CN109666829A - 一种低锂含量的高强铸造铝锂铜锌合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低锂含量的高强铸造铝锂铜锌合金及其制备方法。所述合金以质量百分比包括下述组分：Li：1～2％，Cu：3～5％，Zn：1.05～5％，Mg：0.5～1％，Ag：0.1～0.5％，Mn：0.1～0.3％，Zr：0.1～0.3％，Ti：0.05～0.1％，余量为Al。其制备方法为：按设计的铝合金组分配比，称取各组分，先按设计的顺序熔炼除锂源外的其他组分，然后在覆盖剂和保护气体的环境下，将纯锂压入合金熔体中，除气除渣精炼，静置并浇铸，然后再经过均匀化退火、固溶时效处理。本发明制备出了比传统商业铸造铝合金性能更为优越的产品，所述产品具有高强度、高硬度、可热处理强化等特性。同时成本低廉。

Description

一种低锂含量的高强铸造铝锂铜锌合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种低锂含量的高强铸造铝锂铜锌合金及其制备方法；属于金属材料制备技术领域。
背景技术
在铝合金中每添加1wt％Li，可使合金密度降低3％，而弹性模量提高6％，而且具有较好的固溶强化效果。因此，铝锂合金作为一种低密度、高弹性模量、高比强度和高比刚度的铝合金，在航空航天领域具有广阔的应用前景。在诸多类型铝锂合金中，变形铝锂合金因强度高，塑性好等优点被广泛用于航空航天等领域，然而，变形铝锂合金存在以下问题：生产环节繁多，各向异性问题严重，而且变形铝锂合金的应用受到零件形状的限制，某些零件只能采用铸造成型的方式生产，因此有必要开发出铸造性能和机械性能优良，成本较低的铸造铝锂合金。
铝锂合金铸件及铸造合金的研究是近年来铝锂合金研究领域内出现的新动向。现有的研究表明，铝锂合金除具有优良的高比特性外，还有较好的铸造性能，尤其是该合金对型腔细小结构的复制能力一般要好于传统铝合金，这对于航空用薄壁件的成形非常有利，然而，由于锂高的化学活性，使得铸造铝锂合金的生产成本较高。俄罗斯科学工作者(Effectof alloying elements on the structure and properties of Al-Li-Cu castalloys，Russian Metallurgy，2009，4，338-344)研究了合金元素对铸造铝锂合金性能的影响，并开发出了一种在Al-Li-Cu三元合金中添加不同微量元素而获得性能较好的铸造铝锂合金，但其铸造性能较差，铸件热裂倾向严重，而且添加的一些合金元素具有放射性。山东大学韩建德等人(铸造Al-Li-Cu合金的组织与性能，铸造技术，2002，23(4)，245-247)通过改变Li和Cu的含量，研究了Al-Li-Cu三元铸造合金的组织和性能的变化，在时效态其合金的力学性能达到350MPa，但延伸率仅为0.4％，这严重制约着铝锂合金的实际应用。中国专利(专利号201410674805.4)公布了一种轻质高强铸造铝锂合金及其制备方法，添加2-3％Li，并同时添加了稀土元素Ce；中国专利(专利号201610200924.5)公布了低密度、高刚度铸造铝锂合金及其制备方法，添加3-5％Li；而中国专利(专利号201810322704.9)公布了一种含钪铸造铝锂合金及其制备方法，添加稀土元素Sc。上述中国专利要么是添加高锂含量，要么是添加高成本的稀土元素Ce或Sc,最终都提高了铸造铝锂合金的生产成本。
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种低锂含量的高强铸造铝锂铜锌合金及其制备方法，本发明通过添加强化元素(Li，Cu，Mg，Zn，Ag)、晶粒控制元素(Zr，Ti，Mn)及改变熔炼和热处理的工艺条件，获得力学性能优良的铸造铝锂合金，制得的此类铝合金具有比传统商业铸造铝合金优越的室温强度、硬度、刚度等机械性能，同时成本低廉。
