一種納米顆粒改性鋁鋰合金材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種納米顆粒改性鋁鋰合金材料及其制備方法。本發(fā)明鋁鋰合金棒由如下重量百分比的組分組成：鋰2.0-3.5wt％，銅0.05-0.5wt％,納米碳化硅顆粒：0.05-05wt％，余量為鋁。向原料中添加納米碳化硅(SiC)顆粒，從而不需要再經(jīng)過相應(yīng)的時(shí)效處理便能從分子的角度降低合金的各向異性，同時(shí)由于添加了納米硅顆粒，合金材料的韌性和超塑性也進(jìn)一步提高。優(yōu)選地改進(jìn)真空熔煉工藝，有效防止鋁鋰合金熔體吸氫，清除氫鈉鉀等雜質(zhì)的同時(shí)減少熔體中鋰、鎂等易揮發(fā)的合金元素大量燒損，避免材料產(chǎn)生成份偏差。本發(fā)明的鋁鋰合金棒可廣泛用于航空、航天、汽車、機(jī)械制造及船舶工業(yè)等方面。
【專利說明】一種納米顆粒改性鋁鋰合金材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鋁鋰合金材料及其制備方法，特別是涉及一種納米顆粒改性鋁鋰合金材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鋁合金是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、汽車、機(jī)械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)中已大量應(yīng)用。在鋁合金中加入金屬元素鋰(Li)，鋁鋰合金具有低密度、高比強(qiáng)度和比剛度、優(yōu)良的低溫性能和耐腐蝕性以及良好的超塑性等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)提高合金的彈性模量。研究表明，在鋁合金中每添加I %的Li，可使合金密度降低3%，而彈性模量提高6%，因此，鋁鋰合金作為結(jié)構(gòu)材料具有巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義。隨著航空航天工業(yè)的迅猛發(fā)展，鋁鋰合金作為一種低密度、高彈性模量、高比強(qiáng)度和高比剛度的合金，在航空航天領(lǐng)域顯示出了廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]鋁鋰合金在現(xiàn)代航天產(chǎn)品中可以用于制造承受軸向壓縮在和和外部破壞應(yīng)力結(jié)構(gòu)(如液體運(yùn)載火箭的貯箱、尾部、級(jí)間段、儀器艙和頭部殼體、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈各艙段)。目前，鋁鋰合金用作航天產(chǎn)品主要分為三類:一類是焊接承力構(gòu)件，如貯箱、導(dǎo)彈殼錐等；另一類是鉚接承力結(jié)構(gòu) ，如儀器艙、末段倉等；第三類是鍛件、鑄件、旋壓件和超塑成形制品等。
[0004]1957年，英國研制成功了含鋰1.1%的X-2020鋁合金。這種合金用于美國艦載超音速攻擊機(jī)的機(jī)翼和水平尾翼的蒙皮上，取代原設(shè)計(jì)中的鋁合金后，RA-5C飛機(jī)的重量減輕6%。西歐于20世紀(jì)80年代推出了 8090合金材料，其化學(xué)成分如表1所示。8090鋁鋰合金是目前應(yīng)用相當(dāng)成熟的高強(qiáng)型合金，具有密度低、彈性模量高、低溫力學(xué)性能好等特點(diǎn)，它是航天產(chǎn)品選用的主要材料，但是存在塑性低、高各異性、熱穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。
[0005]表1
[0006]
合金元素(%)雜質(zhì)(不大于，％)余量
(%)
LiMgCuZrFe Si Na Zn Mn Cr Ti A< Al
2.2-2.7 0.6-1.3 1.0-1.6 0.04-0.16 0.3 0.20.25 0.1 0.1 0.1
[0007]綜上，目前需要一種不僅成本較低，而且具有低各異性，韌性和塑性能夠進(jìn)一步提聞的招裡合金材料。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]本發(fā)明的目的在于，通過改進(jìn)合金成分，添加納米碳化硅(SiC)顆粒并根據(jù)該合金的特點(diǎn)優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提供一種有效降低現(xiàn)有技術(shù)中鋁鋰合金的各向異性，同時(shí)提高合金材料的韌性和塑性，并且降低材料成本的納米顆粒改性鋁鋰合金材料及其制備方法。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案是:
[0010]一種鋁鋰合金材料，由如下重量百分比的組分組成:鋰2.0-3.5wt %，銅
