专利名称：一种含锂高强铝合金材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种铝合金材料，特别是指一种含锂高强铝合金材料及其制备方法。
锂是最轻的金属元素，它的密度为0.53g/cm3，仅有铝的五分之一，在铝合金中加入锂，将使其密度降低。
第一个含锂的工业铝合金是美国铝业公司(Alcoa)在1958年研制出的2020合金。2020合金的名义成分为铜(Cu)4.5％、镁(Mg)1.1％、锂(Li)0.5％、锰(Mn)0.2％。2020合金具有较高的比强度和比刚度，优良的耐蚀性和疲劳性能，曾被用于一种军用飞机的主结构。但后来发现2020合金的断裂韧性很低，不能满足飞机结构的损伤容限要求，因此，2020合金在七十年代就停止生产了。在七十至八十年代，西方国家发展了铝(Al)-锂(Li)-铜(Cu)-镁(Mg)-锆(Zr)系的几个含锂的工业铝合金2090、2091、8090等。这些合金的技术现在已经比较成熟，已可以生产各种类型和规格的半成品，并获得了一定的应用。近年来，在铝(Al)-铜(Cu)-锂(Li)系的049基础上发展起来的2195、2197等合金的性能有很大的改进，已经基本克服了2090、2091、8090等含锂的铝合金存在的问题，并已开始有重要的应用。2197合金已用于F16改型，用于机身尾部隔框。2195合金已成功地用于航天飞机的外推进剂贮箱，据报道能减轻重量达3400Kg之多。
在铝合金中，由于铝(Al)-锌(Zn)-镁(Mg)-铜(Cu)系合金，具有最高的强度，是重要的航空航天结构材料。如在该合金中加入低密度的锂(Li)将对飞行器的结构减重有重大的作用，故近年来，开展了对铝(Al)-锌(Zn)-镁(Mg)-铜(Cu)-锂(Li)系合金的研究。已有的研究工作表明，在7XXX系合金中加入锂(Li)后，由于锂(Li)原子与空位具有结合能而形成的锂(Li)-空位对，将阻止锌(Zn)和镁(Mg)原子扩散形成富溶质G.P区，因此优先析出了δ′(Al3Li)强化相，抑制了7XXX系原有的强化相η′(MgZn2)的析出，取而代之析出了T((Al，Zn)42Mg32)相或S(Al2CuMg)相或具有准晶结构的X相。所有这些组织的变化都将对铝合金性能的发挥带来不利的影响。密度减少的同时，强度也降低，且比强度提高有限。
本发明的目的之一是提供一种含锂高强铝合金的材料。
本发明的目的之二是提供一种制备含锂高强铝合金的方法。
本发明的目的是这样实现的一种含锂高强铝合金材料，它由下列合金元素(单位为重量百分比)组成，锌(Zn)5.0％～12.0％、镁(Mg)1.0％～5.0％、铜(Cu)1.0％～5.0％、锂(Li)0.8％～1.7％、锰(Mn)0.1％～0.3％、锆(Zr)0.1％～0.5％、铬(Cr)0.05％～0.2％和余量为铝(Al)。
所述的高强铝合金材料，其抗拉强度为σb＝650～850Mpa。
所述的高强铝合金材料，其屈服强度为σs＝400～700Mpa。
所述的高强铝合金材料，其延伸率为δ＝8～16％。
所述的高强铝合金材料，其比强度为170×105mm～200×105mm。
一种含锂高强铝合金材料的制备方法，包括下列步骤(1)按配比称取出各合金元素；(2)采用熔炼方法熔炼合金；(3)在气氛保护环境下浇成铸锭；(4)将铸锭剥皮；(5)将剥皮后的铸锭进行470℃±10℃/24h的均匀化处理；(6)将均匀化处理后的铸锭再在490℃±10℃/48h作均匀化处理；(7)将处理后的铸锭在450℃±5℃的条件下进行变形加工成制品。
所述的方法，其熔炼温度为680～720℃。
所述的方法，其采用的气氛保护为惰性气氛。
所述的方法，其采用的气氛保护为氩气或为高纯氮气。
本发明的优点是本材料不但具有高的强度、刚度，还具有很强的抗应力腐蚀性。本发明的材料与此合金成份相当的美国商用7075合金在T73状态下比强度提高了28％，较国产LC4提高了24％，材料的密度降低了3.7％。
在本发明中，如非特指，所有的单位均为重量百分比单位。
以下将通过具体实施例来进一步说明本发明，实施例仅用于说明，而不能限制本发明的权利要求的范围。
例1按下列配比配制100公斤含锂高强铝合金需称取出的各元素为锌(Zn)5.14公斤、镁(Mg)1.24公斤、铜(Cu)1.76公斤、锂(Li)1.01公斤、锰(Mn)0.35公斤、锆(Zr)0.10公斤、铬(Cr)0.24公斤和余量为铝(Al)。
制备方法包括将上述称取出的各元素在熔炼温度为680℃条件下熔炼，并在氩气保护环境下浇成铸锭，将铸锭用机床、酸性溶液剥皮后得到清洁表面，并将剥皮后的铸锭进行470℃/24h的均匀化处理，将均匀化处理后的铸锭再在490℃/48h的均匀化处理，均匀化处理好后的铸锭在450℃的条件下经锻造变形加工成制品。
