一种Al-Cu合金及其制备方法和热处理方法技术

本发明专利技术公开了一种Al

【技术实现步骤摘要】
一种Al
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Cu合金及其制备方法和热处理方法


[0001]本专利技术涉及一种铝合金制备技术，尤其是涉及一种通过热处理及成分控制强化铝合金技术。

技术介绍

[0002]铝合金是在铝金属的基础上通过添加不同种类和含量的合金化元素获得的具有良好强度和加工性能的合金材料，其密度一般为2.63～2.85g/cm3，是重要的轻金属材料，在航空航天、交通运输、建筑、机电、轻化和日用品中有着广泛的应用。
[0003]随着全社会对环境及低能耗意识的不断提高，为了满足绿色节能、环保减排、可持续发展等需求，日益严苛的服役环境和复杂的设计需求对兼具“轻质—高强”本征特性的铝合金提出了更高的性能需求，特别是高温服役工况下的安全可靠性成为关注的重点。然而现有商用铝合金高温服役时性能急剧衰减，成为制约结构设计、影响服役安全的核心短板。
[0004]Al
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Cu合金是一种广泛使用的铝合金，是发展制备各种耐热合金的基础。典型2系可热处理强化Al
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Cu合金，如ZL205A、2014、2618、2124等以其高比强度、高比刚度、良好的耐腐蚀、卓越的加工性能等优点，广泛应用于航空航天、船舶舰艇、武器装备、交通运输等工业领域，但高温环境下(＞250℃)，作为其主要强化相的θ'
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Al2Cu不可避免的发生Ostwald熟化、平衡相转化，甚至是溶解，从而导致高温失稳软化，严重限制了其服役安全。
[0005]将微量合金元素引入Al
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Cu合金，通过复合作用机制，促进纳米化θ'
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Al2Cu相的大量均匀析出，提升θ'
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Al2Cu相的高温稳定性是研发高强韧耐高温Al
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Cu系合金的有效途径，而如何选择合金元素、控制其含量和成本，以及结合多级/分级热处理工艺，实现更为有效的协同作用，是研发高性能Al
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Cu合金所面对的瓶颈与挑战。
[0006]中国专利CN114293077B公开了一种用于航空航天结构件的高强铝铜合金及制备方法，通过配料和预热、熔炼、铝液处理、加入中间合金、铸造、固溶淬火和时效处理等步骤，制备出高强铝铜合金。根据该文件披露，其屈服强度达到430MPa以上，抗拉强度达到450MPa以上，延伸率达到5％以上。但是并未公开该铝铜合金在高温下的性能。
[0007]中国专利申请CN109022969A公开了一种含Sc的铸造Al
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Cu合金，根据该文献的记载，其室温条件下的抗拉强度最高达到280Mpa，延伸率达到20.6％，但同样并未披露高温下的力学性能。
[0008]由以上文献可以窥见，目前对于能够满足高温使用条件的Al
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Cu合金的研制进展仍然缓慢有限，在航空航天、船舶舰艇、武器装备等高精尖领域只能被迫选用钛合金、镍基高温合金或者更为昂贵的高熵合金，但随之引起的结构增重与高昂成本又严重限制了各类结构件的使役。针对这一关键问题，专利技术人开展了长期的研究。

