一种添加Sc的高强高模量铸造Al-Li合金成分设计及制备方法

技术领域

本发明涉及一种添加Sc的高强高模量铸造Al-Li合金成分设计及制备方法，属于铝锂合金材料设计制备技术领域。

背景技术

航空航天、武器装备结构件对轻质高强合金的需求长期存在，而且越来越迫切。降低高强合金密度、提高比强度和比模量一直是轻合金研发的重要方向。由于铝锂合金具有密度低、比强度高和比刚度高等优势，它已被广泛用于航空航天领域，我国大飞机C919前机身、机头以及机身中部的蒙皮同样采用AA2060铝锂合金制造。此外，我国首个3.35m直径铝锂合金火箭贮箱采用了第三代高性能铝锂合金，强度提升30％左右，同等条件下结构减重15％以上。然而，铝锂合金的制备困难以及研发成本高使得铝锂合金的应用范围有限，此外航空航天领域结构件的特殊使用条件对铝锂合金的显微组织、力学性能提出了严格的要求，高强高模量铝锂合金的开发设计迫在眉睫。

为实现新型轻质高强高模量铝合金的开发，成分-微观组织结构-力学性能之间的关系一直是研究热点。研究表明铝合金元素含量、制备和热处理工艺在微观组织演变及材料性能调控中扮演着重要角色。然而，针对合金成分和制备、热处理工艺设计的现有研究中，大部分仍停留在“炒菜式”试错的方法上，随着材料基因组计划的发展，材料设计成型技术集成化要求越来越明显，因此，将集成计算方法应用到合金设计当中，将大大缩短合金材料的研发与制备周期，这也有利于深入探究合金-工艺-组织-性能之间的相互作用机理。

高强高模量Al-Li合金的铸造是一个复杂的过程，铸件的机械性能在很大程度上取决于微观结构特征。然而，由于Al-Li合金的凝固温度范围很广(最高可达137℃)，因此在铸造过程中容易形成树枝状结构，并在高温下容易吸氢和氧化。因此，在铸造过程中容易形成微观结构缺陷，如气孔、热裂纹、氧化物和金属夹杂物，这对铝锂合金的力学性能非常不利。目前，对提高铸造铝锂合金力学性能的研究主要集中在两个方面：一方面是以合金化的手段开发新型合金，即通过研究合金元素在铝锂合金中的作用和优化元素的添加量设计高性能铝锂合金。另一方面，通过先进的制备工艺避免或减弱缺陷提高现有铸造铝锂合金的性能。在有益元素中，稀土元素中Sc可使Al-Li合金的晶粒细化程度达到最高，同时能抑制晶间相的形成，此外还能为热处理后强化相的析出提供形核位点，促进δ′、θ′和T

现有一些技术公开了利用稀土元素Sc、Er、Yb提高铝锂合金力学性能的方法，但是这些技术仅仅是在已知成分下加入稀土元素进一步改善合金力学性能，没有从成分-制造工艺-微观组织-力学性能全方位考虑，因此应用范围有限，对设计全新高强高模量Al-Li合金存在盲区。如何设计开发一种高强高模量Al-Li合金成分以及与其配套的制备成形工艺是现有技术的难题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种添加Sc的高强高模量铸造Al-Li合金成分设计及制备方法，采用集成计算方法设计Al-Li合金成分，优化制备工艺，能够避免“炒菜式”试错的方法设计高性能铝锂合金，从而大大缩短铝锂合金的研发与制备周期，这有利于深入探究合金成分-工艺-组织-性能之间的相互作用机理。同时采用的真空离心铸造技术进一步优化微观组织，从而能显著提高铝合金的力学性能，满足航空航天领域的需求。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种添加Sc的高强高模量铸造Al-Li合金成分设计及制备方法，所述方法步骤如下：

(1)以铝锂合金中Li、Cu、Mg为主要合金成分，通过变化三种合金成分的含量达到高模量的目的，采用计算模拟输入Li、Cu、Mg的含量，同时结合相图计算预测对应的析出相，优化并输出三种元素获得高模量的平衡成分；

