一种钪铁硅复合微合金化的抗蠕变Al-Cu合金及其热处理工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种钪铁硅复合微合金化的抗蠕变Al‑Cu合金及其热处理工艺。相应合金的主合金化元素为Cu，微合金化元素为Sc、Fe、Si、Ti、Mn。对于其余杂质元素，其质量百分数应限定小于0.10％，特别要求Ni、V、Zn的质量百分含量<0.05％。此外，热处理工艺包含常规的均匀化与人工时效处理。本发明专利技术优点在于扭转了Fe对于铝合金的力学性能通常有害的传统观念，通过合适的Sc/Fe/Si复合微合金化手段及其它的微量元素组合，能够显著改善对应合金的高温拉伸性能与抗蠕变性能，在300℃/30MPa和400℃/15MPa的拉伸蠕变测试环境下稳态蠕变速率低至8×10‑10s‑1以下，蠕变寿命>500小时。

【技术实现步骤摘要】
一种钪铁硅复合微合金化的抗蠕变Al-Cu合金及其热处理工艺
本专利技术属于金属材料领域，具体涉及一种钪铁硅复合微合金化的抗蠕变Al-Cu合金及其热处理工艺。本专利技术提供的合金材料相较于传统Al-Cu合金具有更优良的综合力学性能与抗蠕变性能。
技术介绍
轻质铝合金材料具有优良的综合力学性能、耐蚀性、成型性，因而在注重机械结构减重的航空、航天等战略领域及汽车、船舶等民用领域中均被青睐有加。铝合金的性能优化最为经典的方法便是通过合金成分优化及工艺调整，实现微观组织的调控，从而使力学性能在较宽的范围内变化。然而，与大多数轻质合金材料(如镁合金)一样，铝合金耐热性并不令人满意，其在200℃以上短时间热暴露便出现迅速的力学性能衰退，在考虑服役安全的前提下严重制约了其在结构设计中的通用性。铝合金“不耐热”的最重要原因是其赖以强化的第二相颗粒在高温环境下发生严重的粗化/溶解，致使强化效果急剧下降。近年来，如何实现铝合金高温服役这一话题愈来愈引起人们关注，在微观组织稳定化思路的不断更迭过程中取得了一系列突破性进展。其中一项重要成就便是Al-Cu-Mg-Ag基合金材料的研发。通过Mg/Ag复合微合金化，可将原本在高温区间稳定性不佳的θ′-Al2Cu转变为Ω相。后者具有相较于前者更优良的强化效果与热稳定性，可实现在200℃附近、>200MPa的低温、高应力蠕变环境下长期服役。另一种思路则以聂祚仁院士团队与美国西北大学Seidman和Dunand团队引领，以Sc/Zr/Er等稀土/过渡元素的微量添加，构建核-壳结构的Al3(X,Y)(X，Y＝Sc、Zr、Er等)耐热型析出相。其主要适应300—400℃、<20MPa的高温、低应力服役环境。然而，铝合金的诸多研究工作对于高温(300—400℃)、高应力(>30MPa)的长期服役仍旧力所不能及，亟需进一步的精细研究与技术积累。
技术实现思路
本专利技术旨在通过采用包含Sc、Fe、Si在内的复合微合金化手段，实现目标Al-Cu合金在300℃—400℃、>30MPa的高温、高应力区间长期服役的技术瓶颈问题。本专利技术提及的一种钪铁硅复合微合金化的抗蠕变Al-Cu合金的主要微观组织特点为强烈多元偏聚的θ′-Al2Cu与富Sc复杂团簇的多重析出强化组织。在随后的高温服役中原位转化为θ′-Al2Cu+Al3(X,Y)(X，Y＝Sc、Si、Fe等)的双析出相强化结构，并具有优良的热稳定性。一种钪铁硅复合微合金化的抗蠕变Al-Cu合金，Cu的质量百分数为2.5—6.5％，Sc的质量百分含量为0.05—0.50％，Fe的质量百分含量为0.05—0.25％，Si的质量百分含量为0.02—0.15％，Ti的质量百分含量为0.005—0.15％，其余杂质元素应限定其质量百分数<0.10％，特别要求Ni、V、Zn的质量百分含量<0.05％。其余为Al和不可避免的杂质。合金铸锭通过常规金属模或砂模铸造方式铸造成型，在固溶处理前可进行热变形成型。一种钪铁硅复合微合金化的抗蠕变Al-Cu合金的热处理工艺包括均匀化与时效处理工艺，首先进行多级均匀化处理，可保持铸态或进行变形成型，随后进行时效处理；所述均匀化处理参数：首先在炉温425—525℃保温时间0.5—12小时，随后随炉逐渐升温或直接转入炉温550—590℃,升温速率视工件大小确定，保温时间0.5—12小时，随后水淬或油淬。均匀化阶段整体保温时间不断于3小时，最长不超过24小时。如合金中Cu质量百分数>4.5％，则严格控制均匀化温度低于545℃，以防止过烧。时效处理工艺，其特征在于：在175—300℃下保温0.5小时—72小时，取出后随炉冷却、空冷、水淬均可。