CN119061301A - 一种用于塑性成形的低成本高强韧铝合金铸坯及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于塑性成形的低成本高强韧铝合金铸坯及其制备方法，包括如下步骤：S1、选取纯Al、纯Li、纯Cu、纯Mg和中间合金作为制备铝锂合金的原材料；S2、将未包含纯Li的原材料混合并在真空井式炉内进行熔炼，熔炼时的熔炼温度为740℃～760℃；S3、将纯Li原材料加入所述无Li的合金熔体中，并在铝锂合金熔体表层加入覆盖剂，该阶段的熔炼温度为710℃～730℃；S4、将所述的铝锂合金熔体进行超声精炼处理，并浇注到高真空压铸机或挤压机的成形模具中进行压铸或挤压成形。本发明方法能够制备低成本高强韧铝合金铸坯，制备过程简单、效率高，克服了铝锂合金的气孔、成分偏析等缺陷。

Description

一种用于塑性成形的低成本高强韧铝合金铸坯及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于塑性成形的低成本高强韧铝合金铸坯及其制备方法，属于金属材料冶金及铸造技术领域。

背景技术

铝锂合金因具有高模量、低密度等优异性能，受到航空航天等尖端领域广泛关注，由于航空航天部件对高性能铝锂合金材料的特殊需求，铝锂合金不再一味追求低密度，并且Li含量过高会加剧铝锂合金的各向异性，因而低锂（<1.3 wt.%) Al-Cu-Li合金（即第三代Al-Li合金）成为该领域的研究热点之一。现有的第三代铝锂合金常添加微合金元素如Ag、Re、Sc、Ce、Er、Zn、Zr，以改善合金的性能。但是这些Ag、Sc贵（重）金属元素的添加，一方面会提高成本并对密度造成负面影响，另一方面过多的合金元素会使凝固组织中成分偏析现象加剧、甚至可能会损害合金韧性、并使合金凝固及变形过程更加复杂化。

目前，挤压、轧制、锻造等塑性变形工艺是制备航空用高性能铝锂合金型材的常见方法，其性能主要取决于工艺参数和铸坯质量，较少关注铸坯凝固组织这一“先天条件”。塑性变形所需原始铸坯的制备方法主要包括：熔铸法、喷射沉积法以及粉末冶金法，目前国内工业化稳定生产的铝锂合金铸坯坯料尺寸有限，现有铝锂合金铸坯常采用“真空熔炼+重力铸造”制备，但存在以下问题：（1）晶粒尺寸偏大，达到上百甚至数百微米；（2）宏微观成分偏析严重，特别是合金元素较多时会进一步加剧；（3）由于Li元素活性极高，易吸氢氧化，浇注过程需在真空炉中完成，因而对真空熔炼炉的要求较高，并且该方法可操作性不高（如无法扒渣、除气精炼等）、成本较高、铸坯尺寸受限。由于“遗传效应”，粗大的初始晶粒很难通过一道次或两道次变形工艺而获得显著的细化，影响铸坯的质量，而铸坯的质量对于铝锂合金构件性能的影响尤为关键。综上所述，研究开发新型航空用低成本、高强韧铝锂合金及其铸坯的制备方法是十分必要的。

申请公布号CN108149087A的专利公开了一种航天用铝锂合金及铝锂合金型材制造方法，目的是解决生产铝锂合金难度大和铝锂合金的强度低的问题。铝锂合金由Mg、Li、Ti、Zr和Al 组成；Mg：5.5％～6.5％、Li：2.2％～2.5％、Ti： 0.03％～0.12％、Zr：0.15％～0.20％、Zr+Ti≤ 0.25％和Al为余量。方法：称取原料、制备铝合金 熔液、精炼、喷射成形、切成短棒、盲模挤压、热挤压、淬火、拉伸矫直和时效处理。该发明喷射进行成形解决了铝锂合金生产难度大和质量差的问题，抗拉强度达485Mpa，规定非比例延伸强度达345Mpa，断后伸长率10.0％；盲模挤压能够使铸锭更加致密。但是该发明所用材料仍然涉及Zr等贵（重）金属且Li含量大于2wt.%，不适用于低成本高强韧铝锂合金铸坯的制造。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

