发明内容

发明人发现，Al-Li-Cu合金的高温（﹥70℃）力学性能取决于其主要时效强化相的热稳定性，其中包括T1 (Al₂CuLi), δ' (Al₃Li) 和 θ'(Al₂Cu)，而T1相的强化效果最优。此外板条状T1相厚度较薄（约1.3nm），当其在170℃时效时非常稳定，不会发生明显粗化。因此，本发明选择T1相作为耐热高强Al-Li-Cu合金的主要强化相。通过增加Cu/Li比或人工时效前的预变形来促进T1相的大量析出。此外，添加稀土元素可进一步提高T1相的热稳定性。如微量添加Sc、Y、La和Er均可降低合金中主元素Cu的扩散速率，从而延缓含Cu析出相的粗化。Ce作为稀土元素也具有类似的作用，其同样可以延缓含Ce合金中含Cu纳米析出相在高温下的粗化过程，并以此提高此类合金的热稳定性，如Ce的加入抑制了Al-Cu-Mg-Ag合金中Ω相（Al₂Cu）析出相的粗化和Al-Cu-Li合金中T1（Al₂CuLi）相的析出。Ce也有助于铝合金中金属间化合物的细化，如，7055Al合金、Al–6.7Zn–2.6Mg–2.6Cu（wt%）合金和Al-Cu-Li合金中共晶组织的细化。发明人通过研究得到合适的均匀化工艺可以在含Ce的Al-Li-Cu合金形成大量细小弥散的耐高温相Al₈Cu₄Ce相。该类分布在晶界的弥散粒子能够强化晶界，阻碍其在高温下滑移和蠕变，从而改善含Ce的Al-Li-Cu合金的高温力学性能。

鉴于此，本发明提供一种耐热高强Al-Li-Cu-Ce合金板材的制备方法，可应用于新型飞行器耐热结构件。

本发明的技术路线是：通过Ce的微合金化和其制备过程的全流程的工艺有效控制，提高了Al-Li-Cu合金的耐热性能（热暴露和高温拉伸），实现耐热高强Al-Li-Cu-Ce合金板材的制备。另一方面，通过提高合金中的Cu/Li和时效前预变形的协同作用增加合金中具有耐热潜质的T1（Al₂CuLi）相的析出比例，同时微量Ce的添加可以通过抑制合金中主元素Cu扩散的方式有效抑制T1（Al₂CuLi）相的粗化和含Ce金属间化合物的细化，极大地提高了该合金的热稳定性和高温变形均匀性。

本发明采用的技术方案具体是：

一种耐热高强Al-Li-Cu-Ce合金板材的制备方法，按照以下步骤进行：

a. 熔炼铸造：合金熔炼在高温电阻炉中进行，以纯Al、纯Li、纯Ag和纯Mg以及中间合金Al-Cu、Al-Ce为合金熔炼原料；首先在高纯石墨坩埚中加入纯Al、纯Ag和中间合金Al-Cu、Al-Ce后将炉温升至780℃，同时加入精炼剂隔绝潮湿空气，防止熔体吸氢，待合金完全熔化后将炉温降至740℃，采用纸包六氯乙烷置于钟罩内压入熔体中进行除气，随后用夹钳将纯Mg加入坩埚中并注意压至液面以下区域，静置一段时间后进行第二次除气、扒渣；从煤油中取出纯Li并使用丙酮试剂进行清洗，随后用铝箔将其进行包覆并用钟罩将其缓慢压入铝液中，静置6-8分钟后在710℃-720℃炉温范围下进行浇铸；浇铸时采用斜模铸锭和水冷铜模激冷技术进行，浇注全程通氩气保护和循环冷却水快速冷却模具；

b. 均匀化退火：铸锭在盐浴炉中进行均匀化退火，温度误差严格控制在±2℃；采用双级均匀化退火工艺，即第一步在460-475±2℃温度下退火6-10h，第二步在500-520±2℃温度下退火12-20h；

