高鋰含量鑄造鋁鋰合金的熱處理方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種高鋰含量鑄造鋁鋰合金的熱處理方法，屬于鋁合金熱處理技術領域；所述的熱處理方法包括對高鋰含量鑄造鋁鋰合金進行雙級固溶處理和雙級時效處理的步驟；所述雙級固溶處理的步驟包括：將高鋰含量鑄造鋁鋰合金在500～540℃下固溶保溫5～20h，然后升溫至560℃固溶保溫20～40h。所述雙級時效處理的步驟包括：將經(jīng)雙級固溶處理后的合金在125～150℃下時效保溫8～24h，然后升溫至175～190℃時效保溫8～24小時。本發(fā)明提供的高溫雙級固溶加雙級時效熱處理工藝，大大減少了高鋰含量帶來的大量非平衡晶間化合物的數(shù)量，細化了時效過程中析出的強化相，使高鋰含量鑄造鋁鋰合金在獲得低密度高強度的同時，大幅改善合金塑性，從而擴大鋁鋰合金的應用范圍。
【專利說明】
高裡含量鑄造鋁裡合金的熱處理方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于鋁合金熱處理技術領域，涉及一種高鋰含量鑄造鋁鋰合金的熱處理方 法，具體涉及一種通過高溫雙級固溶處理加雙級時效作為工藝條件，獲得具備優(yōu)良綜合力 學性能的高鋰含量鑄造鋁鋰合金的熱處理工藝。本熱處理工藝提高合金強度的同時，使高 鋰含量鑄造鋁鋰合金獲得更優(yōu)塑性。
【背景技術】
[0002] 隨著高性能航空航天飛行器的發(fā)展，對內部構件的輕量化提出了更高的要求，中 國商用飛機有限責任公司制造的C919大飛機主結構材料就大量使用了超輕高強鋁鋰合金 材料。鋁鋰合金具有密度低、強度高、剛度高等特點，在航空航天工業(yè)有廣泛的應用前景。
[0003] 研究表明，每向鋁合金中每加入lwt%Li，可使合金密度降低3%，彈性模量提高 6%，且合金時效強化作用明顯。雖然，增加鋰元素的含量可以有效的增加合金的強度，并降 低密度，然而鋰的加入存在極限。同時，鋰含量的增加會產(chǎn)生大量的晶間化合物（AlLi、 A13Li)，這些化合物主要分布在晶界上，嚴重減弱晶界強度，大大損害了合金的塑性。高鋰 含量鋁鋰合金塑韌性較差，嚴重影響了鋁鋰合金的應用范圍。我國山東大學的韓建德等人 研究了鑄造 Al-Li-Cu合金的組織和性能，熱處理后合金的抗拉強度達到350Mpa，但延伸率 僅為0.4%;俄羅斯研究人員發(fā)現(xiàn)通過添加的元素 Cd及Be，可以改善高鋰含量鋁鋰合金塑 性，但Cd和Be是有毒元素。中國專利文獻CN201410674805.4中對鋰含量約為2wt %的鑄造鋁 鋰合金所使用的熱處理工藝方法為雙級固溶(第一級:400~450°CX8~10h，第二級:510~ 540°CX20~28h)加單級時效處理（120~190°CX30~48h)，所涉及熱處理工藝較傳統(tǒng)工藝 已有較大改變，然而對于鋰含量更高鋁鋰合金仍不能獲得良好的塑性。因此開發(fā)新型熱處 理工藝，對獲得具有良好塑性的輕質高強鋁鋰合金具有重要意義。
[0004] 固溶加時效處理是獲得高強度鋁鋰合金的常用熱處理工藝方法?，F(xiàn)有熱處理工藝 方法多針對鋰含量低于2wt%的變形或鑄造鋁鋰合金。一般的，鋰含量較低時形成的晶間化 合物較少，熱處理溫度不超過520°C，保溫時間為1.5~2h。例如，中南大學研究人員在一種 超高強鋁鋰合金及熱處理工藝專利中（CN201210143411.7)，聲明了一種針對鋰含量1.3~ 1.4%變形鋁鋰合金的熱處理工藝為:495~515°C保溫0.5~1.5h，水淬后進行雙級時效的 熱處理工藝。但是，對于高鋰含量鑄造鋁鋰合金，傳統(tǒng)的熱處理工藝無法消除晶界上富集的 金屬化合物，導致合金塑性韌性很差。單一提高固溶溫度或保溫時間，雖然可以減少金屬化 合物的數(shù)量，也會造成晶粒過分長大甚至組織過燒，致使合金強度下降。