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CN112853172A - 一种超低密度铝锂合金及其制备方法 - Google Patents

一种超低密度铝锂合金及其制备方法 Download PDF

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CN112853172A CN202011609779.9A CN202011609779A CN112853172A CN 112853172 A CN112853172 A CN 112853172A CN 202011609779 A CN202011609779 A CN 202011609779A CN 112853172 A CN112853172 A CN 112853172A
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Abstract

本发明提供了一种超低密度铝锂合金,由以下质量百分比组份构成：镁：9.0％‑12.5％，锂：2.1％‑3.5％，铍：0.01％‑0.1％，锰：0.1％‑0.5％，锌：0.1％‑0.5％，稀土：0.05％‑0.5％,余量为铝。其制备方法包括合金熔炼、真空精炼、铸锭改性、铸锭调质、挤压开坯、轧制成形和时效处理等七个步骤。本发明涉及的铝合金材料具有较好的刚度和塑韧性，密度仅为2.3g/cm3，是目前密度最低的铝合金结构材料，替代传统的铝合金可获得20％以上的减重效果，在轻量化需求迫切的航空航天和高端民用领域应用前景广阔。

Description

一种超低密度铝锂合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种超低密度铝锂合金及其制备方法，属于铝合金技术领域。
背景技术
铝锂合金作为一种轻质、高强和耐腐蚀的金属结构材料，合金中每添加1％的锂，密度降低3％，在降低合金密度的同时提高合金的弹性模量，在航空、航天领域有十分广阔的应用前景。采用铝锂合金代替常规的高强铝合金可使结构质量减轻10％-20％，弹性模量提高6％，刚度提高15％-20％，被认为是航空航天最理想的结构材料。
但是，铝锂合金高强韧和低密度两种性能难以实现良好匹配。早期的第一代、第二代铝锂合金主要追求加锂带来的低密度，锂含量比较高，也因此带来了许多问题，比如加锂后铝熔体活泼性升高，使材料纯净化制备难度提升，并且合金的塑韧性相对较差。第三代铝锂合金相较于前两代，不再一味追求降低密度，而更加注重铝锂合金的综合性能，但是随着锂含量的降低，铝锂合金密度优势不再凸显，只能获得5％左右的减重效果，难以获得广泛应用。
因此，针对这一问题，迫切需要开发一种全新的铝合金产品及其相应的生产工艺，以满足实际使用的需要。
发明内容
针对现有技术上存在的不足，本发明提供一种高超低密度铝锂合金及其制备方法，本发明通过设计及优化合金成分，并解决了高锂含量和高镁含量带来的塑韧性不足问题，从而获得刚度和塑韧性良好的超低密度铝锂合金。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
一种超低密度铝锂合金,由以下质量百分比组份构成：镁：9.0％-12.5％，锂：2.1％-3.5％，铍：0.01％-0.1％，锰：0.1％-0.5％，锌：0.1％-0.5％，稀土：0.05％-0.5％,余量为铝。
进一步的，所述的稀土为Y、La、Ce中的任意一种或几种以任意比例混合，另可以纯稀土中间合金或混合稀土中间合金的方式加入。
一种超低密度铝锂合金的制备方法，包括以下步骤：
S1，合金熔炼，将各原料进行混合，并匀速将预热至100℃-260℃，同时将熔炼炉进行减压、升温预热并通入氩气，并使熔炼炉通入氩气后内部真空度达到2Pa以下，温度恒定在300℃-560℃，最后将预热后的原料混合物添加到真空感应熔炼炉中，并匀速升温至740℃-780℃保温熔炼，得到金属液；
