一种低密度高模量的高强铝合金及其制备方法
阅读说明：本技术 一种低密度高模量的高强铝合金及其制备方法 (Low-density high-modulus high-strength aluminum alloy and preparation method thereof ) 是由 肖代红 刘文胜 于 2021-08-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种低密度高模量的高强铝合金及其制备方法。所述合金以质量百分比计,包括下述组分：Li：2.5～3.5％,Be:0.2～1.5％,Mn：1～3％,Mg:0.05～2.0％,Zr：0.05～0.15％,Sc：0.05～0.15％,余量为Al；其中Li、Be、Mn、Mg为必备的降低铝合金密度及提高模量与强度的元素,Zr、Sc为晶粒细化元素。其制备方法为：按设计的铝合金组分配比,称取各组分,采用真空熔炼或大气熔炼,铸造成型铸锭,然后再经过退火处理、热挤压、固溶及时效热处理。采用在本发明中,成份上通过调控降低密度、提高模量与强度的合金元素(Li、Be、Mn、Mg)与晶粒细化元素Zr、Sc的含量,工艺上通过退火、固溶及时效处理的工艺条件的协同处理,最终获得性能优良的时效强化型低密度高模量高强铝合金。(The invention relates to a low-density high-modulus high-strength aluminum alloy and a preparation method thereof. The alloy comprises the following components in percentage by mass: li: 2.5-3.5%, Be 0.2-1.5%, Mn: 1-3%, Mg 0.05-2.0%, Zr: 0.05-0.15%, Sc: 0.05-0.15% and the balance of Al; wherein Li, Be, Mn and Mg are necessary elements for reducing the density of the aluminum alloy and improving the modulus and the strength, and Zr and Sc are grain refining elements. The preparation method comprises the following steps: weighing the components according to the designed aluminum alloy component proportion, adopting vacuum melting or atmospheric melting, casting and forming an ingot, and then carrying out annealing treatment, hot extrusion, solid solution and time-effect heat treatment. According to the invention, the aging-strengthened low-density high-modulus high-strength aluminum alloy with excellent performance is finally obtained by regulating and controlling the contents of alloy elements (Li, Be, Mn and Mg) for reducing the density and improving the modulus and the strength and grain refining elements Zr and Sc and by the synergistic treatment of the process conditions of annealing, solid solution and aging treatment.)
技术领域
本发明涉及一种低密度高模量的高强铝合金及其制备方法，属于金属结构材料制备技术领域。
背景技术
铝合金作为航空航天及地面交通等运载工具用轻量化结构材料，性价比高，应用面广。低密度高模量高强铝合金对于实现运载工具结构减重增效、长寿命起着决定性作用。高强度是高性能铝合金的共性特征，相近强度条件下大幅提高铝合的弹性模量及降低密度，是实现运载工具减重的主要发展方向。
