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一种高强耐热高钪Al-Cu-Mg系合金及其制造工艺

文献发布时间：2023-06-19 18:25:54

技术领域

本发明属于铝合金热处理技术领域，具体涉及一种高强耐热含Sc的Al-Cu-Mg合金及其制造工艺。

背景技术

2xxx系(Al-Cu)合金作为可时效强化型铝合金的典型代表，具有高的比强度、优异的抗冲击性能，抗应力腐蚀性能和良好的焊接性，在军事、航空航天等领域得到了广泛的应用。并通常被认为是铝合金中较好的耐热性的系列。以2519合金为例，其主要的合金化元素包括Cu：5.3～6.4％、Mg：0.05～0.40％、Mn：0.10～0.50％以及Ti、Zr等其他元素。然而，在超过300℃服役环境下，Al-Cu-Mg合金中强化相容易发生粗化，导致合金快速软化并失效。

Al-Cu-Mg可时效强化型合金的耐热性研究的经典思路为增大Cu/Mg比，相图中所处相区为α+θ，其中起主要强化作用的析出相是针状的θ'，θ'与基体呈半共格关系，可提高合金强化效果，并保证其在200℃附近可承受200MPa以上的大应力，拥有极为优异的抗高温性能。然而，对于更高温度，例如300～400℃服役环境下，θ'相并不继续保持其优良的热稳定性而快速粗化，导致Al-Cu-Mg合金在上述区间内亦发生快速软化失效。

研究发现，铝合金中添加Sc在凝固过程析出Al

虽然添加稀土元素对力学性能有所改善，但是在Cu含量较高的Al-Cu-Mg合金中，Sc与Cu会形成W相，减少了合金中固溶的Cu原子的含量，进而减少了合金中强化相θ'的密度，力学性能降低问题没有得到有效解决。因此，本发明提出一种高钪Al-Cu-Mg合金热处理工艺，减少W相的形成，改善其在300～400℃严酷服役环境下的力学性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的至少一个不足，提供一种高强耐热高钪Al-Cu-Mg合金及其制造工艺。

本发明所采取的技术方案是：

本发明的第一个方面，提供：

一种高强耐热高钪Al-Cu-Mg合金，其质量组成为：Cu 5.3～6.4％，Mg 0.05～0.40％，Mn 0.10～0.50％，Ti 0.02～0.10％，Zr 0.10～0.25％，Yb 0.20～0.40%，Sc 0.30～0.80％，不可避免的杂质，余量Al。