技术实现思路

[0009]针对上述Al
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Cu合金目前发展的瓶颈问题，本专利技术向Al
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Cu合金中引入痕量合金化元素(质量分数＜1％)，结合多级/分级热处理工艺，通过微观组织的高温稳定化，实现了
300℃以上温度区间铸造铝合金结构件的安全服役，所制备高强韧耐高温铸造Al
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Cu系合金，在400℃时，屈服强度达到了100MPa，抗拉强度突破了120MPa，断裂延伸率达到了7％。本专利技术的具体方案如下。
[0010]一种Al
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Cu合金，按质量百分比计，包含Cu 4.5
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5.5％，Mn 0.5
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1.0％，Mg 0.35
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0.85％，Y 0.1
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0.5％，Ti 0.3
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0.7％，Ag 0.15
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0.7％，Si 0.3
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0.5％，杂质元素少于0.2％，余量为Al。
[0011]优选的，杂质元素包括Fe，Fe的质量百分数少于0.1％。
[0012]根据上述Al
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Cu合金，在400℃时测试其拉伸性能，屈服强度大于100MPa，抗拉强度大于120MPa，断裂延伸率不小于7％。
[0013]在2系Al
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Cu合金中，铜是主要合金元素，随着Cu的增加，合金的强度不断升高而塑性不断下降。经过试验，含Cu质量百分比在4.5％～5.5％时，具有最好的综合力学性能和高温强度。当Cu质量百分比超过5.5％，固溶热处理后，微观组织中初生脆性相θ
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Al2Cu难以弯曲溶解，使其室温力学性能明显下降；另外，随着含Cu量的增加，合金的凝固区间不断变宽，容易导致铸造缺陷。
[0014]450℃时，Mg元素在Al中的溶解度可达14.9％(质量百分比)，其原子半径比Al大13％，Mg原子大量溶入Al后，会导致较大的Al晶格畸变，经热处理后，可形成T
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Al
20
Cu2Mn3相显著提升合金室/高温力学性能。但Mg含量过高时，会形成α
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Al
‑
Al2Cu
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Al2CuMg低熔点三元共晶体，不仅容易加剧Al
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Cu合金热裂倾向，而且会增加固溶处理时过烧风险。
[0015]Si在Al
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Cu合金中一般是杂质有害元素，但微量的Si可提高合金的流动性，降低铝合金的收缩量和热裂倾向，减少疏松、缩孔、热裂和变形等缺陷，并可提高气密性，从可而获得致密的优质铸件。在本方案中需要严格控制Si含量在0.3
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0.5％之间。
[0016]Mn在Al
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Cu合金中除了能引起固溶强化作用外，还可使难以避免的粗针状β(Al9Si2Fe2)相转化为骨骼状或汉字状的AlMnFeSi相，从可而减轻杂质Fe的有害影响。同时，Mn元素也是T
‑
Al
20
Cu2Mn3相的组成元素。
[0017]Ag在具有高Cu/Mg质量比的Al
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Cu系合金中，可在较高温度时效热处理后，形成具有Mg/Ag双元偏聚界面结构的Ω
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Al2Cu析出相，Ω相与典型的θ'
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Al2Cu相具有类似的盘片状形貌和成分，二者常常共存，其析出行为存在竞争关系，并受到合金化策略的调控。但Ω相的形成则是源于时效早期{111}α
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Al面上的Mg
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Ag原子团簇，因而具有独特的{111}α
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Al析出惯习面，相较于{100}α
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Al惯习面的θ'
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Al2Cu相，具有更为优异的强化效果和更佳的热稳定性。在本方案中，通过在合金中引入适量的Ag元素，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Al
‑
Cu合金，其特征在于，所述Al
‑
Cu合金按质量百分比计，包含Cu4.5
‑
5.5％，Mn 0.5
‑
1.0％，Mg 0.35
‑
0.85％，Y 0.1
‑
0.5％，Ti 0.3
‑
0.7％，Ag 0.15
‑
0.7％，Si 0.3
‑
0.5％，杂质元素少于0.2％，余量为Al。2.根据权利要求1所述的一种Al
‑
Cu合金，其特征在于，所述杂质元素包括Fe，所述Fe的质量百分数少于0.1％。3.根据权利要求1所述的一种Al
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Cu合金，其特征在于，所述Al
‑
Cu合金在400℃时，屈服强度大于100MPa，抗拉强度大于120MPa，断裂延伸率不小于7％。4.一种权利要求1所述的Al
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Cu合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤，S1：按配比准备合金各组分原料及细化剂、造渣剂，所述各组分原料为单质和/或合金；S2：将除Mg以外的各组分原料干燥后加热熔化，然后在700
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720℃保温5
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10min后加入造渣剂，氩气精炼，并去除浮渣；S3：加入Mg原料和细化剂，待熔化后再次加入造渣剂，氩气精炼，去除浮渣，然后升温至740
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760℃保温5
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10min后，同步进行机械搅拌和超声振动；S4：将S3得到的金属液降温至700
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730℃静置5
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10min，浇铸至预热至260
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300℃的金属型模具中，自然冷却得到铸态Al
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Cu合金；S5：对得到的Al
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Cu合金进行多级热处理，第一级为均匀化热处理，第二级为固溶处理，第三级为回归再时效热处理。5.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛彦庆，陈卓，张祖飞，
申请(专利权)人：西安邮电大学，
类型：发明
国别省市：