运载工具用高强铝合金主要包括Al-Zn-Mg-Cu系铝合金、Al-Cu-Mg系与Al-Li系合金。Al-Zn-Mg-Cu系铝合金抗拉强度能达到700MPa的，但其弹性模量偏低(低于71GPa)，密度偏高(大于2.8g/cm3)。Al-Cu-Mg系铝合金的抗拉强度低于550MPa，弹性模量低于71GPa，密度与高于2.75g/cm3，而Al-Li系合金尽管其抗拉强度与弹性模量也能达到600MPa、78GPa，但其模量有特进一步的提高。
中国专利(专利号CN201711159037.9)提到一种高强度高弹性模量铝合金及其制备方法，尽管其弹性模量能达到90GPa，但抗拉强度与屈服强度明显偏低，分别只有400MPa,屈服强度达到360MPa。中国专利(CN201711047739.8)提到一种高弹性模量铸造铝合金，尽管其模量高，但其是通过加入高熔点(大于1800℃)的钨、镍、钴元素来实现，而铝的熔点低于700℃，导致铸造合金的塑性偏低，明显无法用常规的铝合金工业化方法实现，不适合规模化生产。中国专利(专利号CN202011487861.9)提到一种高比模量铝合金及其制备方法，尽管其弹性模量能达到89GPa，但抗拉强度与屈服强度也明显偏低。而中国专利(CN202011487859.1)提到一种高比强高比模铝合金及其制备方法，尽管其强度与模量高，但因添加了高含量的Mg元素，使得合金的熔铸工艺难度增大，同时因添加了高密度的Cu元素，使合金的密度偏大。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种低密度高模量的高强铝合金及其制备方法，本发明在成份设计上，通过调控降低密度、提高模量与强度的合金元素(Li、Be、Mn、Mg)与晶粒细化元素Zr、Sc的含量，工艺上通过退火、固溶及时效处理的工艺条件的协同处理，最终获得性能优良的时效强化型低密度高模量高强铝合金。本发明制备工艺简单，可作为低密度高模量高强度轻量化结构材料。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明一种低密度高模量的高强铝合金，包含以下重量百分比的组分：Li：2.5～3.5％，Be:0.2～1.5％，Mn：1～3％，Mg:0.05～2.0％，Zr：0.05～0.15％，Sc：0.05～0.15％，余量为Al。
本发明所提供的低密度高模量的高强铝合金，其中Li、Be、Mn、Mg为必备元素，它们直接对铝基体合金的弹性模量、密度及强度产生影响，而Zr、Sc为晶粒调控元素，对铝合金基体的晶粒进行细化，通过两方面的协同下，最终形成了低密度高模量的高强铝合金。
在本发明中，首创的添加了铍(0.2～1.5％)，发明人发现，一方面，上述范围内的铍可以提高铝合金的高弹性模量并降低密度，当然由于铍不能不固溶铝基体中，因此添加量需要控制，过多添加铍会降低材料的强度；另一方面，在常规的高温熔炼过程中，微量铍(0.001％)的加入能保护熔体，减少合金的氧化，进一步由于氧含量的降低，以带来合金材料性能的提升，同时可实现大气环境下的熔炼。而合金中添加1-3％锰，使合金中形成细小的Al6Mn、Al4Mn等高模量化合物相，从而提高基体合金的弹性模量。合金中添加2.5-3.5％Li，一方面使合金的整体密度降低，另一方面使合金在后续的热处理过程中析出高模量的Al3Li相。而添加微量Mg主要是降低基体合金的密度，提高强度。
本发明一种低密度高模量的高强铝合金，包含以下重量百分比的组分：Li：2.5～3.5％，Be:0.2～1.5％，Mn：1～2.5％，Mg:0.05～1.0％，Zr：0.05～0.15％，Sc：0.05～0.15％，余量为Al。在该成份配比下，最终所得合金材料的性能最优。
本发明一种低密度高模量的高强铝合金，所述高强铝合金的密度≤2.6g/cm3，抗拉强度≥535MPa，屈服强度≥446MPa，弹性模量≥83，伸长率≥6.7％。
作为优选的方案，本发明一种低密度高模量的高强铝合金，所述高强铝合金的密度为2.48～2.58g/cm3，抗拉强度为535～550MPa，屈服强度为446～492MPa，弹性模量为83～87，伸长率为6.7～9.2％。
可以看到在优化的条件下，本发明所提供的合金的密度低于2.6g/cm3，抗拉强度达到550MPa，屈服强度达到480MPa，弹性模量达到87GPa。
本发明一种低密度高模量的高强铝合金的制备方法，包括如下步骤：按设计的铝合金组分配比，称取各组分，采用熔炼方法，把铝、锂、铝锰中间合金、铝铍中间合金、镁、铝锆中间合金、铝钪中间合金，在真空环境下或惰性气体保护的大气环境下熔化，然后在熔体中充入氩气进行复合除气除渣处理，静置后浇铸成型获得铸锭，然后把铸锭经过退火处理、热挤压变形、固溶处理、时效处理获得高强铝合金。
