一种含Zn铸造铝镁锂合金及其热处理方法与流程

本发明涉及金属材料类及冶金领域，具体地，涉及一种含zn铸造铝镁锂合金及其热处理方法。
背景技术：
：随着能源和环境意识的不断增强，人类对轻质结构材料的需求愈发迫切。铝锂合金具有密度小、比强度和比刚度高等优点，是一种在汽车、航空航天、军工等领域具有广阔应用前景的结构材料。塑性变形可以赋予铝锂合金更高的强度，因此目前商业牌号的铝锂合金绝大多数属于变形合金。美国镁铝公司公开了一种改进的铝镁锂合金及其制作方法(公开号：cn105143492)，该合金由以下成分组成：2～3.9wt％mg，0.1～1.8wt％li，最多至1.5wt％cu，最多至2wt％zn，最多至1wt％ag，最多至1.5wt％mn，最多至0.5wt％si，最多至0.35wt％fe，以及一些次要元素，余量为al。上述合金为变形铝镁锂合金，为避免裂纹扩展反常偏移，li元素的添加量通常不高于1.8wt％，以减小al3li相的含量，降低平面滑移程度。另外，在变形铝镁锂合金中，由于li元素含量较低，形成的晶间化合物较少，热处理温度通常较低，例如在法国肯联铝业公开的变形铝镁锂合金(公开号：cn103687971)中，固溶温度为300～430℃，时效温度为150℃，但是，对于li含量较高的铸造铝镁锂合金，该固溶温度过低，晶界上富集的大量初生相无法充分固溶入基体当中，导致合金塑韧性差，同时该时效温度过低，时效强化效果较差。目前，变形铝锂合金已在诸多领域得到了广泛的应用，然而某些形状复杂的结构件如涡轮发动机叶轮和马达活塞等需要通过铸造方式生产。因此，国内外相继开展了铸造铝锂合金的研究。铸造铝锂合金按照合金成分可分为铸造铝铜锂合金及铸造铝镁锂合金，上海交通大学公开了一种轻质高强铸造铝锂合金及其制备方法(公开号：cn105648283)，所述合金由以下成分组成：3～3.5wt％li，1～2wt％cu，0.5～2wt％mg，0.4～0.8wt％ag，0.14～0.2wt％zr，0.3～0.8wt％mn，杂质元素总量小于0.25wt％，余量为al。该合金属于铸造铝铜锂合金范畴，向al合金中添加cu元素，可促进时效过程中θ′相、t1相及s相的析出，因此该合金具有较高的强度，但同时cu元素的存在也导致合金具有较差的抗腐蚀性及较高的密度。本课题组在前期工作的基础上，通过优化合金成分及热处理方法，获得了一种具有较好的抗腐蚀性，较低密度的含zn铸造铝镁锂合金，这对于推动铸造铝锂合金的应用具有重要意义。技术实现要素：针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种含zn铸造铝镁锂合金及其热处理方法。通过优化合金成分以及热处理工艺，获得性能优良，制备工艺简单，成本低廉的铸造铝镁锂合金，这对于铸造铝镁锂合金在汽车、航空航天、军工等领域的推广应用具有重要意义。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：第一方面，本发明涉及一种含zn铸造铝镁锂合金，所述合金包括如下重量百分比含量的各组分：2.1～2.5wt％mg，3.1～3.5wt％li，0.1～1.0wt％zn，杂质元素总量小于0.15wt％，余量为al。在本发明的体系中，如mg的含量高于2.5wt％，则会在合金内部产生大量初生相，很难通过固溶处理溶入基体，危害合金的力学性能，如mg的含量低于2.1wt％，则mg元素的固溶强化效果不明显；如li的含量高于3.5wt％,则会导致合金在熔炼过程中极易吸气，造成氧化夹渣等铸造缺陷,如li的含量低于3.1wt％,则无法充分发挥li元素提高al合金比强度、比刚度的作用；如zn的含量高于1.0wt％则会明显增加合金密度，如zn的含量低于0.1wt％则无法对合金的微观组织和力学性能造成影响。