基于合金化合物種 類的分級熱處理制度則可以有效協(xié)調殘留相溶解與晶粒長大之間的矛盾。分級時效工藝， 在充分促進強化相析出的同時，避免析出強化粒子的過分長大，有利于在提高鋁鋰合金的 綜合力學性能的同時保持良好的塑性、韌性。因此，開發(fā)新型分級固溶時效熱處理制度，對 于優(yōu)化高鋰含量鋁鋰合金的力學性能，尤其是塑性韌性非常重要。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有熱處理工藝缺點，針對高鋰含量鑄造鋁鋰合金開發(fā)新型 多級高溫熱處理工藝，提供了一種高鋰含量鑄造鋁鋰合金的熱處理方法。通過本工藝處理 的高鋰含量鑄造鋁鋰合金，在獲得高強度的同時，塑性得到大幅提高，有利于推動高鋰含量 鋁鋰合金在工業(yè)領域的大規(guī)模應用。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的：
[0007] 本發(fā)明提供了一種高鋰含量鑄造鋁鋰合金的熱處理方法，所述方法包括對高鋰含 量鑄造鋁鋰合金進行雙級固溶處理和雙級時效處理的步驟。
[0008] 優(yōu)選地，所述雙級固溶處理的步驟包括:將高鋰含量鑄造鋁鋰合金在500~540 °C 下固溶保溫5~20h，然后升溫至560°C固溶保溫20~40h。
[0009] 優(yōu)選地，所述雙級時效處理的步驟包括:將經(jīng)雙級固溶處理后的合金在125~150 °C下時效保溫8~24h，然后升溫至175~190 °C時效保溫8~24小時。
[0010] 優(yōu)選地，所述高鋰含量鑄造鋁鋰合金包括以下質量百分比的各化學成分：2~ 3 · 5wt % Li，1~2wt % Cu，不超過wtO · 25 %的雜質，余量為A1。
[0011] 優(yōu)選地，所述高鋰含量鑄造鋁鋰合金還包括至少一種如下質量百分比的化學成 分：0 · 01 ~0 · 8wt % Ag，0 · 01 ~0 · 2wt % Zr，0 · 01 ~0 · 8wt % Μη。
[0012] 優(yōu)選地，所述高鋰含量鑄造鋁鋰合金還包括雜質元素 Si、Fe、Na和Κ，所述雜質元素 總量小于〇.25wt%。
[0013] 優(yōu)選地，所述雙級固溶處理的步驟中，將合金掩埋在干燥細沙中進行固溶處理，可 防止合金表面鋰元素氧化。
[0014] 優(yōu)選地，所述雙級時效處理的步驟中，時效處理在油浴爐中進行，可防止高溫過程 中合金表面的鋰元素氧化。
[0015] 合金掩埋在干燥細沙中進行固溶處理和時效處理在油浴爐中進行，有利于防止表 面貧鋰現(xiàn)象的發(fā)生，保證合金成分及性能的均勻性。
[0016] 所述熱處理工藝處理中的固溶處理后的高鋰含量鑄造鋁鋰合金抗拉強度達到210 ~280Mpa，屈服強度為100~140Mpa，延伸率20~25%。
[0017] 所述熱處理工藝處理后高鋰含量鑄造鋁鋰合金抗拉強度達到350~420Mpa，屈服 強度為280~340Mpa，延伸率3.0~6.2 %。
[0018]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
[0019] (1)本發(fā)明結合鋁鋰合金中不同晶間化合物(AlLi、Al3Li、Al 2Cu)溶解溫度，分級優(yōu) 化了固溶溫度和保溫時間，使Al2Cu相在溫度較低的第一級溶解到基體當中，縮短了高溫保 溫時間，最大限度上平衡晶間相的溶解與晶粒尺寸增長之間的矛盾。較傳統(tǒng)固溶處理工藝， 大大減少了高鋰含量鑄造鋁鋰合金的殘留項比例，同時避免了晶粒的過分增長，大幅提高 合金在固溶態(tài)和時效后態(tài)延伸率，解決了傳統(tǒng)熱處理工藝無法解決的高鋰含量鑄造鋁鋰合 金的低塑性問題。
