一种可阳极氧化的铝锂合金及其制备方法
阅读说明：本技术 一种可阳极氧化的铝锂合金及其制备方法 (Aluminum lithium alloy capable of being anodized and preparation method thereof ) 是由 肖阳 刘振杰 马凯杰 祁登科 刘志鹏 王松森 解海涛 于 2020-12-31 设计创作，主要内容包括：本发明属于有色金属材料及其热加工领域,具体涉及一种可阳极氧化的铝锂合金及其制备方法。本发明通过优化铝锂合金中Li元素等合金元素的种类及含量,并结合特定的加工变形工艺和热处理方式,调整阳极氧化工序,将Li原子完全固溶进入Al基体内,消除传统铝锂合金内部含Li相与Al基体之间存在的电极电位差,使得合金可以进行阳极氧化,制备出均匀连续致密的氧化膜层,并进行染色处理,色彩均匀美观,之后自然时效析出相可提高合金力学性能。本发明通过调控合金元素配比以及存在形式,利用现有各种熔铸、加工、热处理、阳极氧化等设备,以及常规阳极氧化液就可以进行合金制备与阳极氧化,可快速投入工业化生产。(The invention belongs to the field of non-ferrous metal materials and hot working thereof, and particularly relates to an anodizable aluminum-lithium alloy and a preparation method thereof. According to the invention, by optimizing the types and contents of alloy elements such as Li element in the aluminum lithium alloy and combining a specific processing deformation process and a specific heat treatment mode, the anodic oxidation process is adjusted, Li atoms are completely dissolved into an Al matrix in a solid solution manner, and the electrode potential difference existing between the Li-containing phase and the Al matrix in the traditional aluminum lithium alloy is eliminated, so that the alloy can be subjected to anodic oxidation, a uniform, continuous and compact oxidation film layer is prepared, and dyeing treatment is carried out, the color is uniform and attractive, and then the mechanical property of the alloy can be improved by natural aging precipitation of the phase. The invention can carry out alloy preparation and anodic oxidation by regulating and controlling the proportion and the existing form of alloy elements and utilizing the existing various casting, processing, heat treatment, anodic oxidation and other equipment and the conventional anodic oxidation liquid, and can be rapidly put into industrial production.)
