CN108570580A

CN108570580A - 一种高锂含量铸造铝镁锂合金及其制备方法

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Publication number: CN108570580A
Application number: CN201810381547.9A
Authority: CN
Inventors: 史春昌; 张亮; 吴国华; 刘文才; 张小龙
Original assignee: Shanghai Jiao Tong University
Current assignee: Shanghai Jiao Tong University
Priority date: 2018-04-25
Filing date: 2018-04-25
Publication date: 2018-09-25

Abstract

本发明提供了一种高Li含量铸造铝镁锂合金及其制备方法，所述铝镁锂合金包括如下重量百分比含量的各组分：1～4wt％Mg，2.5～3wt％Li，0.15～0.2wt％Zr，0.1～0.15wt％Sc，杂质元素Fe、Na的总量小于0.1wt％，余量为Al。所述制备方法包括熔炼及热处理两个工艺，其中熔炼工艺包括：烘干除纯Li外的原料、覆盖剂、及器具，在不同温度下熔化原料，搅拌，精炼，静置，浇注；热处理工艺包括固溶及时效处理。本发明通过优化合金成分，熔炼及热处理工艺获得具有低密度，高比强度，高比刚度以及良好耐腐蚀性的铸造铝镁锂合金。

Description

一种高锂含量铸造铝镁锂合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料类及冶金领域，具体地，涉及一种高Li含量铸造铝镁锂合金及其制备方法。

背景技术

铝锂合金具有低密度、高比强度、高比刚度等优点，在航空航天领域具有广阔的应用前景，研究表明，向Al合金中每加入1wt％的Li，可以使合金密度降低3％，弹性模量提高6％。由于具有更高的强度，目前商业牌号的铝锂合金绝大多数属于变形合金，然而变形铝锂合金往往具有比较严重的力学性能各向异性，生产环节繁多，且难以制备大型部件，而现有研究结果表明，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优于传统铝合金，这对航空用薄壁件的成形非常有利，因此铸造铝锂合金的研究成为近年来该研究领域内的新动向。

铸造铝锂合金按照合金成分可分为铸造铝铜锂合金及铸造铝镁锂合金，铝锂合金的密度可下面的公式粗略计算：ρ＝2.71+0.024Cu+0.018Zn+0.022Mn-0.079Li-0.01Mg-0.04Si(各元素含量均以质量分数计)，上海交通大学公开了一种轻质高强铸造铝锂合金及其制备方法(公开号：CN104451272)，所述合金由以下成分组成：1.5～2.5wt％Cu，2～3wt％Li，0.4～1.2wt％Mg，0.2～0.8wt％Zn，0.08～0.25wt％Zr，0.06～0.16wt％Ti，0.1～0.8wt％Mn，0.08～0.25wt％Ce，杂质元素总量小于0.25％，余量为Al。该合金属于铸造铝铜锂合金，含有较高含量的Cu元素，可促进时效过程中Al₂Cu、Al₂CuLi及Al₂CuMg等相的析出，因此具有较高的强度，但同时具有较差的抗腐蚀性及较高的密度，另外由于低熔点含Cu相(主要为Al₂Cu相)的存在，该合金采用400～450℃下处理8～10h，再在510～540℃下处理20～28h的双极固溶处理工艺以最大限度平衡晶间相的溶解与晶粒尺寸增长之间的矛盾，改善力学性能，而在铸造铝镁锂合金中不存在低熔点含Cu相，采用上述双极固溶处理工艺会增加工艺流程并加剧热处理过程中的晶粒粗化。

