CN103014391B - 一种改善2618铝合金显微组织的合金制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于铝合金材料制备领域，特别涉及一种改善2618铝合金显微组织的合金制备方法，包括细化2618铝合金铸态晶粒组织和改善铸态组织形貌。本发明所采取的技术方案是：向铝合金熔体中加入一定量润湿性好的Al-90Cu（Al-90wt%Cu）合金粉末以替代传统铸造过程中使用的Al-Cu中间合金，通过严格控制铝合金液温度和搅拌时间，使粉末刚刚溶解时立即对其进行近液相线铸造，以得到晶粒细小、枝晶减少的2618铝合金。

Description

一种改善2618铝合金显微组织的合金制备方法

技术领域

本发明属于铝合金材料制备领域，特别涉及一种改善2618铝合金显微组织的合金制备方法，包括细化2618铝合金铸态晶粒组织和改善铸态组织形貌。

背景技术

2618铝合金属于Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热锻铝，人工时效过程析出的半共格的S`(Al₂CuMg)相是该合金的主要强化相，少量同比例的Fe、Ni的加入能形成金属间化合物如Al₉FeNi，有效地控制了晶粒的尺寸和位错的运动，进一步提高了该合金的室温和高温性能，广泛应用于汽车制造业以及航空、航天等领域。

随着科学技术和航空事业的发展对2618铝合金的组织和性能提出了更高的要求，而熔铸出具有细小等轴晶粒组织的合金是提高该合金室温以及较高温度下使用性能的关键之一；细化铝合金基体晶粒的方法主要可分为两种：一是通过控制和调节合金成分、冷却速度、浇注温度来达到细化晶粒的目的即凝固细晶；二是通过添加形核剂或微合金化的方法引入大量外来异质的形核质点来得到细小的晶粒即变质细晶；凝固细晶通常通常要借助于一定外加的电场、磁场、机械场的作用，对设备要求较高，成本增加；而变质细晶对变质剂的加入量，熔体温度通常有严格的要求和控制，不但增加成本且工艺复杂，甚至会因为外来质点的加入带来夹杂物颗粒，若控制不当将严重恶化合金的性能；专利申请人曾经将Al-90Cu合金粉加入压铸锌合金中形成增强相，从而制备出具有良好综合性能的锌合金基复合材料。

在采用熔铸法制备铝合金时，传统的方法是以各种中间合金的形式加入所需要的合金元素；由于中间合金中金属间化合物呈比较粗大的形态，且有较大的成分偏析，因此采用这种中间合金熔制铝合金时将会产生不良的组织遗传性，使得到的铝合金组织中枝晶比较发达、晶粒比较粗大；为此，寻找一种新的中间合金的加入方法取代传统的中间合金加入方法，在保证2618铝合金的主要成分基础上、制备出铸态晶粒组织细小的2618铝合金，具有很重要的实际应用价值，也是铝合金制备方法上的一个重要创新。

发明内容

2618铝合金熔铸过程中使用的普通Al-Cu中间合金存在金属间化合物粗大，成分偏析较大的问题；因此，采用这种中间合金熔制2618铝合金时将会产生不良的组织遗传性，使该铝合金铸态组织枝晶发达、晶粒比较粗大。

本发明中使用Al-90Cu合金粉代传统铸造时使用的普通Al-Cu中间合金，由于合金粉末是采用雾化制粉的方法制备的，因此中间合金组织非常细小，成分非常均匀，采用这种中间合金制备2618合金将得到很好的效果。

本发明采用的Al-Cu合金粉末的颗粒尺寸为100目，控制其加入量使2618合金中Cu元素的含量为1.9-2.5wt.%；将合金粉加入铝合金液后严格控制搅拌时间在60S以内，使其刚好融化时便在2618合金的液相线温度以上20-40℃进行铸造，可使2618铝合金基体晶粒尺寸控制在15-20um，且其铸造组织由原来的粗大枝晶变为趋于等轴的均匀组织，大部分枝晶消失。

该发明的原理是：采用Al-90Cu合金粉末替代Al-Cu中间合金锭加入铝合金熔体中，在保证2618铝合金成分不变的的基础上、引入了大量的微型粉末起到微型冷铁的作用；由于粉末微型冷铁在溶解过程中造成了较大成分起伏和温度起伏，能促进大量结晶核心的形成、减少树枝晶的形成，最终达到细化铝合金铸件凝固组织的目的。

本发明的目的是，提出一种改善2618铝合金显微组织的合金制备方法以解决传统细晶铸造时对外加场的依赖以及变质剂的加入带来的不必要的外来夹杂颗粒问题，也可以避免采用普通中间合金存在的粗大组织和成分偏析的不良遗传性问题，旨在提供一种晶粒细化效果好、作用快、操作方便的改善2618铝合金显微组织的合金制备方法。

