一种耐热稀土铝合金及其制备方法
阅读说明：本技术 一种耐热稀土铝合金及其制备方法 (Heat-resistant rare earth aluminum alloy and preparation method thereof ) 是由 隋来智 程仁寨 隋信磊 马旭 张小刚 王兆斌 陈吉龙 郑卓阳 于 2019-09-23 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种耐热稀土铝合金及其制备方法,主要涉及合金技术领域。一种耐热稀土铝合金,由以下质量百分比的组分组成：5~6%Zn；2~3%Mg；1~2%Cu；0.3~0.5%Gd；0.1~0.2%Nd；杂质元素总量小于0.1%,余量为Al。制备方法为各组分经过加热熔化,浇铸和热处理。本发明的有益效果在于：本发明的稀土铝合金Al-Zn-Mg-Cu-Gd-Nd具有良好的综合力学性能,经固溶处理和时效处理后具有强度高、塑性好,各项性能相对稳定的特点,能够满足其在航空航天、军工、汽车及其它行业中的要求。(The invention provides a heat-resistant rare earth aluminum alloy and a preparation method thereof, and mainly relates to the technical field of alloys, wherein the heat-resistant rare earth aluminum alloy comprises the following components, by mass, 5 ~ 6% of Zn, 2 ~ 3% of Mg, 1 ~ 2% of Cu, 0.3 ~ 0.5.5% of Gd, 0.1 ~ 0.2.2% of Nd, less than 0.1% of impurity elements, and the balance Al..)
技术领域
本发明主要涉及合金技术领域，具体是一种耐热稀土铝合金及其制备方法。
背景技术
铝是轻质的金属结构材料，在航空航天、军工、汽车等领域应用日益增多，但铝合金的强度和耐热性欠佳严重影响其在航空航天、军工、汽车及其它行业中的应用，因此提高铝合金的强度和耐热性能是发展铝合金材料的重要课题。
现有的耐热铝合金的开发主要从限制位错运动和强化晶界入手，通过适当的合金化，引入热稳定性高的第二相、降低元素在铝基体中的扩散速率，或者改善晶界结构状态和组织形态等手段来提高铝合金强度和耐热性。
中国的稀土资源丰富，稀土铝合金的研究近年来不断增多和深入。到目前为止，在稀土铝合金的设计、制备和应用过程中仍存在许多不足之处：首先，稀土元素的含量对最终的稀土铝合金的各项性能影响较大，难以控制。过少的稀土量不足以提高合金的耐热性，过高的稀土量会由于稀土与氧、氢反应生成夹杂，在铸造过程中易产生热裂。其次，可供选择的稀土元素较多，而且多种稀土元素之间的相互作用较为复杂。目前可供选择的实际应用的耐热稀土铝合金种类较少，其高温性能不能完全满足其在航空航天、军工、汽车及其它行业中的要求。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供了一种耐热稀土铝合金及其制备方法，本发明的稀土铝合金Al-Zn-Mg-Cu-Gd-Nd具有良好的综合力学性能，经固溶处理和时效处理后具有强度高、塑性好，各项性能相对稳定的特点，能够满足其在航空航天、军工、汽车及其它行业中的要求。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
一种耐热稀土铝合金，由以下质量百分比的组分组成：5~6%Zn；2~3%Mg；1~2%Cu；0.3~0.5%Gd；0.1~0.2%Nd；杂质元素总量小于0.1%，余量为Al。
