专利名称：Cr-Sm高强耐热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及其制备方法，特别涉及一种微合金化元素及稀土元 素的铝合金材料及其制备方法。
背景技术：
铝合金是一种较年轻的金属材料，在20世纪初才开始工业应用。第二次世界大战 期间，铝材主要用于制造军用飞机。战后，由于军事工业对铝材的需求量骤减，铝工业界便 着手开发民用铝合金，使其应用范围由航空工业扩展到建筑业、容器包装业、交通运输业、 电力和电子工业、机械制造业和石油化工等国民经济各部门，应用到人们的日常生活当中。 现在，铝材的用量之多，范围之广，仅次于钢铁，成为第二大金属材料。
从制造业和铝合金制品的角度，习惯上把高强度铝合金分为变形铝合金和铸造 铝合金两类；从制品可用的温度条件划分，高强度铝合金又分为普通铝合金和高温(或耐 热)铝合金。到目前为止，能够满足高温高强需要的，只有Al-Cu系铝合金，从牌号系列上 讲，Al-Cu系合金包括铸造铝合金和变形铝合金，而不论铸造还是变形，都属于2系铝合金； 而能够同时满足铸造性能好又容易进行变形加工的高温高强度铝合金，还没有见公开报道 过。
1、高强度铸造铝合金和变形铝合金
一般铸造铝合金包括AlSi系、AlCu系、AlMg系和AlSi系4个系列，其中以AlCu 系和AlSi系铝合金的强度最高，但多数在200Mpa 300Mpa之间，高于400Mpa的只有AlCu 系的少数几个牌号，但因采用精铝基体且加入贵重元素，制造成本很高;AlSi系铸造合金 的耐热性能很差。因此，一般铸造铝合金与变形铝合金相比因强韧性稍逊使其应用范围受 到较大的限制。许多重要用途如特种重载车负重轮、航空用铝合金等多采用变形铝合金，而 不是铸造铝合金。变形铝合金通过挤压、轧制、锻造等手段减少了缺陷，细化了晶粒，提高了 致密度，因而具有很高的强度、优良的韧性以及良好的使用性能。但是，对设备和工装模具 要求高，工序多，因此变形铝合金生产周期长、成本很高。与变形铝合金相比，铸造铝合金具 有价格低廉、组织各向同性、可以获得特殊的组织、易于生产形状复杂的零件、可以小批量 生产也可以大批量生产等诸多优点。因此，开发出能够替代部分变形铝合金的高强韧铸造 铝合金材料及其铸造成形工艺，可以达到以铸代锻、缩短制造周期、降低制造成本的目的， 具有重要的理论意义和重大的实际应用价值。
在高强韧铸造铝合金的发展过程中，法国于20世纪初研制成功的A-U5GT占有重 要的地位，在目前具有代表性的高强韧铸造铝合金中它的历史最久、应用最为广泛。我国目 前没有与它对应的牌号。
美国铝协会牌号201. 0(1986年)和206. 0(1967年)后是在A-U5GT基础上改造 而形成的，具有很好的力学性能和抗应力腐蚀能力。但由于含有0.4% 1.0%的银，材料 成本很高，仅用于军事或其他要求高的领域，限制了其应用范围。
在高强韧铸造铝合金领域，我国取得了世界瞩目的成绩。60年代至70年代，北京航空材料研究院研制成功了 ZL205A合金。ZL205A合金成分复杂，含有Cu，Mn，Zr, V, Cd，Ti， B等7种合金元素。ZL205A(T6)的抗拉强度为510MPa，是目前已有注册牌号的铸造铝合金 材料强度最高的。ZL205A(I^)的强韧性最好，延伸率可达13%。但ZL205A最大的缺陷是 铸造性能差、热裂倾向性大，同时因配方成本高，应用范围小。
上述3种高强韧铸造铝合金同属于Al-Cu系。该系列合金强度高，塑性和韧性也 较好。但铸造性能较差，具体表现为热裂倾向大、流动性较差、补缩困难。此外，该系列合金 抗蚀性能较差，有晶间腐蚀倾向。该系列合金的铸造成品率很低。
