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CN114836659B - 一种向Al-Cu合金中添加Sc提高合金性能的方法及材料和应用 - Google Patents

一种向Al-Cu合金中添加Sc提高合金性能的方法及材料和应用 Download PDF

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CN114836659B CN202210442369.2A CN202210442369A CN114836659B CN 114836659 B CN114836659 B CN 114836659B CN 202210442369 A CN202210442369 A CN 202210442369A CN 114836659 B CN114836659 B CN 114836659B
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Abstract

本发明公开了一种向Al‑Cu合金中添加Sc提高合金性能的方法，包括以下步骤：S1.配料：按照以下合金组分及质量百分比配制合金原料，Cu：2‑6wt%、Sc：0.01‑0.5wt%、Mn≤0.06wt%、Fe≤0.11wt%，余量为Al；S2.熔炼：将配制好的合金原料熔化得到合金熔体；S3.浇铸：将合金熔体浇铸到模具中，冷却得合金铸锭。本发明还公开了一种向Al‑Cu合金中添加Sc提高合金性能的材料及其在航空、航天、原子能、空间技术、汽车领域中作为高硬度耐高温轻质材料中的应用。本发明解决了传统Al‑Cu合金材料在力学性能差的技术缺陷。

Description

一种向Al-Cu合金中添加Sc提高合金性能的方法及材料和 应用
技术领域
本发明涉及一种向Al-Cu合金中添加Sc提高合金性能的方法及材料和应用，属于铝合金技术领域。
背景技术
现代工业的飞速发展不仅是材料力学性能不断提升的印证，更是对后者提出了日益严苛的要求。对结构材料而言，工业选材不仅延续了传统概念上追求兼备高强度、高延性、高韧性的特点，同时在留足强度安全设计余量的前提下，结构轻量化设计也越来越引起关注。轻质合金材料的应用是不断追求结构减重，提升降低结构能耗，并以此面对日益严峻的能源问题的必经之路与焦点问题所在。作为轻质合金材料最重要的一员，商用铝合金实际已经在室温服役性能指标上实现了长足的进步，因而在长期以来的研发工作与工业化生产中占有尤为重要的地位。以可时效强化型铝合金为代表的高强铝合金材料在航空、航天、原子能及空间技术等战略性领域中成为替代钛合金、钢等较“重”金属材料的首选。国内航空航天和汽车领域使用的铸造铝合金主要是Al-Si系铸造铝合金和Al-Cu系铸造铝合金。Al-Cu系铸造铝合金中使用较多的是ZL201、ZL201A、ZL204、ZL205A、ZL208合金。可以看出，Al-Cu系合金的工作温度接近300℃，Al-Cu系合金具有高的强度和优良的高温性能。
对于绝大多数铝合金而言，其力学性能在高温的服役环境中将快速降低，使其得了“软骨病”一般不堪大用。这往往导致材料选择顾此失彼，不得不在多数情况下做出“以重量换强度”的妥协。在实际服役环境中温升、应力等多重因素的耦合作用，轻质合金材料普遍存在的“不耐热”的短板，使得其在诸如航空/航空飞行器、电力传输等面对大动力/大功率时迫切期待结构减重的关键性应用受到了严格限制。而如何有效地克服轻质合金材料的性能缺点，是面向航空、航天、能源等战略领域的关键性需求的重要解决方案之一，也是亟待着力突破的关键性问题与难点之一。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种向Al-Cu合金中添加Sc提高合金性能的方法，该法通过三级固溶热处理工艺和二级预时效工艺，经过多次热处理后，能够形成含Sc析出相，该析出相能够作为Al-Cu合金中Al2Cu析出相的形核点，促进其在时效过程中的析出强化作用，使得含Sc析出相的数密度和体积分数最多，促进Al-Cu-Sc合金的析出强化作用，并且Sc元素能够在析出相界面处偏聚，抑制析出相的粗化，能够显著提高合金的耐热性、强度和硬度。
