CN114015917B - 一种Si、Mg、Zr微合金化AlCuMn耐热铝合金及热处理工艺 - Google Patents

Abstract

一种Si、Mg、Zr微合金化AlCuMn耐热铝合金及热处理工艺，属于耐热合金材料技术领域。合金成分：4％‑5.6％Cu、0％‑0.35％Mg、0.2％‑0.4％Mn、0％‑0.3％Zr、0％‑0.3％Si，其余含量为高纯铝。本发明采用Si、Mg、Zr微合金化和不同的热处理工艺,提高了合金的热稳定性，使得该合金在225～325℃长时间热暴露下具有较高的强度，保持良好的热稳定性。

Description

一种Si、Mg、Zr微合金化AlCuMn耐热铝合金及热处理工艺

技术领域

本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种微合金化耐热合金制备及其热处理工艺。

技术背景

随着铝合金在航空航天、交通运输、兵器装备业等领域的应用越来越广泛，对于一些特殊性能的铝合金要求越来越高，比如高温耐热铝合金。目前，微合金化作为铝合金成分优化的重要手段，旨在通过微量的元素添加，实现合金微观组织优化，进而显著改良合金材料力学性能，因而得到学界及工业界持续重视与长足发展。

Al-Cu-Mg系合金是一种典型的可热处理强化铝合金，长期以来被广泛应用于航空航天和民用工业等领域，尤其是在航天工业中占有十分重要的地位。Mg作为传统耐热合金AlCuMg合金的主要元素，可以显著提高AlCu合金的强度与耐热性，但一般情况下，此类合金一般用于130℃-140℃以下的工作环境，当工作温度超过150℃时，基体中的强化相会急剧粗化，从而使合金性能大幅度下降。

Mn和Zr是常用来作为微合金化元素的两种元素。Sc一直以来被公认为是微合金化效果最好的元素，但其昂贵的价格一直限制它的发展，而Zr与Sc物理化性质相似，容易与Al形成L1₂结构的AlxM金属间化合物，所以通常在高温耐热铝合金中往往会添加一部分Zr从而形成与Al₃Sc相似的L1₂结构的Al₃Zr亚稳相，其具备较低的错配度，很难从亚稳过渡相转变成稳定相，从而提升合金的高温耐热性。近期有学者对Al-Cu-Mn-Zr合金进行研究，在Al-Cu合金中同时加入Mn 和Zr，结果表明合金耐热温度可以提高到350℃，研究表明，原因是Mn、Zr在θ′/基体界面析出，Mn可以有效稳定半共格界面，而Zr 可以有效稳定共格界面，因此Mn、Zr可以结合起来降低热力学驱动力，减缓析出相粗化动力学，减慢析出相在高温下的粗化过程。虽然在Al-Cu合金中加入Mn、Zr微合金化元素使合金具有良好的耐热性，但该种合金无论在低温还是高温，硬度值都较低，在100～110Hv左右。

Si通常被作为杂质元素控制其含量，但在高Cu/Mg比Al-Cu-Mg 合金中添加少量Si后，人工时效态合金组织中析出了更加细小弥散的相，还有少量Q相复合析出，使合金的时效硬度提高。众多研究表明，添加少量的Si可以显著提高Al-Cu-Mg合金的时效响应速度，同时使基体中的析出相细化且分布均匀，从而提高合金的力学性能。但 Si的问题在于，在较高温度下，对合金长时间耐热性作用不大。

因此，基于以上技术背景，Mg的添加可以提高合金强度和热稳定性，在此基础上添加Si可以进一步提高合金峰时效硬度，而Zr的添加可以使得合金在更高温度下保持良好的稳定性，本发明通过Mg、 Si、Zr三种微合金化元素的复合添加，并结合独特的热处理工艺，使得本发明合金在225℃以下工况具有较高强度的同时依旧保持良好的热稳定性，提高传统耐热合金使用温度的同时，保证了其强度。而 Mg、Zr复合添加的合金通过独特的热处理工艺，使得本合金在225℃以上工况具有较高的强度和优越的热稳定性，解决了合金在更高温度下具有良好热稳定性但强度低的问题。本发明通过元素复合添加与独特的热处理工艺，发挥其不同优势，使得该发明合金兼具低温与高温应用。