将制品锻造加工成10mm厚的板材，将板材横向取样，并在520℃的盐浴中固溶40min，取出后快速水淬，在120℃的硅油槽中预时效3.5h，再在160℃的硅油槽中进行第二级人工时效。用HV-10A型小负荷维氏硬度计测试了在160℃时效时的时效硬化行为，加载载荷为1公斤，硬度最大值为220，并做拉伸性能实验，利用X射线和TEM对该状态的含锂高强铝合金进行了相组成分析，析出相颗粒尺度为2～20nm。
本发明的含锂高强铝合金材料，抗拉强度为619Mpa，屈服强度为431Mpa，延伸率为10.5％，比强度为179×105mm。
例2按下列配比配制100公斤含锂高强铝合金需称取出的各元素为锌(Zn)8.0公斤、镁(Mg)3.1公斤、铜(Cu)2.2公斤、锂(Li)1.4公斤、锰(Mn)0.1公斤、锆(Zr)0.15公斤、铬(Cr)0.20公斤和余量为铝(Al)。
制备方法包括将上述称取出的各元素在熔炼温度为700℃条件下熔炼，并在高纯氮气保护环境下浇成铸锭，将铸锭用机床、酸性溶液剥皮后得到清洁表面，并将剥皮后的铸锭进行460℃/24h的均匀化处理，将均匀化处理后的铸锭再在480℃/48h的均匀化处理，均匀化处理好后的铸锭在460℃的条件下经锻造变形加工成制品。
将制品锻造加工成10mm厚的板材，将板材横向取样，并在510℃的盐浴中固溶40min，取出后快速水淬，在100℃的硅油槽中预时效3.5h，再在160℃的硅油槽中进行第二级人工时效。用HV-10A型小负荷维氏硬度计测试了在160℃时效时的时效硬化行为，加载载荷为1公斤，硬度最大值为230，并做拉伸性能实验，利用X射线和TEM对该状态的含锂高强铝合金进行了相组成分析，析出相颗粒尺度为2～20nm。
本发明的含锂高强铝合金材料，抗拉强度为650Mpa，屈服强度为460Mpa，延伸率为8.96％，比强度为185×105mm。
本发明的含锂高强铝合金材料与此合金成份相当的美国商用7075合金在T73状态下比强度提高了28％，较国产LC4提高了24％，材料的密度降低了3.7％。
权利要求
1.一种含锂高强铝合金材料，其特征在于它由下列合金元素(单位为重量百分比)组成，锌(Zn)5.0％～12.0％、镁(Mg)1.0％～5.0％、铜(Cu)1.0％～5.0％、锂(Li)0.8％～1.7％、锰(Mn)0.1％～0.3％、锆(Zr)0.1％～0.5％、铬(Cr)0.05％～0.2％和余量为铝(Al)。
2.根据权利要求所述的高强铝合金材料，其特征在于抗拉强度为σb＝650～850Mpa。
3.根据权利要求所述的高强铝合金材料，其特征在于屈服强度为σs＝400～700Mpa。
4.根据权利要求所述的高强铝合金材料，其特征在于延伸率为δ＝8～16％。
5.根据权利要求所述的高强铝合金材料，其特征在于比强度为170×105mm～200×105mm。
6.一种含锂高强铝合金材料的制备方法，其特征在于(1)按配比称取出各合金元素；(2)采用熔炼方法熔炼合金；(3)在气氛保护环境下浇成铸锭；(4)将铸锭剥皮；(5)将剥皮后的铸锭进行470℃±10℃/24h的均匀化处理；(6)将均匀化处理后的铸锭再在490℃±10℃/48h作均匀化处理；(7)将处理后的铸锭在450℃±5℃的条件下进行变形加工成制品。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于熔炼温度为680～720℃。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于采用的气氛保护为惰性气氛。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于采用的气氛保护为氩气。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于采用的气氛保护为高纯氮气。
全文摘要
本发明公开了一种含锂高强铝合金材料及其制备方法,它由锌(Zn)5.0%～12.0%、镁(Mg) 1.0%～5.0%、铜(Cu) 1.0%～5.0%、锂(Li)0.8%～1.7%、锰(Mn) 0.1%～0.3%、锆(Zr) 0.1%～0.5%、铬(Cr)0.05%～0.2%和余量为铝(Al)组成,本发明的材料,抗拉强度为650～850Mpa,屈服强度为400～700Mpa,延伸率为8～16%,比强度为170×10
文档编号C22C21/10GK1382821SQ02100830
公开日2002年12月4日 申请日期2002年1月30日 优先权日2002年1月30日
发明者周铁涛, 刘培英, 陈昌麒, 胡成宇 申请人:北京航空航天大学