本发明所采取的技术方案是：向铝合金熔体中加入一定量润湿性好的Al-90Cu（Al-90wt%Cu）合金粉末以替代传统铸造过程中使用的Al-Cu中间合金，通过严格控制铝合金液温度和搅拌时间，使粉末刚刚溶解时立即对其进行近液相线铸造，以得到晶粒细小、枝晶减少的2618铝合金。

一种改善2618铝合金显微组织的合金制备方法，包括如下步骤：

A．采用坩埚电阻炉预热石墨坩埚至红热状态，然后升温至720-750℃将工业纯铝、Al-10wt.%Fe、Al-10wt.%Ni及Al-25wt.%Mg中间合金完全熔化。

B．搅拌合金液并在合金液表面加盐类覆盖剂防止氧化烧损，净化精炼熔体、静置，直至控制熔体温度在液相线以上30-50℃。

C. 往熔体中均匀地加入Al-90Cu合金粉，严格控制搅拌时间在60S以内，迅速搅拌使粉末刚刚溶解便立即浇铸，使铝合金液的浇铸温度保持在液相线以上20-40℃。

所述A步骤中预热石墨坩埚至红热状态的温度为540~560℃。

所述B步骤中的盐类覆盖剂为30wt%%NaCl+47 wt%%KCl+23 wt%Na₃AlF₆的固体混合物，用于防止熔体的吸气氧化烧损，吸附铝熔体中的氧化物净化熔体。

所述B步骤中液相线温度采用DSC（示差扫描量热法）测定为638℃，控制熔体温度在液相线以上30-50℃，即使熔体温度控制在668-688℃。

所述C步骤中的Al-90Cu合金粉颗粒尺寸为100目以替代传统铸造时使用的Al-Cu中间合金，浇铸温度控制在液相线温度以上20-40℃：658℃-678℃。

所述C步骤中严格控制搅拌时间在60S内，增加合金粉末被铝合金液溶解后的成分不均匀性，保持合金液中有较大的成分起伏和浓度起伏，充分发挥合金粉末的微型冷铁作用，增加凝固晶核的数量，从而细化铝合金的晶粒组织。

本发明中Al-90wt.%Cu合金粉末加入量为2618铝合金总量的2.11 wt%~.2.78

wt%，从而使2618合金中Cu元素的含量为1.9 -2.5wt.%。

本发明的优点是：采用Al-90wt.%Cu合金粉替换Al-Cu中间合金制备2618铝合金，能减少合金中粗大树枝晶的形成、得到均匀细小的近似等轴的晶粒组织，该合金组织经480℃+24h的均匀化处理以后仍能较好的保持，这对改善2618铝合金的冷热加工性能、成品质量及其使用性能都是非常重要的。

附图说明

图1是颗粒度为100目的Al-90Cu合金粉的SEM照片，从图中可以看出粉末都是以粒状或长条状的形式存在的，平均粒度大概是100μm。

图2是采用传统Al-50wt.%Cu中间合金熔炼，不同温度下浇铸得到的2618铝合金试样的显微组织照片，随着浇铸温度从720℃降到660℃，铝合金基体晶粒组织有所细化，但细化效果不明显，随着浇铸温度的降低，铸造组织中粗大枝晶明显减少，平均晶粒尺寸为30um左右。

    图3是采用本发明方法制备的不同Cu含量的2618铝合金试样的显微组织照片，采用的浇铸温度为660℃；随着Cu含量的增加铝合金基体晶粒有逐渐减小的趋势，较实施方案一在相同温度下浇铸所制备的合金，基体晶粒组织明显细化，平均晶粒尺寸在15-20um，只有少量的树枝晶留存下来。

图4是采用本发明方法制备的不同Cu含量的2618铝合金试样的显微组织照片，但其浇注温度为720℃，作为对比试验研究浇注温度对合金凝固组织的影响；随着Cu含量的增加，铝合金基体晶粒有逐渐减小的趋势，与实施方案一在相同温度下浇铸所制备的合金比较，基体晶粒组织明显细化；但是和实施方案二比较，晶粒尺寸稍有长大且多为柱状树枝晶。

图5是采用实施方案一、二、三制备的合金试样经480℃+24h的均匀化处理后的SEM照片；经均匀化退火后的试样与原始铸态相比晶界处第二相明显减少，只留下高温下较稳定的Al₉FeNi相，晶界变得断断续续，并且由于高温下原子扩散较快，细小晶粒合并长大使合金的晶粒尺寸有所增加；与传统方法所制备的2618铝合金比较，在相同的浇铸温度下，采用本发明方法制备的2618合金在均匀化处理以后仍然保留着细小晶粒组织的优势，并随着合金粉末量的增加、晶粒细化的程度增加。