发明内容
本发明公开了一种低锂含量的高强铸造铝锂铜锌合金及其制备方法，所属合金采用熔炼铸造法，通过熔盐覆盖与氩气共同保护和除气除渣进行感应熔炼，制备Al-Li-Cu-Zn-Mg系低锂含量的高强度铸造铝合金。成分配比合理，工艺操作安全成本较低。铸件可根据需求制备成各种形状，产量大，易于加工，所制备的铝合金具有良好的综合力学性能。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种低锂含量的高强铸造铝锂铜锌合金，包含以下重量百分比的组分：
Li：1～2％，Cu：3～5％，Zn：1.05～5％，Mg：0.5～1％，Ag：0.1～0.5％，Mn：0.1～0.3％，Zr：0.1～0.3％，Ti：0.05～0.1％，余量为Al，其中Li、Cu、Zn、Mg和Ag为必备的强化铝合金元素，Mn、Zr、Ti为晶粒调控元素。
作为优选方案，本发明一种低锂含量的高强铸造铝锂铜锌合金，以质量百分比计，所述低锂含量的高强铸造铝锂铜锌合金中，Mg的含量小于1％。作为进一步的优选方案，Mg的含量为0.4-0.7％。
作为优选方案，本发明一种低锂含量的高强铸造铝锂铜锌合金，所述低锂含量的高强铸造铝锂铜锌合金中，Zn/Mg的质量比大于等于1.2。进一步优选为大于等于2；更进一步优选为2-6、再进一步优选为2-5。
作为优选方案，本发明一种低锂含量的高强铸造铝锂铜锌合金，以质量百分比计，包括下述组分：
Li1％、Cu 4％、Mg1％、Zr0.2％、Mn0.3％、Zn1.2％、Ti0.1％、Ag0.1％，余量为Al；
或
Li 1.5％、Cu 4.5％、Mg0.7％、Zr0.2％、Mn0.3％、Zn1.05％、Ti0.05％、Ag0.3％，余量为Al；
或
Li 2％、Cu 5％、Mg0.75％、Zr0.15％、Mn0.15％、Zn3.5％、Ti0.05％、Ag0.25％，余量为Al；
或
Li 1.5％、Cu 4％、Mg0.65％、Zr0.15％、Mn0.15％、Zn2％、Ti0.05％、Ag0.5％，余量为Al；
或
Li 1.2％、Cu 3.5％、Mg0.55％、Zr0.15％、Mn0.2％、Zn2.5％、Ti0.05％、Ag0.4％，余量为Al。
一种低锂含量的高强铸造铝锂铜锌合金的制备方法，包括下述步骤：
按设计的铝合金组分配比，称取各组分，先将纯铝、铝-铜中间合金放入熔炼炉中熔化，除气除渣；然后加入铝-锆中间合金、铝-锰中间合金、铝-钛中间合金熔化，除气除渣；再加入纯锌、纯镁、纯银熔化，除气除渣；然后在熔体表面加入熔盐覆盖剂并充入氩气保护熔体，并将纯锂压入上述熔化的合金熔体中，除气除渣精炼，静置并在氩气保护下浇铸，然后再经过均匀化退火、固溶时效处理。
作为优选方案，本发明一种低锂含量的高强铸造铝锂铜锌合金的制备方法；纯铝、铝-铜中间合金、铝-锆中间合金、铝-锰中间合金、铝-钛中间合金放入熔炼炉中熔化，熔化温度为750～800℃，采用六氯己烷或氩气进行除气除渣。
作为优选方案，本发明一种低锂含量的高强铸造铝锂铜锌合金的制备方法；加入纯锌、纯镁、纯银合金熔化，熔化温度为750～800℃，采用六氯己烷或氩气进行除气除渣。
作为优选方案，本发明一种低锂含量的高强铸造铝锂铜锌合金的制备方法；在熔体表面加入LiCl+KCl+AlF3熔盐覆盖剂并充入氩气保护熔体，熔盐覆盖剂按如下质量份数进行配比：LiCl:20～40份，KCl：30～60份、AlF3：2～10份，然后混合均匀并干燥。
作为优选方案，本发明一种低锂含量的高强铸造铝锂铜锌合金的制备方法；将纯锂压入上述熔化的合金熔体中，采用六氯己烷与氩气联合进行除气除渣精炼。
