專利名稱：Al-Mg-Li-Zr-Er合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬合金技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鋁鋰合金以其低密度、高彈性模量等優(yōu)點(diǎn)在航空航天工業(yè)中日益受到重視。在諸多類型的鋁鋰合金中，以1420(Mg4.9～5.5wt％，Li1.8～2.1wt％，Zr0.08～0.15wt％，Al為余量)為代表的Al-Mg-Li系合金的減重效果最佳。但是，這種合金還存在韌性差、各向異性明顯以及強(qiáng)度不夠高等問題。為進(jìn)一步改善合金的性能，原蘇聯(lián)科學(xué)工作者(根據(jù)魏建鋒，何明等的文章，鋁鋰合金研究進(jìn)展，稀有金屬材料與工程，1994，2，Vol.23)通過添加微量稀土元素Sc的方法對(duì)其進(jìn)行改良，研制出了性能更為有益的1421及1423等合金。與1420合金相比，1421和1423合金的特點(diǎn)是強(qiáng)度高，特別是屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度提高較大，可焊性好，但是合金塑性明顯降低。另外，各國研究者還對(duì)稀土元素Ce、La在1420鋁鋰合金中的作用進(jìn)行了研究，雖然這兩種稀土元素對(duì)合金某些性能有一定的改善，但依然不是理想的合金元素。本研究小組發(fā)現(xiàn)稀土Er對(duì)Al-Mg系合金有較顯著的強(qiáng)化效果，其強(qiáng)化作用主要來自Er元素對(duì)Al基體的細(xì)化以及在晶粒內(nèi)形成的均勻分布的細(xì)小Al3Er相。Al3Er與Al3Sc結(jié)構(gòu)相同，屬于Pm3m空間群，晶格參數(shù)與Al基體很接近，因此，鋁合金中添加Er可起到類似Sc的改善合金性能的作用(Sc是對(duì)鋁合金改性作用最為有效的微量元素，但Sc的價(jià)格非常昂貴，而Er的價(jià)格僅為Sc的1/40)。本發(fā)明進(jìn)一步將稀土Er添加到1420鋁鋰合金中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Er的加入能顯著細(xì)化合金晶粒，大幅度提高合金強(qiáng)度。盡管將Sc元素添加到鋁鋰合金中也有這種作用，但Sc的價(jià)格昂貴，通過添加Sc來實(shí)現(xiàn)鋁合金改性將成倍提高合金成本，只有少量的航天和軍工領(lǐng)域的特殊需求能夠承受如此高的價(jià)格。然而，通過添加Er對(duì)鋁合金進(jìn)行改性，合金成本增加很小，因此非常適合在航空、高速列車、汽車等民用領(lǐng)域內(nèi)推廣應(yīng)用。1420鋁鋰合金是一種發(fā)展較為成熟的工業(yè)鋁合金，對(duì)其進(jìn)行研究可以開發(fā)出一系列含Er的新型稀土鋁鋰合金。關(guān)于Al-Mg-Li-Zr-Er合金的研究至今尚未見任何報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于尋找一種價(jià)格相對(duì)比較便宜的稀土元素，以合適的量加入到1420合金中，能與合金發(fā)生有效的微合金化作用，從而提高合金的強(qiáng)度性能，與此同時(shí)，對(duì)塑性影響不大。
本發(fā)明所提供的Al-Mg-Li-Zr-Er合金，其特征在于，它包括以下成分Mg4.9～5.5wt％，Li1.8～2.1wt％，Zr0.08～0.15wt％，Er0.05～0.70wt％，Al為余量。