优选地，所述杂质元素包括fe、si、k和na中的一种或几种。第二方面，本发明还涉及一种含zn铸造铝镁锂合金的热处理方法，包括三级固溶处理和单级时效处理。优选地，所述三级固溶处理包括：将所述含zn铸造铝镁锂合金在430～440℃下固溶处理20～30h，再在500～510℃下固溶处理10～20h，最后在560～570℃下固溶处理20～30h。在本发明的体系中，如各阶段固溶处理温度低于上述温度范围，则由于温度过低，无法起到使相应初生相al17mg12，al2mgli，alli等溶入基体的作用，如各阶段固溶处理温度高于上述温度范围，则由于温度过高，容易使合金过烧或晶粒过度长大。优选地，所述单级时效处理为175～200℃下保温8～128h。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：(1)li是最轻的金属元素，密度只有0.53gcm-3，并且是少数几种在al中具有较高固溶度的元素之一，在共熔温度(602℃)下，约有4.2wt％的li可以溶解在al中，此外，在时效过程中，li元素能够以al3li相的形式析出，起到时效强化效果。本专利设计的li元素含量为3.1～3.5wt％，可极大的降低合金密度并改善合金强度。(2)mg元素的添加不仅可以进一步降低合金密度，还可以起到固溶强化的作用，同时降低li在al中的溶解度，促进主要强化相al3li相的析出，增加时效强化效果。(3)zn元素的添加不仅可以起到固溶强化的作用，还可以细化晶粒，改善合金力学性能。(4)采用三级固溶工艺，使al8mg5相在较低的第一级温度下固溶入基体中，al2mgli相在第二级温度下溶解，alli相在最高的第三级温度下溶解，解决了低温单级固溶条件下初生相难以溶解，高温单级固溶条件下合金严重过烧的难题，同时有效避免了晶粒尺寸的过度增长。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为实施例1中合金金相组织照片，其中图1(a)为铸态金相组织照片，图1(b)为固溶态金相组织照片；图2为实施例2中合金金相组织照片，其中图2(a)为铸态金相组织照片，图2(b)为固溶态金相组织照片；图3为对比例1及对比例2中合金金相组织照片，其中图3(a)为对比例1中合金固溶态金相组织照片，图3(b)为对比例2中合金固溶态金相组织照片。图4为对比例3中合金金相组织照片。具体实施方式下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。实施例1本实施例涉及一种含zn铸造铝镁锂合金，所述合金包括如下重量百分比含量的各组分：2.1wt％mg，3.1wt％li，0.1wt％zn，杂质元素fe、si、k和na总量小于0.15wt％，余量为al。所述含zn铸造铝镁锂合金的制备方法分为熔炼和热处理两个工艺。所述熔炼工艺包括如下步骤：1、按所述含zn铸造铝镁锂合金的重量百分比准备原料；2、将纯铝放入坩埚中熔化，待炉温升高至760～780℃，加入纯zn；3、待炉温下降至730～740℃加入纯mg；4、温度继续下降到700～710℃时在氩气保护下加入纯li；5、控制炉温回升至720～730℃，精炼，扒渣，浇注得到含zn铸造铝镁锂合金铸锭。图1(a)为本实施例中合金铸态金相组织照片，可以看出，铸态合金晶粒呈树枝状，粗大的初生相呈网状分布于晶界。所述热处理工艺包括三级固溶处理和单级时效处理两个步骤：所述三级固溶处理工艺包括：将所述含zn铸造铝镁锂合金在430℃下固溶处理20h，再在500℃下固溶处理10h，最后在560℃下固溶处理20h。图1(b)为本实施例中合金固溶态金相组织照片，从图中可以看出，经三级固溶处理后，合金中的初生相已充分溶于基体。