一種含鋰高強鋁合金材料及其製備方法
2024-02-17 02:43:15 1
專利名稱：一種含鋰高強鋁合金材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種鋁合金材料，特別是指一種含鋰高強鋁合金材料及其製備方法。
鋰是最輕的金屬元素，它的密度為0.53g/cm3，僅有鋁的五分之一，在鋁合金中加入鋰，將使其密度降低。
第一個含鋰的工業鋁合金是美國鋁業公司(Alcoa)在1958年研製出的2020合金。2020合金的名義成分為銅(Cu)4.5％、鎂(Mg)1.1％、鋰(Li)0.5％、錳(Mn)0.2％。2020合金具有較高的比強度和比剛度，優良的耐蝕性和疲勞性能，曾被用於一種軍用飛機的主結構。但後來發現2020合金的斷裂韌性很低，不能滿足飛機結構的損傷容限要求，因此，2020合金在七十年代就停止生產了。在七十至八十年代，西方國家發展了鋁(Al)-鋰(Li)-銅(Cu)-鎂(Mg)-鋯(Zr)系的幾個含鋰的工業鋁合金2090、2091、8090等。這些合金的技術現在已經比較成熟，已可以生產各種類型和規格的半成品，並獲得了一定的應用。近年來，在鋁(Al)-銅(Cu)-鋰(Li)系的049基礎上發展起來的2195、2197等合金的性能有很大的改進，已經基本克服了2090、2091、8090等含鋰的鋁合金存在的問題，並已開始有重要的應用。2197合金已用於F16改型，用於機身尾部隔框。2195合金已成功地用於太空梭的外推進劑貯箱，據報導能減輕重量達3400Kg之多。
在鋁合金中，由於鋁(Al)-鋅(Zn)-鎂(Mg)-銅(Cu)系合金，具有最高的強度，是重要的航空航天結構材料。如在該合金中加入低密度的鋰(Li)將對飛行器的結構減重有重大的作用，故近年來，開展了對鋁(Al)-鋅(Zn)-鎂(Mg)-銅(Cu)-鋰(Li)系合金的研究。已有的研究工作表明，在7XXX系合金中加入鋰(Li)後，由於鋰(Li)原子與空位具有結合能而形成的鋰(Li)-空位對，將阻止鋅(Zn)和鎂(Mg)原子擴散形成富溶質G.P區，因此優先析出了δ′(Al3Li)強化相，抑制了7XXX系原有的強化相η′(MgZn2)的析出，取而代之析出了T((Al，Zn)42Mg32)相或S(Al2CuMg)相或具有準晶結構的X相。所有這些組織的變化都將對鋁合金性能的發揮帶來不利的影響。密度減少的同時，強度也降低，且比強度提高有限。
本發明的目的之一是提供一種含鋰高強鋁合金的材料。
本發明的目的之二是提供一種製備含鋰高強鋁合金的方法。
本發明的目的是這樣實現的一種含鋰高強鋁合金材料，它由下列合金元素(單位為重量百分比)組成，鋅(Zn)5.0％～12.0％、鎂(Mg)1.0％～5.0％、銅(Cu)1.0％～5.0％、鋰(Li)0.8％～1.7％、錳(Mn)0.1％～0.3％、鋯(Zr)0.1％～0.5％、鉻(Cr)0.05％～0.2％和餘量為鋁(Al)。
所述的高強鋁合金材料，其抗拉強度為σb＝650～850Mpa。
所述的高強鋁合金材料，其屈服強度為σs＝400～700Mpa。
所述的高強鋁合金材料，其延伸率為δ＝8～16％。
所述的高強鋁合金材料，其比強度為170×105mm～200×105mm。
一種含鋰高強鋁合金材料的製備方法，包括下列步驟(1)按配比稱取出各合金元素；(2)採用熔煉方法熔煉合金；(3)在氣氛保護環境下澆成鑄錠；(4)將鑄錠剝皮；(5)將剝皮後的鑄錠進行470℃±10℃/24h的均勻化處理；(6)將均勻化處理後的鑄錠再在490℃±10℃/48h作均勻化處理；(7)將處理後的鑄錠在450℃±5℃的條件下進行變形加工成製品。
所述的方法，其熔煉溫度為680～720℃。
所述的方法，其採用的氣氛保護為惰性氣氛。
所述的方法，其採用的氣氛保護為氬氣或為高純氮氣。
本發明的優點是本材料不但具有高的強度、剛度，還具有很強的抗應力腐蝕性。本發明的材料與此合金成份相當的美國商用7075合金在T73狀態下比強度提高了28％，較國產LC4提高了24％，材料的密度降低了3.7％。
在本發明中，如非特指，所有的單位均為重量百分比單位。
以下將通過具體實施例來進一步說明本發明，實施例僅用於說明，而不能限制本發明的權利要求的範圍。
例1按下列配比配製100公斤含鋰高強鋁合金需稱取出的各元素為鋅(Zn)5.14公斤、鎂(Mg)1.24公斤、銅(Cu)1.76公斤、鋰(Li)1.01公斤、錳(Mn)0.35公斤、鋯(Zr)0.10公斤、鉻(Cr)0.24公斤和餘量為鋁(Al)。
製備方法包括將上述稱取出的各元素在熔煉溫度為680℃條件下熔煉，並在氬氣保護環境下澆成鑄錠，將鑄錠用工具機、酸性溶液剝皮後得到清潔表面，並將剝皮後的鑄錠進行470℃/24h的均勻化處理，將均勻化處理後的鑄錠再在490℃/48h的均勻化處理，均勻化處理好後的鑄錠在450℃的條件下經鍛造變形加工成製品。