作为优选方案，本发明一种低锂含量的高强铸造铝锂铜锌合金的制备方法；熔体浇铸时在氩气保护下进行，浇铸温度为700～730℃。
作为优选方案，本发明一种低锂含量的高强铸造铝锂铜锌合金的制备方法；浇铸成型的铝锂铜锌合金铸锭进行均匀化退火处理，退火温度450～500℃，退火时间24～48h。
作为优选方案，本发明一种低锂含量的高强铸造铝锂铜锌合金的制备方法；均匀化退火后的铸锭进行固溶淬火处理，固溶温度520～540℃，固溶时间30min～120min；固溶处理后，进行室温水冷。
作为优选方案，本发明一种低锂含量的高强铸造铝锂铜锌合金的制备方法；固溶淬火处理后的铸锭进行时效处理，时效温度140～180℃，时间24h～60h。
采用本工艺方法制备铝锂铜锌合金材料效率高，安全性高，且材料在经过后续的均匀化退火与固溶时效处理后，强度会得到进一步的提高。铸态合金固溶时效后的维氏硬度可达180HV以上，最大抗压强度达到926MPa，弹性模量达到81GPa。
采用本工艺方法制备的铝锂铜锌合金，可以通过控制强化铝合金元素(Li、Cu、Zn、Mg、Ag)与晶粒控制元素(Mn、Zr、Ti)等的含量、Zn/Mg质量百分比、以及热处理工艺来控制材料的强度。
本发明的特点：
本发明采用熔炼铸造法，以Al-Li-Cu系合金为基础，通过控制强化铝合金元素(Li、Cu、Zn、Mg、Ag)与晶粒控制元素(Mn、Zr、Ti)等的含量、以及Zn/Mg质量百分比，并通过均匀化退火与固溶时效处理，制备成具有较高强度、硬度的低锂含量铸造铝锂铜锌合金。该合金铸锭为枝晶网状组织，铸态组织为Al基体相、共晶相【α(Al)+θ(Al2Cu)+S(Al2MgCu)】、结晶相【α(Al)、θ(Al2Cu)、S(Al2MgCu)】。合金在均匀化处理的过程中，共晶相溶入基体，同时析出弥散相Al3Zr与Al6Mn。时效处理后析出纳米尺寸相T1(Al2CuLi)、δ＇(Al3Li)、θ＇(Al2Cu)以及η＇(Mg2Zn)。通过结晶相、弥散相以及时效析出相的共同作用，可保证材料具有较高的强度与硬度。此类合金制备成本较低，力学性能优良，性能超过了传统的铸造Al-Cu合金与Al-Si合金。
附图说明
图1本发明铸态合金在室温下的典型压缩应力-应变曲线。
本发明的实施例如下：
对比例1
合金的组份及其重量百分比为4.5％Cu-0.3％Mn-0.5％Mg-0.22％Ti，其余为Al。制备方法是：先将纯铝放入熔炼炉中，升温至750℃；熔化后再将经烘烤的Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金加入铝熔体中；熔化后，将纯镁放入合金熔体中熔化，用C2Cl6精炼剂进行除气除渣处理；降温至720℃，静置浇铸，冷却。然后在510℃固溶处理60min，水冷后在160℃时效12h得到成品。其性能如表1所示。
对比例2
合金的组份及其重量百分比为5％Si-1.3％Cu-0.5％Mg，其余为Al。制备方法是：先将纯铝放入熔炼炉中，升温至760℃；熔化后再将经烘烤的Al-Cu中间合金与Al-Si中间合金加入铝熔体中；熔化后，将纯镁放入合金熔体中熔化，用氩气进行除气除渣处理；降温至710℃，静置浇铸，冷却；然后在530℃固溶处理120min，水冷后在150℃时效8h，得到成品。其性能如表1所示。
对比例3
合金的组份及其重量百分比为3％Li-2％Cu-0.3％Mg-0.2％Zr-0.2％Mn-0.2％Zn。制备方法如下：先将纯铝、Al-Cu中间合金放入熔炼炉中熔化，熔化温度为760℃，采用六氯己烷(C2Cl6)除气除渣；然后加入Al-Zr中间合金、Al-Mn中间合金熔化，采用C2Cl6除气除渣；再加入纯锌、纯镁并熔化，采用氩气除气除渣。然后在熔体表面加入20份LiCl与80份KCl组成的熔盐覆盖剂，并充入氩气保护熔体，然后将纯锂压入上述熔化的合金熔体中，采用C2Cl6与氩气联合除气除渣精炼，静置，在氩气保护下浇铸成形。铸锭在450℃下均匀化退火24h，然后在530℃固溶30min，水冷至室温，在160℃时效处理36h，得到成品。其性能如表1所示。