采用傳統(tǒng)的鑄錠冶金法制備Al-Mg-Li-Zr-Er合金，具體分兩步首先以高純Al、高純Zr以及高純Er為原料，經(jīng)真空熔鑄制備Al-Zr、Al-Er中間合金；然后以高純Al，高純Mg，高純Li和Al-Zr、Al-Er中間合金為原料在真空感應(yīng)爐中熔煉，在氬氣保護(hù)下澆入銅模中制備Al-Mg-Li-Zr-Er合金。
實(shí)際上，本發(fā)明是在1420合金基礎(chǔ)上加入了0.05～0.70wt％的稀土元素Er。本發(fā)明中，Al-Mg-Li-Zr-Er合金與1420合金相比較有以下特點(diǎn)1.晶粒明顯細(xì)化，如圖1所示，圖1(a)為1420合金鑄態(tài)金相組織，圖1(b)為Al-Mg-Li-Zr-0.2Er合金鑄態(tài)金相組織；2.時(shí)效硬化程度提高，同時(shí)提前了時(shí)效峰值的出現(xiàn)，如圖2所示，其中線(a)為Al-Mg-Li-Zr-0.2Er合金170℃下的時(shí)效硬度曲線，線(b)為1420合金170℃下的時(shí)效硬度曲線。Al-Mg-Li-Zr-0.2Er合金在170℃下時(shí)效6小時(shí)即達(dá)到峰值，而1420合金在同樣條件下時(shí)效30小時(shí)才達(dá)到峰值；3.時(shí)效強(qiáng)度強(qiáng)度提高，而延伸率基本不變，由圖3可以看出，Al-Mg-Li-Zr-Er合金較1420合金的抗拉強(qiáng)度(σb)提高約30MPa，屈服強(qiáng)度(σ0.2)提高約70MPa，而延伸率(δ)變化很小。
四

圖1為合金的鑄態(tài)金相組織，放大倍數(shù)為100，其中圖1(a)為1420鋁鋰合金，圖1(b)為Al-Mg-Li-Zr-0.2Er合金；圖2為合金170℃下的時(shí)效硬度曲線；線(a)為Al-Mg-Li-Zr-0.2Er合金時(shí)效硬度曲線，線(b)1420合金時(shí)效硬度曲線；圖3為合金在450℃/0.5h淬火+120℃/12h時(shí)效的熱處理制度下的拉伸性能隨著Er含量的變化曲線，抗拉強(qiáng)度-σb，屈服強(qiáng)度-σ0.2，延伸率-δ。
五具體實(shí)施例方式
熔配1420合金和Al-Mg-Li-Zr-Er合金，按鑄模的容重10kg配料。Zr和Er等元素均以其與Al的中間合金的形式加入，Al、Mg、Li均選用高純金屬，采用ZGG-0.025真空感應(yīng)爐，真空下熔煉并氬氣保護(hù)。這里中間合金的制備是以高純Al、高純Zr、高純Er為原料，采用對(duì)摻法在真空感應(yīng)電爐中熔煉制得，其成分為Al-3.6wt％Zr、Al-6.2wt％Er。
對(duì)比例采用鑄錠冶金方法制備1420合金，具體成分見表1，所用原料為純度為99.99％的高純Al、純度為99.99％的高純Mg、純度為99.99％的高純Li以及中間合金Al-3.6wt％Zr，按鑄模的容重10kg配料。將8899克高純鋁和361克Al-Zr中間合金放入Al203坩堝，并將其置于ZGG-0.025真空感應(yīng)爐中，在真空度高于0.3Pa后，通電升溫化料，直到溶液溫度上升到760℃時(shí)斷電，保持真空除氣。當(dāng)溶液溫度降至710℃，真空度在0.3Pa以上時(shí)，通入氬氣200mmHg，加入540克Mg和200克Li(鋁箔包好)。間斷通電大功率攪拌5分鐘，溫度升至740℃～760℃后澆入水冷銅模。所得合金鑄錠尺寸為290×200×70mm。1420合金的拉伸性能指標(biāo)抗拉強(qiáng)度σb為440.49Mpa，屈服強(qiáng)度σ0.2為233.79Mpa，延伸率δ為19.09％，詳見表1。
