CN110564994A - 一种低成本高强韧铝锂合金 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种不含银的高强度、低成本、变形铝锂合金产品。该铝锂合金可通过铸造或者喷射成形之后挤压加工成棒材或型材，应用于航空航天零部件。该合金成分包括：3.5重量％至约4.0重量％Cu，1.5重量％至约2.0重量％Li，0.5重量％至1.0重量％Mg，0.5重量％至1.0重量％Zn，不超过0.5重量％Mn、以及0.1‑1.0重量％Ti、Zr、Cr、V、Ce等元素。杂志含量控制：硅含量不超过0.15％、铁含量不超过0.15重量％、其它元素含量不超过0.15重量％。该合金产品具有低各向异性以及低加工敏感性等优点，可用于加工成型高品质铝锂合金零部件。
Description
技术领域
发明涉及一种低成本含锂铝合金的成分，具备优异的强度、韧性等力学性能，制备棒材或型材后可用于满足航空航天等领域零部件对的轻质高强结构件的需求。
背景技术
航空航天领域，铝锂合金由于其比强度高、弹性模量高、抗疲劳与耐腐蚀性能优异、同时容易加工，越来越被广泛应用于核心零部件的加工制造。比如，每增加1重量％锂，使铝的密度减少3％，弹性模量增加6％以上。因此，铝锂合金具备替代传统2024和7075铝合金的潜力。
为了实现铝锂合金再航空航天领域的广泛应用，其机械性能必须保证能够在长时间稳定并不会发生老化，必须具备足够的耐腐蚀性能，以及低的残余应力以便进行整体加工后不变形。
铝锂合金包括Al-Mg-Li和Al-Cu-Li两大体系。苏联1420合金为代表的Al-5Mg-2Li(英国专利1172736)，显著提高了弹性模量，并且可焊接。然而，该合金各向异性现象严重，并且韧性较低。美国专利US2381219公开了一种不含镁的Al-5Cu-1Li合金，发现强度比Al-Mg-Li体系显著提高。美国专利2915391公开了一种Al-Cu-Mn-Li合金，虽然高温性能有所提高，但未能取得Al-Cu-Li体系的高强韧性。
由于提高强度、降低各项异性、改善焊接性能的要求，第三代铝锂合金以复杂的Al-Cu-Li-Mg四元体系为主，美国专利US5032359记载了一个Al-Cu-Li-Mg合金添加银之后机械性能大幅提升例子。包括0.05-1.2重量％Ag，具备高强、高韧、并能够焊接的优点。
美国专利5234662公开了一种Al-Cu-Mg-Li-Mn五元体系的合金，后来注册为2297，Cu：2.80-3.20、Mg：0.0-1.5、Li：1.40-1.60、Mn：0.10-0.30，并通过Zr和Cr来调控晶粒尺寸。该合金具有较好的综合性能：低密度、高强、高韧、抗疲劳、耐腐蚀。
美国专利5455003公开了Cu:3.0-4.5、Li：0.7-1.1、Mg:0.3-0.6、Zn：0-0.75、以及昂贵的Ag:0-0.6。美国专利5032359公开了后来被注册为2095铝锂合金成分，Cu:3.0-6.5；Mg:0.05-2.0；Li:0.2-3.1。该合金也采用了昂贵的银，Ag:0.05-1.2。美国专利7438772公开了一种2x24合金，Cu:3-5、Li：0.01-0.9、Mg:0.5-2.0，在2024基础上进行了减重。
美国专利5137686公开了后来注册为2099铝锂合金的成分，Cu：0-2.45、Mg：0.05-6.0、Li：0.2-5.0、Zn：0.05-12。同时，该合金通过Zr：0.01-0.16抑制晶粒长大。
