CN113528876A - 通过Gd微合金化提高耐热铝合金室温和高温强度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属材料及制备的技术领域，公开了一种通过Gd微合金化细化时效析出耐热相粒子和抑制耐热相粒子高温粗化来提高耐热铝合金室温和高温强度的方法。制备方法为：将上述中间合金锭按所需成分比例称取，在电阻炉中熔化，静置、精炼处理后浇注在金属模具或砂型中进行成形。熔炼过程中为了减小烧损，确保合金成分的准确性，需按一定顺序加入不同中间合金锭，最后加入Al‑(2‑10)wt.％Gd中间合金锭。将成形后的Gd微合金化耐热铝合金在热处理炉中进行固溶+人工时效处理，即可获得一种具有优异常温和高温力学性能的耐热铝合金。通过本发明方法所制备的高强耐热铝合金具有优异的室温和高温力学性能，制备工艺简单。

Description

通过Gd微合金化提高耐热铝合金室温和高温强度的方法
技术领域
本申请属于金属材料及其制备技术，特别是涉及一种通过Gd微合金化提高耐热铝合金室温和高温强度的方法。
背景技术
铸造铝合金因具有优异的铸造性能、耐腐蚀性能、高强度、低密度等优点而被广泛运用于汽车等领域。但随着温度的提高铝合金的力学性能显著下降，限制了铝合金在某些领域的运用，例如，铝合金运用在汽车发动机缸盖上需要承受300℃以上的高温。所以为了进一步推广铝合金的运用，科研人员通过不同的方法来开发新型耐热铝合金，提高铝合金在高温条件下的力学性能。
Cu作为铝合金中常见的强化元素，添加到铝合金中并结合相应的热处理工艺，即可获得高强度。但这种高强度只能维持到225℃，因为当温度超过225℃，含Cu铝合金中的主要析出强化相θ″和θ′相会发生粗化或转化成稳定的θ相，材料的强度迅速降低。目前科研人员主要通过添加副主族元素(如，Mn、Fe、Ni等)来形成尺寸较大的凝固结晶耐热相或添加贵金属元素(如，Sc、Zr等)来形成固溶沉淀耐热相来提高铝合金的耐热性能，并取得一些成果。但，添加副主族元素形成的凝固结晶耐热相，尺寸较大，对高温强度的提升有限，同时还显著降低合金的塑性以及室温下的强度。而添加贵金属元素虽能提高合金高温性能，但成本较高，并且受固溶度的影响，析出相的数密度很难提高，相应的材料的力学性能提升幅度有限。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术中存在的技术问题，本申请提供了一种通过Gd微合金化提高耐热铝合金室温和高温强度的方法。
技术方案：本申请所述的一种通过Gd微合金化提高耐热铝合金室温和高温强度的方法，包括以下步骤：
(1)用商用中间合金锭为原料配制含Gd的耐热铝合金金属块体；
(2)将步骤(1)配制的商用中间合金锭放置于电阻炉内，加热到620～680℃熔化，升温至760～800℃静置30～60min，降温至715～725℃进行精炼处理，待温度稳定在720℃后浇注；
(3)将步骤(2)中熔炼的合金铸锭，在热处理炉中进行固溶处理，然后取出水淬至常温；
(4)将步骤(3)中固溶处理后的合金锭，在热处理炉中进行人工时效处理，即制备出Gd微合金化的高强耐热铝合金。
本申请通过Gd微合金化细化Al-Si-Cu或Al-Cu耐热铝合金中的时效析出耐热相粒子，并提高时效析出耐热相粒子的高温抗粗化能力，合金在时效过程中显著降低析出相粒子尺寸，并提高析出相密度，从而同时提高Al-Si-Cu或Al-Cu耐热铝合金常温和高温力学性能。
优选的，步骤(1)中，配制所得耐热铝合金金属块体中成分Gd的质量百分含量为0.02-0.2％。
优选的，为了减少Gd的烧损量，步骤(2)中，先加入除含Gd的中间合金以外的商用中间合金锭熔化精炼，再加入含Gd的中间合金熔化精炼。
进一步的，步骤(1)中，所述商用中间合金锭包括Al-(10-20)wt.％Si、Al-(10-20)wt.％Cu、Al-(2-10)wt.％Gd、工业纯铝以及其他添加元素的中间合金锭。
更进一步的，步骤(2)优选为：将步骤(1)配制的工业纯铝和Al-(10-20)wt.％Si、Al-(10-20)wt.％Cu中间合金金属块体放置于电阻炉内，加热到620～680℃熔化，升温至760～800℃静置30～60min，降温至715～725℃进行精炼处理，待温度稳定后，依次加入其他中间合金锭，最后放入Al-(2-10)wt.％Gd中间合金，温度再次稳定在720℃时进行浇注。
步骤(2)中，浇注模具为250℃下保温3h以上的金属模具或室温状态下的砂型。
优选的，固溶处理是为了将Cu和Gd固溶到基体中，步骤(3)中，所述固溶处理是指温度设定为480℃～520℃，保温3h～15h。
优选的，人工时效处理是为了促进含Cu和Gd耐热相的析出，步骤(4)中，所述人工时效处理是指温度设定为150℃～200℃，保温5h～15h，然后取出空冷至常温。
