元素，围绕Al6Mn形成晶界无沉淀析出带对合金塑性不利，该相可作为A13Li相的形核促媒，进一步降低合金塑性。
目前为止，铝锂合金材料存在塑韧性差、成本较高的问题，寻求一种低成本、高强高塑的铝锂合金具有十分重要的意义。
发明内容
基于现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种高强高韧铝锂合金，还提供了该高强高韧铝锂合金的制备方法，通过复合微合金化，采用真空熔铸及后续变形加工、热处理工艺，获得强度和塑韧性良好匹配的铝锂合金。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种高强高韧铝锂合金，由以下质量百分比的组分组成：锂（Li）：1.6~2.3%，铜（Cu）：2.9~3.8%，镁（Mg）：0.15~0.60%，钴（Co）：0.18~0.35%，锶（Sr）：0.05~0.25%，钇（Y）：0.09~0.18%，锆（Zr）：0.06~0.12%，余量为铝（Al）；其中，铜与锂的质量比（Cu/Li）控制为1.3~2.0。
优选地，一种高强高韧铝锂合金，由以下质量百分比的组分组成：锂：1.6~2.2%，铜：2.9~3.8%，镁：0.20~0.60%，钴：0.18~0.25，锶：0.10~0.18%，钇：0.11~0.18%，锆：0.06~0.12%，余量为铝；其中，铜与锂的质量比控制为1.5~2.0。
优选地，一种高强高韧铝锂合金，由以下质量百分比的组分组成：锂：1.8~2.2%，铜：2.9~3.3%，镁：0.30~0.60%，钴：0.18~0.20，锶：0.15~0.18%，钇：0.11~0.18%，锆：0.06~0.12%，余量为铝；其中，铜与锂的质量比控制为1.5~1.6。
上述高强高韧铝锂合金的制备方法，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；将所配原料于780~860℃氩气气氛下熔炼，得到金属液；
（2）将步骤（1）所得金属液于700~730℃氩气精炼10~15min，再于710~730℃静置10~20 min，得到浇铸液，将浇铸液浇铸成型，得到铸锭；
（3）将步骤（2）所得铸锭于氩气气氛下进行均匀化退火，得到经均匀化处理的铸锭；其中，均匀化退火控制为：495~530℃保温16~24 h，空气中冷却至室温；
（4）将步骤（3）所得经均匀化处理的铸锭去除表面氧化层后，预热至440~475℃，热轧开坯，得到厚度为16~25 mm的板坯；
（5）将步骤（4）所得板坯经中间退火后，进行冷轧，得到厚度为2~6 mm的板材；其中，中间退火控制为：380~450℃保温1.5~3 h，空气中冷却至室温；
（6）将步骤（5）所得板材依次进行固溶处理和时效处理，即得；
其中，固溶处理控制为：500~525℃保温35~75 min，水淬；时效处理控制为：155~175℃保温12~24 h。
优选地，步骤（1）中所述熔炼具体是将所配原料装入真空炉中，抽真空至炉内的真空度为0.1~10 Pa，然后通入氩气至炉内压强达到200~350 Pa，再升温至780~860℃，保温至得到金属液。
优选地，步骤（2）中所述浇铸成型具体是将浇铸液浇铸到水冷模具中冷却凝固，所述冷却的速率为200~300℃/s。
优选地，步骤（4）中所述热轧道次压下量为15~25%。
优选地，步骤（5）中所述冷轧道次压下量为8~12%。
优选地，步骤（6）中所述水淬时所用水的温度为40~55℃。
本发明所用原料均为普通市售产品。其中，所配原料包括金属铝、金属镁、金属铜、金属钴及中间合金，所述金属铝采用99.99%工业重熔精铝锭，所述金属镁采用99.99%高纯镁锭，所述金属铜采用99.99%阴极电解铜，所述金属钴采用99.9%金属钴粉，所述中间合金（Al-Li、Al-Sr、Al-Y、Al-Zr）分别采用Al-10Li、Al-10Sr、Al-20Y、Al-4Zr精铝中间合金锭。
