一種超高強鋁鋰合金及熱處理工藝制造技術

一種超高強鋁鋰合金，包括下述組分按重量百分比組成：Cu：4～4.5，Li：1.3～1.4，Mg：0.3～0.5，Ag：0.2～0.4，Zr：0.05～0.2，余量為Al。其制備方法是按設計組分配比取鋁鋰合金各組分，在氬氣保護下熔化后，澆注得到鑄錠，鑄錠經均勻化處理、擠壓后得到擠壓坯；將擠壓坯加熱至495℃～515℃均溫0.5-1.5h，水淬后在50℃～120℃時效3h～96h；或者，水淬后150℃～200℃時效2h～10h后轉50℃～120℃時效3h～96h。本發明專利技術的Al-Cu-Li-Mg-Ag-Zr合金克服傳統鋁鋰合金高強度但低塑性的缺點，成功在保證較高室溫拉伸強度的同時顯著提高合金室溫塑性，并且超過了傳統鋁鋰合金的性能，而且通過降低合金Cu/Li比，降低合金的密度，顯著提高合金的比強度。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種超高強鋁鋰合金及熱處理工藝，特別是指有效提高超高強鋁鋰合金室溫塑性的熱處理工藝。屬于高性能金屬結構材料制備

技術介紹
航空發動機，航天制造業及各國空間計劃的開展，對傳統結構材料提出更高的要求，不僅要求提高其抗拉強度，還需要考慮其制造成本和使用成本。在鋁合金中添加鋰元素已經引起越來越多的研究關注，因為鋁鋰合金與傳統鋁合金如2000系和7000系相比，具有更低的密度，更高的比強度，及更高的抗損傷容限。但是鋁鋰合金的大規模商品化生產在過去的很長一段時間內都無法實現，主要原因在兩方面一，鋁鋰合金的塑韌性差；ニ，鋁鋰合金的斷裂韌性差。過去的四十年，全球范圍內都在開展改良鋁鋰合金的研究。一系列的鋁鋰合金(不同的鋰和銅元素的含量)已經研究出，并且具備更優良的加工性能。有研究發現每提高鋁鋰合金中鋰的加入量1%，可以降低合金密度3%，増加彈性模量6%。盡管鋰的加入可以有效地提高合金的性能，并且抗拉強度與鋰元素的加入量緊密相連，但是，鋰元素的加入存在極限值。當超過極限值后，合金表現出惡化的性能。Lagan和Pickens等人發現當鋰元素的加入量超過合金總重的I. 3%時,合金的屈服強度和抗拉強度都下降。當鋰元素的含量控制在I. 1-1. 3%時，合金強度達到最大值。也有研究指出，在Al-Li-Cu合金中加入Zr，Ag，Mg，及稀土元素都可以使得合金表現出強度和韌性的優異結合。正因如此，具有高Cu/Li元素比，名義合金成分為Al-6. 3Cu-l. 3Li_0.4Ag-0. 4Mg-0. 14Zr的Weldanite 049合金成功開發，其具備良好的加工性能及優異的焊接性能。有相關文獻記載型號2094合金，Cu/Li元素比約為5的鋁鋰合金，T6及T8態室溫拉伸性能為，抗拉強度568. 4Mpa和610. 9Mpa，屈服強度為518Mpa和573Mpa，延伸率分別為8. 5%和7%，而降低Cu/Li比可以有效的降低合金密度，大幅提高合金比強度性能，減輕材料總重。但提高合金中鋰元素含量影響合金的室溫塑性。主要由于提高熔煉中鋰元素含量，不可避免的造成合金氫元素含量偏高，提高合金氫脆傾向，晶界強度降低，易發生沿晶斷裂，合金塑性差。目前，國外采用高真空熔煉，延長熔煉時間，氫元素溢出熔體，降低合金氫脆傾向，但存在鋰元素易從熔體揮發，熔煉設備價格昂貴，造成合金成本偏高等問題。而采用原有氬氣保護氛圍熔煉條件，通過改善合金元素含量配比，利于合金基體共格、半共格析出相彌散分布，適當減少非共格增強相數量，増加塑性變形中位錯總滑移程，大幅提高合金塑性卻鮮有行之有效的熱處理工藝。因此研究高性能低銅鋰比鋁鋰合金，開發有效的熱處理制度改善合金的室溫強度，尤其是提高室溫塑性，對拓展鋁鋰合金應用領域至關重要。專利技術目的本專利技術的目的在于克服現有技術之不足而提供一種合金成分設計合理、制備的合金密度小、熱處理工藝簡單、熱處理后合金比強度高、室溫塑性好的超高強鋁鋰合金及熱處理工藝。本專利技術ー種超高強鋁鋰合金，包括下述組分按重量百分比組成Cu :4 4. 5，Li :1.3 I. 4，Mg 0. 3 O. 5,Ag :0.2 O. 4，Zr :0· 05 O. 2，余量為 Al。