专利名称：一种高强韧铝锂合金及其制备方法
技术领域：
本发明是一种高强韧铝锂合金及其制备方法，属于金属材料工程领域。
背景技术：
近年来，随着铝冶金装备技术及冶金学基础技术水平的提高，铝锂合金经历了 三代发展，铝锂合金的冶金设计原则已发展为适中的强度、略低的密度、低各向异 性，并充分发挥其刚性及耐损伤优势。在生产上追求更低的工艺成本，表现为其生产工 艺更接近普通铝合金。随着航空工业，特别是民用大型飞机制造业的竞争加剧，波音、空客、庞巴迪 及中国商飞等飞机制造公司纷纷将飞机运营的经济性及高寿命设计作为其核心技术。结 构减重及选用耐损伤材料是实现该核心技术的重要手段，先进的铝锂合金可同时满足以 上两项要求，本发明可用来替代2124-T851厚板及7050-T7451厚板在飞机上应用，可减 重10 15%，预估使用寿命可提高4倍以上。在航空航天、核工业、交通运输、体育用 品、兵器等领域具有广阔的应用前景。近年来，欧美开展了三代高性能铝锂合金研究，并有一些已接近工业化生产的 水平。其高强韧型代表合金有2050合金(AH3.6Cu-l.0Li-0.3Mn-0.4Mg-0.5Ag-0.lZr)及 2195 合金(A卜4.0Cu-1.2Li-0.6Mg-0.5Ag_0.1Zr)。铝锂合金的生产传统由原苏联工艺及欧美工艺，原苏联工艺采用真空熔炼技 术，研制生产了 Al-Mg-Li系及Al-Mg-Li-Sc系铝锂合金，并在多种型号上应用；欧美国 家更多的发展气体精炼技术，合金体系以Al-Cu-Li系为主，本发明特点在于采用气体精 炼或气体+真空混合精炼技术，研制了新型高强韧型铝锂合金。研究表明，较好的工艺 控制下不同的精炼技术是等效的。铝铜锂合金的强度主要取决于Li+Cu的合金元素总量，塑性取决于固溶程度， 以锂当量(Li+Cu/2.82)可以粗略估计合金的固溶程度，当Li+Cu总量超过5%时，其挤 压棒的强度可以达到500Mpa以上，而Li当量控制在2.4 2.6时，合金的塑性可确保在 6%左右。本发明控制Li+Cu总量接近5%，Li当量略高于2.6，从而保证合金强度及塑 性。Al-Li系合金的各向异性来源于δ ‘相引起的共面滑移和织构，&的加入会抑 制S'相的共面滑移，同时对合金有很好的韧化作用，但不能大幅度降低合金的各向异 性。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术状况而设计提供了一种高强韧铝锂合金及其制备 方法。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的本发明技术方案提出了一种高强韧铝锂合金，其特征在于合金的化学成分及重量百分比为Cu 3.2 4.2%，Li 0.7 1.8%，Si<0.10%, Fe<0.10%, Ti<0.12%, 其它杂质单个《0.05%，总量动.15%，余量为Al。在该合金的化学成分中还加入Mn、Zn、Mg、Ag和Zr中的1 5种，加入的 重量百分比为Mn 0.20 0.60%，Zn 0.20 0.60%，Zr 0.06 0.20%，Mg 0.20% 0.80%, AgO.2 0.7%。本发明技术方案采取Zr+Mn联合加入的方式，从而大幅度降低铝-锂-铜合金 的各向异性。Mg、Zn、Ag等微量元素对Al-Li-Cu合金都有一定的强韧化作用，其中 Mg+Ag的联合微合金化强化效果最好，Mg+Zn次之。本发明可从强韧匹配及性能/成 本等不同方面考虑生产Mg+Ag及Mg+Zn微合金化铝锂合金，亦可生产少无微合金化的 铝锂合金。该合金适用于制造航空航天、核工业、交通运输、体育用品、兵器等领域用 IOmm 80mm规格板材。本发明技术方案还提出了一种制备上述高强韧铝锂合金的方法，其特征在于 该方法的步骤是(1)按合金的化学成分及重量百分比要求配料；(2)在熔炼炉内进行熔化，熔化温度为680°C 780V ；(3)对完全熔化的金属液进行精炼，精炼时金属温度维持在690°C 750°C的范 围内；(4)精炼后应进行充分静置，静置时间不低于30分钟；(5)充分静置后开始浇铸，炉口温度维持在700°C 720°C的范围内，浇铸速度 为15 200mm/分钟；(6)在加热炉内对合金铸锭进行优选均勻化处理，均勻化温度为450°C 490 0C ；(7)将均勻化后的铸锭扒皮后，进行热挤压及热轧制等任一工艺加工成形，成形 过程中坯料应保持在350°C 470°C的温度；(8)成形后毛坯需经固溶、淬火及人工时效热处理达到产品交付状态。步骤(1) (5)中优选以氩气作为保护气体。步骤(3)优选采用真空精炼。步骤(3)优选采用3 10%氯气+氩气混合气体精炼。步骤(3)优选采用C2Cl6精炼剂精炼。步骤(8)中的热处理固溶温度优选465°C 560°C。步骤(8)中固溶处理后，优选对材料进行冷变形，并保留1 5%的永久变形