S2，真空精炼，完成S1步骤后，将得到的金属液在700-730℃恒温环境及真空环境下持续机械搅拌10-15分钟，得到精炼金属液；
S3，改性铸锭，将S2步骤得到的精炼金属液中调温至700-720℃，然后加入晶粒细化剂，并持续搅拌1-5分钟后，使金属液静置8-12分钟，完成合金改性作业，最后将改性后的合金液浇铸到模具中，冷却至室温，得到铸锭；
S4，铸锭调质，将S3步骤所得铸锭以430-455℃恒温环境均匀退火24-36小时，然后冷却至室温；
S5，挤压开坯，将S4步骤得到的铸锭进行机加工，去掉表面氧化皮，然后将铸锭预热至80℃-160℃，并将预热后的铸锭添加到向挤压机中，并以420-450℃温度进行挤压开坯，得到挤压板坯，且挤压比为5-15；
S6，轧制成形，将S5步骤得到的板坯以430-450℃恒温环境进行热轧加工，且单道次压下量为5-10％，直至得到成品板材；
S7，时效处理，将S6步骤得到的板材在100-150℃恒温环境下进行10-18小时的时效处理，然后自然冷却至常温，即可得到成品。
进一步的，所述的S3步骤中的晶粒细化剂为Al5Ti1B-5Sr复合晶粒细化剂，添加量金属液总量的0.2％-0.5％。
进一步的，所述S5步骤所述板材在完成挤压开坯后，冷却方式为风冷，冷却速率为40-80℃/s。
进一步的，根据S1步骤、S2步骤、S3步骤、S4步骤、S7步骤所述的工艺，可直接生产超低密度铝锂合金铸件。
本发明的有益效果是：
1.本发明通过优化铝锂合金成分，设计了一种高镁、高锂含量的超低密度铝锂合金，通过添加Zn元素，与Mg元素结合形成强化相，降低高镁对合金塑性带来的不利影响；Mn元素的加入消耗合金中的Fe\Si等杂质，减少粗大第二相的形成；Be元素的添加可以可有效减少Mg元素、Li元素的烧损，保证主合金元素收得率；采用La、Ce、Y等较廉价的稀土元素，形成强化相同时有效细化晶粒，实现高合金元素含量下的高塑性；
2.本发明使用高纯金属及中间合金为原料，采用全程高真空熔炼，有效减少合金中的氧化夹渣，获得高纯净铝锂合金铸锭，显著提高铝锂合金塑韧性。浇注前添加Al5Ti1B-5Sr复合晶粒细化剂，真空环境下冷速较慢，可充分发挥晶粒细化剂的细化作用，获得晶粒尺寸为20-30μm的超细晶组织；
3.本发明采用较高温度下、较小变形量的反向挤压开坯工艺，有效解决高镁、高锂含量铝锂合金变形抗力较大问题，提升合金组织性能均匀性、消除铸造缺陷的同时，进一步细化合金晶粒尺寸，能有效改善合金塑性，有利于后续变形加工；
4.本发明由上述合金元素组成的合金成分，经真空熔铸、反向挤压开坯、热轧成形、在线固溶和时效热处理等工序，由此得到的铝锂合金具有以下特点：密度最低为2.25g·cm-3，硬度达180HV，抗拉强度为311MPa，屈服强度为237MPa，延伸率为3.2％。该合金刚度和塑韧性良好，通过替代现有的常规铝合金，可获得20％以上的减重效果，在减重需求迫切的航空航天和高端民用领域应用前景广阔。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明金相组织图；
图2为本发明实施工艺流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，一种超低密度铝锂合金,由以下质量百分比组份构成：镁：9.0％，锂：2.1％，铍：0.01％，锰：0.1％，锌：0.1％，稀土：0.05％,余量为铝。
如图2所示，一种超低密度铝锂合金的制备方法，包括以下步骤：
S1，合金熔炼，将各原料进行混合，并匀速将预热至100℃，同时将熔炼炉进行减压、升温预热并通入氩气，并使熔炼炉通入氩气后内部真空度达到2Pa，温度恒定在300℃，最后将预热后的原料混合物添加到真空感应熔炼炉中，并匀速升温至740℃保温熔炼，得到金属液；