c.板材成型：均匀化退火后对合金进行切头切尾、铣面处理，然后进行热轧和冷轧；热轧前将铝锭放置空气退火炉中在440-460±5℃温度下保温1-2h，第一步通过5道次热轧至16±0.5mm，具体的热轧厚度变化为：24 mm→23±0.5 mm→22±0.5mm→20±0.5 mm→18±0.5 mm→16±0.5 mm；再次回炉并在450±5℃保温下保温40min， 随后第二步通过5道热轧至5±0.5mm，具体的热轧厚度变化为：16±0.5 mm→14±0.5 mm→12±0.5mm→10±0.5 mm→8±0.5 mm→5±0.5 mm；板材冷轧前在450℃±5℃下对其进行中间退火约1.5-2.5 h，随炉冷却至室温取出；具体的冷轧厚度变化为： 5.0 mm → 4.8±0.1 mm → 4.6±0.1 mm → 4.4±0.1 mm → 4.2±0.1 mm → 4.0±0.1 mm → 3.8±0.1 mm → 3.6±0.1 mm → 3.4±0.1 mm → 3.2±0.1 mm → 3.0±0.1 mm → 2.8±0.1 mm → 2.6±0.1 mm → 2.4±0.1 mm → 2.2±0.1 mm，板材成型；

d.固溶时效热处理：固溶在能够精准控温的盐浴炉中进行，炉温须严格控制在±1℃范围内，固溶温度为520℃±1℃，固溶50min-70min后将合金板材立即在水池中淬火冷却；时效处理采取单级时效，在鼓风干燥箱中进行；在时效前需冷轧预变形，变形量为6%左右，在150℃下进行，时效时间为12 h-26h。

进一步地，步骤a中，纯Al、纯Mg、纯Li和纯Ag的含量为99.9 wt%，中间合金Al-Cu的含量为50.0 wt%，Al-Ce的含量为10.0 wt%；精炼覆盖剂每次添加量为3-8g，精炼剂是以LiF和LiCl以1:2比例混合而成，精炼覆盖剂剂始终置于120℃干燥箱中干燥。

进一步地，步骤a中，成品铸锭尺寸为100×100 mm×24mm，合金成分的质量份为：0.8-1.5Li、4.0-5.5Cu、0.2-0.5Ag、0.2-0.5Mg、0.05-0.30 Ce、0.02-0.08Fe、0.02-0.05Si 。

进一步地，步骤b中，实验均匀化退火之前，先截取合金铸锭顶部和底部区域的样品，合金二级均匀化上限温度分别为460-475℃和500-520℃。

进一步地，步骤c中，热轧开始之前，采用液化气喷火器将轧机轧辊先预加热至120-180℃，开坯热轧阶段即第1道至第5道采用300-400r/min低速轧制，厚度由24mm减至16mm，后5道次热轧采用700-900r/min高速轧制，厚度由16mm减至5mm。

进一步地，步骤d中，淬火水池水温控制在25℃以下，淬火转移时间应小于5s。

发明具有以下有益技术效果：本发明利用微量Ce添加对Al-Li-Cu合金微观组织的有效调控功效，通过微量Ce添加有效抑制了Al-Li-Cu合金中主要强化相T1（Al₂CuLi）的粗化和含Ce金属间化合物的细化，极大地提高了该合金的热稳定性和高温变形均匀性。具体表现在，溶质原子Ce在基体和纳米析出相界面的偏析可以有效地阻止合金中主要元素Cu在T1相上的扩散和聚集，减缓了T1相的高温粗化速率。因此，Al-Li-Cu-Ce合金在中高温（130℃～310℃）的热暴露过程中，其热稳定性得到了实质性的提高。同时，在高温拉伸试验中，Al-Li-Cu-Ce合金的拉伸延伸率在高温下的增量远大于Al-Li-Cu合金，相应的断口微观组织观察表明，细小弥散且具有高温稳定性的Al₈Cu₄Ce金属间化合物主要位于具有塑性断裂特征的高温拉伸断口。该方法为高强耐热航空航天Al-Li-Cu合金高温结构材料提供了新的有效技术手段，为相关高综合性能铝合金结构材料开发及产业化应用提供了新思路。由于微合金化和常规热处理方法设备要求简单、操作容易、大范围、可控性好，具有很好的重现性，而且相对于传统的方法成本大大降低。本发明专利用的手段，无特殊条件要求、工艺条件成熟，因此特别适合商业化大规模生产。