[发明专利]低密度、高刚度铸造铝锂合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料类及冶金领域，涉及一种低密度、高刚度铸造铝锂合金及其制备方法，具体涉及一种通过添加合金元素(Li,Cu,Mg,Ag,Zr,Mn)及相关热处理工艺条件获得力学性能优良的铸造铝锂合金的制备方法，制得的此类铝合金具有比传统铸造铝合金更为优越的室温强度和刚度。

背景技术

锂是自然界最轻的金属元素，其密度仅为0.534g/cm³，向铝合金中每加入1wt％Li，可使合金密度降低3％，弹性模量提高6％，而且合金具有时效强化作用。因此，铝锂合金是高强度、高弹性模量、超轻型铝合金材料的代表，在航空航天领域显示出广阔的应用前景。早在1924年德国的材料专家就开发出了第一个含Li的铝合金Seleron，随后美国开发出2020铝锂合金并应用于RA-5C军用预警飞机的机翼蒙皮和尾翼水平安定面上，获得了6％的减重效果。1980～1991年分别在美国、英国、法国、德国召开了6次铝锂合金国际会议，铝锂合金逐渐受到了各国的高度重视。

铝锂合金按照加工工艺可分为铸造铝锂合金、变形铝锂合金及粉末冶金铝锂合金等。80年代以来，国内外对铝锂合金的开发几乎完全局限于变形铝锂合金，但是高速和高加速的部件也适合采用铝锂合金，比如马达活塞和涡轮发动机的叶轮等，这些部件形状复杂，通常需采用铸造方式生产。因此，国内外相继开展了有关铸造铝锂合金的研制工作。现有研究表明，铝锂合金除具有优良的高比特性外，还有较好的铸造性能，尤其是该合金对型腔细小结构的复制能力一般要好于传统铝合金，这对于航空用薄壁件的成型非常有利。山东大学韩建德等人通过改变Li和Cu的含量，研究了Al-Li-Cu三元铸造合金的组织和性能的变化，在时效态其合金的力学性能达到350Mpa，但延伸率仅为0.4％；俄罗斯科学工作者(Effect of alloying elements on the structure and properties of Al-Li-Cu cast alloys,Russian Metallurgy,2009,4,338-344)研究了合金元素对铸造铝锂合金性能的影响，并开发出了一种在Al-3Li-1.5Cu三元合金中添加不同微量元素而获得性能较好的铸造铝锂合金，但其添加的元素Cd及Be对人体有害。中国专利文献CN201410674805.4公开了一种轻质高强铸造铝锂合金及其制备方法，这种合金在室温具有较高的力学性能且含2～3wt％Li，1.5～2.5wt％Cu，并没有最大限度的发挥铝锂合金低密度及高刚度的优势。为进一步降低铝锂合金密度及提高其刚度，本课题组在以往的工作基础上，通过改变合金成分(主要增加合金锂含量、降低合金铜含量)及相关热处理工艺条件，获得一种低密度、高刚度且力学性能优良的铸造铝锂合金。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种低密度、高刚度铸造铝锂合金及其制备方法，通过添加合金元素(Li,Cu,Mg,Ag,Zr,Mn)及固溶时效处理，获得力学性能优良的铸造铝锂合金，制得的此类铝合金具有比传统铸造铝合金更高的弹性模量及更低的密度，同时成本低廉。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

第一方面，本发明提供了一种低密度、高刚度铸造铝锂合金，包括以下重量百分含量的各组分：3～3.5％Li，1～2％Cu，0.5～2％Mg，0.4～0.8％Ag，0.14～0.2％Zr，0.3～0.8％Mn；杂质元素Si、Fe、Na和K的总量小于0.25％，余量为Al。Ag的添加主要是和Mg一起促进合金T₁(Al₂CuLi)相的析出(T₁相是铝锂合金中最具强化效果的析出相)。Mg和Zn的添加也具有促进T₁相的析出，但是其作用没有Mg和Ag的强烈。

优选的，所述铝锂合金包括以下重量百分含量的各组分：3.2～3.5％Li，1.3～1.9％Cu，0.5～1.0％Mg，0.5～0.8％Ag，0.16～0.19％Zr，0.35～0.8％Mn；杂质元素Si、Fe、Na和K的总量小于0.25％，余量为Al。

第二方面，本发明还提供了一种低密度、高刚度铸造铝锂合金的制备方法，包括以下步骤：

A1、秤取原料，包括Al-Cu中间合金，Al-Zr中间合金，Al-Mn中间合金，纯锂、纯镁、纯银和纯铝；

A2、将纯铝放入坩埚中熔化后，依次加入Al-Cu中间合金、Al–Mn中间合金、Al-Zr中间合金，熔化后搅拌均匀并在熔体表面撒入覆盖剂；