本專利技術ー種超高強鋁鋰合金的熱處理工藝是采用下述方案實現的按設計組分配 比取鋁鋰合金各組分，在氬氣保護下熔化后，澆注得到鑄錠，鑄錠經均勻化處理、擠壓后得到擠壓坯；將擠壓坯加熱至495°C 515°C保溫O. 5-1. 5h，水淬，然后在50°C 120°C時效3h 96h ;或者，水淬，然后150°C 200°C時效2h IOh后轉50°C 120°C時效3h 96h。本專利技術ー種超高強鋁鋰合金的熱處理工藝中，所述澆注時采用水冷方式得到鑄錠。本專利技術ー種超高強鋁鋰合金的熱處理工藝中，所述均勻化處理的エ藝參數為430°C 460°C保溫15h 20h+480°C 51 (TC保溫5h IOh后空冷。本專利技術ー種超高強鋁鋰合金的熱處理工藝中，所述擠壓的エ藝參數為開坯溫度440°C 470°C，擠壓模具溫度430 460°C，擠壓速率為O. 2-0. 4mm/min，擠壓比為25-30。專利技術的優點和積極效果本專利技術由于采用上述組分配比，有利于控制合金化程度，尤其是大幅減少如Mn、Zn,Ti等重元素及Si、Fe雜質元素的含量，控制Cu/Li比在2. 8 3. 5，有效降低合金密度，利于合金主要增強相δ ’和Tl相大量彌散析出，保證合金室溫條件下優異的力學性能，較2094、2095、平均名義成分的Weldanite 049合金的密度都要低，材料的比強度最高可以提高2. 58%。本專利技術的熱處理工藝與傳統鋁鋰合金熱處理工藝重大區別在于傳統熱處理エ藝采用固溶淬火后，經高溫160°C 220°C單級時效快速析出主要強化相，獲得較高的力學性能，或雙級時效即高溫160°C 220°C時效后轉長時間低溫130°C 150°C時效，但都無法解決控制析出相長大以及晶界連續析出等問題。本專利技術摒棄傳統エ藝，結合理論模擬實驗數據，采用固溶后直接轉低溫短時間時效，及高溫時效后轉低溫短時間時效，對合金性能的影響主要是通過對δ ’ (Al3Li)和Tl (Al2CuLi)等強化相的影響來實現，δ ’相粒子和Tl相的尺寸、大小和分布情況直接影響合金的強度和塑性。單級低溫50°C 120°C短時時效，合金中過飽和的銅含量促進時效過程Li原子從固溶體中析出，在時效初期Al3Li即δ ’相開始長大，Li原子與空位結合加快δ ’相生長，低溫時效時形成的δ ’相極為細小，彌散。δ ’相的析出消耗了大量的Li原子，與之相結合的空位因此得到釋放。這些與Li原子結合的空位被釋放出來與銅原子結合，有利于Cu原子擴散，晶內空位濃度增加，為Tl相的析出提供了更多的非均勻形核點。合金低Cu/Li比，較高的Li含量，為溶質原子的擴散提供了高擴散通道，從而加快了低溫下Tl相的析出速度，抑制Tl相長大速度，Tl相無明顯粗化長大。同時，低溫短時間時效過程中，較高的晶內空位濃度削弱“貧空位機制”引起的無沉淀析出帶(PFZ)，晶界連續分布析出的平衡相數量銳減，細小彌散分布的δ ’相及尺寸小，數量多的Tl相對位錯運動構成的一定阻礙，合金表現為較高的強度，塑性無明顯降低。雙級時效，即高溫150°C 200°C時效轉低溫短時時效主要通過高過飽和濃度合金中Tl相在G. P區強化形核生成，高溫對Cu、Li原子擴散起促進作用，非常有利于基體Tl相形核長大，合金主要強化相Tl相彌散析出，立即轉低溫時效，有效避免Tl相晶界粗化分布。同吋，低溫50°C 120°C時效3h 96h，合金強化相δ ’相基體再析出，由于時效溫度低，時效時間短，這些S ’相質點與基體共格，非常細小，分布均勻，在加工變形過程中強烈釘扎位錯和亞晶界，増加位錯滑移時的臨界分切應力，提高合金的強塑性，并使合金變形時更加均勻，改善合金的強度及塑性。開發出能有效的控制鋁鋰合金中兩種主要增強相δ ’和Tl相的析出體積分數，并結合熱加工エ藝的合金熱處理工藝。能夠獲得理想抗拉強度和屈服強度，同時使合金的室溫塑性大幅提高Τ6態塑性由不足4%提高至10%，抗拉強度不低于630Mpa，屈服本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉志義，于迪爾，谷艷霞，應普友，周璇瑋，夏琳燕，劉雄，劉燦威，李福東，
申請(專利權)人：中南大學，
類型：發明
國別省市：