此外，已经公开的申请号为200810302670. 3、200810302668. 6、200810302669. 0 和2008103(^671. 8的4个专利名称均为“一种高强度铸造铝合金材料”的文献中介绍了 一种由Cu、Mn、Ti、Cr、Cd、Zr、B和稀土元素组成的高强度铸造铝合金材料，这种铝合金材 料具有较高的抗拉强度和延伸率，抗拉强度达到了 440Mpa，延伸率大于6% ；但此类高强度 铸造铝合金材料在使用过程中仍未能解决热裂倾向大的问题、合金强度与可铸性的矛盾突 出，其主要原因是在合金主元素Cu、Mn成分范围，合金准固相温度范围较宽，铸造凝固时为 具有各向异性的枝晶发育提供了充分条件，在凝固后期形成强大的内部收缩应力，故而收 缩热裂倾向大。
目前正式注册的2XXX系变形铝合金牌号有70多个，绝大多数是美国注册的，其中 只有 2001、2004、2011、2011A、2111、2219、2319、2419、2519、2021、2A16、2A17、2A20、2B16 等 14个牌号是铜含量在5%以上的高铜铝合金，而其中铜含量在6%以上的只有2A16、2A17、 2A20、2B16这4个牌号。这些变形铝合金配方中都含有较多的Si、Mg、&i等成分，而没有稀 土(RE)等起微合金化作用的元素，因此其配方组成与2系铸造铝合金相差甚远，反映出两 种属性的铝合金不同的生产工艺和深加工工艺。
2、高温铝合金
高温合金又称耐热高强合金、热强合金或超合金，是在20世纪40年代随着航空涡 轮发动机的出现发展起来的一种重要金属材料，能在高温氧化气氛和燃气腐蚀条件下长期 承受较大的工作负荷，主要用于燃气轮机的热端部件，是航空航天、舰船、发电、石油化工和 交通运输工业的重要结构材料。其中有些合金亦可用于生物工程作骨科和齿科材料。
常用的高温合金包括镍基、铁基和钴基合金，能在600 1100°C高温环境下工作； 而耐热铝合金则是冷战期间发展起来的。耐热高强铝合金适于在400°C以下的热环境中长 期承受较大的工作载荷，在航空航天、重工机械等领域得到越来越多的应用。除航空涡轮发 动机、燃气轮机等直接与高温燃气接触的部件之外，其余高温高压强动力部件均可采用耐 热高强铝合金铸造。
由于铝合金比较容易加工，随着加工技术水平的提高，在强度满足要求的情况下， 人们越来越多地采用变形铝合金替代铸造铝合金。因此耐热高强铝合金又分为铸造用合金 和变形用合金两大类。
一般说来，耐热高强合金都含有多种合金化元素，多的达十余种。所加入的元素在 合金中分别起固溶强化、弥散强化、晶界强化和表面稳定化等作用，使合金能在高温下保持 高的力学性能和环境性能。
选用铸造用高温合金时应考虑的因素
(1)铸件的正常工作温度、最高和最低的工作温度以及温度变化的频率。4
(2)铸件本身的温差范围及合金的膨胀性能。
(3)铸件承受的载荷性能，加载、支承和外部约束方式。
(4)对铸件的寿命要求和容许的变形量、工作环境和性质、成形方法和成本因素等。
目前用于高温零部件铸造的铝合金材料，国家标准中只有A201. 0、ZL206、ZL207、 ZL208、206.0几种牌号，包括铝铜锰系合金及铝稀土系合金；其中，铝铜锰系合金多数以高 纯级铝锭为合金材料，成本较高，而铝稀土系合金则在室温下力学性能相对较差。而且，目 前耐热高强铝合金普遍存在着高温强度低以上瞬时抗拉强度小于200Mpa，持久强 度小于IOOMpa)、配方成本高、铸造性能差、铸件合格率低、废品料及渣料回用性差等缺陷， 造成铸件质量差、成本高、渣料处理流程长等问题。此外，近年来申报的多数耐热铝合金专 利新配方中也都含有贵重元素，而且铸造性能差，质量无法满足航空技术进步的要求，不适 于产业化生产应用。