S2，真空精炼，完成S1步骤后，将得到的金属液在700℃恒温环境及真空环境下持续机械搅拌10分钟，得到精炼金属液；
S3，改性铸锭，将S2步骤得到的精炼金属液中调温至700℃，然后加入晶粒细化剂，并持续搅拌1分钟后，使金属液静置8分钟，完成合金改性作业，最后将改性后的合金液浇铸到模具中，冷却至室温，得到铸锭；
S4，铸锭调质，将S3步骤所得铸锭以430℃恒温环境均匀退火24小时，然后冷却至室温；
S5，挤压开坯，将S4步骤得到的铸锭进行机加工，去掉表面氧化皮，然后将铸锭预热至80℃，并将预热后的铸锭添加到向挤压机中，并以420℃温度进行挤压开坯，风冷后得到挤压板坯，且挤压比为5；
S6，轧制成形，将S5步骤得到的板坯以430℃恒温环境进行热轧加工，且单道次压下量为5％，直至得到成品板材；
S7，时效处理，将S6步骤得到的板材在100℃恒温环境下进行10小时的时效处理，然后自然冷却至常温，即可得到成品。
本实施例中，所述的稀土为铈，通过Al-10Ce稀土中间合金的方式加入。
其中，所述的S3步骤中的晶粒细化剂为Al5Ti1B-5Sr复合晶粒细化剂，添加量金属液总量的0.2％。
值得注意的，所述S5步骤所述板材在完成挤压开坯后，冷却方式为风冷，冷却速率为40℃/s。
实施例2
如图1所示，一种超低密度铝锂合金,由以下质量百分比组份构成：镁：12.5％，锂：3.5％，铍：0.1％，锰：0.5％，锌：0.5％，稀土：0.5％,余量为铝。
如图2所示，一种超低密度铝锂合金的制备方法，包括以下步骤：
S1，合金熔炼，将各原料进行混合，并匀速将预热至260℃，同时将熔炼炉进行减压、升温预热并通入氩气，并使熔炼炉通入氩气后内部真空度达到2Pa，温度恒定在560℃，最后将预热后的原料混合物添加到真空感应熔炼炉中，并匀速升温至780℃保温熔炼，得到金属液；
S2，真空精炼，完成S1步骤后，将得到的金属液在730℃恒温环境及真空环境下持续机械搅拌15分钟，得到精炼金属液；
S3，改性铸锭，将S2步骤得到的精炼金属液中调温至720℃，然后加入晶粒细化剂，并持续搅拌5分钟后，使金属液静置12分钟，完成合金改性作业，最后将改性后的合金液浇铸到模具中，冷却至室温，得到铸锭；
S4，铸锭调质，将S3步骤所得铸锭以455℃恒温环境均匀退火36小时，然后冷却至室温；
S5，挤压开坯，将S4步骤得到的铸锭进行机加工，去掉表面氧化皮，然后将铸锭预热至160℃，并将预热后的铸锭添加到向挤压机中，并以450℃温度进行挤压开坯，风冷后得到挤压板坯，且挤压比为15；
S6，轧制成形，将S5步骤得到的板坯以450℃恒温环境进行热轧加工，且单道次压下量为10％，直至得到成品板材；
S7，时效处理，将S6步骤得到的板材在150℃恒温环境下进行18小时的时效处理，然后自然冷却至常温，即可得到成品。
本实施例中，所述的稀土为镧、铈，以质量比为2:1的比例，通过Al-10RE稀土中间合金的方式加入。
值得注意的，所述的S3步骤中的晶粒细化剂为Al5Ti1B-5Sr复合晶粒细化剂，添加量金属液总量的0.5％。
此外，所述S5步骤所述板材在完成挤压开坯后，冷却方式为风冷，冷却速率为80℃/s。
实施例3
如图1所示，一种超低密度铝锂合金,由以下质量百分比组份构成：镁：11％，锂：2.8％，铍：0.05％，锰：0.3％，锌：0.35％，稀土：0.2％,余量为铝。
如图2所示，一种超低密度铝锂合金的制备方法，包括以下步骤：
S1，合金熔炼，将各原料进行混合，并匀速将预热至160℃，同时将熔炼炉进行减压、升温预热并通入氩气，并使熔炼炉通入氩气后内部真空度达到2Pa，温度恒定在460℃，最后将预热后的原料混合物添加到真空感应熔炼炉中，并匀速升温至750℃保温熔炼，得到金属液；