美国专利5389165公开了一种后来注册为2098的铝锂合金：Cu：2.8-3.8、Mg：0.20-1.00、Li：0.80-1.30。该合金通过添加昂贵的银，Ag:0.20-1.00以及Zr：0.08-0.40调控高温下的强韧性。
美国专利7229509公开了一种应用较为广泛的2050高强韧铝锂合金，Cu:2.5-5.5、Li:0.1-2.5、Mg:0.2-1、Ag:0.2-0.8、Mn:0.2-0.8、Zr:0-0.3，实现屈服强度489.5MPa断裂韧性38.5MPa m1/2，以其静态机械强度和韧性较高获得航空航天的广泛应用。
美国专利申请2013/0302206A1公开了2060铝锂合金的成分，Cu:3.5-4.4,Mg:0.45-0.75；Zn:0.45-0.75；Li0.65-1.15；Ag:0.1-1.0。该合金适合于薄板加工，应用于中国商飞C919蒙皮的制造。
美国专利申请2014/0050936A1公开了2070铝锂合金成分，Cu:3-3.8、Mg：0.05-0.35、Li:0.975-1.385、Zn：0-1.0、Mn：0-1.0。通过关系式将主要合金元素进行关联限制：-0.3*Mg-0.15Cu+1.65<＝Li<＝-0.3*Mg-0.15Cu+1.85，并通过Zr,Sc,Cr,V,Hf等元素调控晶粒大小，实现480MPa的拉伸强度和443MPa的屈服强度。虽然该合金减少了昂贵的银的使用，但是其强度比7075合金低，不能用于替代7075零部件。
铝锂合金的成本将近一半取决于原料的成本，银的添加大大增加了整个生产成本，因此能够取代7075强度和2024强韧性的无银铝锂合金将具备更大的商业化价值。铝锂合金已经经历了三个阶段的发展，现在国际上正朝着***低成本高强韧铝锂合金方向发展。铝锂合金在航天领域，极大地发挥了其减重效果，降低火箭发射成本，提高推重比，比如美国在航天飞机外挂燃料贮箱应用2195铝锂合金(Al-4.0Cu-1.0Li-0.4Mg-0.4Ag-0.12Zr)，前苏联在运载火箭低温燃料贮箱大量应用1460铝锂合金(Al-3.0Cu-2.2Li-0.12Zr-0.15Sc)，我国在火箭燃料箱也采用了2A97铝锂合金(Al-3.85Cu-1.45Li-0.5Zn-0.3Mg-0.15Zr)。从以上综述和现实需求表明，工业应用急需铝锂合金满足低成本、高强度、低密度、良好的损伤容限等性能要求。
发明内容
本发明涉及一种高强铝锂合金的成分与生产方法。通过去除银，合理的成分设计与制备加工工艺设计，实现了低成本、高强韧铝锂合金制造。
本发明化学成分由以下重量百分比组成：
Cu：3.5～4.0，
Li：1.5～2.0，
Mg：0.5～1.0，
Zn：0.5～1.0，
Zr+Ti+Cr/V/Ce:0.1-1.0，余量为Al。
本发明采用Mg+Zn复合微合金强化，调控析出强化相的分布状态。
本发明Mn最多0.5重量％，下限可选0.1重量％。Mn添加可形成弥散相，分散共面滑移，使滑移更均匀，降低各项异性。同时Mn和Zr弥散粒子还能抑制再结晶，提高耐腐蚀性能。
本发明采用Ti+Zr共同细化晶粒，一定程度上抑制共面滑移，从而控制各向异性。添加Ti最多0.15重量％，下限可选0.1重量％；添加Zr最多0.15重量％，下限可选0.08重量％。
本发明至少含Cr或者V或者Ce中的一种元素，其含量最多0.15重量％，下限可选0.02重量％。
余量为铝、不超过0.15重量％Si、不超过0.15重量％Fe、不超过0.15重量％其它杂志元素。
本发明的铝锂合金以下制备方案：
(1)感应熔炼：