在一些高强耐热高钪Al-Cu-Mg合金的实例中，Sc的含量为0.30～0.70%。

在一些高强耐热高钪Al-Cu-Mg合金的实例中，Sc的含量为0.60%。

在一些高强耐热高钪Al-Cu-Mg合金的实例中，Yb的含量为0.30%。

在一些高强耐热高钪Al-Cu-Mg合金的实例中，Yb:Sc的质量比=2：(3～5)。

在一些高强耐热高钪Al-Cu-Mg合金的实例中，Yb:Sc的质量比=2：4。

在一些高强耐热高钪Al-Cu-Mg合金的实例中，Sc的含量为0.60%，Yb的含量为0.30%。

在一些高强耐热高钪Al-Cu-Mg合金的实例中，不可避免的杂质含量不超过0.1%。

以上限定，在不相冲突的情况下，可以任意组合。

本发明的第二个方面，提供：

本发明第一个方面所述高强耐热高钪Al-Cu-Mg合金的制造工艺，包括如下步骤：

1)原料熔炼：准备铝锭、镁锭、铝中间合金和稀土合金，熔炼得到合金铸锭；

2)退火压缩：取步骤1)制备的合金铸锭进行非等温均匀化退火，在中间退火温度下进行多向压缩，淬火；

3)固溶时效：对成型铝铜合金块体进行固溶+双级时效处理，处理完毕后取出、空冷得到。

在一些制造工艺的实例中，所述步骤1)中的熔炼温度为720～760℃。

在一些制造工艺的实例中，所述步骤2)中的退火压缩操作如下：

a)200～350℃均匀化，升温速率1～3℃/5～15min，在300～350℃进行一道次压缩，变形量30%～40%；

b)350～450℃均匀化，升温速率1～3℃/5～15min，在430～480℃将变形后样品进行一道次压缩，变形量30%～40%；

c)450～520℃均匀化，升温速率1～3℃/3～9min，在510～530℃将变形后样品进行一道次的压缩，变形量30%～40%。

在一些制造工艺的实例中，所述步骤3)中的固溶处理为510%～530℃保温0.5～2h。

在一些制造工艺的实例中，所述步骤3)中的双级时效处理为先在130～170℃保温0.5～4h，然后在170～220℃保温0.5～48h。

本发明的第三个方面，提供：

一种型材，由本发明第一个方面所述的高强耐热Al-Cu-Mg合金制备得到，或由本发明第二个方面所述制造工艺制备得到的高强耐热Al-Cu-Mg合金制备得到。

本发明的有益效果：

本发明通过实施有效、可执行的复合微合金化手段及配套合理的形变热处理工艺制度，克服传统可热处理强化型铝合金在300℃-400℃高温服役环境时强度不足的瓶颈问题，同时对要求短期或是长期服役的部件做出不同的微观组织调整，从而满足室温/高温环境下高强、耐热的特点。

本发明首次从非等温均匀化形变热处理工艺角度提出控制高钪Al-Cu-Mg合金中W相形成，获得高强耐热铝合金的制备方法。本方法采用非等温均匀化方法，在低温（<350℃）均匀化尽可能析出全部的Al

本发明的低温短时间时效（150℃，30min～4h）可以析出足够的GP区与位错作用，形变强化效果保留，同时细小弥散的GP区和位错为θ′相提供大量形核质点，提高合金强度。

附图说明

图1是实施例4制备得到高钪Al-Cu-Mg合金的微观组织图。

具体实施方式

本发明的第一个方面，提供：

在一些高强耐热高钪Al-Cu-Mg合金的实例中，其质量组成为：Cu 5.56～6.35％，Mg 0.25～0.36％，Mn 0.24～0.47％，Ti 0.06～0.10％，Zr 0.10～0.17％，Yb 0.20～0.40%，Sc 0.30～0.80％，不可避免的杂质，余量Al。

Yb可促进Zr、Sc元素的固溶，提高Zr、Sc在铝基体中的固溶度，低温均匀化过程中Al

在一些高强耐热高钪Al-Cu-Mg合金的实例中，Sc的含量为0.30～0.70%。

在一些高强耐热高钪Al-Cu-Mg合金的实例中，Yb的含量为0.30%。

在一些高强耐热高钪Al-Cu-Mg合金的实例中，Yb:Sc的质量比=2：(3～5)。

在一些高强耐热高钪Al-Cu-Mg合金的实例中，Yb:Sc的质量比=2：4。

在一些高强耐热高钪Al-Cu-Mg合金的实例中，Sc的含量为0.60%，Yb的含量为0.30%。数据显示这一用量下，室温和300℃下的抗拉强度均可最大化，同时延伸率最小化。

杂质对产品的性能有不利影响，为了更好地稳定产品的质量，在一些高强耐热高钪Al-Cu-Mg合金的实例中，不可避免的杂质含量不超过0.1%。

本发明的第二个方面，提供：

本发明第一个方面所述高强耐热高钪Al-Cu-Mg合金的制造工艺，包括如下步骤：

1)原料熔炼：准备铝锭、镁锭、铝中间合金和稀土合金，熔炼得到合金铸锭；

2)退火压缩：取步骤1)制备的合金铸锭进行非等温均匀化退火，在中间退火温度下进行多向压缩，淬火；

3)固溶时效：对成型铝铜合金块体进行固溶+双级时效处理，处理完毕后取出、空冷得到。

在一些制造工艺的实例中，所述步骤1)中的熔炼温度为720～760℃。这一温度下可以使原料充分熔融混匀。

在一些制造工艺的实例中，所述步骤2)中的退火压缩操作如下：

a)200～350℃均匀化，升温速率1～3℃/5～15min，在300～350℃进行一道次压缩，变形量30%～40%；

b)350～450℃均匀化，升温速率1～3℃/5～15min，在430～480℃将变形后样品进行一道次压缩，变形量30%～40%；

c)450～520℃均匀化，升温速率1～3℃/3～9min，在510～530℃将变形后样品进行一道次的压缩，变形量30%～40%。

实验数据表明这一条件下，可以进一步获得高质量的高强耐热高钪Al-Cu-Mg合金。

在一些制造工艺的实例中，所述步骤3)中的固溶处理为510%～530℃保温0.5～2h。

在一些制造工艺的实例中，所述步骤3)中的双级时效处理为先在130～170℃保温0.5～4h，然后在170～220℃保温0.5～48h。

本发明的第三个方面，提供：

一种型材，由本发明第一个方面所述的高强耐热Al-Cu-Mg合金制备得到，或由本发明第二个方面所述制造工艺制备得到的高强耐热Al-Cu-Mg合金制备得到。

下面结合实施例、对比例及实验数据对本发明进行详细的说明。

各实施例中合金化学成分重量百分比，Cu 5.3～6.4％、Mg 0.05～0.40％、Mn0.10～0.50％、Ti 0.02～0.10％、Zr 0.10～0.25％、Yb 0.20～0.40%、Sc 0.30～0.80%。原料选取纯Al、Mg铸锭，Al-50Cu、Al-10Mn、Al-4Ti、Al-3Sc、Al-5Zr、Al-10Yb中间合金。