[0020] (2)本發(fā)明通過合理優(yōu)化雙級時效溫度和保溫時間，控制合金主要強化相(Al3Li， Al2CuLi)的密度、尺寸和分布。較傳統(tǒng)的時效處理工藝，此雙級時效工藝在提高鑄造鋁鋰合 金強度的同時，大幅提升了高鋰含量鑄造鋁鋰合金的塑性。
[0021] (3)本發(fā)明中固溶處理過程中，合金掩埋在干燥細沙中；時效過程在油浴時效爐中 進行。以上兩種方法，防止了表面貧鋰發(fā)生，保證了合金的組織及性能的均勻性。
【附圖說明】
[0022] 通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點將會變得更明顯：
[0023] 圖1為實施例1中合金鑄態(tài)組織照片；
[0024]圖2為實施例1-3中合金經(jīng)固溶處理后的組織照片；
[0025] 圖3為實施例1 -3中合金的明暗場相，其中圖3 (a)為透射明場相，圖3 (b)為透射暗 場相；
[0026] 圖4為實施例2中合金的鑄態(tài)組織照片；
[0027]圖5為實施例2-3中合金經(jīng)固溶處理后的組織照片；
[0028]圖6為實施例2-3合金的透射明場相。
【具體實施方式】
[0029]下面結合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術 人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應當指出的是，對本領域的普通技術 人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明 的保護范圍。
[0030] 實施例1
[0031]本實施例中使用的高鋰含量鑄造鋁鋰合金，為自制長方體扁錠，化學成分按質量 百分比為:Li 2.8%，Cu 1.41%，Zr 0.17%，其余為A1。鑄態(tài)下抗拉強度為130Mpa，延伸率 0.6%。如圖1，鑄態(tài)組織由等軸晶組成，晶界上富集連續(xù)的金屬間化合物，通過XRD和EDS分 析，主要為 Al2Cu、Al2CuLi 和 Al3Li。
[0032]步驟一:首先將細沙，放在容器中在熱處理爐中進行干燥和升溫。爐溫穩(wěn)定于設定 的第一級固溶溫度后，將準備好的高鋰含量鑄造鋁鋰合金掩埋在干燥的細沙中。保溫10小 時后，升溫至560°C保溫30小時，保溫結束后轉移到室溫水中淬火。圖2為實施例序號1-3固 溶處理后的組織照片，較鑄態(tài)組織晶界上殘留相明顯減少。
[0033]步驟二:待油浴熱處理爐溫度穩(wěn)定在125°C后，將固溶后的合金轉移到油浴爐中保 溫8~24小時，后升溫至175°C保溫16小時，保溫時間結束后水淬。圖3為實施例序號1-3熱處 理后合金的明暗場相，可以看到熱處理后出現(xiàn)了大量細小Al 3Li相和AhLi/AhZr復合粒子。 [0034]同時，為了形成對比，對本實施例中的合金進行了傳統(tǒng)熱處理工藝進行處理，處理 條件為表1中對比例1所示。
[0035]經(jīng)本實施例方法熱處理后的合金性能測試結果如表2和表3所示。
[0036]表1本實施例1中合金的多級熱處理工藝參數(shù)
[0039]表2本實施例合金的雙極固溶處理后的性能測試結果
[0041 ]表3本實施例合金的固溶加時效處理后的性能測試結果
[0043] 實施例2
[0044] 本發(fā)明實施例中使用的高鋰含量鑄造鋁鋰合金，為自制長方體扁錠，化學成分按 質量百分比為:Li 3.1%，Cu 1.52%，Zr 0.18%，Ag 0·31%，Μη 0.4%，其余為A1。本課題 組先前研究發(fā)現(xiàn)在錯鋰合金中加入猛(1]1)元素，形成416111、416(?6111)、412(^113(^12相，可以 有效減小合金在鑄態(tài)和熱處理后晶粒尺寸，對提高鋁鋰合金塑性作用明顯。本實例合金鑄 態(tài)下抗拉強度為145Mpa，延伸率0.3 %。如圖4，本實例中合金鑄態(tài)組織同樣由等軸晶組成， 晶界上富集連續(xù)的金屬間化合物，通過XRD和EDS分析，主要為Al 2Cu、Al2CuLi和Al3Li。相比 實施例1，其晶粒更加細小。