本专利技术的主要优点在于扭转了Fe元素在铝合金中被广泛认为有害的传统认知，通过与Sc、Si等合适的微合金化元素相组合，在尽可能减少微米/亚微米级结晶相(如W-(Al,Cu,Sc)相、Al7Cu2Fe等)的基础上，将Sc/Fe/Si为中心的微合金化效果得以最大化利用。一方面，辅助并实现Sc/Fe/Si等多组元在θ′-Al2Cu/界面的多重强烈偏聚，另一方面发挥Si对Sc团簇/Al3Sc基析出相粗化的形核促进作用，但又抑制Si对Al3Sc基析出相粗化的加速作用。依据本专利技术提供思路所制备的Al-Cu合金材料可适应铸造成型或变形加工为型材，特别适合在300—400℃高温区间内实现长期服役(>500小时)，并兼具优良的室温综合力学性能。附图说明图1为本专利技术提供的实施例1-3与对比例6-7的室温拉伸工程应力-工程应变曲线；图2为本专利技术提供的实施例1与对比例6在300℃高温拉伸的工程应力-工程应变曲线；图3为本专利技术提供的实施例1与对比例6在400℃高温拉伸的工程应力-工程应变曲线；图4为本专利技术提供的实施例1在300℃/30MPa及400℃/15MPa的蠕变曲线(拉伸应力环境)；具体实施方式以下实施例旨在说明本专利技术而不是对本专利技术进一步限定。图1对比了实施例1-3与对比例6-7在室温环境下的拉伸性能。结果显示，实施实例合金相对于对比例合金具有更优的强度-延性匹配，拥有较好的室温综合力学性能。图2对比了实施例1与对比例6在300℃的高温拉伸性能。结果显示，实施例合金在300℃的的瞬时强度远高于对比例合金，体现为较好的高温拉伸性能。图3对比了实施例1与对比例6在400℃的高温拉伸性能。结果显示，实施例合金在高至400℃的的瞬时拉伸强度能够达到～80MPa，远高于对比例合金，在该严酷的高温服役环境下亦可体现出优异的短期高温拉伸性能。图4展示了本专利技术提供的实施例1在300℃/30MPa及400℃/15MPa的拉伸蠕变应变-蠕变时间曲线。结果可见，本专利技术提供的合金材料不仅可以承担短期服役使命，同时亦可忍受300℃～400℃的长期高温蠕变服役环境，表现为极低的蠕变速率(<10-9s-1)及较长的蠕变寿命(>400h)。实施实例1一种钪铁硅复合微合金化的抗蠕变Al-Cu合金及其热处理工艺，包括以下步骤：(1).常规金属模具铸造制得Al-2.8Cu-0.20Sc-0.18Fe-0.05Si-0.03Ti-0.03Zn(以质量百分数计)合金铸锭，随后铸锭进行均匀化处理：首先在515℃下保温4小时，随后在575℃下保温18小时，随后在温水中淬火；(2).对步骤(1)均匀化处理完成的样品在240℃下进行24小时的时效后，取出样品，空冷。实施实例2一种钪铁硅复合微合金化的抗蠕变Al-Cu合金及其热处理工艺，包括以下步骤：(1).常规金属模具铸造制得Al-2.8Cu-0.20Sc-0.18Fe-0.05Si-0.03Ti-0.03Zn(以质量百分数计)合金铸锭，随后铸锭在515℃下保温4小时进行均匀化处理，并在450℃热轧为φ10mm的棒材；型材于575℃下保温12小时，随后在温水中淬火；(2).对步骤(1)均匀化处理完成的样品在240℃下进行48小本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钪铁硅复合微合金化的抗蠕变Al-Cu合金，其特征在于：Cu的质量百分数为2.5—6.5％，Sc的质量百分含量为0.05—0.50％，Fe的质量百分含量为0.05—0.25％，Si的质量百分含量为0.02—0.15％，Ti的质量百分含量为0.005—0.15％，Mn的质量百分含量为0.01—0.20％，其余杂质元素应限定其质量百分数少于0.10％，特别要求Ni、V、Zn的质量百分含量<0.05％，合金铸锭通过常规金属模或砂模铸造方式铸造成型，在固溶处理前进行热变形成型。/n

【技术特征摘要】
1.一种钪铁硅复合微合金化的抗蠕变Al-Cu合金，其特征在于：Cu的质量百分数为2.5—6.5％，Sc的质量百分含量为0.05—0.50％，Fe的质量百分含量为0.05—0.25％，Si的质量百分含量为0.02—0.15％，Ti的质量百分含量为0.005—0.15％，Mn的质量百分含量为0.01—0.20％，其余杂质元素应限定其质量百分数少于0.10％，特别要求Ni、V、Zn的质量百分含量<0.05％，合金铸锭通过常规金属模或砂模铸造方式铸造成型，在固溶处理前进行热变形成型。


2.一种采用如权利要求1所述一种钪铁硅复合微合金化的抗...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙军，刘刚，高一涵，杨冲，张金钰，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61