而在国民经济和国防现代化建设和发展中具有广泛用途和极光明前景的耐热高 强变形铝合金，国内外文献中报导较少，已知的2219、2A02、2A04、2A06、2A10、2A11、2A12、 2A14、2A16、2A17、2A50、2A70、2A80等2XXX系变形铝合金及7A04等7XXX系变形铝合金，在 250°C以上温度下强度多数小于lOOMpa，而其主要合金元素除Cu、Mn外，都是以Si、Mg、Zn 作为主微合金化元素，而不添加这几种元素、且250°C以上温度下强度在150Mpa以上的耐 热高强变形铝合金材料未见报导。
综上所述，可知目前国内外在耐热高强度铝合金领域研究中存在的问题有高温 强度和耐久性不足，250°C以上高温瞬时强度均小于250Mpa，高温持久强度均小于IOOMpa ； 材料加工性能差；废料处理流程长、成本高，无法满足航空技术进步的要求等。发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对目前高强度铝合金领域存在的熔体处理工艺 粗放、质量差、热裂倾向大、铸造性能差，制品成品率低、高温强度低、废品料及渣料回用性 差等技术难题，以优质熔体、固溶体和相图理论为指导，通过优选合金主元素Cu、Mn及稀土 元素配方，降低合金准固相温度范围，解决铸造时热裂倾向大、制品高温强度低(包括瞬时 强度和持久强度)的带有普遍性的问题；优选低成本多元微合金化元素配方，为固溶体中 高温相和强化相的培育和细晶化作用创造物质基础条件；以及优化熔炼、热处理工艺技术， 实现固溶体中高温相和强化相的足量培育和细晶化作用的充分发挥。最终研制出一种稀土 多元微合金化的AlCu系新型高强耐热(铸造性和变形性)铝合金材料。
本发明的技术方案是，按重量百分比计，该合金成分为Cu :1.0 10.0%，Mn 0. 05 1. 5%，Cd 0. 01 0. 5%，Ti :0. 01 0. 5%，B :0. 01 0. 2%，Zr :0. 01 1. 0%， Cr 0. 01 1. 0%，稀土元素 Sm :0. 05 5%，其余为 Al。
该新型高强耐热铝合金材料的制备方法包括如下步骤
(1)在上述元素比例范围内，选定一组可行的元素比例，再根据需要配制的合金总 量，推算出所需的每种单质金属的质量，或者中间合金的质量，或者混合金属添加剂(包括 盐类化合物)的质量，编制合金生产配料表，并按配料表选足备料。
(2)往熔炼炉中加入适量的铝锭或熔融铝液，加热使之完全融化并在700 800°C下保温；为防止熔体吸入过多的空气，熔化过程应尽可能在短时间内和封闭环境内完成。
(3)再按配方比例先加入] 11、11、&、0纯金属或41-]\111、41-11、41-&、41-0中间 合金或者混合金属添加剂(包括盐类化合物)，搅拌均勻后再加入Cu、Cd纯金属或Al-Cu、 Al-Cd中间合金或者混合金属添加剂(包括盐类化合物)，再加入Al-B和Al-Sm中间合金， 搅拌均勻。
其中，混合金属添加剂是指添加、调整合金组元用的饼状或块状非烧结性粉末冶 金制品。粉末冶金制品包括锰、铜、锆、铬、硼或钛金属粉末与熔剂混合而成；熔剂是指碱金 属或碱土金属卤素盐类的混合物(如NaCl、KCl、Na3AlF6等)
(4)然后对上述合金熔体进行炉内精炼；往合金熔体中加入精炼剂(可根据不同 工况采用氯气、六氯乙烷、氯化锰等作为精炼剂，以及硼盐变质剂等)，并搅拌均勻，同时为 防止熔体吸入水份和烧损，熔体精炼应尽可能在封闭环境中操作。
(5)精炼后打渣、静置、调温至630 850°C，合金液倾倒出炉，在线除气、除渣处理。