[0045] 步驟一:首先將細沙，放在容器中在熱處理爐中進行干燥和升溫。爐溫穩(wěn)定于設定 的第一級固溶溫度后，將準備好的高鋰含量鑄造鋁鋰合金掩埋在干燥的細沙中。保溫20小 時后，升溫至560°C保溫30小時，保溫結束后轉移到室溫水中淬火。圖5為實施例序號2-3經(jīng) 固溶處理后的組織，可看出晶界上殘留相明顯減少，晶粒長大不明顯。
[0046] 步驟二:待油浴熱處理爐溫度穩(wěn)定在150°C后，將固溶后的合金轉移到油浴爐中保 溫8~24小時，后升溫至175°C保溫16小時，保溫結束后水淬。圖6為實施例序號2-3時效后合 金的明場相，可以看到組織中出現(xiàn)了Al 2QMn3Cu2相。
[0047]同時，為了形成對比，對本實施例中的合金進行了傳統(tǒng)熱處理工藝進行處理，處理 條件如表4中對比例2所示。
[0048] 經(jīng)本實施例方法熱處理后的合金性能測試結果如表5和表6所示。
[0049]表4本實施例合金的多級熱處理工藝參數(shù)
[0051 ]表5本實施例合金的雙極固溶處理后的性能測試結果
[0053]表6為本實施例合金的固溶加時效處理后的性能測試結果
[0056] 實施例3
[0057] 本發(fā)明實施例中使用的高鋰含量鑄造鋁鋰合金，為自制長方體扁錠，化學成分按 質量百分比為:Li 2.93%，Cu 1.46%，Zr 0.18%，Ag 0·44%，Μη 0.48%，其余為A1。本實 例合金鑄態(tài)下抗拉強度為149Mpa，延伸率0.4%。本實例中合金鑄態(tài)組織同樣由等軸晶組 成，晶界上富集連續(xù)的金屬間化合物，通過XRD和EDS分析，主要為A12Cu、A12CuLi和A13Li。 [0058]步驟一:首先將細沙，放在容器中在熱處理爐中進行干燥和升溫。爐溫穩(wěn)定于設定 的第一級固溶溫度后，將準備好的高鋰含量鑄造鋁鋰合金掩埋在干燥的細沙中。保溫20小 時后，升溫至560°C保溫30小時，保溫結束后轉移到室溫水中淬火。
[0059]步驟二:待油浴熱處理爐溫度穩(wěn)定在125°C后，將固溶后的合金轉移到油浴爐中保 溫8~24小時，后升溫至190 C保溫16小時，保溫結束后水泮。
[0060]同時，為了形成對比，對本實施例中的合金進行了傳統(tǒng)熱處理工藝進行處理，處理 條件如表4中對比例2所示。
[0061 ]經(jīng)本實施例方法熱處理后的合金性能測試結果如表7和表8所示。
[0062]表7本實施例合金的多級熱處理工藝參數(shù)：

[0064]表8本實施例合金的雙極固溶處理后的性能測試結果
[0066]表9本實施例合金的固溶加時效處理后的性能測試結果
[0068] 對比例4
[0069] 本對比例中使用的高鋰含量鑄造鋁鋰合金與實施例1相同，熱處理方法與實施例 1-1的處理方法基本相同，不同之處僅在于:步驟一中，鋁鋰合金不掩埋在干燥的細沙中。
[0070] 經(jīng)本實施例方法熱處理后的合金性能測試結果如表10所示?？梢?，表面鋰元素的 氧化造成了強度的下降和延伸率的提高。但是在此狀態(tài)下得到的合金，成分性能的均勻性 能很差。同時由于表面鋰元素的消耗，合金的密度也會有所升高。
[0071] 對比例5
[0072] 本對比例中使用的高鋰含量鑄造鋁鋰合金與實施例1相同，熱處理方法與實施例 1-1的處理方法基本相同，不同之處僅在于:步驟二中，固溶后的合金未浸在油浴中保溫。
[0073] 經(jīng)本實施例方法熱處理后的合金性能測試結果如表10所示。未浸油浴的樣品在時 效階段同樣發(fā)生了表面鋰元素的氧化，導致了強度的喪失。同樣的，表面鋰元素的氧化對合 金成分，性能的均勻性產(chǎn)生較大不良影響。