例1采用鑄錠冶金方法制備Al-Mg-Li-Zr-0.05Er合金，具體成分見表1，所用原料為純度為99.99％的高純Al、純度為99.99％的高純Mg、純度為99.99％的高純Li以及中間合金Al-3.6wt％Zr、Al-6.2wt％Er，按鑄模的容重10kg配料。將8818克高純鋁、361克Al-Zr中間合金以及81克Al-6.2Er中間合金放入Al2O3坩堝，并將其置于ZGG-0.025真空感應(yīng)爐中，在真空度高于0.3Pa后，通電升溫化料，直到溶液溫度上升到760℃時(shí)斷電，保持真空除氣。當(dāng)溶液溫度降至710℃，真空度在0.3Pa以上時(shí)，通入氬氣200mmHg，加入540克Mg和200克Li，Li用鋁箔包好。間斷通電大功率攪拌5分鐘，溫度升至740℃～760℃后澆入水冷銅模。所得合金鑄錠尺寸為290×200×70mm。Al-Mg-Li-Zr-0.05Er合金的拉伸性能指標(biāo)抗拉強(qiáng)度σb為457.39Mpa，屈服強(qiáng)度σ0.2為266.65Mpa，延伸率δ為17.58％，詳見表1。
例2采用鑄錠冶金方法制備Al-Mg-Li-Zr-0.1Er合金，具體成分見表1，所用原料為純度為99.99％的高純Al、純度為99.99％的高純Mg、純度為99.99％的高純Li以及中間合金Al-3.6wt％Zr、Al-6.2wt％Er，按鑄模的容重10kg配料。將8737克高純鋁、361克Al-Zr中間合金以及162克Al-6.2Er中間合金放入Al2O3坩堝，并將其置于ZGG-0.025真空感應(yīng)爐中，在真空度高于0.3Pa后，通電升溫化料，直到溶液溫度上升到760℃時(shí)斷電，保持真空除氣。當(dāng)溶液溫度降至710℃，真空度在0.3Pa以上時(shí)，通入氬氣200mmHg，加入540克Mg和200克Li，Li用鋁箔包好。間斷通電大功率攪拌5分鐘，溫度升至740℃～760℃后澆入水冷銅模。所得合金鑄錠尺寸為290×200×70mm。Al-Mg-Li-Zr-0.1Er合金的拉伸性能指標(biāo)抗拉強(qiáng)度σb為454.9Mpa，屈服強(qiáng)度σ0.2為269.28Mpa，延伸率δ為17.2％，詳見表1。
例3采用鑄錠冶金方法制備Al-Mg-Li-Zr-0.2Er合金，具體成分見表l，所用原料為純度為99.99％的高純Al、純度為99.99％的高純Mg、純度為99.99％的高純Li以及中間合金Al-3.6wt％Zr、Al-6.2wt％Er，按鑄模的容重10kg配料。將8575克高純鋁、361克Al-Zr中間合金以及324克Al-6.2Er中間合金放入Al2O3坩堝，并將其置于ZGG-0.025真空感應(yīng)爐中，在真空度高于0.3Pa后，通電升溫化料，直到溶液溫度上升到760℃時(shí)斷電，保持真空除氣。當(dāng)溶液溫度降至710℃，真空度在0.3Pa以上時(shí)，通入氬氣200mmHg，加入540克Mg和200克Li，Li用鋁箔包好。間斷通電大功率攪拌5分鐘，溫度升至740℃～760℃后澆入水冷銅模。所得合金鑄錠尺寸為290×200×70mm。Al-Mg-Li-Zr-0.2Er合金的拉伸性能指標(biāo)抗拉強(qiáng)度σb為467.72Mpa，屈服強(qiáng)度σ0.2為292.04Mpa，延伸率δ為17％，詳見表1。
例4采用鑄錠冶金方法制備Al-Mg-Li-Zr-0.35Er合金，具體成分見表1，所用原料為純度為99.99％的高純Al、純度為99.99％的高純Mg、純度為99.99％的高純Li以及中間合金Al-3.6wt％Zr、Al-6.2wt％Er，按鑄模的容重10kg配料。將8332克高純鋁、361克Al-Zr中間合金以及567克Al-6.2Er中間合金放入Al2O3坩堝，并將其置于ZGG-0.025真空感應(yīng)爐中，在真空度高于0.3Pa后，通電升溫化料，直到溶液溫度上升到760℃時(shí)斷電，保持真空除氣。當(dāng)溶液溫度降至710℃，真空度在0.3Pa以上時(shí)，通入氬氣200mmHg，加入540克Mg和200克Li，Li用鋁箔包好。間斷通電大功率攪拌5分鐘，溫度升至740℃～760℃后澆入水冷銅模。所得合金鑄錠尺寸為290×200×70mm。Al-Mg-Li-Zr-0.35Er合金的拉伸性能指標(biāo)抗拉強(qiáng)度σb為467.12Mpa，屈服強(qiáng)度σ0.2為297.02Mpa，延伸率δ為16.4％，詳見表1。