实施例1
合金的组份及其重量百分比为1％Li-4.25％Cu-0.7％Mg-0.2％Zr-0.27％Mn-1.05％Zn-0.35％Ag-0.05％Ti。制备方法如下：先将纯铝、Al-Cu中间合金放入熔炼炉中熔化，熔化温度为800℃，采用六氯己烷(C2Cl6)除气除渣；然后加入Al-Zr中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金熔化，采用C2Cl6除气除渣；降温到750℃，加入纯锌、纯镁、纯银并熔化，采用氩气除气除渣；然后在熔体表面加入由30份LiCl、60份KCl及10份AlF3所组成的熔盐覆盖剂，并充入氩气保护熔体；再将纯锂压入上述熔化的合金熔体中，采用C2Cl6与氩气联合除气除渣精炼，静置；降温到700℃并在氩气保护下浇铸成形。铸锭在450℃下均匀化退火48h，然后在520℃固溶60min，水冷至室温，在160℃时效处理36h，得到成品。其性能如表1所示。
实施例2
合金的组份及其重量百分比为1％Li-4％Cu-1％Mg-0.2％Zr-0.3％Mn-1.2％Zn-0.1％Ti-0.1％Ag。制备方法如下：先将纯铝、Al-Cu中间合金放入熔炼炉中熔化，熔化温度为750℃，采用六氯己烷(C2Cl6)除气除渣；然后加入Al-Zr中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金熔化，采用C2Cl6除气除渣；降温到740℃，加入纯锌、纯镁及纯银并熔化，采用氩气除气除渣；然后在熔体表面加入由40份LiCl、50份KCl及2份AlF3所组成的熔盐覆盖剂，并充入氩气保护熔体；再将纯锂压入上述熔化的合金熔体中，采用C2Cl6与氩气联合除气除渣精炼，静置；降温到710℃并在氩气保护下浇铸成形。铸锭在500℃下均匀化退火30h，然后在540℃固溶30min，水冷至室温，在160℃时效处理36h，得到成品。其性能如表1所示。
实施例3
合金的组份及其重量百分比为1％Li-3％Cu-1％Mg-0.2％Zr-0.25％Mn-6％Zn-0.1％Ti-0.3％Ag。制备方法如下：先将纯铝、Al-Cu中间合金放入熔炼炉中熔化，熔化温度为760℃，采用六氯己烷(C2Cl6)除气除渣；然后加入Al-Zr中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金熔化，采用C2Cl6除气除渣；降温到750℃，加入纯锌、纯镁、纯银并熔化，采用氩气除气除渣；然后在熔体表面加入由30份LiCl、45份KCl及5份AlF3所组成的熔盐覆盖剂，并充入氩气保护熔体；再将纯锂压入上述熔化的合金熔体中，采用C2Cl6与氩气联合除气除渣精炼，静置；降温到730℃并在氩气保护下浇铸成形。铸锭在500℃下均匀化退火24h，然后在530℃固溶45min，水冷至室温，在160℃时效处理36h，得到成品。其性能如表1所示。
实施例4
合金的组份及其重量百分比为1.5％Li-4.5％Cu-0.7％Mg-0.2％Zr-0.3％Mn-1％Zn-0.05％Ti-0.3％Ag。制备方法如下：先将纯铝、Al-Cu中间合金放入熔炼炉中熔化，熔化温度为770℃，采用六氯己烷(C2Cl6)除气除渣；然后加入Al-Zr中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金熔化，采用C2Cl6除气除渣；降温到750℃，加入纯锌、纯镁及纯银熔化，采用氩气除气除渣；然后在熔体表面加入由20份LiCl、80份KCl及7.5份AlF3所组成的熔盐覆盖剂，并充入氩气保护熔体；再将纯锂压入上述熔化的合金熔体中，采用C2Cl6与氩气联合除气除渣精炼，静置；降温到730℃并在氩气保护下浇铸成形。铸锭在500℃下均匀化退火24h，然后在530℃固溶60min，水冷至室温，在160℃时效处理36h，得到成品。其性能如表1所示。