多元精炼剂和除气剂为本领域通用的多元精炼剂和除气剂（精炼剂与熔炼配料质量比为(1～3)：100。所述多元复合精炼剂的组成包括：20wt%NaCl、20wt%KCl、35wt%NaF、25wt%LiF；除气剂与熔炼配料质量比为1：100，所述除气剂为六氯乙烷）。当原料的纯度较高时，也可以不添加多元精炼剂和除气剂。多元精炼剂和除气剂本身对合金的性能基本无影响。

下面结合实例，进一步说明本发明的技术方案。为了得到质量更稳定的产品，各实例中的杂质控制在0.1%以下。

实施例1

1)按照组成元素重量百分比取Cu: 5.71%、Mg:0.32%、Mn: 0.24%、Ti:0.09%、Zr:0.12%、Yb:0.30％、Sc:0.30%余量为Al；准备铝锭、镁锭、铝中间合金和稀土合金，720-760℃熔炼得到合金铸锭；

2)将制备的合金铸锭200-350℃均匀化，升温速率1℃/15min，在350℃进行一道次压缩，变形量40%；350-450℃均匀化，升温速率1℃/8min，在450℃将变形后样品进行两次90°的旋转后进行一道次压缩，变形量40%；450-520℃均匀化，升温速率1℃/3min，在520℃将变形后样品进行两次90°的旋转后再进行一道次的压缩，变形量40%，淬火；

3)对成型铝铜合金块体进行固溶（520℃保温1h）+双级时效处理（150℃，保温时间30min-4h，200℃，保温时间30min-48h），取出样品后空冷。

实施例2

1)按照组成元素重量百分比取Cu: 5.62%、Mg:0.29%、Mn: 0.28%、Ti:0.10%、Zr:0.16%、Yb:0.30％、Sc:0.40%余量为Al；准备铝锭、镁锭、铝中间合金和稀土合金，720-760℃熔炼得到合金铸锭；

3)对成型铝铜合金块体进行固溶（520℃保温1h）+双级时效处理（150℃，保温时间30min-4h，200℃，保温时间30min-48h），取出样品后空冷。

实施例3

1)按照组成元素重量百分比取Cu: 5.56%、Mg:0.34%、Mn: 0.34%、Ti:0.08%、Zr:0.11%、Yb:0.30％、Sc:0.50%、余量为Al；准备铝锭、镁锭、铝中间合金和稀土合金，720-760℃熔炼得到合金铸锭；

3)对成型铝铜合金块体进行固溶（520℃保温1h）+双级时效处理（150℃，保温时间30min-4h，200℃，保温时间30min-48h），取出样品后空冷。

实施例4

1)按照组成元素重量百分比取Cu: 5.84%、Mg:0.25%、Mn: 0.41%、Ti:0.06%、Zr:0.12%、Yb:0.30％、Sc:0.60%、余量为Al；准备铝锭、镁锭、铝中间合金和稀土合金，720-760℃熔炼得到合金铸锭；

3)对成型铝铜合金块体进行固溶（520℃保温1h）+双级时效处理（150℃，保温时间30min-4h，200℃，保温时间30min-48h），取出样品后空冷。

实施例5

1）按照组成元素重量百分比取Cu: 5.92%、Mg:0.31%、Mn: 0.36%、Ti:0.09%、Zr:0.15%、Yb:0.30％、Sc:0.70%、余量为Al；准备铝锭、镁锭、铝中间合金和稀土合金，720-760℃熔炼得到合金铸锭；

2）将制备的合金铸锭200-350℃均匀化，升温速率1℃/15min，在350℃进行一道次压缩，变形量40%；350-450℃均匀化，升温速率1℃/8min，在450℃将变形后样品进行两次90°的旋转后进行一道次压缩，变形量40%；450-520℃均匀化，升温速率1℃/3min，在520℃将变形后样品进行两次90°的旋转后再进行一道次的压缩，变形量40%，淬火；