(6)铸造(在铸模中结晶凝固)。
(7)为了防止材料过烧，确定对铸件进行470 560°C、30小时以内的固溶处理。
本发明的优点
与现有技术相比，本发明具有如下主要优点
解决了目前Al-Cu系高强韧铝合金(ZL201A、ZL 204A、ZL 205A等)大多采用精铝 为基体原料并加入千分之一以上贵重元素，成本较高，导致Al-Cu系高强韧铝合金只能用 于航空航天、国防军工等尖端领域，民用领域因性价比不高而应用受限的问题。
随着中国和世界铝产量的快速增长和铝产业规模在中国的不断扩大，“以铝代钢” 日渐成为产业发展的趋势和潮流，而在民用领域也迫切需要性价比高的高强韧铝合金；本 发明通过采用普铝为基体原料，不加(或少加)贵重元素，优选特征微合金化元素配方，以 及采用集约、简练的熔铸、净化等工艺，研制出新型高强耐热铝合金材料，克服了现有材料 的在成本上的门槛。
具体说来，本发明具有以下八在优点。
1、高强度和高硬度。从材料强度看，在满足塑性要求前提下，可通过热处理等工 艺技术手段，使各种强化相在铸态组织中充分、均勻、合理析出和分布，使材料强度达到 480 540MPa，硬度彡 HB140。
2、材料的双重属性。从材料用途属性上看，它属于两性铝合金，既有铸造铝合金的 特性又有变形铝合金的特性，既可以直接用于铸造各类轻强功能件和结构件，也可以先铸 成棒材再进行热挤压成为各种断面的型材。
本质上，该材料属于多元微合金化的铸造铝合金，但由于材料具有极好的流动性 及晶间自润滑性能，使其同时具备了变形铝合金的易加工特性。
3、工艺的先进性。从生产工艺上看，在熔炼技术上改变了传统的粗放工艺，可使用 电炉进行严密的保护性熔炼，从而避免了熔体混入过多的杂质和气体，既保持了合金的纯 净度，也简化和缩短了复杂的后续熔体处理流程；同时，熔炼过程较传统反射式熔炼工艺大 大提高了能源利用率并降低了对环境的污染，属于绿色环保节能型工艺。
(1)保护性熔炼显著降低了能耗、污染，简化了生产流程，提高了集约化程度6
由于铝及铝合金熔体具有极强的吸气倾向，故在敞开式或封闭性不好的炉内融化 和熔炼时，熔融的合金液会大量地吸收空气中的O2、水分等气体，生成不溶性的Al2O3和具 有良好活性的H2,在熔体中形成杂质和气体，如果不及时除去，会在铸造时形成铸件的夹 渣、气孔、疏松等缺陷，导致制品报废；其中尤其以熔体中吐的危害最大，因为H2在铝及铝合 金熔融态时的溶解度大大高于固态时的溶解度，因此在凝固时，会有大量的H2从合金中逸 出造成大量缺陷。而不溶性渣则相对较易除去。因此，避免熔体吸气是保持熔体质量和铸 造质量的重要措施。
普通的大型工业铝合金熔炼炉是以液体或气体燃料为能源的反射式加热炉或保 温炉，需要大量的空气助燃，同时燃烧产物中含有大量水蒸汽和C02、NOx等物质，在高温下 极易与铝发生化学反应而生成各种有害杂质，同时这些杂质本身与铝液一样极易吸附H2, 使熔体受到严重污染，在进行铸造之前，熔体必须经历一道或几道专门的净化工序，并经取 样检测合格后方可进入铸造流程，这无疑延长了作业流程，能耗和污染指标都难以降低；同 时因为生产的连续性要求，必须使装备大型化，增加了投资，提高了技术准入门槛；而设备 的大修成本、启动成本均随着设备的大型化和长流程而成倍增长。
而一般的铝合金铸造件生产车间，由于产量规模小，设备简单粗放，对铝合金熔体 很少采取密闭保护措施，同样造成熔体质量和铸造质量不高。
本发明要求的制备方法，其熔炼方式是采用带密封盖的感应电热设备，根除了燃 料燃烧时空气、水蒸汽和各种燃烧产物对熔体的污染，同时在熔炼过程中，可采用保护性气 体进行保护气氛熔炼，最大程度地隔绝空气的侵袭；由于保持了熔体的高纯洁性，在其后的 铸造阶段可采取很简单的通过式除气、除渣装置，而不必添加专门的停留式保温净化设备， 从而大大简化了工艺流程。
