本发明专利技术涉及一种不含银的高强度、低成本、变形铝锂合金产品。该铝锂合金可通过铸造或者喷射成形之后挤压加工成棒材或型材，应用于航空航天零部件。该合金成分包括：3.5重量％至约4.0重量％Cu，1.5重量％至约2.0重量％Li，0.5重量％至1.0重量％Mg，0.5重量％至1.0重量％Zn，不超过0.5重量％Mn、以及0.1‑1.0重量％Ti、Zr、Cr、V、Ce等元素。杂志含量控制：硅含量不超过0.15％、铁含量不超过0.15重量％、其它元素含量不超过0.15重量％。该合金产品具有低各向异性以及低加工敏感性等优点，可用于加工成型高品质铝锂合金零部件。
A low cost and high toughness Al Li alloy
【技术实现步骤摘要】
一种低成本高强韧铝锂合金
专利技术涉及一种低成本含锂铝合金的成分，具备优异的强度、韧性等力学性能，制备棒材或型材后可用于满足航空航天等领域零部件对的轻质高强结构件的需求。
技术介绍
航空航天领域，铝锂合金由于其比强度高、弹性模量高、抗疲劳与耐腐蚀性能优异、同时容易加工，越来越被广泛应用于核心零部件的加工制造。比如，每增加1重量％锂，使铝的密度减少3％，弹性模量增加6％以上。因此，铝锂合金具备替代传统2024和7075铝合金的潜力。为了实现铝锂合金再航空航天领域的广泛应用，其机械性能必须保证能够在长时间稳定并不会发生老化，必须具备足够的耐腐蚀性能，以及低的残余应力以便进行整体加工后不变形。铝锂合金包括Al-Mg-Li和Al-Cu-Li两大体系。苏联1420合金为代表的Al-5Mg-2Li(英国专利1172736)，显著提高了弹性模量，并且可焊接。然而，该合金各向异性现象严重，并且韧性较低。美国专利US2381219公开了一种不含镁的Al-5Cu-1Li合金，发现强度比Al-Mg-Li体系显著提高。美国专利2915391公开了一种Al-Cu-Mn-Li合金，虽然高温性能有所提高，但未能取得Al-Cu-Li体系的高强韧性。由于提高强度、降低各项异性、改善焊接性能的要求，第三代铝锂合金以复杂的Al-Cu-Li-Mg四元体系为主，美国专利US5032359记载了一个Al-Cu-Li-Mg合金添加银之后机械性能大幅提升例子。包括0.05-1.2重量％Ag，具备高强、高韧、并能够焊接的优点。美国专利5234662公开了一种Al-Cu-Mg-Li-Mn五元体系的合金，后来注册为2297，Cu：2.80-3.20、Mg：0.0-1.5、Li：1.40-1.60、Mn：0.10-0.30，并通过Zr和Cr来调控晶粒尺寸。该合金具有较好的综合性能：低密度、高强、高韧、抗疲劳、耐腐蚀。美国专利5455003公开了Cu:3.0-4.5、Li：0.7-1.1、Mg:0.3-0.6、Zn：0-0.75、以及昂贵的Ag:0-0.6。美国专利5032359公开了后来被注册为2095铝锂合金成分，Cu:3.0-6.5；Mg:0.05-2.0；Li:0.2-3.1。该合金也采用了昂贵的银，Ag:0.05-1.2。美国专利7438772公开了一种2x24合金，Cu:3-5、Li：0.01-0.9、Mg:0.5-2.0，在2024基础上进行了减重。美国专利5137686公开了后来注册为2099铝锂合金的成分，Cu：0-2.45、Mg：0.05-6.0、Li：0.2-5.0、Zn：0.05-12。同时，该合金通过Zr：0.01-0.16抑制晶粒长大。美国专利5389165公开了一种后来注册为2098的铝锂合金：Cu：2.8-3.8、Mg：0.20-1.00、Li：0.80-1.30。该合金通过添加昂贵的银，Ag:0.20-1.00以及Zr：0.08-0.40调控高温下的强韧性。美国专利7229509公开了一种应用较为广泛的2050高强韧铝锂合金，Cu:2.5-5.5、Li:0.1-2.5、Mg:0.2-1、Ag:0.2-0.8、Mn:0.2-0.8、Zr:0-0.3，实现屈服强度489.5MPa断裂韧性38.5MPam1/2，以其静态机械强度和韧性较高获得航空航天的广泛应用。美国专利申请2013/0302206A1公开了2060铝锂合金的成分，Cu:3.5-4.4,Mg:0.45-0.75；Zn:0.45-0.75；Li0.65-1.15；Ag:0.1-1.0。该合金适合于薄板加工，应用于中国商飞C919蒙皮的制造。美国专利申请2014/0050936A1公开了2070铝锂合金成分，Cu:3-3.8、Mg：0.05-0.35、Li:0.975-1.385、Zn：0-1.0、Mn：0-1.0。通过关系式将主要合金元素进行关联限制：-0.3*Mg-0.15Cu+1.65<＝Li<＝-0.3*Mg-0.15Cu+1.85，并通过Zr,Sc,Cr,V,Hf等元素调控晶粒大小，实现480MPa的拉伸强度和443MPa的屈服强度。虽然该合金减少了昂贵的银的使用，但是其强度比7075合金低，不能用于替代7075零部件。铝锂合金的成本将近一半取决于原料的成本，银的添加大大增加了整个生产成本，因此能够取代7075强度和2024强韧性的无银铝锂合金将具备更大的商业化价值。铝锂合金已经经历了三个阶段的发展，现在国际上正朝着第四代低成本高强韧铝锂合金方向发展。铝锂合金在航天领域，极大地发挥了其减重效果，降低火箭发射成本，提高推重比，比如美国在航天飞机外挂燃料贮箱应用2195铝锂合金(Al-4.0Cu-1.0Li-0.4Mg-0.4Ag-0.12Zr)，前苏联在运载火箭低温燃料贮箱大量应用1460铝锂合金(Al-3.0Cu-2.2Li-0.12Zr-0.15Sc)，我国在火箭燃料箱也采用了2A97铝锂合金(Al-3.85Cu-1.45Li-0.5Zn-0.3Mg-0.15Zr)。从以上综述和现实需求表明，工业应用急需铝锂合金满足低成本、高强度、低密度、良好的损伤容限等性能要求。