将不含Li、Ti和Zr的合金的化学成分按照质量百分比进行称量后放入感应熔炼炉内，通电加热熔化原料。将锂用铝箔包好放入另外一个氩气保护的感应熔炼炉内，通电后加热至740℃熔化。
(2)精炼除气：
将不含锂的铝合金和纯锂在氩气保护的气氛下，导流至除氢室，通入氩气除气，同时将Ti、Zr以中间钛硼细化剂合金的形式加入，加热维持温度的同时，对熔体进行过滤除渣。
(3)半连续铸造：
将除气、除渣，充分搅拌之后的铝锂合金溶液送至半连续铸造台进行浇铸，通过表面激冷，得到圆形铸锭。
(4)铸锭均匀化：
将铸锭表面进行加工，去除氧化皮，将扒皮之后的铸锭进行分级均匀化，均匀化温度为480℃到520℃之间。
(5)挤压变形：
将原锭进行挤压变形，变形温度维持在480℃。
(6)固溶热处理：
将热加工之后的棒材进行加热保温水冷。
(7)预变形：
将水冷之后的棒材进行较直拉伸，拉伸量不低于2％。
(8)时效热处理：
将较直之后的型材进行多级时效热处理，产生最终回火如T8回火，从而获得航空零部件所需的最佳强度、韧性、耐腐蚀综合性能。时效热处理温度可选120～205℃，时间为2～60小时。
本发明与现有技术相比(与美国铝业常用挤压铝合金2099相比)，具备以下优点:
(1)强度提高10％以上；
(2)韧性提高10％以上；
(3)疲劳性能、耐应力腐蚀均有所提高。
附图说明
图1为本发明的Mg-Li化学成分区间与其它铝锂合金的成分区间比较。
图2为本发明的Cu-Mg化学成分区间与其它铝锂合金的成分区间比较。
图3为本发明的铝锂合金的微观组织结构：(a)光学照片；(b)电镜照片。
图4为本发明的铝锂合金的力学性能与延展率与其它合金的比较。
图5为本发明的铝锂合金的断裂韧性与其它合金的比较。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来详述本发明，但不作为对本发明专利的限定。
实施例1
(1)感应熔炼：
将不含Li、Ti和Zr的合金的化学成分按照质量百分比进行称量后放入感应熔炼炉内，通电加热熔化原料。将锂用铝箔包好放入另外一个氩气保护的感应熔炼炉内，通电后加热至740℃熔化。
(2)精炼除气：
将不含锂的铝合金和纯锂在氩气保护的气氛下，导流至除氢室，通入氩气除气，同时将Ti、Zr以中间钛硼细化剂合金的形式加入，加热维持温度的同时，对熔体进行过滤除渣。
(3)半连续铸造：
将除气、除渣，充分搅拌之后的铝锂合金溶液送至半连续铸造台进行浇铸，通过表面激冷，得到圆形铸锭。
(4)铸锭均匀化：
将铸锭表面进行加工，去除氧化皮，将扒皮之后的铸锭进行分级均匀化，均匀化温度为480℃到520℃之间。
(5)挤压变形：
将原锭进行挤压变形，变形温度维持在480℃。
(6)固溶热处理：
将热加工之后的棒材进行加热保温水冷。
(7)预变形：
将水冷之后的棒材进行较直拉伸，拉伸量不低于2％。
(8)时效热处理：
将较直之后的型材进行多级时效热处理，产生最终回火如T8回火，从而获得航空零部件所需的最佳强度、韧性、耐腐蚀综合性能。时效热处理温度可选120～205℃，时间为2～60小时。
Claims (16)
1.用于提供保护性气氛的铝锂合金输送和铸造方法，以及设备结构：
一种变形铝合金产品，该产品包括；
约3.5重量％至约4.0重量％Cu；
约1.5重量％至约2.0重量％Li；
约0.5重量％至1.0重量％Mg；
约0.5重量％至1.0重量％Zn；
不超过0.5重量％Mn；
以及0.1-1.0重量％Ti、Zr、Cr、V、Ce等元素；和