(2)以有限元计算仿真优化离心铸造工艺参数，对离心速度进行优化以获得最优的微观组织；

(3)利用设计的成分和优化的离心速度进行离心铸造制备铝锂合金，离心速率为300～1000r/min，离心时间为30～120s；

(4)将离心铸造制备的铝锂合金进行固溶处理，温度为450℃～580℃，保温时间为1～40h，升温速率为5℃/min～20℃/min；

(5)对固溶处理态铝锂合金进行时效处理，结束后置于空气中冷却至室温。

进一步地，步骤(1)中，计算模拟设计合金成分方法是采用Jmatpro软件，首先输入Li、Cu合金成分，输出铝锂合金模量数值，获得实现高模量铝锂合金的最佳Li、Cu成分，其中成分区间为0.01～0.1wt.％；随后输入Li、Mg合金成分，输出铝锂合金模量数值，获得实现高模量铝锂合金的最佳Li、Mg成分，其中成分区间为0.01～0.1wt.％。最后结合相图计算，利用Pandat相图计算软件预测对应的析出相，优化并输出三种元素获得高模量的平衡成分；

进一步地，步骤(2)中，有限元计算仿真优化离心铸造工艺参数是采用Procast软件，首先进行网格划分、物性参数、换热边界条件等参数设置、变量为离心速度，其范围在50～1000r/min，其次输入具体合金成分，对比并分析其微观组织、缺陷，选择最优工艺参数。

进一步地，步骤(3)中，真空离心铸造的工艺步骤为：将石墨坩埚/不锈钢坩埚/氮化硼坩埚放进热处理炉中进行预热涂层处理，热处理炉温度为150℃～250℃，保温1～5h，升温速率为5℃/min～20℃/min，随后快速取出进行涂层处理，涂层成分为氮化硼，固体氮化硼质量分数大于60％，涂层厚度为0.03～0.5mm，然后室温下静置24～48h；将配制好的铝锂合金以及涂层处理后的坩埚放置在热处理炉中进行预热干燥处理，热处理炉温度为150℃～250℃，保温1～4h，升温速率为5℃/min～20℃/min；将1/3纯铝放置在坩埚底部，坩埚中间放置Li、Mg、Cu其它元素，剩余的纯铝放在最上面，然后进行抽真空处理，真空抽两次以上，真空度在5kPa以下，充满氩气，然后进行加热，加热温度到700～780℃，升温速率为10～20℃，在750～780℃静置5～10min，随后进行离心铸造，离心速率为300～1000r/min，离心时间为30～120s；离心铸造模具采用铜模，铜模具壁厚在40mm以上。

进一步地，步骤(4)中时效处理分四阶段进行，首先在400℃～430℃保温4h～10h，随后升温至430℃～460℃保温3h～10h，随后升温至460℃～480℃保温3h～10h，随后升温至480℃～580℃保温3h～10h，升温速率为5℃/min～20℃/min。其次步骤(4)中冷却方式为水冷或油冷，淬火油成分为二甲基硅油，粘度为100CS，淬火油或水温度10℃～30℃。优选在5s～20s内将铝锂合金从400℃～580℃的热处理炉转移到10℃～30℃的水中或油中。热处理炉的升温速率优选5℃/min～20℃/min。

进一步地，步骤(5)中时效处理分两阶段进行：首先在100℃～150℃保温4h～20h，随后升温至150℃～200℃保温3h～120h，升温速率为5℃/min～20℃/min。优选在5s～20s内将铝锂合金从100℃～200℃的热处理炉转移到空气中。

进一步地，所述铝锂合金的组成成分及各成分的质量百分数如下：Li 0.5-4.0％、Cu 1.0-4.0％、Mg 0.1-3.0％、Zr 0.05-0.5％、Zn 0.5-2.0％、Sc 0.1-1.0％和余量的Al等。