美国镁铝公司公开了一种改进的铝镁锂合金及其制作方法(公开号：CN105143492)，由以下成分组成：2～3.9wt％Mg，0.1～1.8wt％Li，最多至1.5wt％Cu，最多至2wt％Zn，最多至1wt％Ag，最多至1.5wt％Mn，最多至0.5wt％Si，最多至0.35wt％Fe，以及一些次要元素，余量为Al。法国肯联铝业公开了一种具有改善的断裂韧性的铝镁锂合金(公开号：CN103687971)，由以下成分组成：4～5wt％Mg，1～1.6wt％Li，0.05～0.15wt％Zr，0.01～0.15wt％Ti，0.02～0.2wt％Fe，0.02～0.2wt％Si，以及一些次要元素，余量为Al。由于上述合金均为变形铝镁锂合金，当Li含量过高时，由晶体学织构和平面滑移造成的裂纹扩展反常偏移会给材料检测过程带来很大的困难，因此在上述两个公开的专利中Li元素的添加量均不高于1.8wt％，以减小Al₃Li含量，降低平面滑移程度，而在铸造铝镁锂合金中可以适当提高Li元素含量，以充分发挥Li元素对合金强度、刚度提高及密度降低的作用，然而在合金熔炼过程中，Li元素极易与空气中的水分和氧气发生反应，产生铸造缺陷，因此需要对高锂含量铸造铝镁锂合金的熔炼工艺进行优化。另外，在变形铝镁锂合金中，由于Li元素含量较低，形成的晶间化合物较少，热处理温度较低，例如在上述法国肯联铝业公开的变形铝镁锂合金中，固溶温度为300-420℃，时效温度为150℃，但是，对于高Li含量铸造铝镁锂合金，该固溶温度过低，无法充分消除晶界上富集的金属化合物，导致合金塑韧性差，同时该时效温度过低，时效强化效果较差。

发明内容

针对现有合金制备方法的不足，本发明的目的是提供一种高Li含量铸造铝镁锂合金及其制备方法。通过优化合金元素含量以及熔炼和热处理工艺，获得力学性能优良的高Li含量铸造铝镁锂合金，制得的合金具有高于传统商业变形铝锂合金的弹性模量，优于铸造铝铜锂合金的抗腐蚀性，更低的密度，力学性能各向同性，且便于制备大型部件。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

第一方面，本发明提供一种高Li含量铸造铝镁锂合金，所述合金包括如下重量百分比含量的各组分：1～4wt％Mg，2.5～3wt％Li，0.15～0.2wt％Zr，0.1～0.15wt％Sc，杂质元素的总量小于0.1wt％，以及余量为Al。向铝镁锂合金中添加Zr，Sc元素可以细化晶粒，并在时效过程中析出Al₃Zr，Al₃Sc粒子，这些粒子不易被位错切过，可缓解共面滑移，提高合金塑性，同时二者的联合添加具有协同作用，若用其他元素如Sr替代Sc，则无法充分发挥Sc元素缓解共面滑移，提高合金塑性的作用。所述铝镁锂合金中各元素的添加量需至少达到上述各自含量的最小值，否则无法明显改善合金性能，然而若向合金中添加的元素含量过高，也会起到相反的作用，例如若添加的Zr元素含量过高(Zr>0.2wt％)会导致铸态合金中析出大量粗大的初生含Zr相，这些初生相无法通过后续固溶处理溶入基体，会损害合金力学性能，若添加的Sc元素含量过高(Sc>0.15wt％)，在合金力学性能没有明显改善的同时，会由于Sc元素高昂的价格进一步提高生产成本，另一方面，由于Mg、Li两种元素非常活泼，若二者的添加量过高(Mg>4wt％或Li>3wt％)会导致合金中产生大量的铸造缺陷，严重损害合金力学性能。

优选地，所述杂质元素包括Fe和Na。

第二方面，本发明提供一种高Li含量铸造铝镁锂合金的制备方法，包括熔炼工艺和热处理工艺；

所述熔炼工艺包括如下步骤：

A1、按所述铸造铝镁锂合金中各组分的重量百分比准备原料：Al-Zr中间合金、Al-Sc中间合金、纯Al、纯Mg和纯Li；同时，将除纯Li外的原料、覆盖剂以及熔炼工艺中使用的器具均在熔炼前除去水分；

A2、将所述纯Al熔化，待温度升高至800-820℃，加入Al-Zr中间合金、Al-Sc中间合金；待温度下降至730～740℃，加入纯Mg；温度继续下降到700～710℃时，在铝液表面撒上覆盖剂并在保护气下加入纯Li；

