Al₃Ti相彌散增強Al-Cu-Mg系合金的制備方法

專利名稱：Al₃Ti相彌散增強Al-Cu-Mg系合金的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及Al-Cu-Mg系合金材料制備領(lǐng)域，具體即為采用快速凝固 Al-7. Owt. %Ti合金粉與Al-Cu-Mg系合金液進行固-液混合近液相線鑄造以獲得彌散分布的Al3Ti相增強的Al-Cu-Mg系合金。
背景技術(shù)：
Al-Cu-Mg系合金作為目前使用最為廣泛的耐熱鋁合金，在航空航天領(lǐng)域及汽車等工業(yè)中都得到廣泛應(yīng)用；然而，隨著科技進步以及工業(yè)發(fā)展，對其耐熱性能要求越來越高，因此提高原耐熱性能及開發(fā)新型耐熱鋁合金更為迫切，通過向鋁合金中引入在高溫下穩(wěn)定的彌散增強相可以有效提高合金的耐熱性能，用鈦元素合金化處理Al-Cu-Mg系鋁合金，能有效提高其耐熱性能，然而普通Al-Ti中間合金中Al3Ti相呈粗大針片狀，當(dāng)向加入 Al-Cu-Mg系合金液中加入較多的該種Al-Ti中間合金后，在合金凝固組織中將出現(xiàn)粗大的針片狀A(yù)l3Ti相，對Al-Cu-Mg系合金的強韌性產(chǎn)生嚴(yán)重不利影響；而采用快速凝固鋁鈦中間合金對Al-Cu-Mg系合金進行合金化處理時，當(dāng)鋁鈦中間合金加入過多或加入方法控制不當(dāng)時，同樣也會在合金組織中出現(xiàn)粗大的針片狀A(yù)l3Ti相。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明中使用的快速凝固Al-Ti合金粉，針片狀A(yù)l3Ti相尺寸在2-10 μ m ；在采用快速凝固Al-7. 0wt%Ti合金粉與Al-Cu-Mg系合金液進行固-液混合近液相線鑄造時，通過控制固-液混合溫度和時間，抑制Al3Ti相的長大，可控制Al3Ti相尺寸至2-10 μ m，此外， 采用該工藝后使Al3Ti相形貌由原始的細長針狀變?yōu)槎虠U狀塊狀。本發(fā)明為解決采用鋁鈦中間合金對Al-Cu-Mg系耐熱鋁合金進行鈦合金化后 Al3Ti相尺寸過大及分布不均問題，旨在提供一種采用快速凝固Al-7. Owt. %Ti合金粉與 Al-Cu-Mg系合金固液混合近液相線鑄造以獲得Al3Ti相彌散分布的Al-Cu-Mg系合金凝固組織的鋁合金制備方法。本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)難題所采取的技術(shù)方案為采用快速凝固Al-7. Owt. %Ti 合金粉與Al-Cu-Mg系合金液進行固液混合近液相線鑄造，以獲得Al3Ti相彌散分布的 Al-Cu-Mg系合金凝固組織。Al3Ti相彌散增強Al-Cu-Mg系合金的鋁合金的制備方法，包括如下步驟
A、采用坩堝電阻爐在750°C溫度下熔制Al-Cu-Mg系合金，在合金液表面加鹽類覆蓋劑防止氧化；
B、當(dāng)Al-Cu-Mg系合金呈熔融狀態(tài)時，加入經(jīng)過預(yù)處理的快速凝固Al-7.Owt. %Ti合金粉，加入量為Al-7. 0wt%Ti合金粉和Al-Cu-Mg系合金總質(zhì)量的5 40wt%，不斷攪拌至均勻， 控制攪拌過程時間為5-lOmin ；
C、通過控制攪拌時間和經(jīng)過預(yù)處理的快速凝固Al-7.Owt. %Ti合金粉加入量使合金熔體溫度在控制在液相線以上20-50°C，然后迅速將該合金液澆鑄到鋼模中，得到Al3Ti相顆粒彌散分布的Al-Cu-Mg系合金凝固組織。所述的750°C的熔煉溫度是參照一些鋁合金熔煉鑄造文獻資料來設(shè)計的熔煉溫度，當(dāng)然這個溫度可以根據(jù)合金成分適當(dāng)調(diào)節(jié)，但是這個相對較高的熔煉溫度，利于之后 Al-Ti合金粉加入后快速溶入合金液中。所述A步驟中的覆蓋劑為經(jīng)過脫水處理的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的KCl和50%的NaCl 均勻混合組成的固體粉末，用于防止熔體氧化，減少合金元素的燒損，凈化熔體。