发明内容

本发明的目的在于通过Si、Mg、Zr微合金化元素的添加，制备出一种耐热性较好的AlCuMgMnZrSi耐热合金，并通过独特的热处理工艺进一步提高合金的耐热性。

本发明所提供的AlCuMgMnZrSi耐热合金，其特征在于，向AlCuMn 合金基体中加入Si、Mg、Zr微合金化元素，其中各合金元素在上述 AlCuMgMnZrSi合金中的重量百分比为：4％-5.6％Cu、0％-0.35％Mg、 0.2％-0.4％Mn、0％-0.3％Zr、0％-0.3％Si，其余含量为铝及含量不大于 0.2％的不可避免的杂质。

本发明所述耐热合金的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：先将高纯铝放入石墨坩埚中，在800±5℃的高温熔炼炉中加热熔化，随后加入Al-Cu、Al-Mn、Al-Si、Al-Zr中间合金，然后加入纯Mg，加入纯Mg时用铝箔包裹加入以减少Mg的烧损，然后充分搅拌，待其充分熔化后，C₂Cl₆除气，搅拌，保温静置，随后铁模浇铸得到铸锭，最后根据使用时工作工况不同进行不同热处理工艺，得到所述合金材料；

根据使用时工作工况不同进行不同热处理工艺，具体包括以下步骤：

(1)首先在520～540℃进行固溶处理，从室温升温5～7h，保温6～ 10h，随后10秒内水淬至室温。

(2)针对不同的使用温度，将固溶态合金进行不同制度的时效处理。 A、对于在200℃以下温度使用的工况，将固溶态合金在170～180℃下等温放置20～24h达到峰时效。

B、对于在200℃以上温度使用的工况，将固溶态合金在170～180℃下等温放置20～24h达到峰时效之后，再在310～325℃的热处理炉中放置15～30min。

C、对于在200℃以上温度使用的工况，将固溶态合金在200～225℃等温放置3～24h达到峰时效。

本发明通过Si、Mg、Zr微合金化元素的添加，并结合独特的热处理工艺，发挥三种元素的协同作用，Mg、Si复合添加在较低温度下不仅可以提高合金的时效硬度，还可以提高合金的热稳定性。在此基础上添加Zr可以使得合金在更高温度下保持良好的稳定性，提高合金强度和热稳定性的同时，拓宽了合金的应用温度范围。针对实施例中热处理方式A，Si、Mg的复合添加可以较大程度提升合金力学性能并在200℃以下工况保持良好的热稳定性；针对实施例中热处理方式B，在该热处理制度下可以同时发挥Si、Mg、Zr三种元素的协同作用，弥补Si元素在200℃以上工况的不足。针对实施例中热处理方式C，相比于其他热处理制度，同样在225℃长时间热暴露下，合金的硬度值明显高于其他热处理制度下的硬度值，是应用于200℃以上工况热处理方式中最优的一种。

附图说明：

图1:1#、2#、3#、4#合金在150℃峰时效后150℃长时间时效硬度曲线。

图2:3#、4#合金在175℃峰时效后175℃长时间时效硬度曲线。

图3-1:1#、4#合金轧制后经过175℃峰时效后，在室温、200℃、25 0℃、300℃下的抗拉强度.

图3-2:1#、4#合金轧制后经过175℃峰时效后，在室温、200℃、25 0℃、300℃下的屈服强度。

图3-3:1#、4#合金轧制后经过175℃峰时效后，在室温、200℃、25 0℃、300℃下的延伸率图。

图4:1#、2#、3#、4#合金在175℃峰时效后225℃长时间热暴露硬度曲线。

图5:1#、2#、3#、4#合金在175℃峰时效后275℃长时间热暴露硬度曲线。

图6:1#、2#、3#、4#合金在175℃峰时效后325℃长时间热暴露硬度曲线。

图7:1#、2#、3#、4#合金在175℃峰时效后,在325℃下热处理30mi n后225℃长时间热暴露硬度曲线。

图8:1#、2#、3#、4#合金225℃峰时效后225℃长时间时效硬度曲线。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