同时，本发明提供一种向Al-Cu合金中添加Sc提高合金性能的方法获得的材料，该材料解决了传统Al-Cu合金材料在力学性能差的技术缺陷。
同时，本发明提供一种上述材料在航空、航天、原子能、空间技术、汽车领域中作为高硬度耐高温轻质材料中的应用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种向Al-Cu合金中添加Sc提高合金性能的方法，包括以下步骤：
S1.配料：按照以下合金组分及质量百分比配制合金原料，Cu：2-6wt％、Sc：0.01-0.5wt％、Mn≤0.06wt％、Fe≤0.11wt％，余量为Al；
S2.熔炼：将配制好的合金原料熔化得到合金熔体；
S3.浇铸：将合金熔体浇铸到模具中，冷却得合金铸锭；
S4.去皮：将浇铸后的合金铸锭去除冒口及表面不均匀部分，使合金铸锭表面光滑；
S5.双级均匀化处理：将去皮后的合金铸锭在均质炉中进行双级均匀化处理；
S6.三级固溶处理：将双级均匀化处理后的合金铸锭空冷至室温，然后进行三级固溶处理；
S7.淬火处理：将三级固溶处理后的合金铸锭淬火冷却至室温；
S8.双级预时效处理：将淬火后的合金铸锭升温至100～150℃下，时效1h～3h，然后再升温至150～200℃，时效1h～3h；
S9.人工时效处理，将经过双级预时效处理的合金铸锭升温至200～300℃，保温8～9h，进行人工时效处理。
S2中，采用电阻熔炼炉将合金原料熔化。
S5中，双级均匀化处理工艺为：合金铸锭升温至200～400℃，保温4～5h；然后升温至550～600℃，保温6～7h。
S6中，三级固溶处理处理工艺为，第一级固溶，将合金铸锭温度升至500～600℃，保温1～2h；第二级固溶，将合金铸锭温度降至200～400℃，保温3～4h；第三级固溶，以升温速率15～30℃/h，将合金铸锭温度升至500～600℃，保温3～4h。
S7中，将合金铸锭放入液氮中淬火。
一种向Al-Cu合金中添加Sc提高合金性能的方法获得的材料。
本发明获得的材料在航空、航天、原子能、空间技术、汽车领域中作为高硬度耐高温轻质材料中的应用。
本发明获得的材料在常温下硬度大于115HV，525K/50MPa高温蠕变性能测试，稳态蠕变速率
Figure BDA0003614495910000031
相比于Al-Cu合金降低了2～3个量级，蠕变寿命为Al-Cu合金的24～31倍。
本发明具有以下有益效果：
1.Sc为代表的稀土/过渡元素是铝合金体系中最为明晰的具有多重微合金化效果的微合金化元素。铝合金中加入Sc最重要的目的在于在原先的析出序列之外独立引入一条Al3Sc的析出序列。而Al3Sc的各种存在形式均对于铝合金微观组织结构有所裨益，例如细化晶粒、提升再结晶抗性等等。最为重要的是，其可以在基体中形成的析出细小弥散、与基体完全共格的Al3Sc析出相，能强烈钉扎位错，从而引起合金大幅强化。尤为重要的是，含Sc弥散相/析出相是θ″/θ′、β″/β，相比传统时效析出相的优良形核位点，更能促进其非均匀析出。因此向Al-Cu合金中加入Sc元素能够有效提高合金的析出强化作用，优化合金的热稳定性。
2、本发明通过三级固溶热处理工艺和二级预时效工艺，经过多次热处理后，能够形成含Sc析出相，该析出相能够作为Al-Cu合金中Al2Cu析出相的形核点，促进其在时效过程中的析出强化作用，使得含Sc析出相的数密度和体积分数最多，促进Al-Cu-Sc合金的析出强化作用，并且Sc元素能够在析出相界面处偏聚，抑制析出相的粗化，能够显著提高合金的耐热性、强度和硬度。
附图说明
图1为实施例1峰值时效阶段合金中含Sc析出相的TEM暗场像；
图2为实施例2峰值时效阶段合金中含Sc析出相的TEM暗场像；