S2，真空精炼，完成S1步骤后，将得到的金属液在720℃恒温环境及真空环境下持续机械搅拌12分钟，得到精炼金属液；
S3，改性铸锭，将S2步骤得到的精炼金属液中调温至710℃，然后加入晶粒细化剂，并持续搅拌3分钟后，使金属液静置10分钟，完成合金改性作业，最后将改性后的合金液浇铸到模具中，冷却至室温，得到铸锭；
S4，铸锭调质，将S3步骤所得铸锭以440℃恒温环境均匀退火30小时，然后冷却至室温；
S5，挤压开坯，将S4步骤得到的铸锭进行机加工，去掉表面氧化皮，然后将铸锭预热至90℃，并将预热后的铸锭添加到向挤压机中，并以430℃温度进行挤压开坯，风冷后得到挤压板坯，且挤压比为8；
S6，轧制成形，将S5步骤得到的板坯以440℃恒温环境进行热轧加工，且单道次压下量为8％，直至得到成品板材；
S7，时效处理，将S6步骤得到的板材在110℃恒温环境下进行15小时的时效处理，然后自然冷却至常温，即可得到成品。
本实施例中，所述的稀土为钇，通过Al-10Y稀土中间合金的方式加入。
本实施例中，所述的S3步骤中的晶粒细化剂为Al5Ti1B-5Sr复合晶粒细化剂，添加量金属液总量的0.3％。
进一步说明的，所述S5步骤所述板材在完成挤压开坯后，冷却方式为风冷，冷却速率为60℃/s。
实施4
如图1所示，一种超低密度铝锂合金,由以下质量百分比组份构成：镁：10.5％，锂：2.5％，铍：0.03％，锰：0.2％，锌：0.4％，稀土：0.3％,余量为铝。
如图2所示，一种超低密度铝锂合金的制备方法，包括以下步骤：
S1，合金熔炼，将各原料进行混合，并匀速将预热至230℃，同时将熔炼炉进行减压、升温预热并通入氩气，并使熔炼炉通入氩气后内部真空度达到2Pa，温度恒定在500℃，最后将预热后的原料混合物添加到真空感应熔炼炉中，并匀速升温至770℃保温熔炼，得到金属液；
S2，真空精炼，完成S1步骤后，将得到的金属液在715℃恒温环境及真空环境下持续机械搅拌13分钟，得到精炼金属液；
S3，改性铸锭，将S2步骤得到的精炼金属液中调温至715℃，然后加入晶粒细化剂，并持续搅拌3分钟后，使金属液静置10分钟，完成合金改性作业，最后将改性后的合金液浇铸到模具中，冷却至室温，得到铸锭；
S4，铸锭调质，将S3步骤所得铸锭以445℃恒温环境均匀退火35小时，然后冷却至室温；
S5，挤压开坯，将S4步骤得到的铸锭进行机加工，去掉表面氧化皮，然后将铸锭预热至110℃，并将预热后的铸锭添加到向挤压机中，并以435℃温度进行挤压开坯，风冷后得到挤压板坯，且挤压比为11；
S6，轧制成形，将S5步骤得到的板坯以445℃恒温环境进行热轧加工，且单道次压下量为6％，直至得到成品板材；
S7，时效处理，将S6步骤得到的板材在125℃恒温环境下进行12小时的时效处理，然后自然冷却至常温，即可得到成品。
此外，所述的稀土为钇、镧、铈，以质量比为2:2:1的比例，通过Al-10Y、Al-10RE稀土中间合金的方式加入。
本实施例中，所述的S3步骤中的晶粒细化剂为Al5Ti1B-5Sr复合晶粒细化剂，添加量金属液总量的0.4％。
值得注意的，所述S5步骤所述板材在完成挤压开坯后，冷却方式为风冷，冷却速率为50℃/s。
同时，根据S1步骤、S2步骤、S3步骤、S4步骤、S7步骤所述的工艺，可直接生产超低密度铝锂合金铸件。
本发明在具体实施中，本发明所用原料均为普通市售产品。其中：
所配原料包括金属铝、金属镁、金属锂、金属锌、精铝中间合金及晶粒细化剂。所述金属铝采用99.99％工业重熔精铝锭，金属镁采用99.99％高纯镁锭，金属锂采用99.95％高纯锂锭，金属锌采用99.995％高纯锌锭。所述中间合金(Al-Be、Al-Mn、Al-RE)分别采用Al-3Be、Al-10Mn等精铝中间合金锭。稀土中间合金采用Al-10La、Al-10Ce、Al-10Y或Al-10RE(镧、铈质量比为2:1的富镧混合稀土中间合金)等精铝稀土中间合金锭。所述晶粒细化剂Al-5Ti-1B-5Sr采用市售的Al-5Ti-B和99.9％工业纯Sr进行配制。
