一种高Mg含量中强高延变形铝锂合金及其热处理方法技术

本发明专利技术公开了一种高Mg含量中强高延变形铝锂合金及其热处理方法，所述铝锂合金由如下重量百分比含量的各组分组成：Mg1‑2％、Cu3‑4.5％、Li1‑2％、Zr0.1‑0.5％、Mn0.1‑0.3％，杂质元素总含量小于0.25％，以及余量的Al。本发明专利技术通过添加Mn，使得合金时效过程中析出了Al20Mn3Cu2粒子，所述合金含有更高含量的Mg，高含量的Mg保证合金时效时能析出更多的S′相，通过熔炼铸造、挤压变形制备出Mg含量较高的变形铝锂合金，对合金室温进行预变形，随炉缓慢升温至一定温度保温时效后合金中析出了细小弥散均匀分布的S′(Al2CuMg)、T1(Al2CuLi)相和少量的Al20Mn3Cu2粒子，所述合金具有中等的屈服抗拉强度和较高的延伸率，同时成本低廉，在自行车和智能机器人等民用领域具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种高Mg含量中强高延变形铝锂合金及其热处理方法
本专利技术涉及金属材料及冶金
，具体为一种高Mg含量中强高延变形铝锂合金及其热处理方法，经过成分优化和热处理后，开发出了一种新型中强高延伸率铝锂合金。
技术介绍
锂是最轻的金属元素，每1％的锂加入到铝合金中能将合金的密度降低3％，刚度提高6％。铝锂合金是一种具有低密度，高比强度，高比刚度和良好耐蚀性的铝合金。用铝锂合金取代常规的铝合金能使构件的质量减轻10％-15％，刚度提高15％-20％。铝锂合金的上述优势，使得该类合金逐渐取代传统的2×××和7×××系铝合金广泛应用于航空航天领域。从第一代铝锂合金被开发以来至今，铝锂合金已经发展至第三代。相较于前两代，第三代铝锂合金具有更高的强度、低的各向异性和较好的可焊性。但是第三代铝锂合金的塑性普遍较差，时效处理后合金的延伸率基本都低于10％。而且目前大部分铝锂合金中含有的Ag、稀土元素等提高了合金的制备成本。因此，开发一种低成本高延伸率的铝锂合金，能进一步将其应用范围扩展到自行车和智能机器人等民用领域。Al-Li合金中的主要强化相包括S′相(Al2CuMg)、T1相(Al2CuLi)、δ′相(Al3Li)、θ′相(Al2Cu)、Al20Mn3Cu2粒子和GP区等。其中T1相为密排六方结构，最具强化效应。S′相为斜方向，能够分散位错的滑移，因而S′在强化合金的同时还能在一定程度上改善合金的塑性。Al20Mn3Cu2粒子也能改善合金的塑性。因此，为了获得良好的塑性并保证一定的强度，应该在合金中弥散析出大量细小的S′相(Al2CuMg)、T1相(Al2CuLi)和Al20Mn3Cu2粒子。合金化和热处理是改变合金析出相种类和分布的有效手段。大量研究表明，Mg能够降低合金的层错能，促进T1相的析出，提高合金的强度；此外Mg还是S′相的组成元素。因此我们希望通过提高合金中的Mg含量来改善合金的强韧性。然而，已有报道文献和中国专利文献如公开号为：101967589、104583434和103993204等专利中公开合金的Mg含量都低于1％。目前已有铝锂合金Mg含量较低的主要原因在于：(1)更高的Mg含量可能会使合金凝固过程中析出难溶的Al2MgLi相和其它非平衡第二相，增加了合金的均匀化处理难度。(2)高Mg含量的Al-Cu-Li合金在时效过程中容易析出粗大的含Mg相，降低合金的力学性能。为了解决高Mg含量合金中存在的上述问题，我们通过三级均匀化工艺消除合金中的难溶第二相，充分将Mg原子溶解到基体中；通过预变形+缓慢加热时效的热处理方式，弥散均匀析出了第二相，同时避免了粗大含Mg第二相的析出。获得了一种中强高延伸率的铝锂合金。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高Mg含量中强高延变形铝锂合金及其热处理方法，具备铝锂合金中等强度、高延伸率和成本低廉的优点，解决了上述
技术介绍
提到的问题。为了提高Al-Cu-Li合金的塑性，我们向合金中添加了少量的Mn，使得合金中析出了少量的Al20Mn3Cu2粒子。同时，我们提高了Al-Cu-Li合金中的Mg含量，通过三级均匀化处理消除难溶含Mg第二相并充分将Mg原子溶解至基体；通过预变形+缓慢加热至时效保温温度的时效方式，在合金中弥散均匀析出了大量细小的S′相(Al2CuMg)、T1相(Al2CuLi)。通过成分设计以及后续热处理工艺的优化，获得了一种中等强度高延伸率的铝锂合金，同时成本低廉。为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供如下技术方案：一种Mg含量较高的中强高延变形铝锂合金，包括以下重量百分比的各组分：Mg1-2％、Mn0.1-0.3％、Cu3-4.5％、Li1-2％、Zr0.1-0.5％，杂质元素总含量小于0.25％，以及余量的Al。通过熔炼，连铸或金属型铸造获得铸锭，均匀化处理后挤压成型得到型材。优选地，所述合金的杂质元素的总量小于0.25％，杂质元素包含Si、Na、K和Fe。优选地，所述合金的Mg含量为0.8-1.3％。