本发明的有益效果是：
1. 本发明使用高纯金属及中间合金为原料，采用真空无溶剂保护熔炼，水冷模快速冷却的铸造方式，同时在气体保护状态下进行精炼，保护气氛下进行热处理，减少合金中铸造缺陷，降低杂质元素及含气量，保证得到高纯净铝锂合金，显著提高铝锂合金塑韧性。
2. 本发明涉及的铝锂合金材料，通过较高Cu/Li比，实现有效强化相Al2CuLi相形成，镁元素的加入可进一步促进Al2CuLi相析出，合金具有较高的强度；钴元素的添加进一步提高合金强度；锶元素的添加抑制晶界无沉淀析出带形成，提高合金塑韧性；钇、锆元素的添加形成Al3Y、Al3Zr等强化相，这些相在合金凝固过程中可作为异质形核核心细化晶粒，提高铝锂合金综合力学性能。
3. 本发明采用较高温度下、较大变形量热轧开坯工艺，进一步消除铸造缺陷，热轧后的合金具有完全再结晶组织，大角晶界占90%以上，改善合金塑性，有利于后续冷轧变形。
4. 通过“形变+热处理”工艺优化，实现对强化相析出和分布的有效控制，充分发挥铝锂合金各组分元素的时效强化效果，使铝锂合金冷轧薄板在具有较高强度同时，仍具有良好塑性。
附图说明
图1是实施例1步骤（2）所得铸锭的金相图。
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，下面结合具体实施例对本发明的技术方案作出进一步的说明，但所述实施例旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行，下述实施例中所用原料均为普通市售产品。
实施例1
一种高强高韧铝锂合金，由以下质量百分比的组分组成：Li：2.1%，Cu：3.8%，Mg：0.2%，Co：0.25%，Sr：0.1%，Y：0.12%，Zr：0.09%，余量为Al；其中Cu/Li质量比为1.8。
上述高强高韧铝锂合金的制备方法，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；将所配原料预热，并加入真空感应熔炼炉中，抽真空至真空度达到1 Pa后，通入高纯氩气至炉内压强达到300 Pa，升温至850℃熔炼，得到金属液；
（2）将步骤（1）所得金属液于720℃氩气精炼12 min，氩气精炼时保持机械搅拌；再于730℃静置10 min后，浇铸到截面积为300 mm×550 mm的板状水冷模具中冷却凝固（冷却的速率为300℃/s），冷却至室温，得到铸锭；
（3）将步骤（2）所得铸锭放入真空热处理炉中，抽真空并冲入氩气，进行均匀化退火，得到经均匀化处理的铸锭；其中，均匀化退火控制为：510℃保温18 h，空气中冷却至室温；
（4）将步骤（3）所得经均匀化处理的铸锭车削去除表面氧化层后，预热至460℃，置于轧机上热轧开坯，控制每道次压下量为18%，得到厚度为22 mm的板坯；
（5）将步骤（4）所得板坯经中间退火后，进行冷轧，控制每道次压下量为10%，得到厚度为3 mm的板材；其中，中间退火控制为：450℃保温1.5 h，空气中冷却至室温；
（6）将步骤（5）所得板材依次进行固溶处理和时效处理，即得；
固溶处理控制为：505℃保温65 min，45℃温水介质下淬火；时效处理控制为：170℃保温16 h。
实施例1中步骤（2）所得铸锭的金相图如图1所示，从图1中可以看出铸锭晶粒内部存在明显的枝晶组织，晶粒细小而均匀；在枝晶网络中基体α(A1)呈等轴状，晶界相对细小，附近没有较大的金属共晶相和粗大的点状共晶化合物；晶内和晶界较为纯净，未发现杂质及缺陷，为后续变形加工提供良好基础。
实施例2
一种高强高韧铝锂合金，由以下质量百分比的组分组成：Li：1.8%，Cu：2.9%，Mg：0.3%，Co：0.20%，Sr：0.18%，Y：0.11%，Zr：0.06%，余量为Al；其中Cu/Li质量比为1.6。