图3为实施例3峰值时效阶段合金中含Sc析出相的TEM暗场像。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
一种向Al-Cu合金中添加Sc提高合金性能的方法：包括以下步骤：
S1.配料：按照以下合金组分及质量百分比配制合金原料，Cu为4.5％、Sc为0.15％、Mn为0.02wt％、Fe为0.05wt％，其余为Al；
具体的，按熔炼5KG的铸锭计算，选取Al-50Cu中间合金0.45KG、Al-2Sc中间合金0.375KG，以及工业纯铝4.4KG；
S2.熔炼：将配制好的合金原料加入电阻熔炼炉中熔化，并加入Al-5Ti-1B晶粒细化剂20-30g使合金成分更准确；
S3.浇铸：将熔炼后的合金熔体浇铸到模具中，冷却得合金铸锭；
S4.去皮：将浇铸后的合金铸锭去除冒口及表面不均匀部分，使合金铸锭表面光滑；
S5.双级均匀化处理：将去皮后合金铸锭在均质炉中双级均匀化处理；先合金铸锭升温至200℃，保温4小时后，然后合金铸锭升温至550℃，保温6小时；使得合金成分均匀，消除成分偏析与铸造缺陷；
S6.三级固溶处理：将双级均匀化处理后的合金铸锭空冷，然后进行三级固溶处理；
第一级固溶，将合金铸锭温度升至500℃，保温1h，使初生相固溶；
第二级固溶，将合金铸锭温度降至200℃，保温3h，使合金基体中形成含Sc析出相；
第三级固溶，以升温速率30℃/h，将合金铸锭温度缓慢升至500℃，保温3h，使弥散相全部固溶；
S7.淬火处理：将三级固溶处理后的合金铸锭在液氮中淬火至室温；
S8.双级预时效处理：将淬火后的合金铸锭升温至100℃下，时效1h，然后再升温至150℃，时效1h；使得合金成分均匀，消除成分偏析与铸造缺陷；
S9.人工时效处理，将经过双级预时效处理的合金铸锭升温至200℃，进行人工时效处理。
实施例2
一种向Al-Cu合金中添加Sc提高合金性能的方法：包括以下步骤：
S1.配料：按照以下合金组分及质量百分比配制合金原料，Cu为5％、Sc为0.3％、Mn为0.02wt％、Fe为0.05wt％，其余为Al；
具体的，按照熔炼5KG的铸锭计算，选取Al-50Cu中间合金0.5KG、Al-2Sc中间合金0.75KG，以及工业纯铝4KG；
S2.熔炼：将配制好的合金原料加入电阻熔炼炉中熔化，并加入净化剂使合金成分更准确；
S3.浇铸：将熔炼后的合金熔体浇铸到模具中，冷却得合金铸锭；
S4.去皮：将浇铸后的合金铸锭去除冒口及表面不均匀部分，使合金铸锭表面光滑；
S5.双级均匀化处理：将去皮后合金铸锭在均质炉中双级均匀化处理；先合金铸锭升温至300℃，保温-5h后，然后合金铸锭升温至570℃，保温7h；使得合金成分均匀，消除成分偏析与铸造缺陷；
S6.三级固溶处理：将双级均匀化处理后的合金铸锭空冷，然后进行三级固溶处理；
第一级固溶，将合金铸锭温度升至550℃，保温1h，使初生相固溶；
第二级固溶，将合金铸锭温度降至300℃，保温3h，使合金基体中形成含Sc析出相；
第三级固溶，以升温速率20℃/h，将合金铸锭温度缓慢升至550℃，保温3h，使弥散相全部固溶；
S7.淬火处理：将三级固溶处理后的合金铸锭在液氮中淬火至室温；
S8.双级预时效处理：将淬火后的合金铸锭升温至125℃下，时效2h，然后再升温至175℃，时效1h；使得合金成分均匀，消除成分偏析与铸造缺陷；
S9.人工时效处理，将经过双级预时效处理的合金铸锭升温至250℃，进行9h人工时效处理。
实施例3
一种向Al-Cu合金中添加Sc提高合金性能的方法：包括以下步骤：
S1.配料：按照以下合金组分及质量百分比配制合金原料，Cu为6％、Sc为0.5％、Mn为0.02wt％、Fe为0.05wt％，其余为Al；
具体的，按照熔炼5KG的铸锭计算，选取Al-50Cu中间合金0.6KG、Al-2Sc中间合金1.25KG，以及工业纯铝3.5KG；
S2.熔炼：将配制好的合金原料加入电阻熔炼炉中熔化，并加入净化剂使合金成分更准确；
S3.浇铸：将熔炼后的合金熔体浇铸到模具中，冷却得合金铸锭；
S4.去皮：将浇铸后的合金铸锭去除冒口及表面不均匀部分，使合金铸锭表面光滑；