有益效果：

本发明提供一种添加Sc的高强高模量铸造Al-Li合金成分设计及制备方法，能够避免“炒菜式”试错的方法设计高性能铝锂合金，从而大大缩短铝锂合金的研发与制备周期，有效减少了铸造过程中产生的枝晶和孔洞，，获得低孔洞率、细小等轴晶粒的微观组织，四级固溶工艺和两级时效工艺使铸造铝锂合金的强度和模量得到显著提升，有利于扩大铸造铝锂合金在航空航天领域的应用。同时，本发明所述方法设备操作简单，生产效率高。

附图说明

图1为本发明技术路线。

图2为集成计算方法设计高模量Al-Li合金模量-成分图。

图3为实施例1步骤(3)后Al-Li合金的微观组织图。

图4为实施例2步骤(3)后Al-Li合金的SEM图。

图5为实施例3步骤(3)后Al-Li合金的SEM图。

图6为实施例4步骤(3)后Al-Li合金的SEM图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步阐述，其中，所述方法如无特别说明均为本发明申请的方法。

实施例1

(1)以铝锂合金中Li、Cu、Mg为主要合金成分，通过变化三种合金成分的含量达到高模量的目的，采用计算模拟输入Li、Cu、Mg的含量，同时结合相图计算预测对应的析出相，优化并输出三种元素获得高模量的平衡成分；

(2)以有限元计算仿真优化离心铸造工艺参数，对离心速度进行优化，输出最佳的离心速度；

(3)利用设计的成分和优化的离心速度进行离心铸造制备铝锂合金，首先将石墨坩埚坩埚放进热处理炉中进行预热涂层处理，热处理炉温度为180℃，保温1h，升温速率为10℃/min，随后快速取出进行涂层处理，涂层成分为氮化硼，固体氮化硼质量分数大于60％，涂层厚度为0.1mm，然后室温下静置24h；将配制好的铝锂合金以及涂层处理后的坩埚放置在热处理炉中进行预热干燥处理，热处理炉温度为180℃，保温2h，升温速率为10℃/min；将1/3纯铝放置在坩埚底部，坩埚中间放置Li、Mg、Cu其它元素，剩余的纯铝放在最上面，然后进行抽真空处理，真空抽两次以上，真空度在5kPa以下，充满氩气，然后进行加热，加热温度到720℃，升温速率为10℃/min，在750℃静置5min，随后进行离心铸造，离心速率为300r/min，离心时间为40s；离心铸造模具采用铜模，铜模具壁厚在40mm。

(4)将离心铸造制备的铝锂合金进行固溶处理，首先在400℃保温6h，随后升温至430℃保温6h，随后升温至460℃保温6h，随后升温至510℃保温8h，升温速率为10℃/min。冷却方式为水冷，水温度20℃。在10s内将铝锂合金从510℃的热处理炉转移到20℃的水中。热处理炉的升温速率为10℃/min；

(5)对固溶处理态铝锂合金进行时效处理，时效处理分两阶段进行：首先在120℃保温4h，随后升温至175℃保温24h，升温速率为10℃/min。在10s内将铝锂合金从175℃的热处理炉转移到空气中；

本实施例所制备的铝锂合金的组成成分及各成分的质量百分数如下：Li 2.50％、Cu 1.60％、Mg 0.55％、Zr 1.08％、Zn 1.08％、Sc 0.19％和余量的Al等。

从图3中可以看出，经过步骤(3)后，铝锂合金晶粒为等轴晶，晶粒尺寸在15μm以下，几乎不存在孔洞缺陷。参考标准GB/T228.1-2010，测得步骤(3)所制备的铝锂合金的抗拉强度338.94MPa，屈服强度275.20MPa，弹性模量为81.02GPa；测得步骤(5)冷却后的铝锂合金的抗拉强度425.30MPa，屈服强度356.63MPa，弹性模量为82.08GPa。

实施例2

(1)以铝锂合金中Li、Cu、Mg为主要合金成分，通过变化三种合金成分的含量达到高模量的目的，采用计算模拟输入Li、Cu、Mg的含量，同时结合相图计算预测对应的析出相，优化并输出三种元素获得高模量的平衡成分；