有益效果：相比较于现有技术，(1)本申请Gd微合金化提高耐热铝合金室温和高温强度的制备方法，仅需要质量百分含量0.2％以下的Gd的添加量即可显著提高Al-Si-Cu或Al-Cu耐热铝合金的室温和高温力学性能；(2)本申请所提供的制备方法能显著细化时效析出强化相粒子，提高析出相数密度，并提高时效析出相粒子在高温下的抗粗化能力；(3)本申请所制备的Gd微合金化高强耐热铝合金具有较高的室温和高温力学性能；(4)本申请材料的制备方法为电阻炉熔炼，热处理工艺为固溶+人工时效，制备过程简单。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本申请作出详细说明。
实施例1
1.合金的成分设计及制备
设计含Al-Si-Cu的耐热铝合金的成分为Al-12wt.％Si-5wt.％Cu作为基准合金，同时向Al-12wt.％Si-5wt.％Cu耐热铝合金中添加0.2wt.％的Gd制备出Gd微合金化高强耐热铝合金作为对比合金。制备相同条件下的Al-12wt.％Si-5wt.％Cu耐热铝合金是为了体现Gd的加入对Al-Si-Cu耐热铝合金的影响，不在本发明保护范围内。
一种Gd微合金化的高强耐热铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照合金设计成分中的质量百分比配制含Al、Si、Cu、Gd的中间合金块体；
(2)将步骤(1)配制的工业纯铝、Al-20wt.％Si和Al-20wt.Cu％中间合金金属块体放置于电阻炉内，打开电源，加热到720℃熔化，升温至760℃静置30min，降温至720℃进行精炼处理，待温度稳定在720℃后，放入Al-10wt.％Gd和Al-10wt.％Sr中间合金。温度再次稳定在720℃时进行浇注，浇注模具为250℃下保温3h以上的金属板状模具；
(3)将步骤(2)中熔炼的合金铸锭，在热处理炉中进行固溶处理，温度设定为510℃，保温5h，然后取出水淬至常温；
(4)将步骤(3)中固溶处理后的合金锭，在热处理炉中进行人工时效处理，温度设定为165℃，保温6h，然后取出空冷至常温，即可制备出一种Gd微合金化的高强耐热铝合金。
2.合金的室温和高温力学性能表征
室温和高温准静态拉伸性能
在板状合金铸锭远离浇道口处使用线切割切割出标距为18mm，横截面积为3*3mm2的拉伸实验样品，用砂纸将拉伸试样表面打磨平整。在CTM5105电子万能试验机(高低温)上进行室温和350℃下高温拉伸测试，加载速率为1.00mm/min。每组合金至少进行3组实验，获得合金的室温和350℃高温下的拉伸性能。实验所获得的力学性能如表1所示。
表1
Figure BDA0003147936710000031
3实验结果：
按照所设计的成分熔炼出的Gd微合金化的高强耐热铝合金在经过相应的固溶和人工时效处理后，合金的室温和350℃高温下的力学性能显著提升。
实施例2
1.合金的成分设计及制备
设计含Al-Cu-Si耐热铝合金的成分为Al-4wt.％Cu-0.5wt.％Si作为基准合金，同时向Al-4wt.％Cu-0.5wt.％Si耐热铝合金中添加0.1wt.％的Gd制备出Gd微合金化高强耐热铝合金作为对比合金。制备相同条件下的Al-4wt.％Cu-0.5wt.％Si耐热铝合金是为了体现Gd的加入对Al-Cu-Si耐热铝合金的影响，不在本发明保护范围内。
一种Gd微合金化的高强耐热铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照合金设计成分中的质量百分比配制含Al、Si、Cu、Gd的中间合金块体；
(2)将步骤(1)配制的工业纯铝、Al-20wt.％Si和Al-20wt.Cu％中间合金金属块体放置于电阻炉内，打开电源，加热到720℃熔化，升温至760℃静置30min，降温至720℃进行精炼处理，待温度稳定在720℃后，放入Al-10wt.％Gd中间合金。温度再次稳定在720℃时进行浇注，浇注模具为250℃下保温3h以上的金属板状模具；
(3)将步骤(2)中熔炼的合金铸锭，在热处理炉中进行固溶处理，温度设定为515℃，保温6h，然后取出水淬至常温；
(4)将步骤(3)中固溶处理后的合金锭，在热处理炉中进行人工时效处理，温度设定为165℃，保温5h，然后取出空冷至常温，即可制备出一种Gd微合金化的高强耐热铝合金。
2.合金的室温和高温力学性能表征
室温和高温准静态拉伸性能
在板状合金铸锭远离浇道口处使用线切割切割出标距为18mm，横截面积为3*3mm2的拉伸实验样品，用砂纸将拉伸试样表面打磨平整。在CTM5105电子万能试验机(高低温)上进行室温和300℃下高温拉伸测试，加载速率为1.00mm/min。每组合金至少进行3组实验，获得合金的室温和300℃高温下的拉伸性能。实验所获得的力学性能如表2所示。
表2
Figure BDA0003147936710000041
3实验结果：
按照所设计的成分熔炼出的Gd微合金化的高强耐热铝合金在经过相应的固溶和人工时效处理后，合金的室温和300℃高温下的力学性能显著提升。
实施例3
1.合金的成分设计及制备