余量为铝、不超过0.15重量％Si、不超过0.15重量％Fe、不超过0.15重量％其它杂志元素。
2.根据权利要求1的变形铝合金产品，该产品包含至少3.8重量％Cu。
3.根据权利要求2的变形铝合金产品，该产品包含至少0.7重量％Mg。
4.根据权利要求3的变形铝合金产品，该产品包含至少0.7重量％Zn。
5.根据权利要求1的变形铝合金产品，该产品包含不大于1.8重量％Li。
6.根据权利要求5的变形铝合金产品，该产品包含不大于1.7重量％Li。
7.根据权利要求1的变形铝合金产品，其中该变形铝合金产品通常通过以下步骤加工制造：
(a)铸造具有权利要求1化学成分的铸锭，或者喷射成形具有权利要求1化学成分的圆锭；
(b)将铝锂合金锭通过挤压、锻造等热加工，形成中间合金产品；
(c)在加工步骤(b)之后，对产品进行固溶热处理(SHT)并且固溶后立即进行淬火，迅速冷却到室温；
(d)在固溶热处理步骤(c)之后，采用拉伸或者压缩的方式释放残余应力；
(e)在步骤(d)预变形之后，进行冷加工成最终产品形状；
(f)在冷加工步骤(e)之后，在约155℃的温度下进行人工时效，人工时效时间不超过64小时。
8.根据权利要求7的变形铝合金产品，其中步骤(d)预变形量在2.0％以上。
9.根据权利要求8的变形铝合金产品，其中权利7中步骤(e)冷加工的变形量不超过0.05％。
10.根据权利7的变形铝合金产品，其中整个变形产品的强度差异不超过60MPa。
11.根据权利7的变形铝合金产品，其中变形铝合金产品是下列形式之一：挤压型材、锻造、拉伸、压缩产品。
12.包括如下步骤地方法：
(a)选择变形铝合金产品中的Cu、Li、Mg、Zn、Mn、Ti、Zr、Fe、Si、Ag等的量，以便实现60MPa以下纵向性能差异，其中Cu、Li、Mg、Zn、Mn、Ti、Zr选自如下范围：
i.约3.5重量％至约4.0重量％Cu；
ii.约1.5重量％至约2.0重量％Li；
iii.约0.5重量％至1.0重量％Mg；
iv.约0.5重量％至1.0重量％Zn；
v.不超过0.5重量％Mn；
vi.以及0.1-1.0重量％Ti、Zr、Cr、V、Ce等元素；
(b)铸造具有所选化学成分的铸锭，余量为铝和杂质；和
(c)从铸锭制备到最终铝合金产品，最终铝合金零部件残余应力和变形量控制在保证加工精度以内；
(d)对变形铝合金进行人工时效之后，检测强度纵向差异不超过60MPa。
13.根据权利要求12的方法，其中制备步骤包括：
(a)将铸锭热加工成中间产品，获得设计的微观组织结构；
(b)在热加工步骤(a)之后，对中间合金产品进行固溶热处理(SHT)和淬火；
(c)在固溶热处理步骤(b)之后，对中间合金进行残余应力消除预拉伸或者预压缩，变形量不低于2.0％；
(d)在预变形步骤(c)之后，对变形铝合金产品进行冷加工成最终形状；
(e)在冷加工步骤(d)之后，对变形铝合金进行人工时效。
14.根据权利要求13所述的方法，其中冷加工包括：切割、拉伸、压延等。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述选择步骤包括选择Cu、Li、Mg、Zn、Mn等含量，在约155℃的温度下不超过64小时的人工时效或者基本上等效的人工时效操作，实现变形铝合金产品的强度差异不超过60MPa。
16.根据权利要求13的方法，固溶热处理(SHT)不超过8小时，人工时效不超过64小时。
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