(2)以有限元计算仿真优化离心铸造工艺参数，对离心速度进行优化，输出最佳的离心速度；

(3)利用设计的成分和优化的离心速度进行离心铸造制备铝锂合金，首先将石墨坩埚坩埚放进热处理炉中进行预热涂层处理，热处理炉温度为200℃，保温2h，升温速率为15℃/min，随后快速取出进行涂层处理，涂层成分为氮化硼，固体氮化硼质量分数大于60％，涂层厚度为0.2mm，然后室温下静置36h；将配制好的铝锂合金以及涂层处理后的坩埚放置在热处理炉中进行预热干燥处理，热处理炉温度为200℃，保温2h，升温速率为15℃/min；将1/3纯铝放置在坩埚底部，坩埚中间放置Li、Mg、Cu其它元素，剩余的纯铝放在最上面，然后进行抽真空处理，真空抽两次以上，真空度在5kPa以下，充满氩气，然后进行加热，加热温度到730℃，升温速率为10℃/min，在730℃静置5min，随后进行离心铸造，离心速率为300r/min，离心时间为45s；离心铸造模具采用铜模，铜模具壁厚在40mm。

(4)将离心铸造制备的铝锂合金进行固溶处理，首先在415℃保温4h，随后升温至480℃保温4h，随后升温至510℃保温6h，随后升温至515℃保温10h，升温速率为10℃/min。冷却方式为水冷，水温度25℃。在15s内将铝锂合金从515℃的热处理炉转移到25℃的水中。热处理炉的升温速率为10℃/min；

(5)对固溶处理态铝锂合金进行时效处理，时效处理分两阶段进行：首先在120℃保温5h，随后升温至160℃保温30h，升温速率为10℃/min。在15s内将铝锂合金从160℃的热处理炉转移到空气中；

本实施例所制备的铝锂合金的组成成分及各成分的质量百分数如下：Li 2.50％、Cu 1.61％、Mg 0.57％、Zr 1.10％、Zn 1.10％、Sc 0.34％和余量的Al等。

从图4中可以看出，经过步骤(3)后，铝锂合金晶粒为等轴晶，晶粒尺寸在12.48μm。参考标准GB/T228.1-2010，测得步骤(3)所制备的铝锂合金的抗拉强度332.26MPa，屈服强度270.44MPa，弹性模量为81.42GPa；测得步骤(5)冷却后的铝锂合金的抗拉强度408.99MPa，屈服强度315.18MPa，弹性模量为83.02GPa。

实施例3

(1)以铝锂合金中Li、Cu、Mg为主要合金成分，通过变化三种合金成分的含量达到高模量的目的，采用计算模拟输入Li、Cu、Mg的含量，同时结合相图计算预测对应的析出相，优化并输出三种元素获得高模量的平衡成分；

(2)以有限元计算仿真优化离心铸造工艺参数，对离心速度进行优化，输出最佳的离心速度；

(3)利用设计的成分和优化的离心速度进行离心铸造制备铝锂合金，首先将石墨坩埚坩埚放进热处理炉中进行预热涂层处理，热处理炉温度为220℃，保温3h，升温速率为10℃/min，随后快速取出进行涂层处理，涂层成分为氮化硼，固体氮化硼质量分数大于60％，涂层厚度为0.3mm，然后室温下静置30h；将配制好的铝锂合金以及涂层处理后的坩埚放置在热处理炉中进行预热干燥处理，热处理炉温度为220℃，保温3h，升温速率为15℃/min；将1/3纯铝放置在坩埚底部，坩埚中间放置Li、Mg、Cu其它元素，剩余的纯铝放在最上面，然后进行抽真空处理，真空抽两次以上，真空度在5kPa以下，充满氩气，然后进行加热，加热温度到750℃，升温速率为10℃/min，在750℃静置8min，随后进行离心铸造，离心速率为400r/min，离心时间为50s；离心铸造模具采用铜模，铜模具壁厚在40mm。