设计含Al-Cu耐热铝合金的成分为Al-4wt.％Cu作为基准合金，同时向Al-4wt.％Cu耐热铝合金中添加0.2wt.％的Gd制备出Gd微合金化高强耐热铝合金作为对比合金。制备相同条件下的Al-4wt.％Cu耐热铝合金是为了体现Gd的加入对Al-Cu耐热铝合金的影响，不在本发明保护范围内。
一种Gd微合金化的高强耐热铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照合金设计成分中的质量百分比配制含Al、Cu、Gd的中间合金块体；
(2)将步骤(1)配制的工业纯铝和Al-20wt.Cu％中间合金金属块体放置于电阻炉内，打开电源，加热到720℃熔化，升温至760℃静置30min，降温至720℃进行精炼处理，待温度稳定在720℃后，放入Al-10wt.％Gd中间合金。温度再次稳定在720℃时进行浇注，浇注模具为250℃下保温3h以上的金属板状模具；
(3)将步骤(2)中熔炼的合金铸锭，在热处理炉中进行固溶处理，温度设定为515℃，保温6h，然后取出水淬至常温；
(4)将步骤(3)中固溶处理后的合金锭，在热处理炉中进行人工时效处理，温度设定为165℃，保温5h，然后取出空冷至常温，即可制备出一种Gd微合金化的高强耐热铝合金。
2.合金的室温和高温力学性能表征
室温和高温准静态拉伸性能
在板状合金铸锭远离浇道口处使用线切割切割出标距为18mm，横截面积为3*3mm2的拉伸实验样品，用砂纸将拉伸试样表面打磨平整。在CTM5105电子万能试验机(高低温)上进行室温和300℃下高温拉伸测试，加载速率为1.00mm/min。每组合金至少进行3组实验，获得合金的室温和300℃高温下的拉伸性能。实验所获得的力学性能如表3所示。
表3
Figure BDA0003147936710000051
3实验结果：
按照所设计的成分熔炼出的Gd微合金化的高强耐热铝合金在经过相应的固溶和人工时效处理后，合金的室温和300℃高温下的力学性能显著提升。

Claims (8)

1.一种通过Gd微合金化提高耐热铝合金室温和高温强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)用商用中间合金锭为原料配制含Gd的耐热铝合金金属块体；
(2)将步骤(1)配制的商用中间合金锭放置于电阻炉内，加热到620～680℃熔化，升温至760～800℃静置30～60min，降温至715～725℃进行精炼处理，温度稳定后浇注；
(3)将步骤(2)中熔炼的合金铸锭，在热处理炉中进行固溶处理，然后取出水淬至常温；
(4)将步骤(3)中固溶处理后的合金锭，在热处理炉中进行人工时效处理，即制备出Gd微合金化的高强耐热铝合金。
2.根据权利要求1所述的通过Gd微合金化提高耐热铝合金室温和高温强度的方法，其特征在于，步骤(1)中，配制所得耐热铝合金金属块体中成分Gd的质量百分含量为0.02-0.2％。
3.根据权利要求1所述的通过Gd微合金化提高耐热铝合金室温和高温强度的方法，其特征在于，步骤(2)中，先加入除含Gd的中间合金以外的商用中间合金锭熔化精炼，再加入含Gd的中间合金熔化精炼。
4.根据权利要求1所述的通过Gd微合金化提高耐热铝合金室温和高温强度的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述商用中间合金锭包括Al-(10-20)wt.％Si、Al-(10-20)wt.％Cu、Al-(2-10)wt.％Gd、工业纯铝以及其他添加元素的中间合金锭。
5.根据权利要求4所述的通过Gd微合金化提高耐热铝合金室温和高温强度的方法，其特征在于，步骤(2)为：将步骤(1)配制的工业纯铝和Al-(10-20)wt.％Si、Al-(10-20)wt.％Cu中间合金金属块体放置于电阻炉内，加热到620～680℃熔化，升温至760～800℃静置30～60min，降温至715～725℃进行精炼处理，待温度稳定后，依次加入其他中间合金锭，最后放入Al-(2-10)wt.％Gd中间合金，温度再次稳定在720℃时进行浇注。
6.根据权利要求1所述的通过Gd微合金化提高耐热铝合金室温和高温强度的方法，其特征在于，步骤(2)中，浇注模具为250℃下保温3h以上的金属模具或室温状态下的砂型。
7.根据权利要求1所述的通过Gd微合金化提高耐热铝合金室温和高温强度的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述固溶处理是指温度设定为480℃～520℃，保温3h～15h。
8.根据权利要求1所述的通过Gd微合金化提高耐热铝合金室温和高温强度的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述人工时效处理是指温度设定为150℃～200℃，保温5h～15h，然后取出空冷至常温。
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