技术领域
本发明属于有色金属材料及其热加工领域，具体涉及一种可阳极氧化的铝锂合金及其制备方法。
背景技术
铝锂合金是一种先进的轻量化结构材料，近年来在航空航天材料中发展尤为迅速，具有密度低、比强度和比刚度高、弹性模量高、疲劳裂纹扩展速率低、低温性能较好和卓越的超塑成形性能等诸多优异的综合性能，用其代替常规的高强度铝合金可使结构质量减轻10～20％，刚度提高15～20％。因此，铝锂合金在航空航天以及民用3C领域显示出广阔的应用前景。
阳极氧化是最常用的铝合金表面处理方式之一，现有的工艺通常是直接将时效态或退火态铝合金作为阳极，依据电解原理通过外加电场在合金表面形成一层致密氧化膜进行阳极氧化，从而提高铝合金表面硬度。除此以外，阳极氧化还显著改善了铝合金表面其他性能包括化学稳定性、耐蚀性、绝缘性，以及可吸附性。其中提高可吸附性使得铝材表面可吸附各种染料，可以染各种颜色，进行表面装饰，广泛适用于航空航天以及民用3C等领域。
Li元素的添加可以有效降低铝合金密度，并且可以形成Al3Li强化相，提高合金力学性能。在Al-Li合金中添加Cu、Mg、Ag等元素时，不同元素之间相互作用，形成多种含Li第二相，有效提高了合金综合力学性能，但是由于这些含Li第二相与Al基体相之间电极电位相差较大，不仅导致合金耐蚀性较弱，而且造成使用现有工序进行阳极氧化过程中，时效态或退火态铝锂合金表面局部腐蚀过度将出现点状或线状缺陷，导致无法形成均匀致密的阳极氧化层，并且后续染色时色彩不均匀，严重影响外观，阻碍了铝锂合金在相关领域的应用。
公开号为CN110965104 A的中国专利公开了一种Al-Cu-Li合金阳极氧化膜的常温封闭处理方法，通过使用层状双羟基金属氧化物进行Al-Cu-Li合金阳极氧化膜的常温封闭的实施办法，将Al-Cu-Li合金经过打磨等预处理后，使用酸液进行阳极氧化处理，之后放入0.05-0.1M的碳酸锂水溶液中，大气环境下，温度25-30℃条件下，恒温保持30 ~ 180min，然后取出处理后的Al-Cu-Li合金用去离子水冲洗，干燥，实现Al-Cu-Li合金阳极氧化膜的常温封闭。虽然此专利方法对于Al-Cu-Li合金阳极氧化膜孔洞具有封闭效果，提高了合金表面耐蚀性，但是发明人发现该方法没有解决铝锂合金阳极氧化过程含Li相与Al基体相电极电位差较大，局部腐蚀过度产生缺陷的问题，制备的阳极氧化膜致密性差，耐磨损性不足，并且无法进行有效染色。
发明内容
本发明针对上述铝锂合金在阳极氧化和染色方面运用的局限性，提供了一种可阳极氧化铝锂合金，通过优化铝锂合金中Li元素等合金元素的种类及含量，并结合特定的加工变形工艺和热处理方式，调整阳极氧化工序，将Li原子完全固溶进入Al基体内，消除传统铝锂合金内部含Li相与Al基体之间存在的电极电位差，使得合金可以进行阳极氧化，制备出均匀连续致密的氧化膜层，并进行染色处理，色彩均匀美观，之后自然时效析出相可提高合金力学性能。
本发明还提供了上述可阳极氧化的铝锂合金的制备方法。
基于上述目的，本发明采取如下技术方案：
一种可阳极氧化的铝锂合金，主要由以下质量百分比的组分组成： Li：2.0~4.5%，Co：0.05~0.4%，Cr：0.05~0.4%，Mn：0.05-0.5%，Zr：0.05~0.3%，Sc：0.05~0.3%，余量为Al，杂质元素≤0.1%。
进一步的，所述的可阳极氧化的铝锂合金，由以下质量百分比的组分组成：Li 2.5~3.0%，Co：0.05~0.3%，Cr：0.1~0.2%，Mn：0.05-0.3%，Zr 0.1~0.2%，Sc 0.1~0.2%，余量为Al，杂质元素≤0.1%。