本发明的制备方法，先采用熔炼的方法获得铸锭，由于加入了少量的铍，可以大幅降低熔炼过程中合金的氧化，提升合金性能，而在后续热处理过程中，发明人发现，采用退火处理、热挤压变形、固溶处理、时效处理的组合，能够最大化的发挥本发明的成份优势，最终在成份与工艺的协同下，获得低氧含量低密度高模量高强铝合金。
作为优选方案，本发明一种低密度高模量的高强铝合金的制备方法，所述退火处理的温度为450～510℃，退火的时间为24～48h。
作为优选方案，本发明一种低密度高模量的高强铝合金的制备方法，所述热挤压变形的温度为440～480℃，挤压比≥5。
作为优选方案，本发明一种低密度高模量的高强铝合金的制备方法，所述固溶处理的温度为480～520℃，固溶处理的时间为1～3h。固溶处理完后，水冷至室温。
作为优选方案，本发明一种低密度高模量的高强铝合金的制备方法，所述时效处理的温度130～160℃，所述时效处理的时间为10～200h。
采用本工艺方法制备的低密度高模量的高强铝合金在经过后续的形变热处理后，密度低于2.6g/cm3，抗拉强度达到550MPa，屈服强度达到480MPa,弹性模量达到87GPa。
本发明的特点：
采用本工艺方法制备的低密度高模量的高强铝合金，通过调控主元素(Li、Be、Mn、Mg)含量及比例与晶粒细化元素(Zr，Sc)的含量、铸锭退火工艺、固溶工艺及时效处理的工艺条件，获得性能优良的时效强化型铝合金，制得的此类铝合金具有优越的低密度、高模量及高强度。
具体实施方式
对比例1
采用Al-Zn-Mg-Cu系的典型7085铝锌镁合金，其成分为Al-7.5Zn-1.5Mg-1.6Cu-0.2Zr，原材料以A00纯铝、工业纯镁、纯锌、Al-5Cu合金及Al-4Zr合金等形式加入。合金熔炼在电阻炉中进行，熔体温度在720℃时浇入铁模中。铸锭在450℃进行均匀化处理24h，然后430℃以挤压比10热挤压成棒材，合金固溶处理后室温水淬，在120℃时效处理24h。材料的密度、弹性模量与室温拉伸性能如表1，合金中氧含量为0.08％。
对比例2
采用典型的Al-Li合金，其成分为Al-2.2Li-5.0Mg-0.1Zr，原材料以A00纯铝、工业纯镁、Al-10Mn及Al-4Zr合金等形式加入。合金熔炼在真空熔炼炉中进行熔炼与浇铸，然后再热轧成5mm的板材，合金固溶处理后室温水淬，在145℃时效处理48h。材料的密度、弹性模量与室温拉伸性能如表1，合金中氧含量为0.09％。
对比例3
采用典型的Al-Cu-Mg系合金，其成分为Al-3.8Cu-0.36Ag-1.1Li-0.36Mg-0.1Zr，原材料以A00纯铝、工业纯镁、纯银、Al-50Cu、Al-10Li及Al-4Zr合金等形式加入。合金熔炼在真空熔炼炉中进行熔炼与浇铸，然后再热轧成30mm的板材，合金固溶处理后室温水淬，在145℃时效处理32h。材料的密度、弹性模量与室温拉伸性能如表1，合金中氧含量为0.07％。
对比例4
采用中国专利(CN202011487859.1)提到的典型高比模高比强度铝合金，合金的组份及其重量百分比为Al-4Li-3Mn-0.05Zr-0.15Ti-0.3Sc。原材料以纯铝、纯锂、Al-10Mn合金、Al-5Ti合金、Al-4Zr合金及Al-2Sc合金等形式加入。合金熔炼在真空熔炼炉中进行熔炼与浇铸，然后440℃以挤压比5热挤压成棒材，合金固溶处理后室温水淬，在170℃时效处理20h。材料的密度、弹性模量与室温拉伸性能如表1。合金中氧含量为0.07％。
对比例5
合金的组份及其重量百分比为Al-2.5Li-0.15Be-1Mn-0.05Mg-0.05Zr-0.05Sc。制备方法如下：在真空下，将纯铝、纯锂、纯镁、铝铍中间合金、铝锰中间合金、铝锆中间合金、铝钪中间合金放入熔炼炉中熔化，通过氩气进行除气除渣，静置浇铸成形。铸锭进行退火，均热工艺为：450℃保温48h。退火后的铸锭440℃以挤压比5挤压成棒材。热挤压棒材合金在480℃保温3h。固溶处理完后，水冷至室温，然后在130℃，时间200h，得到成品。材料的密度、弹性模量与室温拉伸性能如表1，合金中氧含量为0.05％。
对比例6
合金的组份及其重量百分比为Al-4Li-0.2Be-1Mn-0.05Mg-0.05Zr-0.05Sc。制备方法如下：在真空下，将纯铝、纯锂、纯镁、铝铍中间合金、铝锰中间合金、铝锆中间合金、铝钪中间合金放入熔炼炉中熔化，通过氩气进行除气除渣，静置浇铸成形。铸锭进行退火，均热工艺为：450℃保温48h。退火后的铸锭440℃以挤压比5挤压成棒材。热挤压棒材合金在480℃保温3h。固溶处理完后，水冷至室温，然后在130℃，时间200h，得到成品。材料的密度、弹性模量与室温拉伸性能如表1，合金中氧含量为0.06％。