A3、控制温度回升至720～730℃，精炼，扒除底部沉渣；重新撒上覆盖剂后静置，扒除表面浮渣，浇注得到高Li含量铝镁锂合金铸锭；

所述热处理工艺包括如下步骤：

B1、将所述铝镁锂合金铸锭于510-530℃下固溶保温10-20h，水淬；

B2、将经固溶处理后的铝镁锂合金铸锭于170-180℃下时效保温8-32h，即得所述铸造铝镁锂合金。

在上述步骤A2中，各组分的添加温度不宜过高或过低，若Al-Zr中间合金、Al-Sc中间合金的添加温度过低，则Zr、Sc两种元素在熔炼过程中无法充分溶入铝基体，导致二者的收得率低下，添加温度过高则会导致熔体吸气严重，另一方面，若纯Mg和纯Li的添加温度过低会导致两种元素扩散不充分，造成成分偏析，而添加温度过高则会造成氧化烧损和吸气，产生铸造缺陷。

在上述步骤B1中，若固溶温度过高或时间过长会导致合金过烧且晶粒严重长大，损害合金塑性，若固溶温度过低或时间过短会导致初生相无法充分溶入基体，不能为后续时效过程中第二相的析出提供充足的动力。

在上述步骤B2中，若时效时间过长，晶粒长大严重，合金塑性会出现明显下降，时效时间过短则晶粒不能充分长大，合金强度提升不足，另外，若时效温度过高，第二相析出密度过小，若时效温度过低则第二相的长大速度非常缓慢。

优选地，步骤A1至A3中，所述覆盖剂为重量比为3:1的氯化锂与氟化锂的混合熔剂。

优选地，步骤A1中，所述在熔炼前除去水分的步骤具体包括：将除纯Li外的原料、覆盖剂以及熔炼工艺中使用的器具置于200-220℃中保温3-5h；所述熔炼工艺中使用的器具包括扒渣勺、钟罩和石墨坩埚。

优选地，步骤A2中，步骤A2中，在熔体中加入所述Al-Zr中间合金、Al-Sc中间合金、纯Mg或纯Li后，均需对熔体进行充分搅拌。以均匀成分及熔体温度，避免局部过热，搅拌应平稳，不起浪花，不留死角。

优选地，步骤A2中，所述保护气为氩气。

优选地，步骤A3中，所述精炼采用的精炼剂为六氯乙烷，所述精炼剂的总加入量为经步骤A2处理后所得熔体质量的1-2％；所述精炼的方法为：将六氯乙烷包裹在铝箔中，压入熔体底部(用钟罩压入熔体底部)，平稳搅拌熔体。

优选地，步骤A3中，所述静置的时间为5～10min；在所述浇注前，将浇注所用模具预热至200-220℃。

优选地，步骤B1中，所述水淬采用80-100℃热水。以防止合金表面产生裂纹。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)通过提高铝镁锂合金中Li元素含量，极大的提高了合金的刚度(≧82GPa，拉伸应力应变曲线测得)并降低了合金的密度(≦2.52g cm^-3，阿基米德法测得)。

(2)优化了合金的熔炼工艺，将各元素分别在各自不同的温度下加入熔体，采用合理的方式搅拌、精炼、静置及浇注到模具中，有效避免了气孔、夹渣等铸造缺陷。

(3)优化了合金的热处理工艺，在510-530℃下保温10-20h，合金元素得到充分固溶，为后续时效过程提供了充足的的动力，水淬过程采用80-100℃热水有效避免了合金表面产生裂纹，再在170-180℃下保温8-32h，可促进第二相的析出从而改善合金力学性能。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为实施例1中合金铸态SEM组织照片及面扫元素分布，其中图1(a)为实施例1中合金铸态SEM照片，图1(b)和图1(c)分别为实施例1中合金铸态Al、Mg元素分布；

图2为实施例1中合金固溶态SEM组织照片及面扫元素分布，其中图2(a)为实施例1中合金固溶态SEM照片，图2(b)和图2(c)分别为实施例1中合金固溶态Al、Mg元素分布；