S5.双级均匀化处理：将去皮后合金铸锭在均质炉中双级均匀化处理；先合金铸锭升温至400℃，保温4.5h后，然后合金铸锭升温至600℃，保温6.5h；使得合金成分均匀，消除成分偏析与铸造缺陷；
S6.三级固溶处理：将双级均匀化处理后的合金铸锭空冷，然后进行三级固溶处理；
第一级固溶，将合金铸锭温度升至600℃，保温2h，使初生相固溶；
第二级固溶，将合金铸锭温度降至400℃，保温4h，使合金基体中形成含Sc析出相；
第三级固溶，以升温速率15℃/h，将合金铸锭温度缓慢升至600℃，保温4h，使弥散相全部固溶；
S7.淬火处理：将三级固溶处理后的合金铸锭在液氮中淬火至室温；
S8.双级预时效处理：将淬火后的合金铸锭升温至150℃下，时效3h，然后再升温至200℃，时效3h；使得合金成分均匀，消除成分偏析与铸造缺陷；
S9.人工时效处理，将经过双级预时效处理的合金铸锭升温至300℃，进行8h人工时效处理。
实施例4
本实施例与实施例1的区别仅在于：
S1.配料：按照以下合金组分及质量百分比配制合金原料，Cu：2wt％、Sc：0.01wt％、Mn：0.06wt％、Fe：0.11wt％，余量为Al。
实施例5
采用实施例1～5任意一个实施例的方法获得的一种向Al-Cu合金中添加Sc提高合金性能的材料。
实施例6
采用实施例1～5任意一个实施例的方法获得的一种向Al-Cu合金中添加Sc提高合金性能的材料在航空、航天、原子能、空间技术、汽车领域中作为高硬度耐高温轻质材料中的应用。
对比例1
本对比例与实施例1的区别仅在于：配料中不含Sc。
对比例2
本对比例与实施例1的区别仅在于：
S5为单级均匀化处理：将去皮后合金铸锭在均质炉中进行单级均匀化处理；先合金铸锭升温至450℃，保温5小时；
S6为单级固溶处理：将单级均匀化处理后的合金铸锭空冷，然后进行单级固溶处理；将合金铸锭温度升至500℃，保温1h，使初生相固溶。
对比例3
本对比例与实施例1的区别仅在于：
S5为单级均匀化处理：将去皮后合金铸锭在均质炉中进行单级均匀化处理；先合金铸锭升温至450℃，保温5小时。
对比例4
本对比例与实施例1的区别仅在于：
S6为单级固溶处理：将双级均匀化处理后的合金铸锭空冷，然后进行单级固溶处理；将合金铸锭温度升至500℃，保温1h，使初生相固溶。
对比例5
本对比例与实施例1的区别仅在于：
S6为双级固溶处理：将双级均匀化处理后的合金铸锭空冷，然后进行双级固溶处理；第一级固溶，将合金铸锭温度升至500℃，保温1h，使初生相固溶；第二级固溶，将合金铸锭温度降至200℃，保温3h，使合金基体中形成含Sc析出相。
对比例6
本对比例与实施例1的区别仅在于：
S5为单级均匀化处理：将去皮后合金铸锭在均质炉中进行单级均匀化处理；先合金铸锭升温至450℃，保温5小时；
S6为双级固溶处理：将单级均匀化处理后的合金铸锭空冷，然后进行双级固溶处理；第一级固溶，将合金铸锭温度升至500℃，保温1h，使初生相固溶；第二级固溶，将合金铸锭温度降至200℃，保温3h，使合金基体中形成含Sc析出相。
性能测试：
将上述实施例1-4中制备得到的不同组成的Al-Cu-Sc合金以及、对比例1中的现有Al-Cu合金为样品、对比例2～6中采用不同工艺获得的合金样品进行常温硬度性能测试，高温蠕变性能测试。
常温硬度性能测试方法如下：
用MH-5L硬度计测试，载荷为500g且保压时间为10s，每个样品会在其整个表面范围内取不少于10个点以确保数据的准确性，且误差不超过±3％。
高温蠕变性能测试方法如下：
采用标距为25mm的ASTM E21-2009标准蠕变测试样品，样品装入测试机后升温1小时达到测试温度后，保温0.5小时，随后进行加载，得到样品的稳态蠕变速率
Figure BDA0003614495910000092
和蠕变寿命。
实施例1-4和对比例1～6的合金的硬度和高温蠕变测试结果如表1所示。
表1
Figure BDA0003614495910000091
Figure BDA0003614495910000101