So步骤(8)中热处理采用的时效热处理优选工艺为在120°C 205°C加热1 72 小时。
图1为本发明提出的制备高强韧铝锂合金的熔炼铸造流程图2为本发明合金板材显微组织
具体实施例方式以下将结合附图和实施例对本发明技术方案进一步地详述表一给出了本发明所提出的新型高强韧铝锂合金化学成分及重量百分比实施 例。表1 新型超高强韧铝锂合金化学成分及重量百分比
权利要求
1.一种高强韧铝锂合金，其特征在于合金的化学成分及重量百分比为Cu 3.2 4.2%, Li 0.7 1.8%，Si<0.10%, Fe<0.10%, Ti<0.12%,其它杂质单个《0.05 %， 总量《0.15%，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的高强韧铝锂合金，其特征在于在该合金的化学成分中加 入Mn、Zn、Mg、Ag和Zr中的1 5种，加入的重量百分比为Mn 0.20 0.60%， Zn 0.20 ~ 0.60%, Zr 0.06 ~ 0.20%, Mg 0.20 0.80%, Ag 0.2 0.7%。
3.根据权利要求1所述的高强韧铝锂合金，其特征在于该合金适用于制造航空航 天、核工业、交通运输、体育用品、兵器等领域用IOmm 80mm规格板材。
4.用于制备上述权利要求1所述的高强韧铝锂合金的方法，其特征在于该方法的 步骤是(1)按合金的化学成分及重量百分比要求配料；(2)在熔炼炉内进行熔化，熔化温度为680°C 780V；(3)对完全熔化的金属液进行精炼，精炼时金属温度维持在690°C 750°C的范围内；(4)精炼后应进行充分静置，静置时间不低于30分钟；(5)充分静置后开始浇铸，炉口温度维持在700°C 720°C的范围内，浇铸速度为 15 200mm/分钟；(6)在加热炉内对合金铸锭进行优选均勻化处理，均勻化温度为450°C 490°C；(7)将均勻化后的铸锭扒皮后，进行热挤压及热轧制等任一工艺加工成形，成形过程 中坯料应保持在350°C 470°C的温度；(8)成形后毛坯需经固溶、淬火及人工时效热处理达到产品交付状态。
5.根据权利要求4所述的制备高强韧铝锂合金的方法，其特征在于步骤(1) (5) 中均采用氩气保护。
6.根据权利要求4所述的制备高强韧铝锂合金的方法，其特征在于步骤(3)采用真 空精炼。
7.根据权利要求4所述的制备高强韧铝锂合金的方法，其特征在于步骤(3)采用 3 10%氯气+氩气混合气体精炼。
8.根据权利要求4所述的制备高强韧铝锂合金的方法，其特征在于步骤(3)采用 C2Cl6精炼剂精炼。
9.根据权利要求4所述的制备高强韧铝锂合金的方法，其特征在于步骤(8)中的热 处理固溶温度为465°C 560°C。
10.根据权利要求4所述的制备高强韧铝锂合金的方法，其特征在于步骤(8)中固 溶处理后，对材料进行冷变形，并保留1 5%的永久变形量。
11.根据权利要求4所述的制备高强韧铝锂合金的方法，其特征在于步骤(8)中热 处理的时效热处理工艺为在120°C 205°C加热1 72小时。
全文摘要
本发明是一种高强韧铝锂合金及其制备方法，该合金的化学成分及重量百分比为Cu 3.2～4.2％，Li 0.7～1.8％，Mn 0.20～0.60％，Zn 0.20～0.60％，Zr 0.06～0.20％，Mg 0.20％～0.80％，Ag 0.2～0.7％，Si≤0.10％，Fe≤0.10％，Ti≤0.12％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al。其中合金元素Mn、Zn、Mg、Ag与Zr可选择加入其中1～5种。按合金成分配料，将原料融化，经炉内精炼、静置后，浇注成所需规格的合金锭。合金锭经优选均匀化后可通过热挤压、热轧制等任一工艺加工成形，经优选的工艺热处理后可供加工零件使用。本发明一种新型高强韧铝锂合金材料的显微组织均匀、性能稳定，适于制造厚板及挤压材。极限抗拉强度可达510MPa以上，同时延伸率高于8％、KIc可达30MPam1/2以上。该材料制品可用于航空航天、核工业、交通运输、体育用品、兵器等领域的结构元件。
文档编号C22C1/02GK102021457SQ20101052098
公开日2011年4月20日 申请日期2010年10月27日 优先权日2010年10月27日
发明者冯朝辉, 刘铭, 卢健, 孙刚, 张显峰, 王胜强, 臧金鑫, 谢优化, 陆政, 陈军洲 申请人:中国航空工业集团公司北京航空材料研究院