优选的，所述的可阳极氧化的铝锂合金，由以下质量百分比的组分组成：Li 2.5%，Co：0.05~0.3%，Cr：0.1~0.2%，Mn：0.05-0.3%，Zr 0.1~0.2%，Sc 0.1~0.2%，余量为Al，杂质元素≤0.1%。
所述杂质元素为Cu、Mg、Zn、Fe、Si、Na、Ti中的一种或多种。
一种可阳极氧化的铝锂合金制备方法，所述方法步骤如下：
（1）熔炼和铸锭：按照合金中各组分的质量百分比进行配料，配料后采用真空熔炼方式制备合金铸锭；
（2）制备板坯：将步骤（1）中的合金铸锭进行均匀化处理，减少组织偏析，消除内应力；将经过均匀化处理的合金铸锭采用热挤压的方式制备板坯，得到铝锂合金板坯；
（3）等温轧制：将步骤（2）处理过的铝锂合金板坯进行等温轧制得到铝锂合金薄板；
（4）固溶、阳极氧化处理：将步骤（3）得到铝锂合金薄板进行固溶处理，将固溶处理后的铝锂合金薄板阳极氧化处理，并染色，封孔，得到产品。
具体的，步骤（2）所述均匀化处理温度为450-550℃，保温12-24h，之后随炉冷却至室温。
具体的，步骤（2）热挤压温度400-500℃，挤压速度1-3m/min。
具体的，步骤（3）中等温轧制温度300-400℃，保温60-120min，等温轧制时单道次变形量15%-20%，等温轧制过程中当铝锂合金板坯厚度到达2.5mm时进行回火，回火温度350-450℃，回火时间10-15min。
具体的，步骤（4）中固溶处理温度为460-550℃，保温时间1-3h，冷却至室温。
具体的，步骤（4）中阳极氧化电解液为硼酸-硫酸溶液，其中H2SO4浓度为40-60g/L，H2BO3浓度为4-10g/L。
具体的，步骤（4）中阳极氧化处理使用直流稳压电源，电解时的温度为15-30℃，电压（15±1）V，时间15-30min。
具体的，步骤（4）中染色是将阳极氧化后的铝锂合金薄板浸入染料液中静置染色，浸泡时间5-15min，染料液温度30-60℃。
具体的，步骤（4）中封孔是将染色后的铝锂合金薄板放入95-100℃蒸馏水或去离子水中，浸泡加热15-25min，将表面孔隙封闭。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1. 本发明通过调控Li元素含量，并进行固溶处理将Li完全固溶进入Al基体内，消除了合金内部含Li相与Al基体电极电位差，能够有效对该铝锂合金进行阳极氧化处理以及染色处理，最终制备的氧化膜均匀致密，可进行浅色与深色等各种颜色的正常染色，使用过程中耐磨损性高，持久性好。
2. 本发明中的可阳极氧化铝锂合金，在加入设计含量Li元素后，使合金密度降低大约10%，通过固溶强化以及后续自然时效形成的时效强化，提高合金综合力学性能，抗拉强度达到240-280MPa，屈服强度达到180-240MPa，伸长率达到12-20%。
3. 本发明提供的可阳极氧化铝锂合金及其制备方法，通过调控合金元素配比以及存在形式，利用现有各种熔铸、加工、热处理、阳极氧化等设备，以及常规阳极氧化液就可以进行合金制备与阳极氧化，可快速投入工业化生产。
附图说明
图1为实施例1中可阳极氧化铝锂合金铸态金相组织照片；
图2为实施例1中可阳极氧化铝锂合金挤压态板坯金相组织照片；
图3为实施例1中可阳极氧化铝锂合金薄板经阳极氧化并着色黑色照片；
图4为实施例2中可阳极氧化铝锂合金薄板经阳极氧化并着色蓝色照片；
图5为实施例3中可阳极氧化铝锂合金薄板经阳极氧化并着色红色照片。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下述实施例中所用原料均为普通市售产品。
具体以下实施例中所用原料为：高纯Al，金属Li单质，Al-Co，Al-Cr，Al-Mn，Al-Sc和Al-Zr中间合金；以下实施例中真空熔炼的方法采用专利文献（CN110106415A一种无熔剂真空铸造高纯净镁合金及其制备方法）中的方法。