通过表1中的测试结果可知，不同的均匀化工艺、固溶处理工艺以及时效处理工艺对制备得到的Al-Cu-Sc合金的硬度具有较大程度的影响，本发明提供的三级固溶处理和二级预时效处理方法能够最大限度提高制备的合金的硬度。并结合附图1-附图3，其分别为实施例1-3峰值时效阶段Al-Cu-Sc合金中含Sc析出相的TEM暗场像图片，由图可知，本发明中提供的三级固溶处理和二级预时效处理方法能够有效的促进含Sc析出相的析出，其数密度和体积分数逐渐增加，促进Al-Cu-Sc合金的析出强化作用。
由表1可见，本发明获得的材料的在常温下硬度大于115HV，525K/50MPa高温蠕变性能测试，稳态蠕变速率
Figure BDA0003614495910000102
相比于Al-Cu合金降低了2～3个量级，蠕变寿命为Al-Cu合金的24～31倍，说明本发明获得的材料具有耐高温的特性。
综上所述，本发明公开了一种向Al-Cu合金中添加Sc提高合金性能的方法，通过向Al-Cu合金中添加Sc结合不同的均匀化工艺、固溶处理工艺以及时效处理工艺进行合金性能改善。因此，本发明选取最优的Sc元素含量，并进行适当的三级固溶热处理工艺和二级预时效工艺，使得含Sc析出相的数密度和体积分数最多，提高合金的析出强化能力，以使Al-Cu合金获得最高的强度和硬度。
应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种向Al-Cu合金中添加Sc提高合金性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.配料：按照以下合金组分及质量百分比配制合金原料，Cu：2-6wt%、Sc：0.01-0.5wt%、Mn ≤ 0.06wt%、Fe ≤ 0.11wt%，余量为Al；
S2. 熔炼：将配制好的合金原料熔化得到合金熔体；
S3. 浇铸：将合金熔体浇铸到模具中，冷却得合金铸锭；
S4. 去皮：将浇铸后的合金铸锭去除冒口及表面不均匀部分，使合金铸锭表面光滑；
S5. 双级均匀化处理：将去皮后的合金铸锭在均质炉中进行双级均匀化处理；
S6. 三级固溶处理：将双级均匀化处理后的合金铸锭空冷至室温，然后进行三级固溶处理；
S7. 淬火处理：将三级固溶处理后的合金铸锭淬火冷却至室温；
S8. 双级预时效处理：将淬火后的合金铸锭升温至100~150℃下，时效1h~3h，然后再升温至150~200℃，时效1h~3h；
S9. 人工时效处理，将经过双级预时效处理的合金铸锭升温至200～300 ℃，保温8~9h，进行人工时效处理；
S6中，三级固溶处理处理工艺为，第一级固溶，将合金铸锭温度升至500～600 ℃，保温1~2h；第二级固溶，将合金铸锭温度降至200～400 ℃，保温3~4h ；第三级固溶，以升温速率15~30℃/h，将合金铸锭温度升至500～600 ℃，保温3~4h；
材料在常温下硬度大于115 HV，525K/50MPa高温蠕变性能测试，稳态蠕变速率ε’相比于Al- Cu合金降低了2~3个量级，蠕变寿命为Al- Cu合金的24~31倍。
2.根据权利要求1所述的一种向Al-Cu合金中添加Sc提高合金性能的方法，其特征在于，S2中，采用电阻熔炼炉将合金原料熔化。
3.根据权利要求1所述的一种向Al-Cu合金中添加Sc提高合金性能的方法，其特征在于，S5中，双级均匀化处理工艺为：合金铸锭升温至200～400℃，保温4~5h；然后升温至550～600℃，保温6~7h。
4.根据权利要求1所述的一种向Al-Cu合金中添加Sc提高合金性能的方法，其特征在于，S7中，将合金铸锭放入液氮中淬火。
5.根据权利要求1~4任意一项所述的一种向Al-Cu合金中添加Sc提高合金性能的方法获得的材料。
6.根据权利要求5所述的材料在航空、航天、原子能、空间技术、汽车领域中作为高硬度耐高温轻质材料中的应用。
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