[发明专利]一种Al-Er-Zr-Si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

耐热铝合金是指在高温下有足够的抗氧化性和在温度和载荷(动态和静态)的长时间作用下，具有抗塑性变形(蠕变)和破坏能力及导热性好和密度低等特点。在兵器、船舶、航空、航天、汽车等行业得到广泛应用，如坦克装甲车辆发动机的活塞、缸套、连杆、箱体、缸盖，导弹壳体、尾翼、航空发动机汽缸、叶片、飞机蒙皮等。

提高铝合金的耐热性能关键是要使合金中析出形成大量弥散分布的热稳定性析出相（在较高的温度条件下长大和粗化缓慢，而且部分发生结构转变）。近年来，国内外大量学者对稀土元素在铝合金的耐热性能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Er加入到铝合金中，能生成与Al₃Sc作用相同的L1₂结构的Al₃Er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Er的价格比较便宜，在铝合金中添加少量的Er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Er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，Zr和Er复合微合金化后，在Al₃Er相的诱导下有可能使得析出相保持稳定的L12结构，而且可以阻碍Al₃Er相的长大和粗化，因此可以获得良好的强化效果和热稳定性，例如发明专利ZL201010515843.7所描述的一种Al-Er-Zr合金具有显著的时效强化效果。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，Si的添加能够促进Zr的析出，因此Er，Zr和Si的复合有可能充分发挥各自的作用，起到更加良好的微合金化效果。本发明正是在基于以上考虑的情况下，设计了Al-Er-Zr-Si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Er，Zr，Si协同发挥强化作用的规律，从而提高铝合金的性能。

本发明所提供的Al‐Er‐Zr‐Si耐热铝合金，其特征在于，纯铝基体中加入了0.05～0.25%（重量百分比）的Er，0.2～0.3%（重量百分比）的Zr，0.01～0.2%（重量百分比）的Si，以及其它不可避免的杂质。

进一步优选纯铝基体中加入了0.15～0.25%（重量百分比）的Er,0.25～0.3%（重量百分比）的Zr，0.05～0.15%（重量百分比）的Si。

该合金的制备方法是在熔炼铝的过程中加入AlEr和AlZr中间合金实现的，或进一步加入铝硅合金，调节合金的元素，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630±10℃固溶20～30小时，随后水淬到室温，然后在350℃等温时效。优选350℃等温时效的保温时间10分钟-1000小时，更优选1-100小时。

本发明由于采用了Er、Si和Zr复合微合金化，具有非常显著且较快速的时效强化效果，如附图1所示，Al-0.2Er-0.28Zr-0.1Si(S3号样)和Al-0.2Er-0.28Zr-0.2Si（S4号样）相对Al-Er-Zr（S1、S2）合金提高了时效强化效果的速度和峰值硬度，而且该合金具有良好的耐热性能。

附图说明

图1：350℃等温时效曲线；

图2：S4合金的短时（1h）耐热性能曲线；

图3：S4合金固溶态及时效态高温压缩强度。

具体实施方式