(2)优化了铸件的热处理工艺，避免了因“过烧”而造成的材料力学性能降低、制品 报废的发生
申请号为 200810302670. 3,200810302668. 6,200810302669. 0 和 200810302671. 8的4个专利名称均为“一种高强度铸造铝合金材料”的发明中，规定材料的热处理工艺参数 为“620°C以下、72小时以内”，在材料应用试验中，发现固溶处理时温度超560°C时，常常会 发生“过烧”现象，造成材料微观结构的破坏，其典型特征是强度和延展性等主要指标显著 降低，铸件变脆，表面发黑发暗，甚至在热处理过程中即产生裂纹、变形而报废。而当固溶温 度低于470°C时，由于强化相的培育、析出强化作用不充分，材料的强度难以达到期望的目 标值；同时，在经过多次试验摸索后，发现热处理时间超过30小时，对材料性能的提高没有 显著效果。因此，为了提高效果和效率，将热处理工艺参数优化调整为470 560°C、30小 时以内的固溶处理。
4、配方的科学性和经济性。从原料来源上看，先进的配方创造了两方面的优势基 体材料优势和合金元素优势。一方面，新材料系列的基体合金可以采用普通工业纯铝(即 双零铝，包括铝液和重熔用铝锭)，比已有的高强度铝合金必须采用精铝或高纯级铝为基体 合金的配方模式，具有原料供应充足、成本低、采购方便等优势；同时，该材料同样可以采用 精铝或高纯级铝作为基体合金，而这种配方的材料比该品种的普铝基材料具有更高的延展 性。另一方面，因贵重元素对合金成本升高的贡献率是普通元素的数十乃至百倍以上，新 材料系列的合金元素组合中多数不采用贵重元素，即使采用，比例也很小，均在千分之一以下；而已有的高强度铝合金贵重元素的比例均在千分之一以上，两方面的优势为系列新材 料拓展市场储备了巨大潜力。
本发明通过优选合金主元素铜(Cu)、锰(Mn)和以铬(Cr)为特征微合金化元素的 多元配方，为固溶体中高温相和强化相的培育和细晶化作用创造物质基础条件，合金在主 元素Cu、Mn形成强化θ相(Al2Cu)、T相(Al12Mn2Cu)的基础上，选用高温元素铬(Cr)和Sm 作为复杂合金化的微量添加元素，Cr在合金中形成β -CrAl7, η-Cr2Al等5种弥散性高温 强化相，稀土(Sm)在合金中形成AlnSm3、Al3Sm、Al2Sm、AlSm、AlSm2等5种金属化合物，都提 高了合金的室温强度、耐热强度和熔体流动性。
本发明的主合金元素作用机理如下。
①该材料允许铜(Cu)含量在1 10%范围，较Al-Cu系铸造铝合金含铜(Cu)量 为3 11%的范围略有不同，但在理论上则具有极为重大的创新意义。
一方面，在铜(Cu)含量为5. 65 5. 7%时，正好等于Cu在Al-Cu合金中的共晶溶 解度，在热处理过程中按照“完全固溶-均勻析出-晶界强化相-晶隙填充剂(粘结、镶嵌、 防滑)”的转变模式和作用机理变化，形成较多的富Cu强化相(其中包括Al2Cu即θ相)， 从而使铝合金的室温和高温力学性能都大大提高，也改善了加工性能；但由于Cu在Al中的 溶解度随温度降低而急剧下降，在结晶凝固过程中，Cu在α-Al固溶体中的过饱和度快速 提高，α -Al枝晶一边长大，一边强烈增加地向晶界外排出富Cu强化相的倾向，造成晶内和 晶界间巨大的结构应力，同时合金整体正处于凝固收缩阶段，收缩应力与结构应力叠加在 一起，当超过合金的即时实际强度，则形成热裂纹，因此在铜(Cu)含量彡5. 65%的一定范 围内，铝合金的铸造性能最差、热裂倾向性最大。但总的趋势是，随着铜含量的降低，合金的 热裂倾向性也降低；当Cu含量< 时，其强化相不足，强化相的转变模式和作用机理难以 充分发挥，在温度变化时在晶界的析出和向晶内的溶入会形成晶界间较多的缺陷，降低合 金的室温和高温强度，所以Cu含量过低，对简单的Al-Cu合金来说没有意义；但如果合金中 加入了较多的稀土元素(Sm)，则可以起到弥补Cu含量过低的特殊效果。