所述B步驟中的快速凝固Al-7. Owt. %Ti合金粉為采用常規(guī)的霧法制粉方法制備的，其Ti含量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)7. Owt. %，顆粒尺寸為100-150目。所述B步驟中的快速凝固Al-7. Owt. %Ti粉的預(yù)處理方法為用經(jīng)脫水處理的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的KCl和50%的NaCl加入合金粉中混合均勻，然后在混合粉表面覆蓋一層上述 KCl和NaCl混合鹽，放入400°C的電阻爐中預(yù)熱5分鐘，以助其快速均勻熔入Al-Cu-Mg系
入全由
I=I ^Π^ O所述B步驟中快速凝固Al-7. Owt. %Ti合金粉加入合金液后迅速攪拌，使整個熔體溫度降低到液相線以上20-50°C，控制攪拌時間在在5-lOmin。所述C步驟中迅速將處于液相線以上20-50°C的合金混合液澆鑄到鋼模中，得到 Al3Ti相彌散分布的Al-Cu-Mg系合金凝固組織，液相線溫度采用DTA (差熱分析法)測試得到。所述A步驟中所用的混合鹽為分析純化學(xué)試劑KCl和NaCl的均勻混合物，使用前將其在300°C下烘烤5小時去除結(jié)晶水，然后按質(zhì)量比1:1均勻混合，保存于大于100°C恒溫干燥箱中保持干燥以備使用?？刂茢嚢钑r間的目的是為了使鋁鈦合金粉均勻地熔合進入金屬液體中，合金粉加入量越少，使其均勻混合及熔合的攪拌時間越短，混合后合金熔體溫度的高低不僅與攪拌時間有關(guān)，還與合金粉體的加入量有關(guān)，試驗中電阻爐一直處于加熱保溫狀態(tài)，在相同的粉體加入量時，攪拌時間越長，則混合后熔體的溫度就越高。綜合控制攪拌時間和粉體加入量，最終使熔體溫度控制在液相線以上20-50°C。相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明成功地制備了彌散Al3Ti相增強的 Al-Cu-Mg系合金，使合金中Al3Ti相尺寸不超過原快速凝固Al-Ti合金粉中的Al3Ti相尺寸，其尺寸保持在2-10 μ m ；本發(fā)明改善了 Al3Ti相分布，細小的Al3Ti相均勻分布于晶粒內(nèi)，本發(fā)明改善了 Al3Ti相的形貌，其形貌由原始Al-Ti合金粉中的針狀變?yōu)槎虠U狀塊狀， 進而提高Al-Cu-Mg系合金的綜合力學(xué)性能。


圖1是原始快速凝固Al-7. Owt. %Ti合金粉的SEM照片；
圖2是使用本發(fā)明方法后的Al-Cu-Mg系合金組織的SEM照片； 圖3是使用普通Al-5. Owt. %Ti中間合金與Al-Cu-Mg合金液固液混合制備的 Al-Cu-Mg系合金凝固組織金相照片；
圖4實施方案三制備的Al-Cu-Mg系合金凝固組織SEM照片，澆注時溫度在720V，本發(fā)明的澆注溫度范圍在654飛84°C之間；
圖5是使用本發(fā)明方法制備的不同Ti含量的Al-Cu-Mg系合金的SEM照片；a、Ti 含量為 0. 5wt. % ；b、Ti 含量為 1. Owt. %、c、Ti 含量為 1. 5wt. %。
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖及實施案例對本發(fā)明做進一步說明。實施方案一設(shè)計本實施方案中的Al-Cu-Mg合金各合金元素成分為Cu元素為 2. 3wt. % ；Mg元素為1. 6wt. % ；Ti元素為2. 0 wt. % ；Al元素為余量；快速凝固A1-7. Owt. %Ti 合金粉的加入量以Ti元素在Al-Cu-Mg合金中的設(shè)計含量來計算，試樣設(shè)計總重量 (Al-7. Owt. %Ti合金粉+Al-Cu-Mg合金的總重量)為50g,則Al-7wt. %Ti合金粉的加入量為Al-7wt. %Ti合金粉的加入量為=50X2%^7%= 14. 3g，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28. 