优选的，一种耐热稀土铝合金，其组分中所述Nd和Gd的质量百分比之和为0.4~0.7%。
优选的，所述一种耐热稀土铝合金的金相组织主要由α-Al基体和共晶(α-Al+β-Al2Mg3Zn3+β-Al2Cu)组成。
一种耐热稀土铝合金的制备方法，包括如下步骤：
①将作为原料的纯Al、纯Zn、纯Cu和中间合金Mg-30Gd、Mg-25Nd按上述比例配比并预热；
②将铝、锌、铜和镁加热熔化后，在700~720℃加入中间合金Mg-30Gd、Mg-25Nd，并保持该温度；
③当物料全部熔化后，将温度升至750~770℃后停止加热；
④待温度降至680~710℃时进行浇铸，得到铸态铝合金；
⑤将铸态铝合金进行热处理后得到一种耐热稀土铝合金。
优选的，步骤①所述的预热温度为120~150℃。
优选的，步骤④所述的浇铸还需将模具预热至200~250℃。
优选的，步骤⑤所述的热处理方法为：将得到的铸态铝合金依次进行固溶处理和时效处理。
优选的，所述的固溶处理的处理温度为450~550℃，处理时间为6~16小时；所述的时效处理的处理温度为150~250℃，处理时间为12~24小时。
优选的，一种耐热稀土铝合金的制备方法制备的铝合金，由以下质量百分比的组分组成：5~6%Zn；2~3%Mg；1~2%Cu；0.3~0.5%Gd；0.1~0.2%Nd；杂质元素总量小于0.1%，余量为Al。
对比现有技术，本发明的实质效果是：
本发明稀土铝合金的组分为Al-Zn-Mg-Cu-Gd-Nd。目前，稀土元素是提高铝合金耐热性能最有效的合金元素，稀土元素在铝合金中除了具有除气、除杂、提高铸造流动性、耐蚀性能以外，大部分稀土元素在铝中还具有较大的固溶度，而且随温度下降，固溶度急剧减少，可以得到过饱和铝合金固溶体，在人工时效过程中析出弥散的、高熔点的稀土相。稀土元素还可以细化晶粒、提高室温强度，而且分布在晶内和晶界主要是晶界的弥散的、高熔点稀土化合物，在高温时仍能钉扎晶内位错和晶界滑移，提高铝合金的高温强度。同时，稀土元素在铝基体中的扩散速率较慢，这使得稀土铝合金适于在较高温度环境下长期工作。本发明采用的重稀土Gd在铝中的最大固溶度为0.82%，是稀土元素中固溶度较大的元素。在铝-稀土二元合金中，Al-Gd合金的高温强度与蠕变性能表现最显著，合金中的析出平衡相是Al2Gd，具有较高的熔点，对铝合金的室温及高温力学性能产生较好的强化效果；铝合金中加入的Nd元素能与主强化元素Gd产生协同作用，使得主强化元素对铝合金的室温及高温力学性能产生更好的强化效果。
锌、镁和铜是铝合金中重要的合金元素，锌、镁在铝基体中有较大的固溶能力，固溶度分别为12.7wt%、8.3wt%，在铝基体中加入锌、镁元素后形成β-Al2Mg3Zn3、β-Al2Cu相，并以离异共晶的形式存在，锌、镁和铜在铝合金中起到强化作用主要体现在两个方面，一是通过形成β-Al2Mg3Zn3、β-Al2Cu相的第二相强化，二是锌、镁原子在铝基体中的固溶强化。但是含量过高的β-Al2Mg3Zn3、β-Al2Cu相会影响铝合金的耐热性，因此在铝合金中的锌、镁含量控制在6wt%以下，然而含量过低的锌、镁会损害铝合金的铸造性能，锌、镁的含量不应低于5wt%。
基于此，本发明的有益效果为：
本发明的稀土铝合金Al-Zn-Mg-Cu-Gd-Nd的具有良好的综合力学性能，经固溶处理和时效处理后具有强度高、塑性好，各项性能相对稳定的特点，室温抗拉强度＞600MPa，延伸率＞10%，150℃的抗拉强度＞560MPa，延伸率＞16%，200℃的抗拉强度＞530MPa，延伸率＞18%，250℃的抗拉强度＞460MPa，延伸率＞22%，能够满足其在航空航天、军工、汽车及其它行业中的要求。
附图说明
附图1是本发明实施例1稀土铝合金的时效试样图片；