图3为实施例1与对比例1中合金铸锭经固溶处理及淬火后的表面开裂情况，其中图3(a)为实施例1中的合金铸锭，图3(b)为对比例1中的合金铸锭。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例提供一种高Li含量铸造铝镁锂合金，所述合金含有以下重量百分比的各组分：4wt％Mg，2.5wt％Li，0.15wt％Zr，0.1wt％Sc，杂质元素Fe、Na的总量小于0.1wt％，余量为Al。

所述高Li含量铸造铝镁锂合金的制备方法分为熔炼和热处理两个工艺。

所述熔炼工艺包括如下步骤：

A、按所述铸造铝镁锂合金的重量百分比准备原料：Al-Zr中间合金、Al-Sc中间合金、纯Al、纯Mg和纯Li；

B、将上述除纯Li外的原料，覆盖剂(重量比为3:1的氯化锂与氟化锂的混合熔剂)，熔炼过程中需要使用的工具如扒渣勺、钟罩等置于200-220℃烘箱中保温3-5h，同时将石墨坩埚置于200-220℃的熔炼炉中保温3-5h，以除去原料、覆盖剂、工具及石墨坩埚中的水分；

C、将纯铝放入坩埚中熔化，待炉温升高至800-820℃，加入Al-Zr中间合金、Al-Sc中间合金；

D、待炉温下降至730～740℃加入纯Mg；

E、温度继续下降到700～710℃时在铝液表面撒上覆盖剂并在氩气保护下加入纯Li；

F、控制炉温回升至720～730℃，精炼，扒除底部沉渣，重新撒上覆盖剂后静置，扒除表面浮渣，浇注得到高Li含量铝镁锂合金铸锭。图1为本实施例中合金铸态SEM组织照片及面扫元素分布，从图中可以看出，铸态合金中粗大的初生含Mg相呈网状分布于晶界；

所述热处理工艺包括如下步骤：

A、将铝镁锂合金铸锭置于520℃的热处理炉中固溶保温15h，于80-100℃热水中进行水淬；图2为本实施例中合金固溶态SEM组织照片及面扫元素分布，从图中可以看出，经固溶处理后合金中的初生含Mg相已充分溶于基体；

B、将经固溶处理后的合金放入175℃的油浴炉中时效保温8h。

实施例2

本实施例提供一种高Li含量铸造铝镁锂合金，所述合金含有以下重量百分比的各组分：4wt％Mg，3wt％Li，0.2wt％Zr，0.15wt％Sc，杂质元素Fe、Na的总量小于0.1wt％，余量为Al。

所述熔炼工艺包括如下步骤：

D、待炉温下降至730～740℃加入纯Mg；

F、控制炉温回升至720～730℃，精炼，扒除底部沉渣，重新撒上覆盖剂后静置，扒除表面浮渣，浇注得到高Li含量铝镁锂合金铸锭。

所述热处理工艺包括如下步骤：

A、将铝镁锂合金铸锭置于530℃的热处理炉中固溶保温20h，于80-100℃热水中进行水淬；

B、将经固溶处理后的合金放入180℃的油浴炉中时效保温16h。

实施例3

本实施例提供一种高Li含量铸造铝镁锂合金，所述合金含有以下重量百分比的各组分：1wt％Mg，2.5wt％Li，0.17wt％Zr，0.13wt％Sc，杂质元素Fe、Na的总量小于0.1wt％，余量为Al。

所述熔炼工艺包括如下步骤：

D、待炉温下降至730～740℃加入纯Mg；

所述热处理工艺包括如下步骤：

A、将铝镁锂合金铸锭置于510℃的热处理炉中固溶保温10h，于80-100℃热水中进行水淬；

B、将经固溶处理后的合金放入180℃的油浴炉中时效保温32h。

实施例4

本实施例提供一种高Li含量铸造铝镁锂合金，所述合金含有以下重量百分比的各组分：3wt％Mg，2.8wt％Li，0.18wt％Zr，0.12wt％Sc，杂质元素Fe、Na的总量小于0.1wt％，余量为Al。