实施例1
合金的组份及其重量百分比为Al-2.5Li-0.2Be-1Mn-0.05Mg-0.05Zr-0.05Sc。制备方法如下：在真空下，将纯铝、纯锂、纯镁、铝铍中间合金、铝锰中间合金、铝锆中间合金、铝钪中间合金放入熔炼炉中熔化，通过氩气进行除气除渣，静置浇铸成形。铸锭进行退火，均热工艺为：450℃保温48h。退火后的铸锭440℃以挤压比5挤压成棒材。热挤压棒材合金在480℃保温3h。固溶处理完后，水冷至室温，然后在130℃，时间200h，得到成品。材料的密度、弹性模量与室温拉伸性能如表1，合金中氧含量为0.008％。
实施例2
合金的组份及其重量百分比为Al-2.5Li-0.2Be-1Mn-0.05Mg-0.05Zr-0.05Sc。制备方法如下：在大气环境下，通过氩气保护，将纯铝、纯锂、纯镁、铝铍中间合金、铝锰中间合金、铝锆中间合金、铝钪中间合金放入熔炼炉中熔化，通过氩气进行除气除渣，静置浇铸成形。铸锭进行退火，均热工艺为：440℃保温48h。退火后的铸锭450℃以挤压比10挤压成棒材。热挤压棒材合金在480℃保温3h。固溶处理完后，水冷至室温，然后在130℃，时间200h，得到成品。材料的密度、弹性模量与室温拉伸性能如表1，合金中氧含量为0.008％。
实施例3
合金的组份及其重量百分比为Al-3.5Li-1.5Be-2.5Mn-0.05Mg-0.15r-0.15Sc。制备方法如下：在真空环境下，将纯铝、纯锂、纯镁、铝铍中间合金、铝锰中间合金、铝锆中间合金、铝钪中间合金放入熔炼炉中熔化，通过氩气进行除气除渣，静置浇铸成形。铸锭进行退火，均热工艺为：510℃保温24h。退火后的铸锭480℃以挤压比15挤压成棒材。热挤压棒材合金在520℃保温2h。固溶处理完后，水冷至室温，然后在145℃，时间68h，得到成品。材料的密度、弹性模量与室温拉伸性能如表1，合金中氧含量为0.003％。
实施例4
合金的组份及其重量百分比为Al-3Li-1.0Be-1.5Mn-0.05Mg-0.1Zr-0.1Sc。制备方法如下：在真空环境下，将纯铝、纯锂、纯镁、铝铍中间合金、铝锰中间合金、铝锆中间合金、铝钪中间合金放入熔炼炉中熔化，通过氩气进行除气除渣，静置浇铸成形。铸锭进行退火，均热工艺为：490℃保温36h。退火后的铸锭460℃以挤压比20挤压成棒材。热挤压棒材合金在510℃保温2h。固溶处理完后，水冷至室温，然后在160℃，时间10h，得到成品。材料的密度、弹性模量与室温拉伸性能如表1，，合金中氧含量为0.005％。
实施例5
合金的组份及其重量百分比为Al-3Li-1.0Be-1.5Mn-0.05Mg-0.1Zr-0.1Sc。制备方法如下：在大气环境下，通过氩气保护，将纯铝、纯锂、纯镁、铝铍中间合金、铝锰中间合金、铝锆中间合金、铝钪中间合金放入熔炼炉中熔化，通过氩气进行除气除渣，静置浇铸成形。铸锭进行退火，均热工艺为：490℃保温36h。退火后的铸锭460℃以挤压比9挤压成棒材。热挤压棒材合金在510℃保温2h。固溶处理完后，水冷至室温，然后在160℃，时间10h，得到成品。材料的密度、弹性模量与室温拉伸性能如表1，合金中氧含量为0.007％。
实施例6
合金的组份及其重量百分比为Al-3Li-1.0Be-1.2Mn-2.0Mg-0.1Zr-0.1Sc。制备方法如下：在大气环境下，通过氩气保护，将纯铝、纯锂、纯镁、铝铍中间合金、铝锰中间合金、铝锆中间合金、铝钪中间合金放入熔炼炉中熔化，通过氩气进行除气除渣，静置浇铸成形。铸锭进行退火，均热工艺为：500℃保温24h。退火后的铸锭460℃以挤压比10挤压成棒材。热挤压棒材合金在520℃保温2h。固溶处理完后，水冷至室温，然后在145℃，时间100h，得到成品。材料的密度、弹性模量与室温拉伸性能如表1，合金中氧含量为0.005％。
实施例7
合金的组份及其重量百分比为Al-3Li-1.0Be-1.2Mn-1.0Mg-0.1Zr-0.1Sc。制备方法如下：在大气环境下，通过氩气保护，将纯铝、纯锂、纯镁、铝铍中间合金、铝锰中间合金、铝锆中间合金、铝钪中间合金放入熔炼炉中熔化，通过氩气进行除气除渣，静置浇铸成形。铸锭进行退火，均热工艺为：500℃保温24h。退火后的铸锭460℃以挤压比12挤压成棒材。热挤压棒材合金在520℃保温2h。固溶处理完后，水冷至室温，然后在145℃，时间100h，得到成品。材料的密度、弹性模量与室温拉伸性能如表1，，合金中氧含量为0.003％。
表1本发明合金的性能
比较实施例与对比例的性能参数值，可以看出：本发明制备的铝合金的模量、弹性模量及室温拉伸性能等综合性能明显高于对比实施例合金。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。