实施例5
合金的组份及其重量百分比为2％Li-3％Cu-0.5％Mg-0.1％Zr-0.1％Mn-1％Zn-0.05％Ti-0.5％Ag。制备方法如下：先将纯铝、Al-Cu中间合金放入熔炼炉中熔化，熔化温度为780℃，采用六氯己烷(C2Cl6)除气除渣；然后加入Al-Zr中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金熔化，采用C2Cl6除气除渣；降温到760℃，加入纯锌、纯镁及纯银并熔化，采用氩气除气除渣；然后在熔体表面加入由30份LiCl、60份KCl及10份AlF3所组成的熔盐覆盖剂，并充入氩气保护熔体；再将纯锂压入上述熔化的合金熔体中，采用C2Cl6与氩气联合除气除渣精炼，静置；降温到710℃并在氩气保护下浇铸成形。铸锭在500℃下均匀化退火24h，然后在530℃固溶60min，水冷至室温，在160℃时效处理30h，得到成品。其性能如表1所示。
实施例6
合金的组份及其重量百分比为2％Li-5％Cu-0.75％Mg-0.15％Zr-0.15％Mn-3.5％Zn-0.05％Ti-0.25％Ag。制备方法如下：先将纯铝、Al-Cu中间合金放入熔炼炉中熔化，熔化温度为750℃，采用六氯己烷(C2Cl6)除气除渣；然后加入Al-Zr中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金熔化，采用C2Cl6除气除渣；降温到750℃，加入纯锌、纯镁及纯银并熔化，采用氩气除气除渣；然后在熔体表面加入由20份LiCl、60份KCl及10份AlF3所组成的熔盐覆盖剂，并充入氩气保护熔体；再将纯锂压入上述熔化的合金熔体中，采用C2Cl6与氩气联合除气除渣精炼，静置；降温到700℃并在氩气保护下浇铸成形。铸锭在500℃下均匀化退火24h，然后在540℃固溶30min，水冷至室温，在180℃时效处理24h，得到成品。其性能如表1所示。
实施例7
合金的组份及其重量百分比为1.5％Li-4％Cu-0.65％Mg-0.15％Zr-0.15％Mn-2％Zn-0.05％Ti-0.5％Ag。制备方法如下：先将纯铝、Al-Cu中间合金放入熔炼炉中熔化，熔化温度为760℃，采用六氯己烷(C2Cl6)除气除渣；然后加入Al-Zr中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金熔化，采用C2Cl6除气除渣；降温到750℃，加入纯锌、纯镁及纯银并熔化，采用氩气除气除渣；然后在熔体表面加入由20份LiCl、60份KCl及10份AlF3所组成的熔盐覆盖剂，并充入氩气保护熔体；再将纯锂压入上述熔化的合金熔体中，采用C2Cl6与氩气联合除气除渣精炼，静置；降温到710℃并在氩气保护下浇铸成形。铸锭在500℃下均匀化退火36h，然后在540℃固溶45min，水冷至室温，在140℃时效处理60h，得到成品。其性能如表1所示。
实施例8