另一方面，在Cu含量>5. 7%时，富Cu相在热处理时不能被基体全部吸收，则以边 界富Cu金属化合物形态弥散分布于晶界，降低了 α-ΑΙ固溶体内外Cu质点的浓度差，在凝 固过程中平缓了 α-Al固溶体枝晶向晶界排出富Cu相的强度，即降低了结构应力和热裂倾 向。显然，当Cu含量> 5. 7%，富Cu相越多，结晶时合金内部的结构应力和热裂倾向越小； 同时，高熔点细晶弥散的富Cu相在熔体结晶时形成活性异质晶核，加速熔体结晶反应但又 阻止晶核长大，细化了晶粒，也降低了合金热裂倾向性；并使基体晶界之间充填更加饱满； 富Cu相还能与Α1、Μη等多种元素形成难熔金属化合物。所有这些作用，明显地弱化了熔体 的表面张力，降低了熔体粘度，从而显著提高了熔体流动性及合金的铸造性能。
当Cu含量处于5. 7%左右时，经热处理后，在基体晶界有较多的富Cu相(溶入-析 出相)与较少的(约0.5% )Cu基金属化合物细晶弥散相，使室温状态下的合金强度保持较 高水平，但当处于高温环境时，因大量富Cu相重新溶入基体中，就会造成较多的晶间空隙 和缺陷，这会使合金的高温强度显著下降。随着Cu含量继续增加，合金强度受温度影响的 程度减小，而当弥散相与析出相基本处于等量状态时，材料强度受温度变化的影响最低，此 时合金中Cu含量应为11 12 %。
但当合金中Cu含量> 10%时，因结晶时过剩的Cu相具有优先结晶性质而形成巨8大的网络结构，合金粘度大大增强，过剩相在结晶过程中取代铝基体成为控制结晶的主要 因素，原有弥散相对铝基体相的优良作用全部受到屏蔽，因此合金的各种性能又大幅下降。
根据以上理论基础及实践的验证，确定主合金元素Cu含量的合理范围为1 10% (wt% )。
②该材料以锰(Mn)元素改善抗蚀性，同时屏蔽杂质Fe，减少Fe的有害作用。
因锰(Mn)元素与基体作用生成的MnAl6与纯铝具有相同的电位，可以有效地改善 合金的抗蚀性和焊接性；同时Mn作为高温强化相，具有提高再结晶温度、抑制再结晶晶粒 粗化的作用，能够实现对合金的固溶强化、补充强化、提高耐热性能；在晶粒细化剂作用下， 能与狗元素生成球团状的4130^11)，有效消除了!^对合金的有害作用，因此本发明可允 许狗含量在较宽的范围0 ^0.5% )，这样带来的好处是实现普铝代替精铝，降低成本， 扩大原料来源及材料应用领域.。
③主要使用稀土 Sm作为基础微合金化元素，且其含量范围大，最高可达5%，可充 分发挥稀土元素在合金中的除气、除渣、净化作用、细化晶粒和变质作用、提高合金的力学 性能以及耐蚀性作用。
稀土元素除气、除渣、净化作用的机理是稀土 Sm活性很强，对氧、氢、硫、氮等 具有较强的亲和力，其脱氧能力超过现有最强的脱氧剂铝，可把含量为50X 10_6氧，脱至 10 X IO-6以下，其脱硫作用可把含S量为20 X IO-6脱至1 5 X 10_6。因此，含稀土的铝合金 在熔炼时很容易和铝液中的上述物质发生化学反应，反应产物不溶于铝而进入渣中，从而 使合金中的气体含量降低，使合金产品产生气孔和缩松的倾向大大降低。
稀土元素能显著提高合金的力学性能。稀土(Sm)在合金中形成AlnSm3、Al3Snu Al2Sm、AlSm、AlSm2等5种金属化合物。这些高熔点金属化合物弥散分布于呈网状或骨架状 的晶间和枝晶间，并与基体牢固结合，起到了强化和稳定晶界的作用。同时，还可中和金属 液中的低熔点杂质元素Sn、Pb、Sb等，与它们形成高熔点的化合物或使他们从枝晶间向整 个晶体内均勻分布，消除了枝晶组织。
