一种含镁铸造铝锂合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种新型含镁铸造铝锂合金，所述铝锂合金包括以下重量百分含量的各组分：1.6～1.99％Li，0.8～1.8％Cu，0.2～0.7％Mg，0.1～0.25％Zr，杂质元素Fe、Si、Na、K和P的总量小于0.25％，其中Fe小于0.15％，余量为Al。制备时，以Al‑Cu、Al‑Zr中间合金、纯铝、纯Mg和纯Li熔炼后得到铝合金，再经440～460℃/32～40h+520～530℃/24～36h双级固溶热处理，淬水处理后，进行150～190℃/16～48h单级人工时效处理，得到所述新型含镁铸造铝锂合金。制得的此类铝合金的显微组织均匀，性能稳定，具有相比于传统铝合金更低的密度，更高的弹性模量和刚度等机械性能，同时成本低廉。极限抗拉强度可达400～445MPa，同时延伸率为4.0～6.0％。

【技术实现步骤摘要】
一种含镁铸造铝锂合金及其制备方法
本专利技术属于金属材料类及冶金领域，涉及一种含镁铸造铝锂合金的制备方法，具体涉及一种通过添加合金元素(Li、Cu、Mg、Zr)及相应热处理工艺条件获得力学性能优良、密度低、弹性模量高的铸造铝锂合金的制备方法。
技术介绍
航空航天领域的快速发展对飞行器尤其是大型民用飞机制造业提出了日益严格的要求。降低材料的密度，提高材料的刚度和损伤容性成为其实现核心技术突破的重要手段。铝锂合金是一种低密度、高强度、高刚度和耐损伤的轻质合金。研究表明，在铝合金中每添加1wt％Li，可使合金密度降低3％，而弹性模量提高6％；用它取代常规铝合金部件优势明显。铝锂合金已逐渐成为现代飞行器设计中最具竞争力的结构材料之一。铝锂合金按照加工工艺主要可分为变形铝锂合金、铸造铝锂合金及粉末冶金铝锂合金。在诸多类型铝锂合金中，变形铝锂合金因其与传统铝合金相比，具有密度低、比强度和比刚度高、弹性模量高、疲劳裂纹扩展速率低、低温性能较好、良好的耐腐蚀性等诸多的综合性能，已在民用客机、直升飞机、军用飞机和战斗机上广泛使用。然而，变形铝锂合金也存在着诸多问题：生产工艺条件严格，材料的各向异性问题严重，合金中Li含量较低，减重效果不明显，不能用于复杂结构件的制备等。同时，国内外关于铸造铝锂合金的研究十分缺乏，针对航空航天领域和军事领域(如导弹舱体、鱼雷壳体等)对复杂结构件减重、提高刚度的迫切需求，开发机械性能、铸造性能优良，成本较低的新型铸造铝锂合金势在必行。目前关于铸造铝锂合金的相关研究还十分薄弱，对于不同成分、不同强度水平的铸造铝锂合金的研究还存在很大的空白。现有的有限的研究表明，由于锂的化学活性很高，铝锂合金的空气熔炼存在着诸多困难，开发出的铸造铝锂合金的强度和延伸率较低。山东大学韩建德等研究了Al-Li-Cu三元铸造合金的组织和性能的变化，在时效态Al-3Li-1Cu合金的力学性能达到350MPa，但延伸率仅为0.4％；中国专利文献CN201610200924.5公开了一种轻质高强铸造铝锂合金的制备方法，这种合金含有3～3.5％Li，1～2％Cu，0.5～2％Mg和微量的Ag、Zr、Mn，密度仅为2.49g/cm3，同时具有较高的力学性能(抗拉强度为380～408MPa，延伸率为2.9～3.5％)。中国专利文献CN201410674805.4公开了另一种轻质高强铸造铝锂合金的制备方法，合金含有2～3％Li，1.5～2.5％Cu，0.4～1.2％Mg，0.2～0.8％Zn，0.1～0.8％Mn以及微量的Zr、Ti、Ce，通过多种元素微合金化和双级固溶、单级时效处理可以获得抗拉强度在400MPa，延伸率为2.8～3.6％的中高强铸造铝锂合金。本课题组在综合前人成果的基础上，通过改变合金的成分，减少了微合金元素的添加种类，节省了原料成本；优化了合金元素的成分范围及相应的热处理工艺，开发出一种新型低密度、高强韧铸造铝锂合金。本专利技术可以有效较低生产成本，提高材料的刚度，在导弹舱体、鱼雷壳体等军工与航天航空领域具有广阔应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有铸造铝锂合金开发技术的不足，提供一种低密度、高强韧、低成本的新型铸造铝锂合金及其制备方法，通过添加极少的微合金元素(Mg，Zr)及固溶、时效处理，获得力学性能优良、制备工艺简化、铸造性能良好的铸造铝锂合金，制得的此类铝合金具有比传统铸造铝合金更低的密度及更高的弹性模量，同时比现有的铸造铝锂合金更高的强度和延伸率，成本低廉。本专利技术是通过以下技术方案实现的：第一方面，本专利技术提供了一种含镁铸造铝锂合金，其由按重量百分数计的如下元素组成：Li1.6～1.99％，Cu0.8～1.8％，Mg0.2～0.7％，Zr0.1～0.25％，余量为Al和不可避免的杂质元素，所述杂质元素中，Fe、Si、Na、K和P的总量小于0.25％。微量的Mg的添加起到两方面重要作用，一方面可以降低Al基体的层错能，促进T1(Al2CuLi)相(铝锂合金中强化效果最好的沉淀相)的析出，从而提高材料的强度；另一方面，Mg原子会争夺基体中的Cu原子和异质形核点，引入S(Al2CuMg)相，从而提升材料的韧性。