提供一种用于塑性成形的低成本高强韧铝合金铸坯，按照质量百分比计，其包括以下组分：Cu 4.0%~5.0%，Li 0.3%~1.2%，Mg 0.2%~0.5%，Mn 0.3%~0.6%，Ti 0.1%~0.3%，杂质小于等于0.2%，余量为Al。

本发明还提供一种用于塑性成形的低成本高强韧铝合金铸坯的制备方法，包括如下步骤：

S1、选取纯Al、纯Li、纯Cu、纯Mg和中间合金作为制备铝锂合金的原材料，其中，所述中间合金包括Al-5Ti-B合金和Al-10Mn合金；

S2、将未包含纯Li的原材料混合并在真空井式炉内进行熔炼，熔炼过程中采用非铁坩埚进行熔炼，以此获得无Li的合金熔体，熔炼时的熔炼温度为740℃～760℃；

S3、将纯Li原材料加入所述无Li的合金熔体中，以获得铝锂合金熔体，并在铝锂合金熔体表层加入覆盖剂，该阶段的熔炼温度为710℃～730℃；

S4、将所述的铝锂合金熔体进行超声精炼处理，以获得高质量的铝锂合金熔体，并浇注到高真空压铸机或挤压机的成形模具中进行压铸或挤压成形，以获得所需的铝合金铸坯。

优选的，在步骤S2中，所述未包含纯Li的原材料经100℃预热10~15min以除去水汽，真空井式炉内最大真空度为100kPa。

优选的，步骤S2中，获得所述无Li的合金熔体后，对该合金熔体采用旋转吹惰性气体氩气或氮气进行精炼，对所述合金熔体除气除杂，其中在旋转吹惰性气体过程中，所述合金熔体的温度为710℃～730℃。

优选的，步骤S3中，在加Li过程中，将铝箔包裹的纯Li颗粒加入所述无Li的合金熔体中，并向合金熔体中通高纯氩气进行保护，其中所述无Li的合金熔体温度为680℃～700℃。

优选的，在步骤S3中，获得所述铝锂合金熔体后，待真空井式炉内的真空度降至2~5 Pa以下，充入高纯氩气，使真空井式炉内真空度为60kPa~80kPa，以此防止Li元素的真空蒸发。

优选的，步骤S4中，所述铝锂合金熔体在进行超声处理时通入高纯氩气，超声预热温度为200~300℃，超声处理时间为1~3min，超声功率为1.2kW~1.8kW，超声温度为670~690℃。

优选的，步骤S4中，使用挤压机进行挤压成形过程中成形模具的预热温度为200~250℃，铝锂合金熔体的浇注温度为670~690℃，挤压压力为50~400MPa，保压时间为10~30秒。

优选的，步骤S4中，使用高真空压铸机进行压铸过程中成形模具的预热温度为200~250℃，铝锂合金熔体的浇注温度为670~690℃，模具型腔的真空度为80kPa~100kPa，压铸压力为50~100MPa。

本发明的有益效果是：（1）与现有的第三代铝锂合金相比，本发明合金用的元素种类少，合金中Li含量低至0.3wt.%，并用少量常见元素Ti替代了Sc、Ag、Zn、Zr等多种贵（或重）金属元素的微合金化作用，能在有效降低合金的成本与熔炼难度的同时使得本发明铝锂合金兼具很好的强韧性，可作为挤压、轧制、锻造等塑性变形过程的原始坯料，最终用途可用于航空航天等领域的零部件材料；

（2）本发明合金熔炼过程中使用的井式真空炉，可根据配置的真空泵不同而改变炉内极限真空度，开合炉盖-抽真空-充氩气过程操作方便；同时通过控制合金原材料（除纯Li之外）与纯Li的添加顺序、熔炼温度、真空度、高纯氩气量以及熔体除气精炼的时机等，可以解决工业生产中铝锂合金高真空熔炼的成本高、设备依赖性大、Li烧损大以及可操作性低等问题，最终使得获得的铝锂合金熔体具有吸气少、Li元素烧损少等优点；

