[发明专利]一种Al-Yb-Zr耐热铝合金及其热处理工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种经过微合金化的铝合金材料及其热处理工艺，属于金属合金技术领域。

技术背景

铝合金强度和导电率提高之间存在相互矛盾之处，提高强度必然要提高合金元素的含量或者提高加工变形量，而合金元素含量的提高和加工量的提高都将使电导率下降。同时，一般耐热合金导线中Zr的添加虽然能够提高合金的耐热性能，但是Zr含量较低的Al-Zr合金的时效强化效果较差，其对强度提高的作用并不明显；增加Zr元素的含量能够起到一定的析出强化作用，但合金的导电率显著下降。这意味着强度和耐热性的提高都将使电导率相应下降。因此要得到高强度、高耐热性能、高导电率三者结合的铝合金导体材料，则必须要找到一种新的导向合金成分及其制备方法，在添加很少量的合金元素的条件下就能析出大量均匀弥散分布、且具有热稳定性的强化相。

近年来，国内外大量学者对稀土元素在铝合金中的作用做了大量的研究。这些研究主要集中在La、Ce、Y、Sc、Zr和混合稀土对铝合金的的影响，其中对稀土元素Sc研究最为深入，在Al-Si系、Al-Zn-Mg系及Al-Mg系等铝合金中添加Sc均取得了令人满意的研究结果。然而，添加Sc大大增加了铝合金的生产成本，使含Sc铝合金在工业中的应用受到了限制。将Yb加入到铝合金中，能生成与Al₃Sc作用相同的L1₂结构的Al₃Yb相，可以提高铝合金的再结晶温度，更能有效的起到细晶强化和弥散强化等积极作用，提高铝合金的综合使用性能。而且Yb的价格比较便宜，在铝合金中添加少量的Yb元素不会大幅度提高生产成本，能够广泛应用于工业生产中。然而，在常规铸锭冶金的凝固过程中Yb在铝合金中的固溶度有限，限制了其作用的进一步提高。通过复合添加其它能够生成L1₂结构析出相的合金元素有可能提高析出密度，从而进一步发挥合金化的作用。除了Sc以外，Zr是一种能够生成亚稳L1₂结构析出相的合金元素，但是Zr本身的析出过程非常缓慢，尤其是成份较低的情况下需要几千个小时才能充分析出。Zr和Yb复合微合金化后，在Al₃Yb相的诱导下有可能使得其析出过程提前。因此Yb，Zr复合有可能充分发挥各自的作用，起到良好的合金化效果。本发明正是在基于以上考虑的情况下，设计了Al-Yb-Zr合金，寻找其合适的成份范围和相应的热处理工艺。

发明内容

本发明的目的在于通过复合微合金化的方法，寻找Yb和Zr协同发挥强化作用的成分范围，对铝或者铝合金基体起到强化作用，从而提高铝合金的性能。

本发明所提供的Al-Yb-Zr合金，其特征在于纯铝基体中加入了0.12～0.25%（重量百分比）的Yb，0.15～0.3%（重量百分比）的Zr，以及其它不可避免的杂质。

该合金的制备方法是在熔炼铝的过程中加入AlYb和AlZr中间合金来实现，熔炼温度为780±10℃，到达熔炼温度后保温30分钟，然后用铁模浇铸，铸锭随后进行固溶时效热处理，其工艺包括以下步骤：首先在620±10℃固溶20～30小时，随后水淬到室温，然后在150℃～（400～575）℃之间进行等时时效，具体过程为从150℃起每增加25℃保温3h后取样，例如150℃/3h取第一个样，150℃/3h+175℃/3h取第二个样，150℃/3h+1755℃/3h+200/3h取第三个样，依次类推直到在（400～575）℃结束，在此（400～575）℃内的某一温度可以产品符合要求，如最大硬度值。

本发明由于采用了Yb和Zr复合微合金化，具有非常显著的时效强化效果，如附图1所示，相对Al-Yb合金提高了时效强化效果和热稳定性，相对Al-Zr合金则使得时效析出的过程明显加速，而且该合金具有较好的热稳定性。

附图说明

图1：150～575℃之间每隔25℃等时3小时时效曲线；

图2：S4号合金的再结晶曲线。

具体实施方式

实例1:采用石墨坩埚熔炼和铁模铸造制备合金铸锭，所用原料为纯铝和Al-3Yb和Al-4Zr中间合金，熔炼温度为780±10℃。到达熔炼温度后保温30分钟，然后用铁模浇铸。制备了5种不同成份的合金，通过XRF测试了其实际成分，如下表1所示。其中S1和S2样品分别为Al-Yb和Al-Zr二元合金，用作对比。

表1实验合金成份