一种含钪喷射成形低密度高强度铝锂合金及其制备方法与流程

本发明属于铝合金配方及制备工艺，尤其涉及一种低密度、高强度铝锂合金及其制备方法。

背景技术：

1、锂(li)的密度仅为0.534g/cm3，是自然界中最轻的金属，在铝合金每加入1wt.％的锂，可实现带来3％的密度降低和大约6％的弹性模量提高。同时，锂的加入还可以提高铝合金的强度和损伤容限性能，铝锂合金可以实现全方位的减重。因此铝锂合金被认为是21世纪最具竞争力的轻量化高强结构材料之一。采用铝锂合金制造的构建能实现比传统铝合金减重提高10％以上，刚度提高15％以上。

2、但是传统铸造工艺条件下难以进一步实现铝锂合金低密度和高强度的良好匹配。要进一步提高铝锂合金的减重效果，通常以牺牲其强度为代价。其主要原因在于，铸造过程中锂添加量超过4.2％的固溶度时会在晶界处产生严重的偏析。另外，通过增加锂含量来降低密度会导致合金中析出更多的与基体错配度小的共格δ'(al3li)亚稳相，δ'(al3li)相的共面滑移特性会导致应力在晶界处集中，从而引起引起脆性断裂。

3、因此要进一步降低铝锂合金密度，同时保证合金具有良好的强度，需要专门开发一种低密度高强度的铝锂合金成分配方，以及解决该合金中存在的偏析问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中铝锂合金低密度和高强度不能兼顾的问题，本发明提供了一种低密度高强度铝锂合金成分配方，实现了在兼顾高强度的同时进一步降低了铝锂合金密度。本发明还提供了上述低密度高强度铝锂合金的制备方法。

2、为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

3、第一方面，本发明提供了一种含钪的喷射成形低密度高强度铝锂合金，按质量百分比由：li为3.0～8.5％，mg为1.0～6.5％，cu为0.1～1.0％，mn为0.05～0.50％，zn为0.1～0.50％，zr为0.05～0.30％，sc为0.1～0.60％，杂质元素fe、si、na、k总量小于0.25％，其中fe小于0.15％，si小于0.10％，余量为al组成，总质量百分比为100％。

4、本发明提供的一种含钪的喷射成形低密度高强度铝锂合金，其高含量的li和mg元素可以降低铝合金的密度，同时在晶内析出数量较多的δ'(al3li)沉淀相，提高铝锂合金的强度。添加cu、zn元素以进一步提高铝锂合金强度。添加mn元素改善铝锂合金各项异性问题。

5、本发明提供的一种含钪的喷射成形低密度高强度铝锂合，稀土元素sc添加到合金中起到四个方面的作用：第一，可以显著地细化晶粒，在细晶强化机理作用下同时改善合金的强度和塑韧性；第二，sc与zr联合添加所析出的纳米级al3(sc,zr)粒子能够抑制材料在热变形和热处理过程中发生在再结晶；第三，sc与zr联合添加所析出的纳米级al3(sc,zr)粒子具有良好的强化作用；第四，所形成的以al3(sc,zr)为核心的复合强化粒子al3(sc,zr,li)能激发多系滑移，弥补亚稳态δ'(al3li)共面滑移的不足。

6、本发明所采用的喷射成形制备方法属于快速凝固技术，能够突破平衡条件下固溶体中合金元素的固溶度，不会产生元素偏析。

7、进一步优选，所述li为99.9％的纯锂，所述cu为99.9％的纯铜，所述zn为99.9％的纯锌，所述mn为al-mn中间合金，所述zr为al-zr中间合金，所述sc为al-sc中间合金。