（3）本发明通过超声振动对铝锂合金熔体进行除气精炼，解决现有铝锂熔体无法采用旋转吹氩气或氮气进行精炼的问题，并且超声处理能促进熔体中溶质原子均匀分散；同时，超声时间短、效率高，避免超声工具头损耗严重，又可以提高合金熔体质量；

（4）本发明采用高真空压铸或挤压铸造制得铝锂合金铸坯，高压下的凝固会带来重力铸造难以获得的效果，如快速冷却、防止氧化、细化晶粒和第二相、降低或消除孔隙率、减小偏析，特别是，采用高真空压铸替代重力铸造来制备铝锂合金铸坯，结合井式真空炉和超声精炼方法，能有效减少甚至消除金属液在充型和冷却过程中所产生的气泡和溶解性气体，防止吸氢氧化，从而提高铸坯的表面质量、气密性、力学性能；

（5）本发明提供的铝锂合金铸坯的制备方法，首次通过将超声振动与高真空压铸或挤压铸造相结合的成形技术用于铝锂合金铸坯的制备，相比于其他铝合金，由于铝锂合金吸氢、易氧化等特殊性，该技术用于铝锂合金铸坯的制备效果更加明显，且制备过程简单、效率极高、成本较低以及铸坯成品率高，获得的铝锂合金铸坯力学性能优异，无气孔、成分偏析等缺陷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1本发明实施例中制备用于塑性成形的低成本高强韧铝合金铸坯的流程示意图；

图2为本发明实施例中采用的真空井式炉的结构示意图；

图3是本发明实施例1中Al-Cu-Li合金的显微组织光学显微镜图；

图4是本发明实施例1中Al-Cu-Li合金的显微组织扫描电子显微镜图。

图中：①氩气瓶，②阀门，③真空表，④开盖柄，⑤放气阀，⑥密封圈，⑦抽气阀，⑧熔炼炉外壁，⑨炉体内腔，⑩熔体，坩埚，冷却水，铜管，真空泵。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种用于塑性成形的低成本高强韧铝合金铸坯，按照质量百分比计，该铝合金铸坯包括以下组分：Cu 4.0%~5.0%，Li 0.3%~1.2%，Mg 0.2%~0.5%，Mn 0.3%~0.6%，Ti 0.1%~0.3%，杂质小于等于0.2%，余量为Al。此配比的铝合金铸坯具有低成本高强韧的优点，可用于塑性成形的航空航天材料。

本发明还提供一种用于塑性成形的低成本高强韧铝合金铸坯的制备方法，可以制备上述的用于塑性成形的低成本高强韧铝合金铸坯。

实施例

参考图1至图4，本发明的用于塑性成形的低成本高强韧铝合金铸坯的制备方法包括下列步骤：

S101：根据设计的合金成分比例，称取相应含量的纯Al、纯Li、纯Cu、纯Mg和Al-5Ti-B、Al-10Mn中间合金作为原材料。

S102：将除纯Li之外的其他原材料混合并放入真空熔炼炉中，炉内真空度为50kPa，在760℃下进行熔炼，无Li原材料熔炼完成后，调节熔体温度至720℃；然后打开炉盖，采用旋转吹氩气的方式进行精炼处理用于除气除杂，合上炉盖、抽真空、静置，以获得无Li的合金熔体。

S103：待无Li的合金熔体温度为680℃后，打开炉盖，利用钟罩将铝箔包裹的纯Li颗粒加入无Li的合金熔体中，并通高纯氩气进行保护；待纯Li颗粒完全熔化后，调节熔炼炉温度至730℃，在熔体表层加入市售铝锂合金专用的覆盖剂；合盖、抽真空，待炉内真空度升至100kPa，充入适量的高纯氩气，使其炉内真空度降至60kPa，以此防止Li元素的真空蒸发。

S104：将经200℃预热处理后的超声变幅杆插入铝锂合金熔体液面下10 mm进行超声精炼处理，超声处理时间为1min，超声功率为1.5 kW，超声温度为690℃；然后，将690℃的合金熔体浇注到预热温度为200℃的模具中，进行挤压铸造获得塑性变形用铝合金铸坯，挤压压力为50MPa，保压时间为30s。