所述熔炼工艺包括如下步骤：

D、待炉温下降至730～740℃加入纯Mg；

所述热处理工艺包括如下步骤：

C、将铝镁锂合金铸锭置于520℃的热处理炉中固溶保温15h，于80-100℃热水中进行水淬；

D、将经固溶处理后的合金放入170℃的油浴炉中时效保温8h。

对比例1

本对比例提供一种铸造铝镁锂合金，所述合金的组分、制备方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于：在本对比例的热处理工艺中，合金经固溶处理后，在冷水中淬火。由图3可以看出，冷水淬火会导致合金表面部分开裂。

对比例2

本对比例提供一种铸造铝镁锂合金，所述合金的组分、制备方法与实施例2基本相同，不同之处仅在于：本对比例中的合金热处理工艺参照法国肯联铝业在公开号为CN103687971的发明中的热处理工艺，设计为420℃/10h+150℃/32h。由于固溶和时效温度过低，合金塑韧性及强度均较差。

对比例3

本对比例提供一种铸造铝镁锂合金，所述合金的组分、制备方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于：在本对比例中，采用Sr代替Sc，即所述合金含有以下重量百分比的各组分：4wt％Mg，2.5wt％Li，0.15wt％Zr，0.1wt％Sr，杂质元素Fe、Na的总量小于0.1wt％，余量为Al。

对比例4

本对比例提供一种铸造铝镁锂合金，所述合金的组分、制备方法与实施例2基本相同，不同之处仅在于：在本对比例中，Li的含量为3.5wt％，即所述合金含有以下重量百分比的各组分：4wt％Mg，3.5wt％Li，0.2wt％Zr，0.15wt％Sc，杂质元素Fe、Na的总量小于0.1wt％，余量为Al。

性能测试

实施例1-4和对比例2-4制备的铸造铝镁锂合金T6态室温力学性能如下表1所示：

表1

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims

1.一种高Li含量铸造铝镁锂合金，其特征在于，所述合金包括如下重量百分比含量的各组分：1～4wt％Mg，2.5～3wt％Li，0.15～0.2wt％Zr，0.1～0.15wt％Sc，杂质元素的总量小于0.1wt％，以及余量为Al。

2.根据权利要求1所述的高Li含量铸造铝镁锂合金，其特征在于，所述杂质元素包括Fe和Na。

3.一种根据权利要求1所述的高Li含量铸造铝镁锂合金的制备方法，其特征在于，包括熔炼工艺和热处理工艺；

所述熔炼工艺包括如下步骤：

所述热处理工艺包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的高Li含量铸造铝镁锂合金的制备方法，其特征在于，步骤A1至A3中，所述覆盖剂为重量比为3:1的氯化锂与氟化锂的混合熔剂。

5.根据权利要求3所述的高Li含量铸造铝镁锂合金的制备方法，其特征在于，步骤A1中，所述在熔炼前除去水分的步骤具体包括：将除纯Li外的原料、覆盖剂以及熔炼工艺中使用的器具置于200-220℃中保温3-5h；所述熔炼工艺中使用的器具包括扒渣勺、钟罩和石墨坩埚。

6.根据权利要求3所述的高Li含量铸造铝镁锂合金的制备方法，其特征在于，步骤A2中，在熔体中加入所述Al-Zr中间合金、Al-Sc中间合金、纯Mg或纯Li后，均需对熔体进行充分搅拌。

7.根据权利要求3所述的高Li含量铸造铝镁锂合金的制备方法，其特征在于，步骤A3中，所述精炼采用的精炼剂为六氯乙烷，所述精炼剂的加入总量为经步骤A2处理后所得熔体质量的1-2％；所述精炼的方法为：将六氯乙烷包裹在铝箔中，压入熔体底部，平稳搅拌熔体。

8.根据权利要求3所述的高Li含量铸造铝镁锂合金的制备方法，其特征在于，步骤A3中，所述静置的时间为5～10min；在所述浇注前，将浇注所用模具预热至200-220℃。

9.如权利要求3所述的高Li含量铸造铝镁锂合金的制备方法，其特征在于，步骤B1中，所述水淬采用80-100℃热水。