上述高强高韧铝锂合金的制备方法，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；将所配原料预热，并加入真空感应熔炼炉中，抽真空至真空度达到0.1 Pa后，通入高纯氩气至炉内压强达到350 Pa，升温至820℃熔炼，得到金属液；
（2）将步骤（1）所得金属液于710℃氩气精炼10 min，氩气精炼时保持机械搅拌；再于720℃静置8 min后，浇铸到截面积为300 mm×550 mm的板状水冷模具中冷却凝固（冷却的速率为260℃/s），冷却至室温，得到铸锭；
（3）将步骤（2）所得铸锭放入真空热处理炉中，抽真空并冲入氩气，进行均匀化退火，得到经均匀化处理的铸锭；其中，均匀化退火控制为：505℃保温24 h，空气中冷却至室温；
（4）将步骤（3）所得经均匀化处理的铸锭车削去除表面氧化层后，预热至450℃，置于轧机上热轧开坯，控制每道次压下量为16%，得到厚度为25 mm的板坯；
（5）将步骤（4）所得板坯经中间退火后，进行冷轧，控制每道次压下量为7%，得到厚度为3 mm的板材；其中，中间退火控制为：430℃保温2.5 h，空气中冷却至室温；
（6）将步骤（5）所得板材依次进行固溶处理和时效处理，即得；
固溶处理控制为：520℃保温40 min，50℃温水介质下淬火；时效处理控制为：155℃保温24 h。
实施例3
一种高强高韧铝锂合金，由以下质量百分比的组分组成：Li：1.6%，Cu：3.2%，Mg：0.5%，Co：0.25%，Sr：0.15%，Y：0.12%，Zr：0.10%，余量为Al；其中Cu/Li质量比为2.0。
上述高强高韧铝锂合金的制备方法，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；将所配原料预热，并加入真空感应熔炼炉中，抽真空至真空度达到10 Pa后，通入高纯氩气至炉内压强达到250 Pa，升温至830℃熔炼，得到金属液；
（2）将步骤（1）所得金属液于730℃氩气精炼15 min，氩气精炼时保持机械搅拌；再于720℃静置10 min后，浇铸到截面积为300 mm×550 mm的板状水冷模具中冷却凝固（冷却的速率为280℃/s），冷却至室温，得到铸锭；
（3）将步骤（2）所得铸锭放入真空热处理炉中，抽真空并冲入氩气，进行均匀化退火，得到经均匀化处理的铸锭；其中，均匀化退火控制为：520℃保温16 h，空气中冷却至室温；
（4）将步骤（3）所得经均匀化处理的铸锭车削去除表面氧化层后，预热至470℃，置于轧机上热轧开坯，控制每道次压下量为25%，得到厚度为16 mm的板坯；
（5）将步骤（4）所得板坯经中间退火后，进行冷轧，控制每道次压下量为8%，得到厚度为2 mm的板材；其中，中间退火控制为：450℃保温2 h，空气中冷却至室温；
（6）将步骤（5）所得板材依次进行固溶处理和时效处理，即得；
固溶处理控制为：510℃保温45 min，55℃温水介质下淬火；时效处理控制为：160℃保温24 h。
实施例4
一种高强高韧铝锂合金，由以下质量百分比的组分组成：Li：2.2%，Cu：3.3%，Mg：0.6%，Co：0.18%，Sr：0.15%，Y：0.18%，Zr：0.12%，余量为Al；其中Cu/Li质量比为1.5。
上述高强高韧铝锂合金的制备方法，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；将所配原料预热，并加入真空感应熔炼炉中，抽真空至真空度达到1 Pa后，通入高纯氩气至炉内压力强达到300 Pa，升温至840℃熔炼，得到金属液；