同时，对实施例1-4所得到的合金铸态试样，通过用HVS-5维氏硬度计进行硬度进行测试，通过SUN10电子万能试验机对最终态的板状试样的力学性能进行测试，通过采用排水法对铸态试样的密度进行测试，取3组平行样的平均值作为测试结果。获得的试样各性能测试结果统计。
超低密度铝锂合金性能测试结果
Figure BDA0002865468750000111
通过检测数据可知，本发明得到的超低密度铝锂合金在相同力学性能条件下，最低密度仅为2.25g·cm-3，，该合金减重效果十分显著，相较2A12、7075等常规的铝合金(2.7-2.86g·cm-3)密度降低20％以上，相较5A90、2A97等铝锂合金(2.48-2.65g·cm-3)密度仍有有15％以上的优势。
最后所应说明的是：上述实施例仅用于说明而非限制本发明的技术方案，任何对本发明进行的等同替换及不脱离本发明精神和范围的修改或局部替换，其均应涵盖在本发明权利要求保护的范围之内。

Claims (6)

1.一种超低密度铝锂合金,其特征在于：所述的超低密度铝锂合金由以下质量百分比组份构成：镁：9.0％-12.5％，锂：2.1％-3.5％，铍：0.01％-0.1％，锰：0.1％-0.5％，锌：0.1％-0.5％，稀土：0.05％-0.5％,余量为铝。
2.一种超低密度铝锂合金的制备方法，其特征在于：所述的超低密度铝锂合金的制备方法包括以下步骤：
S1，合金熔炼，将各原料进行混合，并匀速将预热至100℃-260℃，同时将熔炼炉进行减压、升温预热并通入氩气，并使熔炼炉通入氩气后内部真空度达到2Pa以下，温度恒定在300℃-560℃，最后将预热后的原料混合物添加到真空感应熔炼炉中，并匀速升温至740℃-780℃保温熔炼，得到金属液；
S2，真空精炼，完成S1步骤后，将得到的金属液在700-730℃恒温环境及真空环境下持续机械搅拌10-15分钟，得到精炼金属液；
S3，铸锭改性，将S2步骤得到的精炼金属液中调温至700-720℃，然后加入晶粒细化剂，并持续搅拌1-5分钟后，使金属液静置8-12分钟，完成合金改性作业，最后将改性后的合金液浇铸到模具中，冷却至室温，得到铸锭；
S4，铸锭调质，将S3步骤所得铸锭以430-455℃恒温环境均匀退火24-36小时，然后冷却至室温；
S5，挤压开坯，将S4步骤得到的铸锭进行机加工，去掉表面氧化皮，然后将铸锭预热至80℃-160℃，并将预热后的铸锭添加到向挤压机中，并以420-450℃温度进行挤压开坯，得到挤压板坯，且挤压比为5-15；
S6，轧制成形，将S5步骤得到的板坯以430-450℃恒温环境进行热轧加工，且单道次压下量为5-10％，直至得到成品板材；
S7，时效处理，将S6步骤得到的板材在100-150℃恒温环境下进行10-18小时的时效处理，然后自然冷却至常温，即可得到成品。
3.根据权利1所述的一种超低密度铝锂合金，其特征在于：所述的稀土为Y、La、Ce中的任意一种或几种以任意比例混合，可以纯稀土中间合金或混合稀土中间合金的方式加入。
4.根据权利3所述的一种超低密度铝锂合金，其特征在于：所述的S3步骤中的晶粒细化剂为Al5Ti1B-5Sr复合晶粒细化剂，添加量为金属液总量的0.2％-0.5％。
5.权利要求2所述超低密度铝锂合金的制备方法，其特征在于：S5步骤所述板材在完成挤压开坯后，冷却方式为风冷，冷却速率为40-80℃/s。
6.权利要求2所述超低密度铝锂合金的制备方法，其特征在于：根据S1步骤、S2步骤、S3步骤、S4步骤、S7步骤所述的工艺，可直接生产超低密度铝锂合金铸件。
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