例5采用鑄錠冶金方法制備Al-Mg-Li-Zr-0.55Er合金，具體成分見表1，所用原料為純度為99.99％的高純Al、純度為99.99％的高純Mg、純度為99.99％的高純Li以及中間合金Al-3.6wt％Zr、Al-6.2wt％Er，按鑄模的容重10kg配料。將8008克高純鋁、361克Al-Zr中間合金以及891克Al-6.2Er中間合金放入Al2O3坩堝，并將其置于ZGG-0.025真空感應(yīng)爐中，在真空度高于0.3Pa后，通電升溫化料，直到溶液溫度上升到760℃時(shí)斷電，保持真空除氣。當(dāng)溶液溫度降至710℃，真空度在0.3Pa以上時(shí)，通入氬氣200mmHg，加入540克Mg和200克Li，Li用鋁箔包好。間斷通電大功率攪拌5分鐘，溫度升至740℃～760℃后澆入水冷銅模。所得合金鑄錠尺寸為290×200×70mm。Al-Mg-Li-Zr-0.55Er合金的拉伸性能指標(biāo)抗拉強(qiáng)度σb為470.24Mpa，屈服強(qiáng)度σ0.2為300.05Mpa，延伸率δ為16.4％，詳見表1。
例6采用鑄錠冶金方法制備Al-Mg-Li-Zr-0.70Er合金，具體成分見表1，所用原料為純度為99.99％的高純Al、純度為99.99％的高純Mg、純度為99.99％的高純Li以及中間合金Al-3.6wt％Zr、Al-6.2wt％Er，按鑄模的容重10kg配料。將7765克高純鋁、361克Al-Zr中間合金以及1134克Al-6.2Er中間合金放入Al2O3坩堝，并將其置于ZGG-0.025真空感應(yīng)爐中，在真空度高于0.3Pa后，通電升溫化料，直到溶液溫度上升到760℃時(shí)斷電，保持真空除氣。當(dāng)溶液溫度降至710℃，真空度在0.3Pa以上時(shí)，通入氬氣200mmHg，加入540克Mg和200克Li，Li用鋁箔包好。間斷通電大功率攪拌5分鐘，溫度升至740℃～760℃后澆入水冷銅模。所得合金鑄錠尺寸為290×200×70mm。Al-Mg-Li-Zr-0.70Er合金的拉伸性能指標(biāo)抗拉強(qiáng)度σb為458.34Mpa，屈服強(qiáng)度σ0.2為272.58Mpa，延伸率δ為15.4％，詳見表1。
鑄錠制備后，采用ICP-AES法，即電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(所用儀器為LEEMAN SPEC-E型電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀)檢測鑄錠化學(xué)成分，測試結(jié)果如表1所示。
取合金鑄態(tài)試樣，在OLYMPUS-PMG3金相顯微鏡下進(jìn)行組織觀察。圖1(a)和圖1(b)分別為1420合金與Al-Mg-Li-Zr-0.2Er合金的鑄態(tài)金相組織。由圖可見，Al-Mg-Li-Zr-0.2Er合金較1420合金的鑄態(tài)組織明顯細(xì)化。
采用HBWUV-187.5型布洛維光學(xué)硬度計(jì)，選用洛氏硬度法(鋼球直徑1.588mm負(fù)荷980N)測定試樣時(shí)效態(tài)(450℃×30min固溶處理后，170下不同時(shí)效時(shí)間)的硬度，結(jié)果如圖2所示。由圖可知稀土元素Er可以增大1420合金的時(shí)效硬化程度，同時(shí)提前了時(shí)效峰值的出現(xiàn)。