6wt. % ；首先，在 750°C溫度下先將工業(yè)純鋁、Al-Cu中間合金和Al-Mg中間合金熔制成合金液，使其呈熔融狀態(tài)；將快速凝固Al-7. Owt. %Ti合金粉與經(jīng)脫水處理的NaCl和KCl混合鹽混合均勻并在表面覆蓋一層NaCl和KCl混合鹽，放入400°C爐內(nèi)預(yù)熱5min ；將預(yù)處理好的快速凝固 Al-7. Owt. %Ti合金粉倒入熔融的合金液中，快速攪拌5分鐘，此時，熔體溫度大概在液相線 (約634°C )以上30°C，將其迅速澆鑄到鐵模中，從而獲得Al3Ti相顆粒尺寸為2_10 μ m形態(tài)為短桿狀塊狀且均勻分布于晶粒內(nèi)的Al-Cu-Mg系合金。采用上述實施方式制備的Al-Cu-Mg系合金，經(jīng)SEM檢測，與原快速凝固 Al-7. Owt. %Ti合金粉的SEM圖片對比，如圖1和圖2所示原始快速凝固A1-7. Owt. %Ti合金粉中Al3Ti顆粒尺寸在2-10 μ m左右，形貌多為長細針狀；Al-Cu-Mg合金中的Al3Ti相顆粒尺寸也在2-10 μ m內(nèi)，形貌多為短桿狀和塊狀，含有少量長條狀，且分布均勻。對比例1 設(shè)計本實施方案中的Al-Cu-Mg合金各合金元素成分為Cu元素為2. 3wt. % ；Mg元素為1. 6wt. % ；Ti元素為2. 0 wt. % ;A1元素為余量；Ti元素以普通 Al-5. Owt. %Ti中間合金加入，試樣設(shè)計總重量(Al-5. Owt. %Ti中間合金+Al-Cu-Mg合金的總重量)為50g，則Al-5wt.%Ti中間合金的加入量為40wt.% (20g)；首先，在750°C溫度下先將工業(yè)純鋁、Al-Cu中間合金和Al-Mg中間合金熔制成合金液，使其呈熔融狀態(tài)；再加入未預(yù)熱的普通Al-5. Owt. %Ti中間合金，攪拌15分鐘至熔體均勻，使得熔體溫度在液相線 (約634°C)以上30°C，將其迅速澆鑄到鐵模中，得到如圖3所示的Al-Cu-Mg系合金凝固組織金相照片，可以看出，其中的Al3Ti相呈粗大的塊狀和針片狀，其平均尺寸約為25微米。對比例2 設(shè)計本實施方案中的Al-Cu-Mg合金各合金元素成分為Cu元素為 2. 3wt. % ；Mg元素為1. 6wt. % ；Ti元素為2. 0 wt. % ；Al元素為余量；快速凝固A1-7. Owt. %Ti 合金粉的加入量以Ti元素在Al-Cu-Mg合金中的設(shè)計含量來計算，試樣設(shè)計總重量 (Al-7. Owt. %Ti合金粉+Al-Cu-Mg合金的總重量)為50g,則合金粉的加入量為28. 6wt. % (14. 3g)；首先，在750°C溫度下先將工業(yè)純鋁、Al-Cu中間合金和Al-Mg中間合金熔制成合金液，使其呈熔融狀態(tài)；將快速凝固Al-7. Owt. %Ti合金粉與經(jīng)脫水處理的NaCl和KCl混合鹽混合均勻并在表面覆蓋一層NaCl和KCl混合鹽，放入400°C爐內(nèi)預(yù)熱5min ；將預(yù)處理好的快速凝固Al-7. Owt. %Ti合金粉倒入熔融的合金液中，然后通過控制電阻爐加熱功率和攪拌時間(約15分鐘)使合金熔體溫度控制在720°C，再將合金液迅速澆鑄到鐵模中，得到如圖4所示的Al-Cu-Mg系合金凝固組織金相照片，由圖可以看出，Al3Ti相顆粒尺寸明顯比圖2的大，其尺寸為5 20微米，形貌多為塊狀。實施方案四采用實施方案一的方案制備不同Ti含量的Al-Cu-Mg合金。設(shè)計的Ti含量分別為0. 5 wt. %、1. Owt. %、1. 5 wt. %，試樣設(shè)計總重量(Al-7. Owt. %Ti合金粉 +Al-Cu-Mg合金的總重量)為50g，則計算各Ti含量相對應(yīng)Al-7wt. %Ti合金粉加入量分別為 7. 2wt.% (3. 6g)U4. 4wt.% (7. 2g),21.4wt.% (10. 7g)，圖 5 為用上述實施方案制備的不同Ti含量的Al-Cu-Mg系合金的金相照片，由圖可以看出，隨Ti含量的增多，Al-Cu-Mg系合金凝固組織中的Al3Ti相顆粒增多，尺寸形貌都基本差不多，且分布均勻，在不同鈦加入量時Al3Ti相顆粒都呈彌散均勻分布，其形貌都為短桿狀或塊狀，其平均尺寸為2 10微米。
權(quán)利要求
