适用于大规格复杂结构铸件的高强耐热铝合金及制备工艺制造技术

本发明专利技术涉及一种高强耐热铸造铝合金材料及其制备工艺，其适用于铸造大规格铸件。本发明专利技术的高强耐热铸造铝合金的具体组分及其质量百分比为：6.0～7.7％Cu、0.6～1.7％Ag、0.10～0.38％Mg、0.2～0.5％Mn、0.10～0.35％V、0.05～0.15％Ti，15≤Cu/Mg比≤60，Fe≤0.06％，Si≤0.06％，余量为Al以及其它不可避免的杂质元素。其制备过程包括合金的熔炼铸造和铸件的固溶时效热处理。本发明专利技术能够铸造出大规格铸件，且铸件的耐热性能、室温力学性能和切削加工性能良好。

【技术实现步骤摘要】
适用于大规格复杂结构铸件的高强耐热铝合金及制备工艺
本专利技术涉及铸造铝合金材料及其制备方法，特别是指一种适用于大规格复杂结构铸件的高强耐热铸造铝合金及其制备工艺，属于有色金属材料

技术介绍
随着当前中国航空、航天等工业领域的快速发展，对大规格的高强耐热铝合金结构件的需求也越来越多。一般来说，Al-Si系铸造铝合金的工艺性能优良，用Al-Si系铸造铝合金材料制备大规格铝合金铸件，制备工艺没有问题，如申请公布号为CN101844218A的中国专利技术专利申请公开了《一种铝合金筒形零件的低压铸造制备工艺》。但Al-Si系铸造铝合金力学性能较低，尤其是高温性能差。近年来公开了一些采用添加稀土提高高温性能的技术，如ZL201510039580.X和ZL201510039593.7，除了添加高含量的Ni和Fe外，还采用添加RE(Gd、Y、Nd、Sm、Er、Yb和La)形成稀土化合物，以提高铸件的高温力学性能。但是，这些公开技术是针对发动机活塞和气缸盖开发的，还需要特殊的压力铸造甚至挤压铸造工艺配合，才能获得较好的力学性能，因此不适合于制备大规格铸件。此外，还有通过添加Hf和Sr变质处理来改善室温性能和高温性能的(如ZL201180029265.9和ZL201310253875.8)，但这些公开技术也是针对压气机盘和发动机气缸盖等较小规格部件，其制备的部件总体室温性能较低。因此，现有技术中的Al-Si系铸造铝合金通常只能用于制备小尺寸、高强度的铝合金部件。Al-Cu系铸造铝合金具有较高的强度和耐热性能。商用化ZL201-ZL205A、ZL206-ZL208试棒的室温拉伸强度在250-500MPa之间，而250℃下的拉伸强度普遍在250MPa以下，在300℃下的拉伸强度则低至160MPa以下。美国的201.0和A201.0的室温拉伸强度和高温拉伸强度也是在这个水平，无法满足设计要求。尤其是现有Al-Cu系铸造合金热裂倾向大，无法制备大规格和结构复杂的铸件，如ZL205A大部分情况是铸造小尺寸铸件用于航空领域。近年来开始出现了在美国201.0和A201.0基础上添加稀土元素Sc和Ce，以提高铸造合金的高温拉伸强度(ZL200710036072.1，ZL200310109852.0)。也有采用添加稀土元素Ce、Y、La和增大TiB2添加量来改善Al-Cu系铸造合金的热裂倾向(ZL200810230078.7，ZL201510009302.X)。但是，这些努力没有从根本上解决Al-Cu系铸造合金的热裂倾向问题。到目前为止，现有Al-Cu系的铸造铝合金仍然只能铸造小尺寸的铸件。从降低制备成本和简化加工流程来说，开发一种适用于大规格铸件、且本体性能优异的高强耐热铸造铝合金材料及其制备工艺有着非常好的应用前景，也是本领域的当务之急。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于铸造大规格铸件、且本体性能优异的高强耐热铸造铝合金材料及其制备工艺。本专利技术一种适用于大规格铸件的高强耐热铝合金，包括下述组分按质量百分比组成：Cu6.0～7.7％、Ag0.6～1.7％、Mg0.10～0.38％、Mn0.2～0.5％、V0.10～0.35％、Ti0.05～0.15％，Fe≤0.06％，Si≤0.06％，余量为Al，且15≤Cu/Mg≤60。本专利技术一种适用于大规格铸件的高强耐热铝合金的制备工艺，包括以下步骤：第一步：备料按照设计的合金组分准备材料，其中Al、Mg、Ag为纯金属，Cu、Mn、V、Ti为Al-Cu、Al-Mn、Al-V、Al-Ti中间合金，将上述纯金属和中间铝合金在150～200℃预热1～2h，其中Mg需要用铝箔包裹严实；第二步：熔炼先将纯铝在740～780℃熔化，然后加入Al-Cu、Al-Mn、Al-V中间合金和纯Ag，待其全部熔化后，将熔液温度控制在730～740℃，向熔液中添加纯Mg，待其熔化后纯Mg，最后加入Al-Ti中间合金，静置后于720～730℃浇注到砂型中，完全凝固后取出铸件；第四步：热处理对铸件进行长时间高温固溶热处理和欠时效热处理。本专利技术一种适用于大规格铸件的高强耐热铝合金的制备工艺，第一步中，对纯金属和中间铝合金预热时，用铝箔将Mg包裹严实。本专利技术一种适用于大规格铸件的高强耐热铝合金的制备工艺，第二步中，Al-Cu、Al-Mn、Al-V中间合金和纯Ag全部熔化后，通入氩气对熔体进行精炼20～30min后除渣，然后，采用钟罩压入纯Mg，待其熔化后缓慢搅拌熔液并加入Al-Ti中间合金，静置10-30min后浇注。本专利技术一种适用于大规格铸件的高强耐热铝合金的制备工艺，第三步中，长时间高温固溶热处理工艺为：在515～535℃保温2～15h，室温水淬；欠时效热处理工艺为：150～190℃保温2～16h，空冷到室温；优选的长时间高温固溶热处理工艺为520-530℃保温6～12h，室温水淬；欠时效热处理工艺为：155～165℃保温4～8h，空冷到室温；更优选的长时间高温固溶热处理工艺为525-527℃保温10～12h，室温水淬；欠时效热处理工艺为：160～165℃保温6～8h，空冷到室温。本专利技术一种适用于大规格铸件的高强耐热铝合金的制备工艺，第一步中，原材料中，纯金属Al的纯度大于等于99.99％、Mg的纯度大于等于99.95％、Ag的纯度大于等于99.99％。本专利技术一种适用于大规格铸件的高强耐热铝合金的制备工艺，制备的高强耐热铝合金试棒的室温性能指标为：抗拉强度460-473MPa，屈服强度450-462MPa，延伸率3.0-6.0％；试棒200℃高温性能指标为：抗拉强度365-378MPa，屈服强度345-365MPa，延伸率3.0-6.0％；试棒300℃高温性能指标为：抗拉强度200-209MPa，屈服强度190-197MPa，延伸率7.0-9.0％。本专利技术的优势在于所开发的铸造铝合金既能够制备大规格、异形截面的铸件(如附图1、2所示)，又具有与Al-Cu系铸造合金同等的高强度和更加优异的耐高温性能。制备大规格铸件的关键在于控制热裂。目前对于Al-Cu系铸造合金热裂的控制方法，主要是采取添加Ce、Y、La稀土元素和增加TiB2含量的细化晶粒方法(ZL200810230078.7，ZL201510009302.X)，但未能从根本上解决合金的热裂问题、制备出大规格Al-Cu系合金铸件。况且，目前的商用化Al-Cu系铸造合金的高温力学性能较低，难以满足航空航天飞速发展的要求。因此，必须开辟新的思路解决大规格铸件制备和高强度、耐高温性能相统一的问题。我们的研究发现，在Al-Cu-Mg-Ag四元合金基础上，采取较高Cu含量(6.0-7.7％)、较低Mg含量(0.10-0.38％)和高Cu/Mg比(15≤Cu/Mg比≤60)，辅助以抗热裂的V元素和细化晶粒的Ti、Mn元素，可以大幅度提高铸造铝合金的抗热裂性能，制备出了大规格异形截面铸件，如附图1、2所示。同时，严格控制Fe、Si两个杂质元素，避免F本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于大规格铸件的高强耐热铝合金，包括下述组分按质量百分比组成：/nCu 6.0~7.7%、Ag 0.6~1.7%、Mg 0.10~0.38%、Mn 0.2~0.5%、V 0.10~0.35%、Ti 0.05~0.15%， Fe≤0.06%，Si≤0.06%，余量为Al，且15≤Cu/Mg≤60；/n其制备工艺，包括以下步骤：/n第一步：备料/n按照设计的合金组分准备材料，其中Al、Mg、Ag为纯金属，Cu、Mn、V、Ti为Al-Cu、Al-Mn、Al-V、Al-Ti中间合金，将上述纯金属和中间合金在150~200℃预热1~2h，其中Mg需要用铝箔包裹严实；/n第二步：熔炼/n先将纯铝在740~780℃熔化，然后加入Al-Cu、Al-Mn、Al-V中间合金和纯Ag，待其全部熔化后，将熔液温度控制在730~740℃，向熔液中添加纯Mg，待其熔化后，最后加入Al-Ti中间合金，静置后于720~730℃浇注到砂型中，完全凝固后取出铸件；/n第三步：热处理/n对铸件进行长时间高温固溶热处理和欠时效热处理。/n