將製品鍛造加工成10mm厚的板材，將板材橫向取樣，並在520℃的鹽浴中固溶40min，取出後快速水淬，在120℃的矽油槽中預時效3.5h，再在160℃的矽油槽中進行第二級人工時效。用HV-10A型小負荷維氏硬度計測試了在160℃時效時的時效硬化行為，加載載荷為1公斤，硬度最大值為220，並做拉伸性能實驗，利用X射線和TEM對該狀態的含鋰高強鋁合金進行了相組成分析，析出相顆粒尺度為2～20nm。
本發明的含鋰高強鋁合金材料，抗拉強度為619Mpa，屈服強度為431Mpa，延伸率為10.5％，比強度為179×105mm。
例2按下列配比配製100公斤含鋰高強鋁合金需稱取出的各元素為鋅(Zn)8.0公斤、鎂(Mg)3.1公斤、銅(Cu)2.2公斤、鋰(Li)1.4公斤、錳(Mn)0.1公斤、鋯(Zr)0.15公斤、鉻(Cr)0.20公斤和餘量為鋁(Al)。
製備方法包括將上述稱取出的各元素在熔煉溫度為700℃條件下熔煉，並在高純氮氣保護環境下澆成鑄錠，將鑄錠用工具機、酸性溶液剝皮後得到清潔表面，並將剝皮後的鑄錠進行460℃/24h的均勻化處理，將均勻化處理後的鑄錠再在480℃/48h的均勻化處理，均勻化處理好後的鑄錠在460℃的條件下經鍛造變形加工成製品。
將製品鍛造加工成10mm厚的板材，將板材橫向取樣，並在510℃的鹽浴中固溶40min，取出後快速水淬，在100℃的矽油槽中預時效3.5h，再在160℃的矽油槽中進行第二級人工時效。用HV-10A型小負荷維氏硬度計測試了在160℃時效時的時效硬化行為，加載載荷為1公斤，硬度最大值為230，並做拉伸性能實驗，利用X射線和TEM對該狀態的含鋰高強鋁合金進行了相組成分析，析出相顆粒尺度為2～20nm。
本發明的含鋰高強鋁合金材料，抗拉強度為650Mpa，屈服強度為460Mpa，延伸率為8.96％，比強度為185×105mm。
本發明的含鋰高強鋁合金材料與此合金成份相當的美國商用7075合金在T73狀態下比強度提高了28％，較國產LC4提高了24％，材料的密度降低了3.7％。
權利要求
1.一種含鋰高強鋁合金材料，其特徵在於它由下列合金元素(單位為重量百分比)組成，鋅(Zn)5.0％～12.0％、鎂(Mg)1.0％～5.0％、銅(Cu)1.0％～5.0％、鋰(Li)0.8％～1.7％、錳(Mn)0.1％～0.3％、鋯(Zr)0.1％～0.5％、鉻(Cr)0.05％～0.2％和餘量為鋁(Al)。
2.根據權利要求所述的高強鋁合金材料，其特徵在於抗拉強度為σb＝650～850Mpa。
3.根據權利要求所述的高強鋁合金材料，其特徵在於屈服強度為σs＝400～700Mpa。
4.根據權利要求所述的高強鋁合金材料，其特徵在於延伸率為δ＝8～16％。
5.根據權利要求所述的高強鋁合金材料，其特徵在於比強度為170×105mm～200×105mm。
6.一種含鋰高強鋁合金材料的製備方法，其特徵在於(1)按配比稱取出各合金元素；(2)採用熔煉方法熔煉合金；(3)在氣氛保護環境下澆成鑄錠；(4)將鑄錠剝皮；(5)將剝皮後的鑄錠進行470℃±10℃/24h的均勻化處理；(6)將均勻化處理後的鑄錠再在490℃±10℃/48h作均勻化處理；(7)將處理後的鑄錠在450℃±5℃的條件下進行變形加工成製品。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於熔煉溫度為680～720℃。
8.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於採用的氣氛保護為惰性氣氛。
9.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於採用的氣氛保護為氬氣。
10.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於採用的氣氛保護為高純氮氣。
全文摘要
本發明公開了一種含鋰高強鋁合金材料及其製備方法,它由鋅(Zn)5.0%～12.0%、鎂(Mg) 1.0%～5.0%、銅(Cu) 1.0%～5.0%、鋰(Li)0.8%～1.7%、錳(Mn) 0.1%～0.3%、鋯(Zr) 0.1%～0.5%、鉻(Cr)0.05%～0.2%和餘量為鋁(Al)組成,本發明的材料,抗拉強度為650～850Mpa,屈服強度為400～700Mpa,延伸率為8～16%,比強度為170×10
文檔編號C22C21/10GK1382821SQ02100830
公開日2002年12月4日 申請日期2002年1月30日 優先權日2002年1月30日
發明者周鐵濤, 劉培英, 陳昌麒, 胡成宇 申請人:北京航空航天大學