[0074] 表10對比例4和5合金固溶、固溶加時效處理后的性能測試結果
[0076] 綜上所述，本發(fā)明結合鋁鋰合金中不同晶間化合物(AlLi、Al3Li、Al2Cu)溶解溫度， 分級優(yōu)化了固溶溫度和保溫時間，使Al2Cu相在溫度較低的第一級溶解到基體當中，縮短了 高溫保溫時間，最大限度上平衡晶間相的溶解與晶粒尺寸增長之間的矛盾。較傳統(tǒng)固溶處 理工藝，大大減少了高鋰含量鑄造鋁鋰合金的殘留項比例，同時避免了晶粒的過分增長，大 幅提高合金在固溶態(tài)和時效后態(tài)延伸率，解決了傳統(tǒng)熱處理工藝無法解決的高鋰含量鑄造 鋁鋰合金的低塑性問題。
[0077]本發(fā)明通過合理優(yōu)化雙級時效溫度和保溫時間，控制合金主要強化相（Al3Li， Al2CuLi)的密度、尺寸和分布。較傳統(tǒng)的時效處理工藝，此雙級時效工藝在提高鑄造鋁鋰合 金強度的同時，大幅提升了高鋰含量鑄造鋁鋰合金的塑性。
[0078] 本發(fā)明中固溶處理過程中，合金掩埋在干燥細沙中；時效過程在油浴時效爐中進 行。以上兩種方法，防止了表面貧鋰發(fā)生，保證了合金的組織及性能的均勻性。
[0079] 本發(fā)明具體應用途徑很多，以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。應當指出，以上 實施例僅用于說明本發(fā)明，而并不用于限制本發(fā)明的保護范圍。對于本技術領域的普通技 術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進，這些改進也應視為本發(fā) 明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種高鋰含量鑄造鋁鋰合金的熱處理方法，其特征在于，所述方法包括對高鋰含量 鑄造鋁鋰合金進行雙級固溶處理和雙級時效處理的步驟。2. 如權利要求1所述的高鋰含量鑄造鋁鋰合金的熱處理方法，其特征在于，所述雙級固 溶處理的步驟包括:將高鋰含量鑄造鋁鋰合金在500~540 °C下固溶保溫5~20h，然后升溫 至560°C固溶保溫20~40h。3. 如權利要求1所述的高鋰含量鑄造鋁鋰合金的熱處理方法，其特征在于，所述雙級時 效處理的步驟包括:將經(jīng)雙級固溶處理后的合金在125~150°C下時效保溫8~24h，然后升 溫至175~190 °C時效保溫8~24小時。4. 如權利要求1所述的高鋰含量鑄造鋁鋰合金的熱處理方法，其特征在于，所述高鋰含 量鑄造錯鋰合金包括以下質量百分比的各化學成分：2~3.5wt % Li，1~2wt % Cu，余量為 Al05. 如權利要求4所述的高鋰含量鑄造鋁鋰合金的熱處理方法，其特征在于，所述高鋰含 量鑄造錯鋰合金還包括至少一種如下質量百分比的化學成分:0.01~〇.8wt % Ag，0.01~ 0.2wt%Zr，0.01~0.8wt%Mn。6. 如權利要求4所述的高鋰含量鑄造鋁鋰合金的熱處理方法，其特征在于，所述高鋰含 量鑄造錯鋰合金還包括雜質元素 Si、Fe、Na和K，所述雜質元素總量小于0.25wt%。7. 如權利要求1或2所述的高鋰含量鑄造鋁鋰合金的熱處理方法，其特征在于，所述雙 級固溶處理的步驟中，將合金掩埋在干燥細沙中進行固溶處理。8. 如權利要求1或3所述的高鋰含量鑄造鋁鋰合金的熱處理方法，其特征在于，所述雙 級時效處理的步驟中，時效處理在油浴爐中進行。
【文檔編號】C22F1/057GK105951007SQ201610458013
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月22日
【發(fā)明人】彭雨, 張亮, 吳國華, 陳安濤, 劉文才, 史春昌, 張小龍
【申請人】上海交通大學