【技术特征摘要】
1.一种适用于大规格铸件的高强耐热铝合金，包括下述组分按质量百分比组成：
Cu6.0~7.7%、Ag0.6~1.7%、Mg0.10~0.38%、Mn0.2~0.5%、V0.10~0.35%、Ti0.05~0.15%，Fe≤0.06%，Si≤0.06%，余量为Al，且15≤Cu/Mg≤60；
其制备工艺，包括以下步骤：
第一步：备料
按照设计的合金组分准备材料，其中Al、Mg、Ag为纯金属，Cu、Mn、V、Ti为Al-Cu、Al-Mn、Al-V、Al-Ti中间合金，将上述纯金属和中间合金在150~200℃预热1~2h，其中Mg需要用铝箔包裹严实；
第二步：熔炼
先将纯铝在740~780℃熔化，然后加入Al-Cu、Al-Mn、Al-V中间合金和纯Ag，待其全部熔化后，将熔液温度控制在730~740℃，向熔液中添加纯Mg，待其熔化后，最后加入Al-Ti中间合金，静置后于720~730℃浇注到砂型中，完全凝固后取出铸件；
第三步：热处理
对铸件进行长时间高温固溶热处理和欠时效热处理。


2.根据权利要求1所述的一种适用于大规格铸件的高强耐热铝合金，其特征在于：第一步中，原材料中，纯金属Al的纯度大于等于99.99%、Mg的纯度大于等于99.95%、Ag的纯度大于等于99....

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志义，王建，曹靖，应普友，刘冠华，柏松，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43