合金的组份及其重量百分比为1.2％Li-3.5％Cu-0.55％Mg-0.15％Zr-0.2％Mn-2.5％Zn-0.05％Ti-0.4％Ag。制备方法如下：先将纯铝、Al-Cu中间合金放入熔炼炉中熔化，熔化温度为770℃，采用六氯己烷(C2Cl6)除气除渣；然后加入Al-Zr中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金熔化，采用C2Cl6除气除渣；降温到750℃，加入纯锌、纯镁及纯银并熔化，采用氩气除气除渣；然后在熔体表面加入由30份LiCl、60份KCl及10份AlF3所组成的熔盐覆盖剂，并充入氩气保护熔体；再将纯锂压入上述熔化的合金熔体中，采用C2Cl6与氩气联合除气除渣精炼，静置；降温到720℃并在氩气保护下浇铸成形。铸锭在490℃下均匀化退火24h，然后在530℃固溶30min，水冷至室温，在150℃时效处理48h，得到成品。其性能如表1所示。
表1本发明合金室温压缩性能及、弹性模量及维氏硬度
比较实施例与对比例的性能参数值，可以看出：本发明制备的低锂含量铸造铝锂铜锌合金的抗压缩强度与硬度明显高于对比实施例合金。而弹性模量的压缩率也超过了对比实施例合金。

Claims (10)

1.一种低锂含量的高强铸造铝锂铜锌合金，其特征在于；以质量百分比包括下述组分：Li：1～2％，Cu：3～5％，Zn：1.05～5％，Mg：0.5～1％，Ag：0.1～0.5％，Mn：0.1～0.3％，Zr：0.1～0.3％，Ti：0.05～0.1％，余量为Al；其中Li、Cu、Zn、Mg和Ag为必备的强化铝合金元素，Mn、Zr、Ti为晶粒调控元素。
2.制备权利要求1所述的一种低锂含量的高强铸造铝锂铜锌合金的制备方法，包括下述步骤：
按设计的铝合金组分配比，称取各组分，先将纯铝、铝-铜中间合金放入熔炼炉中熔化，除气除渣；然后加入铝-锆中间合金、铝-锰中间合金、铝-钛中间合金熔化，除气除渣；再加入纯锌、纯镁、纯银熔化，除气除渣；然后在熔体表面加入熔盐覆盖剂并充入氩气保护熔体，并将纯锂压入上述熔化的合金熔体中，除气除渣精炼，静置并在氩气保护下浇铸，然后再经过均匀化退火、固溶时效处理。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：纯铝、铝-铜中间合金、铝-锆中间合金、铝-锰中间合金、铝-钛中间合金放入熔炼炉中熔化，熔化温度为750～800℃，采用六氯己烷或氩气进行除气除渣。
4.根据权利要求2-3任意一项所述的方法，其特征在于：加入纯锌、纯镁、纯银合金熔化，熔化温度为750～800℃，采用六氯己烷或氩气进行除气除渣。
5.根据权利要求2-3任意一项所述的方法，其特征在于：在熔体表面加入LiCl+KCl+AlF3熔盐覆盖剂并充入氩气保护熔体，熔盐覆盖剂按如下质量份数进行配比：LiCl:20～40份，KCl：30～60份、AlF3：2～10份，然后混合均匀并干燥。
6.根据权利要求2-3任意一项所述的方法，其特征在于：将纯锂压入上述熔化的合金熔体中，采用六氯己烷与氩气联合进行除气除渣精炼。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：熔体浇铸时在氩气保护下进行，浇铸温度为700～730℃。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：浇铸成型的铝锂铜锌合金铸锭进行均匀化退火处理，退火温度450～500℃，退火时间24～48h。
9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：均匀化退火后的铸锭进行固溶淬火处理，固溶温度520～540℃，固溶时间30min～120min；固溶处理后，进行室温水冷。
10.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：固溶淬火处理后的铸锭进行时效处理，时效温度140～180℃，时间24h～60h。
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