[发明专利]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

说明书

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。

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；