AlCuMgMnZrSi合金中的重量百分比为：4％-5.6％Cu、0％-0.35％Mg、 0.2％-0.4％Mn、0％-0.3％Zr、0％-0.3％Si，其余含量为铝及含量不大于 0.2％的不可避免的杂质。

根据元素成分制备成铸锭，然后进行如下处理。

(1)首先在520～540℃进行固溶处理，从室温升温5～7h，保温6～ 10h，随后10s内水淬至室温，得到固溶态合金；

(2)针对不同的使用温度，将固溶态合金进行不同制度的时效处理；

将固溶态合金在150～180℃下等温时效20～50h，在150～325℃下长时间热暴露检测其热稳定性，证明金属元素之间的相互作用实现热稳定性。

A、针对200℃以下工况：在步骤(1)的基础上，将固溶态合金在150～ 180℃下等温放置20～24h达到峰时效之后，在150～175℃下长时间热暴露，检测其长时间热稳定性与高温强度。

B、针对200℃以上工况:在步骤(1)的基础上，将固溶态合金在170～ 180℃下等温放置20～24h达到峰时效之后，再在310～325℃的热处理炉中放置15～30min，最后在225℃下长时间热暴露，检测合金在该温度下长时间热稳定性和强度。

C、针对200℃以上工况:也可以在步骤(1)的基础上，将固溶态合金在225℃下放置3～24h达到峰值后，在225℃下长时间热暴露，检测合金在该温度下的长时间热稳定性和强度。

实施例1：采用石墨坩埚熔炼和铁模铸造制备合金铸锭，采用原料为高纯铝、纯镁、Al-50％Cu、Al-10％Mn、Al-24％Si、Al-10％Zr中间合金。先将高纯铝放入石墨坩埚中，在800±5℃的高温熔炼炉中加热熔化，随后加入Al-50％Cu、Al-10％Mn、Al-24％Si、Al-10％Zr中间合金，加入纯Mg时需用铝箔包裹加入以减少Mg的烧损，然后充分搅拌，待其充分熔化后，C₂Cl₆除气，搅拌，保温静置，随后铁模浇铸得到铸锭。制备得到四种不同成分的合金材料，通过XRF测试得到合金的实际成分，如表1所示:

表1：合金经XRF测得的成分表

实施例2:对实施例1中的1#、2#、3#、4#铸态合金经过从室温升温6h到540℃，保温7h的固溶处理后，10s内水淬到室温，在150℃等温时效达到峰值后，再在150℃下长时间时效，得到该温度下四种合金的时效硬度曲线，如图1所示。从图中可以看出，在该温度下，对比1#与3#合金，768h后，1#合金硬度值开始快速下降，而3#合金依旧保持稳定。对比3#与4#合金，4#合金硬度值一直显著高于3#，说明在较低温度下，Si、Mg复合添加可以显著提高合金时效硬度以及热稳定性。对比2#与3#合金，可以看出，Zr在较低温度下并不能发挥作用。

实施例3:对实施例1中的3#、4#铸态合金经过从室温升温6h到 540℃，保温7h的固溶处理后，10s内水淬到室温，在175℃等温时效达到峰值后，再在175℃下长时间时效，得到该温度下两种合金的时效硬度曲线，如图2所示。从图中可以看出，4#合金在长时间时效过程中硬度值始终显著高于3#合金，说明在该温度下，Si的时效强化作用也非常显著。

实施例4:对实施例1中的1#、4#合金进行均匀化处理。具体方法为，从室温升温2～3h到490±10℃，并在此温度下保温6～7h。然后对均匀化处理后的合金进行450±10℃的保温后，对其进行轧制，变形量为70％～90％。然后对轧制后的合金在170～180℃下热处理20～24h达到峰时效后，分别在室温、200℃、250℃、300℃下对其进行室温与高温拉伸，得到两种合金在该温度下的抗拉强度、屈服强度及延伸率，如图3-1、3-2、3-3所示。从图中可以看出，经过175℃峰时效后4#合金的抗拉强度与屈服强度在四种温度下都明显高于1# 合金，但两者差距随着温度的升高逐渐减小。说明Si、Mg的添加随着温度的升高，强化效果逐渐减弱。对比两种合金的延伸率，1#合金除在250℃下，延伸率都显著高于4#合金，说明Si、Mg的添加在一定程度上会降低合金的延伸率。