实施例

本实施例铸造铝合金的合金成分按照质量百分比计：Cu 5.0%，Li 0.6%，Mg 0.3%，Mn 0.5%，Ti 0.15%，杂质≦0.2%，余量为Al。

按照本发明的另一方面，提供了一种上述铝合金铸坯的制备方法，该方法包括下列步骤：

S101：根据设计的合金成分比例，称取相应含量的纯Al、纯Li、纯Cu、纯Mg和Al-5Ti-B、Al-10Mn中间合金作为原材料。

S102：将除纯Li之外的其他原材料混合并放入真空熔炼炉中，炉内真空度为50kPa，在750℃下进行熔炼，无Li原材料熔炼完成后，调节熔体温度至720℃；然后打开炉盖，采用旋转吹氩气的方式进行精炼处理用于除气除杂，合上炉盖、抽真空、静置，以获得无Li的合金熔体。

S103：待无Li的合金熔体温度为690℃后，打开炉盖，利用钟罩将铝箔包裹的纯Li颗粒加入无Li的合金熔体中，并通高纯氩气进行保护；待纯Li颗粒完全熔化后，调节熔炼炉温度至720℃，在熔体表层加入市售铝锂合金专用的覆盖剂；合盖、抽真空，待炉内真空度升至100kPa，充入适量的高纯氩气，使其炉内真空度降至70kPa，以此防止Li元素的真空蒸发。

S104：将经250℃预热处理后的超声变幅杆插入铝锂合金熔体液面下12 mm进行超声精炼处理，超声处理时间为2min，超声功率为1.5 kW，超声温度为680℃；然后，将680℃的合金熔体浇注到预热温度为220℃的模具中，进行高真空铸造获得塑性变形用铝合金铸坯，模具型腔的真空度为80kPa，压铸压力为100MPa。

实施例

本实施例铸造铝合金的合金成分按照质量百分比计：Cu 5.0%，Li 1.2%，Mg 0.3%，Mn 0.5%，Ti 0.15%，杂质≦0.2%，余量为Al。

按照本发明的另一方面，提供了一种上述铝合金铸坯的制备方法，该方法包括下列步骤：

S101：根据设计的合金成分比例，称取相应含量的纯Al、纯Li、纯Cu、纯Mg和Al-5Ti-B、Al-10Mn中间合金作为原材料。

S102：将除纯Li之外的其他原材料混合并放入真空熔炼炉中，炉内真空度为50kPa，在740℃下进行熔炼，无Li原材料熔炼完成后，调节熔体温度至730℃；然后打开炉盖，采用旋转吹氩气的方式进行精炼处理用于除气除杂，合上炉盖、炉中抽真空、静置，以获得无Li的合金熔体。

S103：待无Li的合金熔体温度为700℃后，打开炉盖，利用钟罩将铝箔包裹的纯Li颗粒加入无Li的合金熔体中，并通高纯氩气进行保护；待纯Li颗粒完全熔化后，调节熔炼炉温度至710℃，在熔体表层加入市售铝锂合金专用的覆盖剂；合盖、抽真空，待炉内真空度升至100kPa，充入适量的高纯氩气，使其炉内真空度降至80kPa，以此防止Li元素的真空蒸发。

S104：将经300℃预热处理后的超声变幅杆插入铝锂合金熔体液面下15 mm进行超声精炼处理，超声处理时间为3min，超声功率为1.5 kW，超声温度为670℃；然后，将670℃的合金熔体浇注到预热温度为250℃的模具中，进行挤压铸造获得塑性变形用铝合金铸坯，挤压压力为400MPa，保压时间为15s。

表1为不同实施例制备的铝锂合金铸坯和无Li的Al-Cu-Mn-Ti铸坯的成分及其铸态拉伸力学性能（抗拉强度、屈服强度和伸长率）。结果表明本发明提供的铝锂合金兼具很好的强韧性，其铸态综合力学性能远高于传统的半连续铸造或重力铸造的铝锂合金铸坯，其铸态力学性能也远高于相同工艺制备的无Li的Al-Cu-Mn-Ti合金铸坯。