附图2是本发明对比例1稀土铝合金的时效试样图片；
附图3是本发明对比例2稀土铝合金的时效试样图片。
具体实施方式
结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。
如图1-3所示，本发明所述一种耐热稀土铝合金，由以下质量百分比的组分组成：5~6%Zn；2~3%Mg；1~2%Cu；0.3~0.5%Gd；0.1~0.2%Nd；杂质元素总量小于0.1%，余量为Al。
优选的，一种耐热稀土铝合金，其组分中所述Nd和Gd的质量百分比之和为0.4~0.7%。
优选的，所述一种耐热稀土铝合金的金相组织主要由α-Al基体和共晶(α-Al+β-Al2Mg3Zn3+β-Al2Cu)组成，合金的平均晶粒尺寸为40-50μm。
一种耐热稀土铝合金的制备方法，包括如下步骤：
①将作为原料的纯Al、纯Zn、纯Cu和中间合金Mg-30Gd、Mg-25Nd按上述比例配比并预热；纯Al、纯Zn、纯Cu的纯度为99.9%，中间合金Mg-30Gd、Mg-25Nd的纯度为99.5%；
②将铝、锌、铜和镁加热熔化后，在700~720℃加入中间合金Mg-30Gd、Mg-25Nd，并保持该温度；
③当物料全部熔化后，将温度升至750~770℃后停止加热；
④待温度降至680~710℃时进行浇铸，得到铸态铝合金；
⑤将铸态铝合金进行热处理后得到一种耐热稀土铝合金。
优选的，步骤①所述的预热温度为120~150℃。
优选的，步骤④所述的浇铸还需将模具预热至200~250℃。
优选的，步骤⑤所述的热处理方法为：将得到的铸态铝合金依次进行固溶处理和时效处理。
优选的，所述的固溶处理的处理温度为450~550℃，处理时间为6~16小时；所述的时效处理的处理温度为150~250℃，处理时间为12~24小时。
优选的，一种耐热稀土铝合金的制备方法制备的铝合金，由以下质量百分比的组分组成：5~6%Zn；2~3%Mg；1~2%Cu；0.3~0.5%Gd；0.1~0.2%Nd；杂质元素总量小于0.1%，余量为Al。
实施例1：
本实施例的稀土铝合金由以下质量百分比的组分组成：5%Zn，2%Mg，1%Cu，0.3%Gd，0.1%Nd，杂质元素的总量小于0.1%，余量为Al。
本实施例的稀土铝合金的制备方法为：
按照上述的配比制备合金，采用中频感应炉、高纯石墨增锅熔炼。先将纯铝、锌、镁、铜及中间合金Mg-30Gd、Mg-25Nd预热至150℃，钢制浇口杯预热至600℃，备用；然后将纯铝、锌、镁、铜放入预热到500℃左右的坩埚中，大功率快速加热，待纯铝、锌、镁、铜熔化后，在700℃加入中间合金Mg-30Gd、Mg-25Nd，待其全部熔化采用后，去除表面浮渣，小功率缓慢加热，铝液温度升至750℃时，关闭主控电路、静置；待铝液降温至710℃后，进行浇铸，浇铸用钢制模具预先加热至250℃，最后得到Al-Zn-Mg-Cu-Gd-Nd铸态合金；再将得到的铸态合金进行热处理，首先在500℃下保温8小时，出炉水淬，然后在180℃下保温16小时，出炉后空冷，得到稀土铝合金。
图1为本实施例所制得的稀土铝合金的时效试样图片，合金铸态组织主要由α-Al基体和共晶(α-Al+β-Al2Mg3Zn3+β-Al2Cu)组成，晶界上分布着不连续的“树枝状”金属间化合物，枝晶偏析明显，由于采用的是金属模具，凝固较快，初生枝晶刚形成，温度就降至共晶反应温度，形成共晶相。此时液相含量很多，共晶相含量较大，呈现断续网状分布。固溶态合金组织由α-Al基体和少量沿着晶界分布的块状或长条不规则形状未溶相组成，铸态组织中的偏析基本消除。时效态合金组织晶界清晰有块状、颗粒状析出相分布在晶界、晶内。经截线法测量，固溶时效后，合金的平均晶粒尺寸为40-50μm。