所述单级时效处理工艺为175℃下保温64h。实施例2本实施例涉及一种含zn铸造铝镁锂合金，所述合金包括如下重量百分比含量的各组分：2.1wt％mg，3.1wt％li，1.0wt％zn，杂质元素fe、si、k和na总量小于0.15wt％，余量为al。所述含zn铸造铝镁锂合金的制备方法分为熔炼和热处理两个工艺。所述熔炼工艺包括如下步骤：1、按所述含zn铸造铝镁锂合金的重量百分比准备原料；2、将纯铝放入坩埚中熔化，待炉温升高至760～780℃，加入纯zn；3、待炉温下降至730～740℃加入纯mg；4、温度继续下降到700～710℃时在氩气保护下加入纯li；5、控制炉温回升至720～730℃，精炼，扒渣，浇注得到含zn铸造铝镁锂合金铸锭。图2(a)为本实施例中合金铸态金相组织照片，铸态合金晶粒为等轴晶，与图1(a)所示的实施例1中合金铸态金相组织对比，可以看出，提高zn元素含量能有效细化晶粒。所述热处理工艺包括三级固溶处理和单级时效处理两个步骤：所述三级固溶处理工艺包括：将所述含zn铸造铝镁锂合金在430℃下固溶处理20h，再在510℃下固溶处理20h，最后在560℃下固溶处理20h。图2(b)为本实施例中合金固溶态金相组织照片，从图中可以看出，经三级固溶处理后，合金中的初生相已充分溶于基体。所述单级时效处理工艺为175℃下保温128h。实施例3本实施例涉及一种含zn铸造铝镁锂合金，所述合金包括如下重量百分比含量的各组分：2.5wt％mg，3.5wt％li，0.5wt％zn，杂质元素fe、si、k和na总量小于0.15wt％，余量为al。所述含zn铸造铝镁锂合金的制备方法分为熔炼和热处理两个工艺。所述熔炼工艺包括如下步骤：1、按所述含zn铸造铝镁锂合金的重量百分比准备原料；2、将纯铝放入坩埚中熔化，待炉温升高至760～780℃，加入纯zn；3、待炉温下降至730～740℃加入纯mg；4、温度继续下降到700～710℃时在氩气保护下加入纯li；5、控制炉温回升至720～730℃，精炼，扒渣，浇注得到含zn铸造铝镁锂合金铸锭。所述热处理工艺包括三级固溶处理和单级时效处理两个步骤：所述三级固溶处理工艺包括：将所述含zn铸造铝镁锂合金在440℃下固溶处理30h，再在510℃下固溶处理20h，最后在570℃下固溶处理30h。所述单级时效处理工艺为200℃下保温8h。对比例1本对比例涉及一种含zn铸造铝镁锂合金，所述合金的组分和时效工艺与实施例1基本相同，不同之处仅在于：本对比例中的合金采用低温单级固溶处理工艺，具体为500℃/50h。由图3(a)可以看出，由于固溶温度低，初生相难以溶解。对比例2本对比例涉及一种含zn铸造铝镁锂合金，所述合金的组分和时效工艺与实施例1基本相同，不同之处仅在于：本对比例中的合金采用高温单级固溶处理工艺，具体为560℃/50h。由图3(b)可以看出，由于固溶温度高，合金出现过烧现象。对比例3本对比例涉及一种含zn铸造铝镁锂合金，所述合金的组分和时效工艺与实施例1基本相同，不同之处仅在于：本对比例中的合金采用双极固溶处理工艺，具体为：在500℃下固溶处理20h，再在560℃下固溶处理30h。由图4可以看出，由于缺少低温固溶处理步骤，合金在高温下处理时间偏长，晶粒明显长大。性能测试实施例1-3和对比例1-2制备的铸造铝镁锂合金t6态室温力学性能如下表1所示：表1测试项目实施例1实施例2实施例3对比例1对比例2对比例3屈服强度/mpa242269257231226240抗拉强度/mpa357385372326274353延伸率/％5.65.24.63.21.84.3密度/gcm-32.4532.4762.4212.4532.4532.453以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。当前第1页12