CN111363961A - 一种含Er高Li的轻质低成本高强韧铝锂合金 - Google Patents

Abstract

一种含Er高Li的轻质低成本高强韧铝锂合金，各元素按质量百分比配比如下:Li：1.5％～3.0％，Cu：2.0％～3.5％，Mg：0.35％～0.85％，Zn：0.10％～0.40％，Zr：0.05％～0.20％，Er：0.05％～0.50％，Mn≤0.50％，Ti≤0.15％，Cr≤0.10％；杂质元素总含量≤0.15%；余量为Al。本发明通过提高Li元素含量获得更好的减重效果，并增加铝锂合金中主要强化相δ′（Al₃Li）和T₁（Al₂CuLi）的在时效过程中析出数量，能大幅度提高合金强度;添加稀土元素Er，可在熔炼阶段精华溶体提高材料纯净度，并细化铸态组织晶粒，增加合金韧性。

Description

一种含Er高Li的轻质低成本高强韧铝锂合金

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种含Er高Li的轻质、低成本、高强韧新型铝锂合金。

技术背景

当前航天航空领域对减重迫切性已达到“克克计较”，从结构设计减重到原材料替换减重均在不断研究尝试，因此复合材料、镁合金、铝合金等轻质材料在新一代航天航空飞行器的研制中也在不断竞争和相互替代。将Li元素添加进铝合金后，就形成铝锂合金，并且每添加1%的Li可以降低合金密度3%、提高弹性模量6%。铝锂合金凭借强度媲美常规2系/7系高强铝合金但密度更低、更耐腐蚀抗疲劳，比复合材料气动性更好、防腐能力更强、成本更低，比镁合金更耐腐蚀、不易燃烧且成型性能更好，被全球公认是航天航空领域最理想轻质结构材料之一，在高铁、舰船等追求轻量化领域也存在巨大应用前景。

铝锂合金在国外研究和开发已经历3个阶段，第一代和第二代铝锂合金由于Li含量较高导致材料塑韧性差以及各向异性明显等问题而未大规模使用，因此第三代铝锂合金将Li元素降到1.8%以下并增加高成本元素Ag、Sc等元素进行强韧化，使得铝锂合金具备高强高韧可焊的良好性能。目前第三代铝锂合金已有20多种铝锂合金实现规模化生产应用，逐步替代传统2系/7系高强铝合金，包括美国Weldalite049系列的2195、2197、2198和俄罗斯1460等，大量使用在军用飞机和民用客机的机身蒙皮、框架、下腹装甲板、地板梁等以及航天飞行器的燃料贮箱、载荷舱外壳等。为满足航天航空工业新的需要，美国、欧盟、俄罗斯等企业和科研院所已着手开发质量更轻、强度更高、成本更低***铝锂合金。

发明内容

针对上述技术背景，本发明所要解决的技术问题是提供一种新型铝锂合金，通过添加成本较低稀土元素Er、增高减重元素Li并调控Cu、Mg、Zn合金元素比例，使其具有轻质、低成本、高强、高韧的特点。

本发明通过以下技术方案实现的：

一种含Er高Li的轻质低成本高强韧铝锂合金，其特征在于：该铝锂合金各元素按质量百分比配比如下:

Li：1.5％～3.0％;

Cu：2.0％～3.5％;

Mg：0.35％～0.85％;

Zn：0.10％～0.40％;

Zr：0.05％～0.20％;

Er：0.05％～0.50％;

Mn≤0.50％;

Ti≤0.15％;

Cr≤0.10％；

杂质元素总含量≤0.15%；余量为Al。

所述杂质元素的质量分数为:H≤0.0001％，Na+K+Ca≤0.0003％，Si≤0.05％，Fe≤0.08％，其它杂质单个≤0.05％，其它杂质总量≤0.10％。

所述铝锂合金的密度≤2.6 g/cm³，抗拉强度σ_b≥590MPa，屈服强度σ_0.2≥460MPa，伸长率δ≥8%，弹性模量E≥70GPa。

采用上述技术方案的有益效果:

本发明通过提高Li元素含量获得比当前应用广泛第三代铝锂合金（Li≤1.8%）更好的减重效果，并增加铝锂合金中主要强化相δ′（Al₃Li）和T₁（Al₂CuLi）的在时效过程中析出数量，能大幅度提高合金强度;添加稀土元素Er，一方面可以在熔炼阶段精华溶体提高材料纯净度，并细化铸态组织晶粒，增加合金韧性；另一方面促进析出细小强化相δ′（Al₃Li）和T₁（Al₂CuLi）以及少量Al₃Er提高合金基体强度并细化晶粒，能同时提高材料强度和韧性，强韧化效果可比拟高成本稀土元素Sc；另外采用成本更低稀土元素Er代替当前第三代高强高韧铝锂合金普遍添加的高成本合金元素Sc或Ag，使得本发明铝锂合金材料可获得更好的经济效益。因此，本发明在航天航空等领域的轻量化结构件产业化批量制造方面拥有巨大研发应用前景。

附图说明

图1为本发明实施新型轻质高强高韧铝锂合金的铸锭。

图2为本发明实施新型轻质高强高韧铝锂合金铸锭金相照片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例一：

一种含Er高Li的轻质低成本高强韧铝锂合金，各元素按质量百分比配比如下:

Li：2.8％，Cu：3.3％，Mg：0.65％，Zn：0.35％，Zr：0.15％，Er：0.15％，Mn：0.15％，Ti：0.11％，Cr：0.03％；余量为Al。熔炼制备后锻造和热处理，然后取样检测密度和拉伸力学性能。经测试，本实施例铝锂合金的密度2.51g/cm³，抗拉强度σ_b达到628MPa，屈服强度σ_0.2为492MPa，伸长率δ为9.5%，到达轻质、高强、高韧效果。

实施例二：

一种含Er高Li的轻质低成本高强韧铝锂合金，各元素按质量百分比配比如下:

Li：2.1％，Cu：3.0％，Mg：0.52％，Zn：0.35％，Zr：0.11％，Er：0.13％，Mn：0.15％，Ti：0.10％，Cr：0.03％；余量为Al；熔炼制备后取样检测密度和拉伸力学性能。经测试，本实施例铝锂合金的密度2.59g/cm³，抗拉强度σ_b达到602MPa，屈服强度σ_0.2为470MPa，伸长率δ为11.0%，到达轻质、高强、高韧效果。

本发明通过添加成本较低稀土元素Er、增高减重元素Li并调控Cu、Mg、Zn等合金元素比例，可制备一种密度≤2.6 g/cm³（相比大部分三代铝锂合金更轻），抗拉强度σ_b≥590MPa，屈服强度σ_0.2≥460MPa，伸长率δ≥8%，弹性模量E≥70GPa的新型轻质、低成本、高强韧的新型铝锂合金，在航天航空等领域轻量化结构件产业化批量制造拥有巨大的应用前景。

Claims (3)

1.一种含Er高Li的轻质低成本高强韧铝锂合金，其特征在于：该铝锂合金各元素按质量百分比配比如下:

Li：1.5％～3.0％;

Cu：2.0％～3.5％;

Mg：0.35％～0.85％;

Zn：0.10％～0.40％;

Zr：0.05％～0.20％;

Er：0.05％～0.50％;

Mn≤0.50％;

Ti≤0.15％;

Cr≤0.10％；

杂质元素总含量≤0.15%；余量为Al。

2.根据权利要求1所述的铝锂合金，其特征在于：所述杂质元素的质量分数为:H≤0.0001％，Na+K+Ca≤0.0003％，Si≤0.05％，Fe≤0.08％，其它杂质单个≤0.05％，其它杂质总量≤0.10％。

3.根据权利要求1所述的铝锂合金，其特征在于：所述铝锂合金的密度≤2.6 g/cm³，抗拉强度σ_b≥590MPa，屈服强度σ_0.2≥460MPa，伸长率δ≥8%，弹性模量E≥70GPa。

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