表1 不同实施例制备的铝锂合金铸坯和对照组的成分及其力学性能测试结果

本发明的用于塑性成形的低成本高强韧铝合金铸坯及其制备方法能够避免铝锂合金熔炼过程中的氢化氧化反应、以及锂在空气环境中的烧损，提高了锂元素的利用率，克服了铝锂合金的气孔、成分偏析等缺陷，制造成本低，获得的铝锂合金强度和韧性好，可用作航空航天等领域的零部件材料。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1. 一种用于塑性成形的低成本高强韧铝合金铸坯，其特征在于：按照质量百分比计，其包括以下组分：Cu 4.0%~5.0%，Li 0.3%~1.2%，Mg 0.2%~0.5%，Mn 0.3%~0.6%，Ti 0.1%~0.3%，杂质小于等于0.2%，余量为Al。

2.一种用于塑性成形的低成本高强韧铝合金铸坯的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、选取纯Al、纯Li、纯Cu、纯Mg和中间合金作为制备铝锂合金的原材料，其中，所述中间合金包括Al-5Ti-B合金和Al-10Mn合金；

S2、将未包含纯Li的原材料混合并在真空井式炉内进行熔炼，熔炼过程中采用非铁坩埚进行熔炼，以此获得无Li的合金熔体，熔炼时的熔炼温度为740℃～760℃；

S3、将纯Li原材料加入所述无Li的合金熔体中，以获得铝锂合金熔体，并在铝锂合金熔体表层加入覆盖剂，该阶段的熔炼温度为710℃～730℃；

S4、将所述的铝锂合金熔体进行超声精炼处理，以获得高质量的铝锂合金熔体，并浇注到高真空压铸机或挤压机的成形模具中进行压铸或挤压成形，以获得所需的铝合金铸坯。

3.如权利要求2所述的用于塑性成形的低成本高强韧铝合金铸坯的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述未包含纯Li的原材料经100℃预热10~15min以除去水汽，真空井式炉内最大真空度为100kPa。

4.如权利要求3所述的用于塑性成形的低成本高强韧铝合金铸坯的制备方法，其特征在于，步骤S2中，获得所述无Li的合金熔体后，对该合金熔体采用旋转吹惰性气体氩气或氮气进行精炼，对所述合金熔体除气除杂，其中在旋转吹惰性气体过程中，所述合金熔体的温度为710℃～730℃。

5.如权利要求4所述的用于塑性成形的低成本高强韧铝合金铸坯的制备方法，其特征在于，步骤S3中，在加Li过程中，将铝箔包裹的纯Li颗粒加入所述无Li的合金熔体中，并向合金熔体中通高纯氩气进行保护，其中所述无Li的合金熔体温度为680℃～700℃。

6.如权利要求5所述的用于塑性成形的低成本高强韧铝合金铸坯的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，获得所述铝锂合金熔体后，待真空井式炉内的真空度降至2~5 Pa以下，充入高纯氩气，使真空井式炉内真空度为60kPa~80kPa。

7.如权利要求2所述的用于塑性成形的低成本高强韧铝合金铸坯的制备方法，其特征在于，步骤S4中，所述铝锂合金熔体在进行超声处理时通入高纯氩气，超声预热温度为200~300℃，超声处理时间为1~3min，超声功率为1.2kW~1.8kW，超声温度为670~690℃。

8.如权利要求2所述的用于塑性成形的低成本高强韧铝合金铸坯的制备方法，其特征在于， 步骤S4中，使用挤压机进行挤压成形过程中成形模具的预热温度为200~250℃，铝锂合金熔体的浇注温度为670~690℃，挤压压力为50~400MPa，保压时间为10~30秒。

9.如权利要求2所述的用于塑性成形的低成本高强韧铝合金铸坯的制备方法，其特征在于，步骤S4中，使用高真空压铸机进行压铸过程中成形模具的预热温度为200~250℃，铝锂合金熔体的浇注温度为670~690℃，模具型腔的真空度为80kPa~100kPa，压铸压力为50~100MPa。