图5(a) 660℃、中间合金、4.6%表示其浇注温度为660℃，采用Al-Cu中间合金制备方法、中间合金的加入量为质量分数4.6%；其他(b)-(h)图的表示方法与(a)相同分别注明其浇注温度，浇铸方式以及中间合金或合金粉末的加入质量分数。

具体实施方式

实施方案一：采用传统Al-50wt%Cu中间合金熔炼制备2618铝合金，设计成分为2.3Cu-1.6Mg-1.1Fe-1.1Ni-Bal.Al (质量分数)，则中间合金的加入量为4.6wt.%；首先采用坩埚电阻炉预热石墨坩埚至红热状态（550℃），然后升温至720-750℃将工业纯铝(99.7wt.%Al)、Al-50wt.%Cu、Al-10wt.%Fe、Al-10wt.%Ni和Al-25wt.%Mg中间合金完全融化，搅拌使其混合均匀，静置控制合金熔体的温度分别在660℃和720℃进行浇铸。

实施方案二：采用Al-90Cu（Al-90wt%Cu）合金粉末作为2618铝合金中Cu元素的来源，设计成分为1.9-2.5Cu-1.6Mg-1.1Fe-1.1Ni-Bal.Al，Cu含量分别为1.9%、2.3%、2.5%(质量分数)；首先采用坩埚电阻炉预热石墨坩埚至红热状态（540℃），然后升温至720-750℃将工业纯铝、Al-10wt.%Fe、Al-10wt.%Ni和Al-25wt.%Mg中间合金完全融化，搅拌使其混合均匀，静置控制合金熔体的温度在668-688℃，分别加入2.11 wt.%、2.56、2.78wt.%的合金粉，迅速搅拌至粉末完全融化并严格控制搅拌时间在60S以内，立即浇铸到预热到150℃腔洞尺寸为φ12×120mm的钢模中，浇注温度为660℃。

实施方案三：该方案是作为对比而采用的方案。采用Al-90Cu（Al-90wt%Cu）合金粉末作为2618铝合金中Cu元素的来源，设计成分为1.9-2.5Cu -1.6Mg-1.1Fe

-1.1Ni-Bal.Al，Cu含量分别为1.9%、2.3%、2.5%(质量分数)；首先采用坩埚电阻炉预热石墨坩埚至红热状态（560），然后升温至720-750℃将工业纯铝(99.7wt.%Al)、Al-10wt.%Fe、Al-10wt.%Ni和Al-25wt.%Mg中间合金完全融化，搅拌使其混合均匀，静置控制合金熔体的温度在730-750℃，分别加入2.11 wt.%、2.56、2.78wt.%的的合金粉，迅速搅拌至粉末完全融化并严格控制搅拌时间在60S以内，立即浇铸到预热到150℃腔洞尺寸为φ12×120mm的钢模中，浇注温度为720℃。

实施方案四：实施方案一、二、三所制备的全部合金铸锭，切取一组试样在480℃下均匀化处理24小时后直接投入室温的水中进行淬火，将均匀化的组织保留到室温进行显微组织的观察。

Claims (5)

1.一种改善2618铝合金显微组织的合金制备方法，包括如下步骤：

（A）采用坩埚电阻炉预热石墨坩埚至红热状态，然后升温至720-750℃将工业纯铝、Al-10wt%Fe、Al-10wt%Ni及Al-25wt.%Mg中间合金完全熔化；

（B）搅拌合金液并在合金液表面加盐类覆盖剂防止氧化烧损，净化精炼熔体、静置，直至控制熔体温度在液相线以上30-50℃；

（C）往熔体中均匀地加入采用雾化制粉的方法制备的Al-90 wt%Cu合金粉，严格控制搅拌时间在60s以内，迅速搅拌使粉末刚刚溶解便立即浇铸，使铝合金液的浇铸温度保持在液相线以上20-40℃；

所述C步骤中Al-90wt.%Cu合金粉末加入量为2618铝合金总量的2.11 wt%~2.78wt%，使2618合金中Cu元素的含量为1.9 -2.5wt%。

2.如权利要求1所述的一种改善2618铝合金显微组织的合金制备方法，其特征在于：所述A步骤中预热石墨坩埚至红热状态的温度为540~560℃。

3.如权利要求1所述的一种改善2618铝合金显微组织的合金制备方法，其特征在于：所述B步骤中的盐类覆盖剂为30wt%NaCl+47 wt%KCl+23 wt%Na₃AlF₆的固体混合物，用于防止熔体的吸气氧化烧损，吸附铝熔体中的氧化物净化熔体。

4.如权利要求1所述的一种改善2618铝合金显微组织的合金制备方法，其特征在于：所述B步骤中液相线温度采用示差扫描量热法测定。

5.如权利要求1所述的一种改善2618铝合金显微组织的合金制备方法，其特征在于：所述C步骤中的Al-90Cu合金粉颗粒尺寸为100目。