实施例5:对实施例1中的1#、2#、3#、4#铸态合金经过从室温升温6h到540℃，保温7h的固溶处理后，10s内水淬到室温，在175℃等温时效达到峰值后，再在225℃下从0min开始长时间时效，得到该温度下四种合金的时效硬度曲线，如图4所示。从图中可以看出，随着热暴露时间的增加，四种合金的硬度值都有所降低，对比四种合金可以看出，3#合金硬度值在整个热暴露过程中显著高于1#合金，在3#合金的基础上添加Si的4#合金，前期硬度值明显高于3#合金，后期硬度值也处于较高水平。添加Zr的3#合金硬度值一直高于未添加Zr的2#合金，说明Mg可以显著提高合金硬度与热稳定性，Si在此基础上可以显著提高合金前期的时效硬度，并且Zr可以进一步提高合金长时间的热稳定性，同时添加Si、Mg、Zr的合金在225℃下热暴露效果最好。

实施例6：对实施例1中的1#、2#、3#、4#铸态合金经过从室温升温6h到540℃，保温7h的固溶处理后，10s内水淬到室温，在175℃等温时效达到峰值后，再在275℃下进行长时间热暴露，得到该温度下四种合金的时效硬度曲线，如图5所示。从图中可以看出，3#合金硬度值始终显著高于1#合金，说明添加Mg可以显著提高合金时效硬度并保持良好的热稳定性。添加Si的4#合金前期硬度值明显高于其他三种合金，而后期硬度值下降明显，几乎与1#和2#合金相一致，说明Si可以显著提高合金前期时效硬度，但对于合金后期热稳定性作用不大，并且由于Si的添加使得4#合金在后期的硬度值低于3# 合金。而对比2#与3#合金，添加Zr的3#合金从1h之后，硬度值一直高于2#合金，说明Zr在较高温度下作用效果较为明显，可以有效保证合金长时间的热稳定性。

实施例7:对实施例1中的1#、2#、3#、4#铸态合金经过从室温升温6h到540℃，保温7h的固溶处理后，10s内水淬到室温，在175℃等温时效达到峰值后，再在325℃下进行长时间热暴露，得到该温度下四种合金的时效硬度曲线，如图6所示。从图中可以看出，前1h 四种合金硬度值都快速下降，4#合金硬度值略高于其他三种合金，但不明显，说明在更高温度下，Si前期时效硬化作用不明显，并且由于Si的添加使得后期4#合金硬度值略低于3#合金。在热暴露1h后， 1#、3#和4#合金，尤其是3#合金，硬度值变化比较平缓，而2#合金硬度值下降明显，明显低于1#、3#和4#合金。说明在更高温度下， Zr对于提高合金热稳定性的效果更为明显。对比1#与3#合金，在192h 后，1#合金硬度值略有下降趋势，而3#合金硬度值几乎没有变化，说明在此温度下Mg可以使合金保持良好的热稳定性。

