[发明专利]一种高强耐热高钪Al-Cu-Mg系合金及其制造工艺

说明书

本发明公开了一种高强耐热高钪Al‑Cu‑Mg系合金及其制造工艺，合金的组成元素包括Cu、Mg、Mn、Ti、Zr、Sc和Al。本发明通过实施有效、可执行的复合微合金化手段及配套合理的形变热处理工艺制度，克服传统可热处理强化型铝合金在300℃‑400℃高温服役环境时强度不足的瓶颈问题，同时对要求短期或是长期服役的部件做出不同的微观组织调整，从而满足室温/高温环境下高强、耐热的特点。采用非等温均匀化方法，在低温（350℃）均匀化尽可能析出全部的Al₃(Sc，Zr)/Al₃Sc。中温（350～450℃）先让Cu原子进行扩散，尽可能消除枝晶偏析。高温（450～520℃）加快均匀化过程，使合金成分均匀，在高温均匀化中避免Al基体中Sc原子和Cu原子相互作用形成W相。

技术领域

本发明属于铝合金热处理技术领域，具体涉及一种高强耐热含Sc的Al-Cu-Mg合金及其制造工艺。

背景技术

2xxx系(Al-Cu)合金作为可时效强化型铝合金的典型代表，具有高的比强度、优异的抗冲击性能，抗应力腐蚀性能和良好的焊接性，在军事、航空航天等领域得到了广泛的应用。并通常被认为是铝合金中较好的耐热性的系列。以2519合金为例，其主要的合金化元素包括Cu：5.3～6.4％、Mg：0.05～0.40％、Mn：0.10～0.50％以及Ti、Zr等其他元素。然而，在超过300℃服役环境下，Al-Cu-Mg合金中强化相容易发生粗化，导致合金快速软化并失效。

Al-Cu-Mg可时效强化型合金的耐热性研究的经典思路为增大Cu/Mg比，相图中所处相区为α+θ，其中起主要强化作用的析出相是针状的θ'，θ'与基体呈半共格关系，可提高合金强化效果，并保证其在200℃附近可承受200MPa以上的大应力，拥有极为优异的抗高温性能。然而，对于更高温度，例如300～400℃服役环境下，θ'相并不继续保持其优良的热稳定性而快速粗化，导致Al-Cu-Mg合金在上述区间内亦发生快速软化失效。

研究发现，铝合金中添加Sc在凝固过程析出Al₃Sc作为异质形核质点起到细化晶粒的效果，从而提高材料力学性能。在热处理过程中析出与基体共格的弥散分布Al₃Sc粒子具有优良的热稳定性，被公认为是提升铝基合金高温服役性能的有效手段。然而，由于Sc的价格过高，解决思路则是通过Sc、Zr等稀土元素添加在原有析出序列之外引入独立的Al₃X(X＝Sc、Zr等)析出。Sc和原合金中存在的Zr元素将形成与Al₃Sc粒子类似的一个富Zr的壳包裹Sc的Al₃(Sc, Zr)粒子，核壳结构的Al₃(Sc, Zr)和α-Al基体错配度更低，具有晶粒细化和弥散强化作用。

虽然添加稀土元素对力学性能有所改善，但是在Cu含量较高的Al-Cu-Mg合金中，Sc与Cu会形成W相，减少了合金中固溶的Cu原子的含量，进而减少了合金中强化相θ'的密度，力学性能降低问题没有得到有效解决。因此，本发明提出一种高钪Al-Cu-Mg合金热处理工艺，减少W相的形成，改善其在300～400℃严酷服役环境下的力学性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的至少一个不足，提供一种高强耐热高钪Al-Cu-Mg合金及其制造工艺。

本发明所采取的技术方案是：

本发明的第一个方面，提供：

一种高强耐热高钪Al-Cu-Mg合金，其质量组成为：Cu 5.3～6.4％，Mg 0.05～0.40％，Mn 0.10～0.50％，Ti 0.02～0.10％，Zr 0.10～0.25％，Yb 0.20～0.40%，Sc 0.30～0.80％，不可避免的杂质，余量Al。

在一些高强耐热高钪Al-Cu-Mg合金的实例中，Sc的含量为0.30～0.70%。

在一些高强耐热高钪Al-Cu-Mg合金的实例中，Sc的含量为0.60%。