（2）将步骤（1）所得金属液于720℃氩气精炼10 min，氩气精炼时保持机械搅拌；再于720℃静置10 min后，浇铸到截面积为300 mm×550 mm的板状水冷模具中冷却凝固（冷却的速率为200℃/s），冷却至室温，得到铸锭；
（3）将步骤（2）所得铸锭放入真空热处理炉中，抽真空并冲入氩气，进行均匀化退火，得到经均匀化处理的铸锭；其中，均匀化退火控制为：500℃保温24 h，空气中冷却至室温；
（4）将步骤（3）所得经均匀化处理的铸锭车削去除表面氧化层后，预热至465℃，置于轧机上热轧开坯，控制每道次压下量为22%，得到厚度为23 mm的板坯；
（5）将步骤（4）所得板坯经中间退火后，进行冷轧，控制每道次压下量为10%，得到厚度为3 mm的板材；其中，中间退火控制为：435℃保温2.0 h，空气中冷却至室温；
（6）将步骤（5）所得板材依次进行固溶处理和时效处理，即得；
固溶处理控制为：515℃保温55 min，40℃温水介质下淬火；时效处理控制为：165℃保温20 h。
下面采用SUN10电子万能试验机对试样（实施例1~4所制得的高强高韧铝锂合金）的力学性能进行测试，每个状态取3组平行样并取平均值。各性能测试结果如表1所示。
表1 高强高韧铝锂合金性能测试结果
由表1可见，本发明制得的高强高韧铝锂合金抗拉强度为556.5 MPa（平均值），屈服强度为516.5 MPa（平均值），延伸率为10.6%（平均值）。
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 (6)
1.一种高强高韧铝锂合金，其特征在于，由以下质量百分比的组分组成：锂：1.8~2.2%，铜：2.9~3.3%，镁：0.30~0.60%，钴：0.18~0.20，锶：0.15~0.18%，钇：0.11~0.18%，锆：0.06~0.12%，余量为铝；其中，铜与锂的质量比控制为1.5~1.6；所述铝锂合金采用以下方法制备而成：
（1）按照合金中各组分的质量百分比进行配料；将所配原料于780~860℃氩气气氛下熔炼，得到金属液；
（2）将步骤（1）所得金属液于700~730℃氩气精炼10~15min，再于710~730℃静置10-20min，得到浇铸液，将浇铸液浇铸成型，得到铸锭；
（3）将步骤（2）所得铸锭于氩气气氛下进行均匀化退火，得到经均匀化处理的铸锭；其中，均匀化退火控制为：495~530℃保温16~24 h，空气中冷却至室温；
（4）将步骤（3）所得经均匀化处理的铸锭去除表面氧化层后，预热至440~475℃，热轧开坯，得到板坯；
（5）将步骤（4）所得板坯经中间退火后，进行冷轧，得到板材；其中，中间退火控制为：380~450℃保温1.5~3 h，空气中冷却至室温；
（6）将步骤（5）所得板材依次进行固溶处理和时效处理，即得；
其中，固溶处理控制为：500~525℃保温35~75 min，水淬；时效处理控制为：155~175℃保温12~24 h。
2.如权利要求1所述高强高韧铝锂合金，其特征在于：步骤（1）中所述熔炼具体是将所配原料装入真空炉中，抽真空至炉内的真空度为0.1~10 Pa，然后通入氩气至炉内压强达到200~350 Pa，再升温至780~860℃，保温至得到金属液。
3.如权利要求1所述高强高韧铝锂合金，其特征在于：步骤（2）中所述浇铸成型具体是将浇铸液浇铸到水冷模具中冷却凝固，所述冷却的速率为200~300℃/s。
4.如权利要求1所述高强高韧铝锂合金，其特征在于：步骤（4）中所述热轧道次压下量为15~25%。
5.如权利要求1所述高强高韧铝锂合金，其特征在于：步骤（5）中所述冷轧道次压下量为8~12%。
6.如权利要求1所述高强高韧铝锂合金，其特征在于：步骤（6）中所述水淬时所用水的温度为40~55℃。
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