(4)将离心铸造制备的铝锂合金进行固溶处理，首先在425℃保温8h，随后升温至460℃保温10h，随后升温至480℃保温6h，随后升温至515℃保温6h，升温速率为10℃/min。冷却方式为水冷，水温度20℃。在20s内将铝锂合金从515℃的热处理炉转移到20℃的水中。热处理炉的升温速率为10℃/min；

(5)对固溶处理态铝锂合金进行时效处理，时效处理分两阶段进行：首先在100℃保温8h，随后升温至180℃保温80h，升温速率为10℃/min。在20s内将铝锂合金从180℃的热处理炉转移到空气中；

本实施例所制备的铝锂合金的组成成分及各成分的质量百分数如下：Li 2.00％、Cu 1.80％、Mg 0.55％、Zr 1.03％、Zn 1.02％、Sc 0.22％和余量的Al等。

参考标准GB/T228.1-2010，测得步骤(3)所制备的铝锂合金的抗拉强度349.41MPa，屈服强度306.26MPa，弹性模量为80.11GPa；测得步骤(5)冷却后的铝锂合金的抗拉强度431.25MPa，屈服强度333.58MPa，弹性模量为81.42GPa。

实施例4

(1)以铝锂合金中Li、Cu、Mg为主要合金成分，通过变化三种合金成分的含量达到高模量的目的，采用计算模拟输入Li、Cu、Mg的含量，同时结合相图计算预测对应的析出相，优化并输出三种元素获得高模量的平衡成分；

(2)以有限元计算仿真优化离心铸造工艺参数，对离心速度进行优化，输出最佳的离心速度；

(3)利用设计的成分和优化的离心速度进行离心铸造制备铝锂合金，首先将石墨坩埚坩埚放进热处理炉中进行预热涂层处理，热处理炉温度为250℃，保温5h，升温速率为10℃/min，随后快速取出进行涂层处理，涂层成分为氮化硼，固体氮化硼质量分数大于60％，涂层厚度为0.5mm，然后室温下静置48h；将配制好的铝锂合金以及涂层处理后的坩埚放置在热处理炉中进行预热干燥处理，热处理炉温度为250℃，保温4h，升温速率为20℃/min；将1/3纯铝放置在坩埚底部，坩埚中间放置Li、Mg、Cu其它元素，剩余的纯铝放在最上面，然后进行抽真空处理，真空抽两次以上，真空度在5kPa以下，充满氩气，然后进行加热，加热温度到780℃，升温速率为20℃/min，在780℃静置10min，随后进行离心铸造，离心速率为500r/min，离心时间为60s；离心铸造模具采用铜模，铜模具壁厚在40mm。

(4)将离心铸造制备的铝锂合金进行固溶处理，首先在430℃保温10h，随后升温至460℃保温10h，随后升温至480℃保温10h，随后升温至540℃保温10h，升温速率为10℃/min。冷却方式为水冷，水温度20℃。在20s内将铝锂合金从540℃的热处理炉转移到20℃的水中。热处理炉的升温速率为10℃/min；

(5)对固溶处理态铝锂合金进行时效处理，时效处理分两阶段进行：首先在150℃保温4h，随后升温至190℃保温120h，升温速率为10℃/min。在20s内将铝锂合金从190℃的热处理炉转移到空气中；

本实施例所制备的铝锂合金的组成成分及各成分的质量百分数如下：Li 2.00％、Cu 1.80％、Mg 0.81％、Zr 1.01％、Zn 1.05％、Sc 0.40％和余量的Al等。

参考标准GB/T228.1-2010，测得步骤(3)所制备的铝锂合金的抗拉强度366.02MPa，屈服强度299.90MPa，弹性模量为81.32GPa；测得步骤(5)冷却后的铝锂合金的抗拉强度428.74MPa，屈服强度326.66MPa，弹性模量为82.30GPa。

实施例中铝锂合金热处理力学性能参数如下所示：

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。