添加微量的Mg元素是本专利技术的关键之处。所述新型铸造铝锂合金中添加Mg的范围是0.2～0.7％，适量的Mg元素的添加使得引入的S相与T1相的竞争析出行为处于一个平衡状态，实现同时提高材料的强度和延伸率；若Mg含量低于这一范围，则无法引入对塑性有提升作用的S相，也无法有效促进强化相T1相的析出；若Mg含量高于这一范围，则合金中将析出较多的S相，T1相的析出在一定程度上被抑制，由于铸造合金中的位错密度较低，无法得到均匀析出的S相，降低了合金的强度和韧性。作为优选方案，所述杂质元素中，Fe的含量小于0.15％。第二方面，本专利技术还提供了一种如权利要求1所述的含镁铸造铝锂合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、按照元素的计量比分别称取铝铜中间合金、铝锆中间合金、纯锂、纯镁和纯铝，并将除纯锂以外的其他原料均预热至190～250℃；S2、将纯铝熔化后，在745～760℃下加入铝铜中间合金，在750℃下保温后加入铝锆中间合金，熔化后，形成熔体，并在所述熔体表面撒覆盖剂；S3、待所述熔体的温度降至730～740℃后，在氩气的保护下加入纯镁，搅拌均匀后，将纯锂压入熔体内，待纯锂完全熔化后除去表面浮渣并撒覆盖剂；S4、在720～730℃下精炼后，降温至710℃静置、浇铸，得到合金铸件；S5、将所述合金铸件依次进行双级固溶处理和单级时效处理，得到所述含镁铸造铝锂合金。作为优选方案，所述覆盖剂为LiCl和LiF的混合熔剂，其中，LiCl和LiF的质量比为3:1～2:1。作为优选方案，所述铝铜中间合金中，铜元素的重量百分数为49～51％；铝锆中间合金中，锆元素的重量百分数为4.8～5.3％。作为优选方案，步骤S2中所述的保温时间不低于15min。作为优选方案，步骤S4中所述的精炼是在精炼剂或氩气存在的条件下进行的，精炼时间为5～10min，所述精炼剂为六氯乙烷；所述的静置的时间为10～30min。作为优选方案，所述浇铸是在钢制模具中进行的，所述钢制模具先与预热至190～220℃。步骤S5中所述的双级固溶处理的具体操作为：先在440～460℃下处理32～40h，再在520～530℃下处理24～36h；所述单级时效处理的温度为150～190℃，处理时间为16～48h。440～460℃固溶32～40h是为了使得非平衡凝固条件下的生成的低熔点第二相，包括少量的S(Al2CuMg)相，T2(Al6CuLi3)相和Al2MgLi相，若固溶温度低于此温度范围，即使延长固溶时间也不能较好的固溶这些第二相；若固溶温度高于此温度范围，则合金中这些低熔点第二相会熔化，出现过烧组织，严重恶化合金的机械性能。520～530℃固溶处理24～36h，是为了使得非平衡凝固条件下的生成的熔点较高的第二相(主要为Al2Cu及Al2CuLi相)得以充分溶解，同时尽可能提高合金中溶质和空位的过饱和度；同理，若固溶温度低于此温度范围第二相无法有效固溶进入基体中；若固溶温度高于此温度范围，则合金中这些低熔点第二相会熔化，出现过烧组织。铝锂合金的机械性能本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含镁铸造铝锂合金，其特征在于，由按重量百分数计的如下元素组成：Li 1.6～1.99％，Cu 0.8～1.8％，Mg 0.2～0.7％，Zr 0.1～0.25％，余量为Al和不可避免的杂质元素，所述杂质元素中，Fe、Si、Na、K和P的总量小于0.25％。

【技术特征摘要】
1.一种含镁铸造铝锂合金，其特征在于，由按重量百分数计的如下元素组成：Li1.6～1.99％，Cu0.8～1.8％，Mg0.2～0.7％，Zr0.1～0.25％，余量为Al和不可避免的杂质元素，所述杂质元素中，Fe、Si、Na、K和P的总量小于0.25％。2.如权利要求1所述的含镁铸造铝锂合金，其特征在于，所述杂质元素中，Fe的含量小于0.15％。3.一种如权利要求1所述的含镁铸造铝锂合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、按照元素的计量比分别称取铝铜中间合金、铝锆中间合金、纯锂、纯镁和纯铝，并将除纯锂以外的其他原料均预热至190～250℃；S2、将纯铝熔化后，在745～760℃下加入铝铜中间合金，在750℃下保温后加入铝锆中间合金，熔化后，形成熔体，并在所述熔体表面撒覆盖剂；S3、待所述熔体的温度降至730～740℃后，在氩气的保护下加入纯镁，搅拌均匀后，将纯锂压入熔体内，待纯锂完全熔化后除去表面浮渣并撒覆盖剂；S4、在720～730℃下精炼后，降温至710℃静置、浇铸，得到合金铸件；S5、将所述合金铸件依次进行双级固溶处理和单级时效处理，得到所述含镁铸造铝锂合金。4.如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小龙，张亮，吴国华，刘文才，史春昌，孙江伟，荣冕，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31