经测试，其室温抗拉强度为602MPa，延伸率为11.5%，150℃的抗拉强度为571MPa，延伸率为16.1%，200℃的抗拉强度为553MPa，延伸率为18.9%，250℃的抗拉强度为468.2MPa，延伸率为22.3%。
对比例1：
本实施例的稀土铝合金是由以下质量百分比的组分组成：5%Zn，2%Mg，1%Cu，0.4%Gd，杂质元素的总量小于0.1%，余量为Al。
制备方法同实施例1。
图2为本对比例所制得的稀土铝合金的时效试样图片，合金组织晶界清晰有块状、颗粒状析出相分布在晶界、晶内，分布不均匀，固溶时效后的合金平均晶粒尺寸约为55-60μm。其室温抗拉强度为580MPa，延伸率为11.2%，150℃的抗拉强度为472MPa，延伸率为15.1%，200℃的抗拉强度为439MPa，延伸率为17.9%，250℃的抗拉强度为403MPa，延伸率为22.5%。
对比例2：
本实施例的稀土铝合金是由以下质量百分比的组分组成：5%Zn，2%Mg，1%Cu，0.4%Nd，杂质元素的总量小于0.1%，余量为Al。
制备方法同实施例1。
图3为本对比例所制得的稀土铝合金的时效试样图片，合金组织晶界仅有少量颗粒状析出相分布，分布不均匀，固溶时效后的合金平均晶粒尺寸约为65-70μm。
经测试，其室温抗拉强度为587MPa，延伸率为10.3%，150℃的抗拉强度为501MPa，延伸率为13.4%，200℃的抗拉强度为461MPa，延伸率为18.2%，250℃的抗拉强度为411MPa，延伸率为20.5%。
实施例2：
本实施例的稀土铝合金是由以下质量百分比的组分组成：5.5%Zn，2.5%Mg，1.5%Cu，0.4%Gd，0.15%Nd，杂质元素总量小于0.02%，余量为Al。所述的稀土元素Gd、Nd的质量百分比之和为0.55%。
本实施例的稀土铝合金的制备方法同实施例1相比，区别在于：
1）纯铝、锌、镁、铜及中间合金Mg-30Gd、Mg-25Nd预热至135℃；
2）在710℃加入中间合金Mg-30Gd、Mg-25Nd；
3）铝液温度升至760℃时，关闭主控电路、静置；
4）铝液降温至695℃后，进行浇铸；
5）浇铸用钢制模具预先加热至230℃；
6）铸态合金进行热处理，在450℃下保温16小时，出炉水淬，在150℃下保温24小时，出炉后空冷。
经测试，本实施例所制得的稀土铝合金，其室温抗拉强度为611MPa，延伸率为10.9%，150℃的抗拉强度为561MPa，延伸率为17.6%，200℃的抗拉强度为537.6MPa，延伸率为20.5%，250℃的抗拉强度为477.2MPa，延伸率为25.1%。
实施例3：
本实施例的稀土铝合金是由以下质量百分比的组分组成6%Zn，3%Mg，2%Cu，0.5%Gd，0.2%Nd，杂质元素总量小于0.02%，余量为Al。所述的稀土元素Gd、Nd的质量百分比之和为0.7%。
本实施例的稀土铝合金的制备方法同实施例1相比，区别在于：
1）纯铝、锌、镁、铜及中间合金Mg-30Gd、Mg-25Nd预热至120℃；
2）在720℃加入中间合金Mg-30Gd、Mg-25Nd；
3）铝液温度升至770℃；
4）铝液降温至680℃后，进行浇铸；
5）浇铸用钢制模具预先加热至200℃
6）铸态合金进行热处理，在550℃下保温6小时，出炉水淬，在250℃下保温12小时，出炉后空冷。
经测试，本实施例所制得的稀土铝合金，其室温抗拉强度为617MPa，延伸率为12.1%，150℃的抗拉强度为593MPa，延伸率为17.3%，200℃的抗拉强度为552MPa，延伸率为22.1%，250℃的抗拉强度为488.2MPa，延伸率为29.1%。
综上所述，本发明利用Nd元素与主强化元素Gd产生的协同作用，使铝合金的室温强度与高温强度均得到较大的提升，其延伸率也得到了提升，是性能更好的铝合金材料。
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