实施例1
一种可阳极氧化的铝锂合金，主要由以下质量百分比的组分组成：Li：2.5%，Co：0.2%，Cr：0.05%，Mn：0.3%，Sc：0.2%，Zr：0.2%，余量为Al，杂质元素≤0.1%，所述杂质元素为Cu、Mg、Zn、Fe、Si、Na、Ti。
所述可阳极氧化的铝锂合金的制备方法，包括真空熔炼、制备板坯、等温轧制和固溶、阳极氧化处理四个阶段，具体步骤如下：
（1）熔炼和铸锭：按照合金中各组分的质量百分比进行配料，配料后采用真空熔炼方式制备合金铸锭；
（2）制备板坯：将步骤（1）中的合金铸锭在460℃下，保温16h进行均匀化处理，之后随炉冷却至室温；将经过均匀化处理的合金铸锭表皮车削干净至无缺陷，采用热挤压的方式制备板坯，得到厚度为6mm的铝锂合金板坯，其中，挤压温度400℃，挤压速度3m/min；
（3）等温轧制：将步骤（2）处理过的铝锂合金板坯在400℃条件下保温60min进行等温轧制得到1.2mm厚的铝锂合金薄板；等温轧制时单道次变形量15%，等温轧制过程中当铝锂合金板坯厚度到达2.5mm时进行回火，回火温度400℃，回火时间10min；
（4）固溶、阳极氧化处理：将步骤（3）得到的厚度1.2mm的铝锂合金薄板进行固溶处理，固溶温度460℃，保温时间1h，室温空淬冷却；
将固溶处理后的铝锂合金薄板进行表面抛光去油后，放入阳极氧化电解液中进行阳极氧化处理，电解液（硼酸-硫酸溶液）中H2SO4浓度为45g/L，H2BO3浓度为6g/L，电解液溶液温度20℃，电解时采用直流稳压电源，通入电压15V，保持20min进行阳极氧化处理；
将完成阳极氧化后的铝锂合金薄板进行水洗，然后放入黑色染料（型号：TACBLACK BLH 411）溶液中进行黑色染色，溶液温度40℃，浸泡6min后取出水洗，完成染色；
将染色后的铝锂合金薄板放入95℃去离子水中加热20min进行封孔，封闭表面孔隙，最终得到黑色1.2mm厚的可阳极氧化的铝锂合金薄板产品，所制备的产品氧化膜层均匀致密，染色后黑色色泽均匀，光泽度好。
图1为实施例1中可阳极氧化铝锂合金铸态金相组织照片，从图中可以看出：主要以枝晶存在，沿晶界分布黑色第二相；
图2为实施例1中可阳极氧化铝锂合金挤压态板坯金相组织照片，从图中可以看出：主要以等轴晶存在，黑色第二相减少；
图3为实施例1中可阳极氧化铝锂合金薄板经阳极氧化并着色黑色照片，从图中可以看出：颜色均匀美观。
实施例2
一种可阳极氧化的铝锂合金，主要由以下质量百分比的组分组成： Li：3.5%，Co：0.1%，Cr：0.1%，Mn：0.3%，Sc：0.2%，Zr：0.2%，余量为Al，杂质元素≤0.1%，所述杂质元素为Cu、Mg、Zn、Fe。
所述可阳极氧化的铝锂合金的制备方法，包括真空熔炼、制备板坯、等温轧制和固溶、阳极氧化处理四个阶段，具体步骤如下：
（1）熔炼和铸锭：按照合金中各组分的质量百分比进行配料，配料后采用真空熔炼方式制备合金铸锭；
（2）制备板坯：将步骤（1）中的合金铸锭在550℃下，保温16h进行均匀化处理，之后随炉冷却至室温；将经过均匀化处理的合金铸锭表皮车削干净至无缺陷，采用热挤压的方式制备板坯，得到厚度为6mm的铝锂合金板坯，其中，挤压温度430℃，挤压速度3m/min；
（3）等温轧制：将步骤（2）处理过的铝锂合金板坯在450℃条件下保温60min进行等温轧制得到1.2mm厚的铝锂合金薄板；等温轧制时单道次变形量15%，等温轧制过程中当铝锂合金板坯厚度到达2.5mm时进行回火，回火温度450℃，回火时间10min；
（4）固溶、阳极氧化处理：将步骤（3）得到的厚度1.2mm的铝锂合金薄板进行固溶处理，固溶温度560℃，保温时间2h，室温空淬冷却；
将固溶处理后的铝锂合金薄板进行表面抛光去油后，放入阳极氧化电解液中进行阳极氧化处理，电解液（硼酸-硫酸溶液）中H2SO4浓度为45g/L，H2BO3浓度为6g/L，电解液溶液温度20℃，电解时采用直流稳压电源，通入电压15V，保持20min进行阳极氧化处理；