0.05-0.5wt%，納米碳化硅顆粒:0.05-05wt%，余量為鋁。
[0011]優(yōu)選地一種鋁鋰合金材料，由如下重量百分比的組分組成:鋰2.5-3.0wt %，銅
0.1-0.3wt% ,納米碳化娃顆粒:0.1-0.3wt%,余量為招。
[0012]優(yōu)選地一種鋁鋰合金材料，由如下重量百分比的組分組成:鋰2.75wt%，銅
0.2wt% ,納米碳化娃顆粒:0.2wt%,余量為招。
[0013]進(jìn)一步地,其中，所述納米碳化娃顆粒粒徑大于等于500nm,小于等于800nm。
[0014]本發(fā)明提供一種鋁鋰合金材料的制備方法，具有以下步驟:
[0015]I)將原料按所述質(zhì)量比混勻置于具有熔煉加熱裝置和納米碳化硅顆粒添加裝置的工頻電爐中，打 開機(jī)械泵，抽取爐內(nèi)空氣20分鐘所述爐內(nèi)氣壓達(dá)到5Pa ；
[0016]2)開啟所述熔煉加熱裝置，待溫度達(dá)到310°C沖入惰性氣體進(jìn)行保護(hù)，爐內(nèi)氣壓維持在30-35Pa，升溫，溫度控制在750°C持續(xù)3-3.5小時(shí)，熔煉為合金溶液；
[0017]3)開啟所述納米碳化硅顆粒添加裝置，按納米硅顆粒的質(zhì)量百分比將所述納米碳化硅顆粒熔入所述合金溶液；
[0018]4)開啟所述工頻電爐中的震動(dòng)裝置和傾斜運(yùn)動(dòng)裝置，所述電爐前后傾斜運(yùn)動(dòng)30分鐘，關(guān)閉所述震動(dòng)裝置和傾斜運(yùn)動(dòng)裝置并保溫1-1.5小時(shí)；
[0019]5)對熔煉完成的合金液體進(jìn)行成分檢測，進(jìn)行晶向分析，確定晶粒組織在預(yù)定狀態(tài)下；
[0020]6)將合金液體保溫至700°C之后置于真空熔煉爐中再次熔煉，在700°C溫度、500-2000Pa真空度的條件下，真空熔煉20分鐘；
[0021]7)檢測氫含量至小于等于質(zhì)量分?jǐn)?shù)IX 10_7 ；
[0022]8)采用重力壓鑄的方式生產(chǎn)毛坯圓錠；
[0023]9)將所述完成的合金材料拉制成形、拋光處理。
[0024]進(jìn)一步地，其中在步驟2)中，所述惰性氣體為氬氣。
[0025]進(jìn)一步地，其中在步驟6)中，將所述真空熔煉爐中的真空度設(shè)置為lOOOPa。
[0026]本發(fā)明還提供了上述鋁鋰合金棒在制備航天航空結(jié)構(gòu)材料中的用途。
[0027]采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果有:
[0028]1、本發(fā)明提供了一種納米顆粒改性鋁鋰合金材料及其制備方法，同時(shí)滿足了對多用途材料的低各異性、超塑性、低密度、高比強(qiáng)度和比剛度、低溫性能和耐腐蝕性、高強(qiáng)度、可焊接性和低成本的多種需要。
[0029]2、本發(fā)明在制備方法的改進(jìn)中，向原料中添加納米碳化硅(SiC)顆粒，從而不需要再經(jīng)過相應(yīng)的時(shí)效處理便能從分子的角度降低合金的各向異性，同時(shí)由于添加了納米硅顆粒，合金材料的韌性和超塑性也進(jìn)一步提高。
[0030]3、本發(fā)明通過改進(jìn)真空熔煉工藝的制備方法，有效防止鋁鋰合金熔體吸氫，清除氫鈉鉀等雜質(zhì)的同時(shí)減少熔體中鋰、鎂等易揮發(fā)的合金元素大量燒損，避免材料產(chǎn)生成份偏差，并且改進(jìn)了熔煉的溫度和時(shí)間。
[0031]4、本發(fā)明適當(dāng)?shù)靥岣咪嚨暮浚岣吡撕辖鸩牧系目珊附有院偷透鳟愋圆⑶医档土松a(chǎn)成本，同時(shí)調(diào)整了生產(chǎn)工藝，以擠壓取代多次熱處理或鍛打的方式實(shí)現(xiàn)了材料質(zhì)量的整體減小。
[0032]5、本發(fā)明的納米顆粒改性鋁鋰合金材料由于具有較低的合金各向異性、較高合金塑韌性、較低的密度及較高的強(qiáng)度，是一種理想的結(jié)構(gòu)材料，可廣泛用于航空工業(yè)、運(yùn)輸機(jī)械、動(dòng)力機(jī)械及等方面，比如飛機(jī)內(nèi)部的連接架，高速動(dòng)車車廂內(nèi)部的連接桿等。
【具體實(shí)施方式】
[0033]實(shí)施例1本發(fā)明的鋁鋰合金材料的制備
[0034]配料混合:將原料按質(zhì)量含量比為:鋰2.0wt%,銅0.5wt%,余量為招,混勻置于具有熔煉加熱裝置和納米碳化硅顆粒添加裝置的工頻電爐中，打開機(jī)械泵，抽取爐內(nèi)空氣20分鐘所述爐內(nèi)氣壓達(dá)到5Pa。
[0035]熔煉:開啟所述熔煉加熱裝置，待溫度達(dá)到310°C沖入惰性氣體進(jìn)行保護(hù)，爐內(nèi)氣壓維持在30Pa，升溫，溫度控制在750°C持續(xù)3.5小時(shí)，熔煉為合金溶液。