1.相彌散增強Al-Cu-Mg系合金的制備方法，其特征在于采用快速凝固 Al-7. Owt. %Ti合金粉與Al-Cu-Mg系合金液進行固-液混合近液相線鑄造以獲得彌散分布的Al3Ti相增強的Al-Cu-Mg系合金，通過控制攪拌時間和粉體加入量使合金熔體溫度在控制在液相線以上20-50°C，然后迅速將該合金液迅速澆鑄到鋼模中，得到Al3Ti相顆粒彌散分布的Al-Cu-Mg系合金凝固組織。
2.如權(quán)利要求1所述的Al3Ti相彌散增強Al-Cu-Mg系合金的制備方法，包括如下步驟A、采用坩堝電阻爐在750°C溫度下熔制Al-Cu-Mg系合金，在合金液表面加鹽類覆蓋劑防止氧化；B、當(dāng)Al-Cu-Mg系合金呈熔融狀態(tài)時，加入經(jīng)過預(yù)處理的快速凝固Al-7.Owt. %Ti合金粉，加入量為Al-7. 0wt%Ti合金粉和Al-Cu-Mg系合金總質(zhì)量的5 40wt%，不斷攪拌至均勻， 控制攪拌過程時間為5-lOmin ；C、通過控制攪拌時間和經(jīng)過預(yù)處理的快速凝固Al-7.Owt. %Ti合金粉加入量使合金熔體溫度在控制在液相線以上20-50°C，然后迅速將該合金液澆鑄到鋼模中，得到Al3Ti相顆粒彌散分布的Al-Cu-Mg系合金凝固組織。
3.如權(quán)利要求2所述的Al3Ti相彌散增強Al-Cu-Mg系合金的制備方法，其特征在于 所述A步驟中的覆蓋劑為經(jīng)過脫水處理的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的KCl和50%的NaCl均勻混合組成的固體粉末，用于防止熔體氧化，減少合金元素的燒損，凈化熔體。
4.如權(quán)利要求2所述的Al3Ti相彌散增強Al-Cu-Mg系合金的制備方法，其特征在于 所述B步驟中的快速凝固Al-7. Owt. %Ti合金粉采用常規(guī)的霧法制粉方法制備，其Ti含量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)7. Owt. %，顆粒尺寸為100-150目。
5.如權(quán)利要求2所述的Al3Ti相彌散增強Al-Cu-Mg系合金的制備方法，其特征在于 所述B步驟中的快速凝固Al-7. Owt. %Ti粉的預(yù)處理方法為用經(jīng)脫水處理的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 50%的KCl和50%的NaCl加入合金粉中混合均勻，然后在混合粉表面覆蓋一層上述KCl和 NaCl混合鹽，放入400°C的電阻爐中預(yù)熱5分鐘，以助其快速均勻熔入Al-Cu-Mg系合金中。
6.如權(quán)利要求2所述的Al3Ti相彌散增強Al-Cu-Mg系合金的制備方法，其特征在于 所述C步驟中的液相線溫度采用差熱分析法測試得到。
7.如權(quán)利要求3所述的Al3Ti相彌散增強Al-Cu-Mg系合金的制備方法，其特征在于 所述A步驟中所用的混合鹽為分析純化學(xué)試劑KCl和NaCl的均勻混合物，使用前將其在 300°C下烘烤5小時去除結(jié)晶水，然后按質(zhì)量比1 1均勻混合，保存于大于100°C恒溫干燥箱中保持干燥以備使用。
全文摘要
本發(fā)明涉及Al-Cu-Mg系合金材料制備領(lǐng)域，具體即為采用快速凝固Al-7.0wt.%Ti合金粉與Al-Cu-Mg系合金液進行固-液混合近液相線鑄造以獲得彌散分布的Al3Ti相增強的Al-Cu-Mg系合金，通過控制攪拌時間和粉體加入量使合金熔體溫度在控制在液相線以上20-50℃，然后迅速將該合金液迅速澆鑄到鋼模中，得到Al3Ti相顆粒彌散分布的Al-Cu-Mg系合金凝固組織。本發(fā)明制備的合金中Al3Ti相顆粒尺寸控制在2-10μm，且其形貌由原始Al-Ti合金粉中的細針狀變?yōu)槎虠U狀塊狀。
文檔編號C22C21/16GK102230096SQ201110174619
公開日2011年11月2日 申請日期2011年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月27日
發(fā)明者劉亞, 李靜, 涂浩, 王建華, 蘇旭平 申請人:常州大學(xué)