为了析出更多的S′相，所述合金提高了Mg含量。然而，提高Mg含量会导致凝固时更多非平衡凝固难溶第二相如Al2MgLi的析出，此外时效时粗大含Mg相的析出会降低合金的力学性能。因而，提高合金中的Mg含量后，需要新的热处理工艺解决上述问题。优选地，所述合金的Mn含量为0.1-0.3％。少量的Mn加入到Al-Cu-Li合金中，时效时能够形成Al20Mn3Cu2粒子，Al20Mn3Cu2粒子能够在一定程度上改善合金的塑性。然而当Mn含量增加到一定程度时，凝固过程中容易形成难溶的Al20Mn3Cu2初生相，恶化合金的塑性。此外过高的Mn还消耗合金中的Cu原子，减少含Cu强化相的析出，降低合金的强度，因此所述合金的Mn含量为0.1-0.3％。第二方面，本专利技术提供了一种高Mg含量的中强高延变形铝锂合金的热处理方法，包含以下热处理工艺：优选地，所述合金的均匀化工艺为三级均匀化处理。第一级温度为460-470℃，保温时间9-12h，是为了消除非平衡凝固条件下生成的低熔点第二相，包括少量的S相、T2Al6(CuLi3)相及凝固过程产生的偏析。若保温温度低于此温度范围，即使延长时间也不能较好的消除这些第二相；若保温温度高于此温度范围，则合金中这些低熔点第二相可能会熔化，产生过烧，不利于后续挤压加工。考虑到所述合金含有大量的溶质原子，为了最大限度的提高合金中溶质的过饱和度，我们选择500-520℃，保温9-12h作为第二级均匀化工艺。由于所述合金提高了Mg含量，过高的Mg含量使得合金在凝固过程中易产生难溶的非平衡第二相Al2MgLi。为了充分溶解难溶的第二相，我们选择在550-570℃，进行2-4h的短时保温，作为合金的第三级均匀化工艺。所述合金的时效热处理工艺为，室温预变形后缓慢加热至一定温度，然后保温时效。优选地，所述合金的室温预变形量为所选的室温预变形量为2％-4％。时效前对合金进行一定量的预变形，可引入适量的位错作为强化相T1的形核点，促进时效保温过程中强化相的弥散均匀化析出，有效强化合金。预变形量低于此范围时，引入的形核点少，无法有效促进强化相T1的析出；预变形量高于此范围时，引入缺陷过多，后续时效不能消除，不利于合金的塑性。优选地，所述合金时效时，采用缓慢加热至时效保温温度的方式进行时效，加热速度为3-5℃/h。从低温缓慢加热至时效温度的过程中，当达到强化相析出所需的动力时，强化相如T1和S′逐步以预变形引入的位错作为核心析出。随着加热温度的逐步升高，强化相缓慢析出。因此，缓慢的加热速度能够促进T1和S′等强化相弥散均匀析出。优选地，所述合金时效的保温温度为140-160℃，保温时间为20-30h。保温温度低于此温度范围时，达到和此温度相等力学性能所需时间增多，增加合金的制备成本；若保温温度高于此温度，析出强化相容易发生粗化，合金性能恶化与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：1、本专利技术通过添加Mn，使得合金时效过程中析出了Al20Mn3Cu2粒子，所述合金含有更高含量的Mg，高含量的Mg保证合金时效时能析出更多的S′相，Al20Mn3Cu2粒子和S′相都能在一定程度上改善Al-Li合金的塑性，因此本专利技术所述的新型合金和已有铝锂合金相比塑性更好，可获得更高的延本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高Mg含量中强高延变形铝锂合金及其热处理方法，其特征在于，所述铝锂合金由如下重量百分比含量的各组分组成：Mg1‑2％、Cu3‑4.5％、Li1‑2％、Zr0.1‑0.5％、Mn0.1‑0.3％，杂质元素总含量小于0.25％，以及余量的Al。

【技术特征摘要】
1.一种高Mg含量中强高延变形铝锂合金及其热处理方法，其特征在于，所述铝锂合金由如下重量百分比含量的各组分组成：Mg1-2％、Cu3-4.5％、Li1-2％、Zr0.1-0.5％、Mn0.1-0.3％，杂质元素总含量小于0.25％，以及余量的Al。2.根据权利要求1所述的中强高延铝锂合金的制备方法，其特征在于：制备方法包括以下制备步骤：(1)根据合金的质量百分数要求，称取原料，包括Al-Cu中间合金，Al-Zr中间合金，纯Li、纯Mg、纯Mn和纯Al；(2)在700℃-780℃温度区间熔化原料、精炼处理后，在氩气保护下浇到金属型中或连铸得到铸锭；(3)将均匀化的铸锭进行挤压成型，挤压比范围为9:1-80:1。3.根据权利要求2所述的一种中等强度高延伸率铝锂合金的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中铸锭的均匀化处理工艺为三级均匀化，第一级温度为480-500℃，保温18-24h；第二级温...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙江伟，张亮，吴国华，涂季冰，
申请(专利权)人：鼎镁昆山新材料科技有限公司，上海交通大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32