技术实现思路
本专利技术涉及一种高强铝锂合金的成分与生产方法。通过去除银，合理的成分设计与制备加工工艺设计，实现了低成本、高强韧铝锂合金制造。本专利技术化学成分由以下重量百分比组成：Cu：3.5～4.0，Li：1.5～2.0，Mg：0.5～1.0，Zn：0.5～1.0，Zr+Ti+Cr/V/Ce:0.1-1.0，余量为Al。本专利技术采用Mg+Zn复合微合金强化，调控析出强化相的分布状态。本专利技术Mn最多0.5重量％，下限可选0.1重量％。Mn添加可形成弥散相，分散共面滑移，使滑移更均匀，降低各项异性。同时Mn和Zr弥散粒子还能抑制再结晶，提高耐腐蚀性能。本专利技术采用Ti+Zr共同细化晶粒，一定程度上抑制共面滑移，从而控制各向异性。添加Ti最多0.15重量％，下限可选0.1重量％；添加Zr最多0.15重量％，下限可选0.08重量％。本专利技术至少含Cr或者V或者Ce中的一种元素，其含量最多0.15重量％，下限可选0.02重量％。余量为铝、不超过0.15重量％Si、不超过0.15重量％Fe、不超过0.15重量％其它杂志元素。本专利技术的铝锂合金以下制备方案：(1)感应熔炼：将不含Li、Ti和Zr的合金的化学成分按照质量百分比进行称量后放入感应熔炼炉内，通电加热熔化原料。将锂用铝箔包好放入另外一个氩气保护的感应熔炼炉内，通电后加热至740℃熔化。(2)精炼除气：将不含锂的铝合金和纯锂在氩气保护的气氛下，导流至除氢室，通入氩气除气，同时将Ti、Zr以中间钛硼细化剂合金的形式加入，加热维持温度的同时，对熔体进行过滤除渣。(3)半连续铸造：将除气、除渣，充分搅拌之后的铝锂合金溶液送至半连续铸造台进行浇铸，通过表面激冷，得本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.用于提供保护性气氛的铝锂合金输送和铸造方法，以及设备结构：
/n一种变形铝合金产品，该产品包括；/n约3.5重量％至约4.0重量％Cu；/n约1.5重量％至约2.0重量％Li；/n约0.5重量％至1.0重量％Mg；/n约0.5重量％至1.0重量％Zn；/n不超过0.5重量％Mn；/n以及0.1-1.0重量％Ti、Zr、Cr、V、Ce等元素；和/n余量为铝、不超过0.15重量％Si、不超过0.15重量％Fe、不超过0.15重量％其它杂志元素。/n
【技术特征摘要】
1.用于提供保护性气氛的铝锂合金输送和铸造方法，以及设备结构：
一种变形铝合金产品，该产品包括；
约3.5重量％至约4.0重量％Cu；
约1.5重量％至约2.0重量％Li；
约0.5重量％至1.0重量％Mg；
约0.5重量％至1.0重量％Zn；
不超过0.5重量％Mn；
以及0.1-1.0重量％Ti、Zr、Cr、V、Ce等元素；和
余量为铝、不超过0.15重量％Si、不超过0.15重量％Fe、不超过0.15重量％其它杂志元素。
2.根据权利要求1的变形铝合金产品，该产品包含至少3.8重量％Cu。
3.根据权利要求2的变形铝合金产品，该产品包含至少0.7重量％Mg。
4.根据权利要求3的变形铝合金产品，该产品包含至少0.7重量％Zn。
5.根据权利要求1的变形铝合金产品，该产品包含不大于1.8重量％Li。
6.根据权利要求5的变形铝合金产品，该产品包含不大于1.7重量％Li。
7.根据权利要求1的变形铝合金产品，其中该变形铝合金产品通常通过以下步骤加工制造：
(a)铸造具有权利要求1化学成分的铸锭，或者喷射成形具有权利要求1化学成分的圆锭；
(b)将铝锂合金锭通过挤压、锻造等热加工，形成中间合金产品；
(c)在加工步骤(b)之后，对产品进行固溶热处理(SHT)并且固溶后立即进行淬火，迅速冷却到室温；
(d)在固溶热处理步骤(c)之后，采用拉伸或者压缩的方式释放残余应力；
(e)在步骤(d)预变形之后，进行冷加工成最终产品形状；
(f)在冷加工步骤(e)之后，在约155℃的温度下进行人工时效，人工时效时间不超过64小时。
8.根据权利要求7的变形铝合金产品，其中步骤(d)预变形量在2.0％以上。
9.根据权利要求8的变形铝合金产品，其中权利7中步骤(e)冷加工的变形量不超过0.05％。
10.根据权利7的变形铝合金产品，其中整个变形产品的强...
【专利技术属性】
技术研发人员：王俊升，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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