将完成阳极氧化后的铝锂合金薄板进行水洗，然后放入蓝色染料（型号：TACSKYBLUE GLH 502）溶液中进行蓝色染色，溶液温度40℃，浸泡6min后取出水洗，完成染色；
将染色后的铝锂合金薄板放入95℃去离子水中加热20min进行封孔，封闭表面孔隙，最终得到蓝色1.2mm厚的可阳极氧化的铝锂合金薄板产品。所制备的产品氧化膜层均匀致密，染色后蓝色色泽均匀，光泽度好。
图4为实施例2中可阳极氧化铝锂合金薄板经阳极氧化并着色蓝色照片，图中可以看出：颜色均匀美观。
实施例3
一种可阳极氧化的铝锂合金，主要由以下质量百分比的组分组成：Li：3.0%，Co：0.2%，Cr：0.1%，Mn：0.3%，Sc：0.15%，Zr：0.15%，余量为Al，杂质元素≤0.1%，所述杂质元素为Cu、Mg、Zn、Fe。
所述可阳极氧化的铝锂合金的制备方法，包括真空熔炼、制备板坯、等温轧制和固溶、阳极氧化处理四个阶段，具体步骤如下：
（1）熔炼和铸锭：按照合金中各组分的质量百分比进行配料，配料后采用真空熔炼方式制备合金铸锭；
（2）制备板坯：将步骤（1）中的合金铸锭在520℃下，保温16h进行均匀化处理，之后随炉冷却至室温；将经过均匀化处理的合金铸锭表皮车削干净至无缺陷，采用热挤压的方式制备板坯，得到厚度为6mm的铝锂合金板坯，其中，挤压温度450℃，挤压速度2m/min；
（3）等温轧制：将步骤（2）处理过的铝锂合金板坯在350℃条件下保温60min进行等温轧制得到0.8mm厚的铝锂合金薄板；等温轧制时单道次变形量15%，等温轧制过程中当铝锂合金板坯厚度到达2.5mm时进行回火，回火温度350℃，回火时间10min；
（4）固溶、阳极氧化处理：将步骤（3）得到的厚度0.8mm的铝锂合金薄板进行固溶处理，固溶温度530℃，保温时间2h，室温空淬冷却；
将固溶处理后的铝锂合金薄板进行表面抛光去油后，放入阳极氧化电解液中进行阳极氧化处理，电解液（硼酸-硫酸溶液）中H2SO4浓度为45g/L，H2BO3浓度为6g/L，电解液溶液温度20℃，电解时采用直流稳压电源，通入电压15V，保持20min进行阳极氧化处理；
将完成阳极氧化后的铝锂合金薄板进行水洗，然后放入红色染料（型号：TACFIREY RED GBM 105）溶液中进行红色染色，溶液温度40℃，浸泡6min后取出水洗，完成染色；
将染色后的铝锂合金薄板放入95℃去离子水中加热20min进行封孔，封闭表面孔隙，最终得到红色0.8mm厚的可阳极氧化的铝锂合金薄板产品。所制备的产品氧化膜层均匀致密，染色后红色色泽均匀，光泽度好。
图5为实施例3中可阳极氧化铝锂合金薄板经阳极氧化并着色红色照片，图中可以看出：颜色均匀美观。
性能测试
按照国标GB/T 228.1-2010中金属材料拉伸试验第1部分测试方法：采用室温试验方法对实施例1~3制备得到的可阳极氧化的铝锂合金进行力学性能检测，室温拉伸性能检测结果如表1所示。
表1。
从表1中可以看出本发明实施例1-3制备的可阳极氧化的铝锂合金薄板具有良好的抗拉强度、屈服强度以及延伸率等力学性能，抗拉强度达到240-280MPa，屈服强度达到180-240MPa，伸长率达到12-20%。本发明的制备方法能够有效对该铝锂合金进行阳极氧化处理以及染色处理，最终制备的氧化膜均匀致密，可进行浅色与深色等各种颜色的正常染色，使用过程中耐磨损性高，持久性好。
以上对本发明的具体实施案例进行了描述，需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式。本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
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