鑄錠經(jīng)均勻化退火后，再進(jìn)行熱軋-淬火-冷軋(變形量為50％)，制得2mm薄板。將冷軋薄板按國標(biāo)GB6397-86制成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，在810MTS(MaterialTest System)材料試驗(yàn)機(jī)上測定試樣時(shí)效態(tài)(450℃×30min固溶處理+120℃×12h時(shí)效處理)力學(xué)性能，測試結(jié)果如圖3所示。圖3說明，稀土Er可以大幅度提高1420合金的抗拉強(qiáng)度σb和屈服強(qiáng)度σ0.2。在Er含量為0.05～0.70wt％的范圍內(nèi)，Al-Mg-Li-Zr-Er合金的強(qiáng)度均高于1420合金強(qiáng)度(1420合金的抗拉強(qiáng)度σb為440.49Mpa，屈服強(qiáng)度σ0.2為233.79MPa)。當(dāng)Er含量為0.55％時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到最大值，即Al-Mg-Li-Zr-0.55Er合金時(shí)效態(tài)抗拉強(qiáng)度σb達(dá)470.24Mpa，屈服強(qiáng)度σ0.2達(dá)300.05Mpa。Al-Mg-Li-Zr-Er合金與1420合金相比，塑性降低不大，1420合金的延伸率為δ為19.09％，Al-Mg-Li-Zr-Er合金的延伸率均在15.4％以上。其中以Al-Mg-Li-Zr-0.2Er合金的延伸率17％為最好。這里稀土Er對(duì)1420合金的強(qiáng)化作用主要來自Er對(duì)晶粒的顯著細(xì)化作用以及由于Er的添加而形成的豐富的亞結(jié)構(gòu)組織，此外稀土Er能促進(jìn)Al-Mg-Li-Zr合金強(qiáng)化相的時(shí)效析出，大幅度提高合金的時(shí)效強(qiáng)度(如圖3所示)。
表1合金的化學(xué)成分與性能指標(biāo)

權(quán)利要求
1.一種Al-Mg-Li-Zr-Er合金，其特征在于，它包括以下成分Mg4.9～5.5wt％，Li1.8～2.1wt％，Zr0.08～0.15wt％，Er0.05～0.70wt％，Al為余量。
全文摘要
一種Al－Mg－Li－Zr－Er合金涉及金屬合金技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于包括以下成分Mg4.9～5.5wt％，Li1.8～2.1wt％，Zr0.08～0.15wt％，Er0.05～0.70wt％，Al為余量。本發(fā)明的關(guān)鍵在往Al－Mg－Li－Zr合金中添加.050～0.70wt％的稀土元素Er；制備這種合金的方法是在1420合金熔煉過程中加入經(jīng)真空熔煉的Al－Er中間合金。與1420合金相比較，Al－Mg－Li－Zr－Er合金具有細(xì)小的鑄態(tài)晶粒組織以及較高的強(qiáng)度性能大幅度提高合金強(qiáng)度，然而塑性變化不大。而且，相對(duì)于Sc，Er的價(jià)格比較便宜，在鋁合金中添加Er元素不會(huì)大幅度提高生產(chǎn)成本，1420合金又是航空航天用重要材料，因此，在本發(fā)明的基礎(chǔ)上可以開發(fā)出一系列含Er的新型稀土鋁鋰合金，廣泛應(yīng)用于航空航天、高速列車、汽車等民用領(lǐng)域。
文檔編號(hào)C22C21/06GK1482267SQ0315357
公開日2004年3月17日 申請(qǐng)日期2003年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月18日
發(fā)明者聚祚仁, 金頭男, 付靜波, 徐國富, 楊軍軍, 鄒景霞, 秦肖, 左鐵鏞 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)