8、进一步优选，所述al-mn中间合金为al-10mn中间合金，所述al-zr中间合金为al-5zr中间合金，所述al-sc中间合金为al-5sc中间合金。

9、第二方面，为达到上述目的，本发明还提供了一种上述低密度高强度铝锂合金的制备方法，其包含以下步骤：

10、(1)合金配置：按质量百分比3.0～8.5％li，1.0～6.5％mg，0.1～1.0％cu，0.1～0.50％zn，0.05～0.50％mn，0.05～0.30％zr，0.1～0.6％sc，余量为al，配置原材料；其中，al为99.90％的纯铝，mg为99.9％的纯镁，li为99.9％的纯锂，cu为99.9％的纯铜，zn为99.9％的纯锌，mn为al-10mn中间合金，zr为al-5zr中间合金，sc为al-5sc中间合金；

11、(2)合金熔炼：将配置好的纯al、纯cu、纯zn投入中频感应熔炼炉中，开启氩气保护，通电加热至纯al、纯cu、纯zn熔化。熔体温度上升至750～770℃时加入al-10mn、al-5zr、al-5sc中间合金。采用电磁搅拌，并将熔体升温至810～830℃，保温2～3h后降温。熔体温度降至720～740℃时加入纯镁，采用电磁搅拌并保温1～2h。保温后维持720～740℃加入纯li，采用电磁搅拌并保温1～2h。保温后对完全熔化的铝合金熔体在690～740℃温度范围内进行精炼；

12、(3)喷射成形制锭：将熔炼好的铝合金熔体采用铝板进行过滤，然后转移至漏包中；将漏包中液态金属采用氮气雾化为液态颗粒，其中雾化压力为0.4～1.2mpa，雾化气体流量为0.4～0.8m3/min；采用双喷嘴进行扫描喷射沉积的方式将雾化熔体颗粒沉积在直径为300～800mm的沉积盘上，其中喷嘴扫描频率为7～15hz，沉积盘的旋转速度为55～100rpm，沉积高度为500～1000mm；所得锭坯中固态h含量小于0.5cm3/100g，致密度大于97％，平均晶粒小于70μm。

13、(4)挤压开坯：对上述获得的喷射成形铝锂合金锭坯进行机加工，切头尾后，扒皮去除表面氧化层。机加工后的锭坯进行预热，预热后的锭坯投至挤压机中进行挤压开坯，挤压成厚度为150mm的板坯。

14、(5)轧制成形：将上述挤压板坯进行多道次热轧，轧至成品板材。

15、(6)热处理：将上述轧板在在460℃下保温1h，然后立即进行室温水淬火；淬火后4h内在120℃下时效12h，时效后自然冷却到室温，即得到低密度高强度铝锂合金成品。

16、进一步优选，步骤(2)中所述熔炼炉采用中频感应炉。

17、进一步优选，步骤(4)中所述机加工后锭坯预热温度为420～460℃。

18、进一步优选，步骤(4)中所述挤压开坯温度为420～460℃。

19、进一步优选，步骤(5)中所述热轧温度为420～460℃。

20、进一步优选，步骤(5)中所述热轧每道次变形量为5％～10％。

21、本发明的一种含钪喷射成形低密度高强度铝锂合金同时具备较低的密度和较高的强度。

22、本发明具有的优点和有益效果是：

23、(1)本发明的低密度高强度铝锂合金与现有成熟牌号铝锂合金相比锂含量和镁含量更高，能够大幅度降低铝合金的密度。同时更高的锂含量能够使后续时效过程中析出更多的δ＇(al3li)强化相。同时cu、zn联合添加进一步提高铝锂合金强度，mn添加降低了各项异性。同时本发明的铝锂合金中所添加的微合金元素钪和锆含量更高，能够进一步细化晶粒。同时sc、zr联合添加析出的纳米级al3(sc,zr)相能够进一步提高所发明铝锂合金的强度，并且能改善δ＇相的共面滑移问题。

24、(2)快速凝固的喷射成形工艺突破了传统铸造铝合金中合金固溶量的极限，成分均匀，无明显宏观偏析，晶粒细小，h含量低，有利于制备出质量良好的铝锂合金锭坯。

25、(3)本发明的喷射成形方法制备的铝锂合金，平均晶粒尺寸小于70μm，密度小于2.4g/cm3，抗拉强度大于550mpa，屈服强度大于450mpa，延伸率大于7％。该合金在降低合金密度的同时提高了合金的强度。