实施例8:对实施例1中的1#、2#、3#、4#铸态合金经过从室温升温6h到540℃，保温7h的固溶处理后，10s内水淬到室温，在175℃等温时效达到峰值后，再在325℃下热处理30min，最后在225℃下进行长时间热暴露，得到该温度下四种合金的时效硬度曲线，如图7所示。从图中可以看出，经过低温再高温处理后再热暴露的热处理制度之后，四种合金时效硬度曲线变化与其他热处理制度相比明显不同，2#、3#与4#种合金硬度曲线变化一致，在325℃高温热处理后，硬度值都快速下降，但随后在225℃热暴露的前200h内硬度值几乎没有变化，在200h后硬度值下降到一定程度又趋于平缓，而1#合金经硬度值快速下降后，后期基本保持不变，但一直处于较低水平。在整个热暴露过程中，4#合金硬度值一直高于其他两种合金，并且在前 200h内对于硬度值提升的效果最为明显，说明在该热处理制度下可以发挥Si、Mg、Zr的协同作用，Si的添加使得合金前期硬度值显著增加，Mg可以进一步提高合金硬化水平并保持良好的热稳定性，而Zr的添加使得合金不同于其他热处理制度，即使添加Si也并没有使得合金在后期硬度值快速下降，提高了合金的热稳定性。对比2#和 3#合金，前200h两者硬度值几乎一致，而在200h后，3#合金硬度值略高于2#，说明Zr在该温度下，经过较长时间后对于提高热稳定性才有效果。

实施例9：对实施例1中的1#、2#、3#、4#铸态合金经过从室温升温6h到540℃，保温7h的固溶处理后，10s内水淬到室温，在225℃下时效到峰值后，在225℃下进行长时间热暴露，得到该温度下四种合金的时效硬度曲线，如图8所示。从图中可以看出，在该热处理制度下，2#与3#合金除了峰值硬度，其他时间点硬度值几乎一致，说明Zr在此工艺下并没有发挥明显的作用。4#合金在前期硬度值也没有明显增加，说明固溶后直接热暴露处理不能发挥Si的时效硬化作用，并且由于Si的添加使得后期合金硬度值有所下降。对比1#和3# 合金，3#合金硬度值显著高于1#合金。在该热处理制度下，虽然Si、 Zr并没有明显作用，但Mg提高合金强度以及热稳定性的作用依旧十分明显，并且相比于其他热处理制度，同样在225℃长时间热暴露下，合金的硬度值明显高于其他热处理制度下的硬度值，在长达3072h的热暴露时间下，1#合金硬度值大约为113Hv，2#合金硬度值大约为 121Hv，3#合金硬度值大约为123Hv，4#合金硬度值大约为117Hv，在该热处理制度下，合金热稳定性最好。

Claims (2)

1.一种Si、Mg、Zr微合金化AlCuMn耐热合金的制备方法，其特征在于，向AlCuMn合金基体中加入Si、Mg、Zr微合金化元素，其中各合金元素的重量百分比为：4%-5.6%Cu、0.26%-0.35%Mg、0.2%-0.4%Mn、0.17%-0.3%Zr、0.17%-0.3%Si，其余含量为铝及含量不大于0.2%的不可避免的杂质；

具体方法包括以下步骤：先将高纯铝放入石墨坩埚中，在800±5℃的高温熔炼炉中加热熔化，随后加入Al-50%Cu、Al-10%Mn、Al-24%Si、Al-10%Zr中间合金，然后加入纯Mg，加入纯Mg时需用铝箔包裹加入以减少Mg的烧损，然后充分搅拌，待其充分熔化后，C₂Cl₆除气，搅拌，保温静置，随后铁模浇铸得到铸锭，根据材料应用的要求，直接为铸态或者进行不同程度的变形加工，最后用不同热处理工艺进行处理，得到合金材料；

热处理工艺包括以下步骤：

(1)首先在520～540℃进行固溶处理，从室温升温5～7h，保温6～10h，随后10秒内水淬至室温；

(2) 针对不同的使用温度，将固溶态合金进行不同制度的时效处理；

根据使用时工况不同进行不同热处理工艺，具体包括以下步骤：

A、对于在200℃以下温度使用的工况，将固溶态合金在170～180℃下等温放置20～24h达到峰时效；

B、对于在200℃以上温度使用的工况，将固溶态合金在170～180℃下等温放置20～24h达到峰时效之后，再在310～325℃的热处理炉中放置15～30min；

C、对于在200℃以上温度使用的工况，将固溶态合金在200～225℃等温放置3～24h达到峰时效。

2.按照权利要求1所述的方法制备得到的耐热合金的 应用，对于A得到的合金用于200℃以下的工况，对于B和C得到的合金用于200℃以上的工况。

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