[0036]添加納米碳化硅顆粒:開啟納米碳化硅顆粒添加裝置,添加質(zhì)量含量為0.3wt%的納米碳化娃顆粒，其中納米碳化娃顆粒粒徑大于等于500nm,小于等于800nm,將納米碳化硅顆粒熔入所述合金溶液。同時(shí)開啟工頻電爐中的震動(dòng)裝置和傾斜運(yùn)動(dòng)裝置，電爐前后傾斜運(yùn)動(dòng)30分鐘， 然后關(guān)閉震動(dòng)裝置和傾斜運(yùn)動(dòng)裝置并保溫1.5小時(shí)。
[0037]檢測:對熔煉完成的合金液體進(jìn)行成分檢測，進(jìn)行晶向分析，確定晶粒組織在預(yù)定狀態(tài)下。
[0038]真空熔煉:將合金液體保溫至700°C之后置于真空熔煉爐中再次熔煉，在700°C溫度、500Pa真空度的條件下，真空熔煉20分鐘。
[0039]吸氫量檢測:通過容量法、重量法等化學(xué)方法檢測合金吸氫量至小于等于質(zhì)量分?jǐn)?shù) 1X10'
[0040]重力澆鑄:把熔煉完成的合金液體注入鑄型中，冷凝后得到預(yù)期形狀的坯錠，經(jīng)過雙面銑削銑面機(jī)組銑去坯錠表皮缺陷，經(jīng)過冷軋機(jī)，切割成該毛坯坯錠。
[0041]擠壓成型:在擠壓筒中對錠坯使之從?？字辛鞒?。
[0042]洗刷矯直:通過酸洗洗刷工序，除去表面殘留和氧化物，通過矯直工序，消除內(nèi)應(yīng)力。
[0043]將按照本實(shí)施例制備的鋁鋰合金材料與傳統(tǒng)航空航天用的鋁合金7050以及航空航天用鋁鋰合金8090相對比，比較相關(guān)的性能，如表2所示。
[0044]表2
[0045]
【權(quán)利要求】
1.一種鋁鋰合金材料，其特征在于，由如下重量百分比的組分組成:鋰2.0-3.5wt%,銅0.05-0.5wt%，納米碳化硅顆粒:0.05-05wt%，余量為鋁。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁鋰合金材料，其特征在于，由如下重量百分比的組分組成:鋰2.5-3.0wt銅0.1-0.3wt% ,納米碳化娃顆粒:0.1-0.3wt%,余量為招。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁鋰合金材料，其特征在于，由如下重量百分比的組分組成:鋰2.0.2wt% ,納米碳化娃顆粒:0.2wt%,余量為招。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)的鋁鋰合金材料，其特征在于，其中，所述納米碳化硅顆粒粒徑大于等于500nm,小于等于800nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述鋁鋰合金材料的制備方法，其特征在于，具有以下步驟: 1)將原料按所述質(zhì)量比混勻置于具有熔煉加熱裝置和納米碳化硅顆粒添加裝置的工頻電爐中，打開機(jī)械泵，抽取爐內(nèi)空氣20分鐘所述爐內(nèi)氣壓達(dá)到5Pa ； 2)開啟所述熔煉加熱裝置，待溫度達(dá)到310°C沖入惰性氣體進(jìn)行保護(hù)，爐內(nèi)氣壓維持在30-35Pa，升溫，溫度控制在750°C持續(xù)3-3.5小時(shí)，熔煉為合金溶液； 3)開啟所述納米碳化硅顆粒添加裝置，按納米硅顆粒的質(zhì)量百分比將所述納米碳化硅顆粒熔入所述合金溶液； 4)開啟所述工頻電爐中的震動(dòng)裝置和傾斜運(yùn)動(dòng)裝置，所述電爐前后傾斜運(yùn)動(dòng)30分鐘，關(guān)閉所述震動(dòng)裝置和傾斜運(yùn)動(dòng) 裝置并保溫1-1.5小時(shí)； 5)對熔煉完成的合金液體進(jìn)行成分檢測，進(jìn)行晶向分析，確定晶粒組織在預(yù)定狀態(tài)下； 6)將合金液體保溫至700°C之后置于真空熔煉爐中再次熔煉，在700°C溫度、500-2000Pa真空度的條件下，真空熔煉20分鐘； 7)檢測氫含量至小于等于質(zhì)量分?jǐn)?shù)IX10_7 ； 8)采用重力壓鑄的方式生產(chǎn)毛坯圓錠； 9)將所述完成的合金材料拉制成形、拋光處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鋁鋰合金材料的制備方法，其特征在于:其中在步驟2)中，所述惰性氣體為氬氣。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鋁鋰合金材料的制備方法，其特征在于:其中在步驟6)中，將所述真空熔煉爐中的真空度設(shè)置為lOOOPa。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鋁鋰合金材料在制備航天航空結(jié)構(gòu)材料中的用途。
【文檔編號(hào)】C22C1/10GK104004944SQ201410265449
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月13日
【發(fā)明者】孫飛, 趙勇 申請人:蘇州列治埃盟新材料技術(shù)轉(zhuǎn)移有限公司