稀土元素Sm有细化晶粒和变质作用。稀土元素Sm为表面活性元素，可集中分布 在晶界面上，降低熔体粘度，增强流动性，降低相与相之间的拉力，因为使形成临界尺寸晶 核的功减少，结晶核数量增加，从而使晶粒细化。稀土对铝合金的变质作用具有长效性和重 熔稳定性，大多数单一或混合稀土加入后对α -Al相有很强的细化和变质作用。
此外，稀土元素Sm还能够提高合金的导电性。由于稀土能细化铝晶粒，也能在合 金中Fe、Si等杂质形成稳定的化合物并从晶内析出，再加上稀土对合金的净化作用，使得 铝的电阻率得到降低，导电性提高(约2%)。
很少量的稀土元素即可对合金性能产生明显的变质改良作用，因此，一般铝合 金的稀土加入量在 以下，在 200810302670. 3,200810302668. 6,200810302669. 0 和 2008103(^671. 8专利申请中，稀土含量确定为0. 05 0. 3%。从Al-RE合金相图分析，由于 大部分稀土在铝中的溶解度很小，其存在形态多以高熔点金属化合物分布于晶界或基晶内 部。由于活性很高，在熔体净化中充当净化剂消耗掉一部分，若加入量太少，则其对a-Al相 的变质作用就难以充分发挥。为保持稀土变质作用的长效性和重熔稳定性，并充分发挥其 高温强化特性，本发明特把铜含量与稀土 Sm含量一起考虑，确定其含量范围为0. 05 5%。
④铬(Cr)元素作为复杂合金化的特征添加元素，在合金中能形成i3-CrAl7、9H-Cr2Al等5种金属化合物，呈弥散相分布于基体晶界，提高合金的室温和高温强度。
5、优异的铸造性能。通过在高科技结构、航空、航天、民用重工等几个领域使用 的铸件多次铸造试验，验证了该新材料的优异性能铸造性能高于目前的A201.0、ZL206、 ZL207、ZL208、206. 0等高强度铸造铝合金，解决了上述铝合金铸造时热裂倾向性大、铸件合 格率低的重大问题；旧料回炉重熔与新料可实现任意比例配料，新旧料混合熔体浇注性能 无改变，且有稳定材料强度、提高延展性的良好作用，较原有高强度铝合金废料回用性差、 循环路线长的状况，具有极显著的经济性和集约性。
新材料消除热裂倾向的原理在于因合金中铜含量增多形成富Cu相，富Cu相作为 高熔点细晶弥散相以金属化合物形态弥散分布于晶界，在熔体结晶时有效抵消了晶粒内富 Cu溶质因过饱和度急剧升高而形成的向晶界扩散的强烈倾向，从而减缓了结晶时的结构应 力；同时晶界上富Cu弥散相与Cr稀土微合金化元素及Mn、Zr、Ti、B等元素的多种弥散相， 都具有细化晶粒、充填基体晶界、形成近铝电位金属化合物的多种作用，所有这些作用明显 地弱化了熔体的表面张力，降低了熔体粘度，从而显著提高了熔体流动性及合金的铸造性 能，保证了铸造产品具有较高的合格率。
旧料回用性好的原理在于本发明中多元微合金化作用具有长效性和重熔稳定 性，重熔时，熔体的结构特性保持了一次合金熔体形成的原子集团结构和细晶结构，大量的 活性晶核能够在熔体中充分发挥凝聚、同化微晶结构的作用，并能保持原有的流动性。因 此，旧料的配入有稳定材料强度、提高延展性的良好作用。
旧料的这种特性，完全可以实现在生产现场的即时回用，无论是渣料、加工余料还 是不合格铸件，均可与新料一同熔炼或直接加入熔体中。
本发明的此种特性，较目前大量应用的IXXX系和2XXX系高高强度铝合金材料铸 造成品率显著提高，大大降低了废品量，因此在生产现场不需要大的废品堆场(实际生产 中，铝合金铸造车间往往要规划出很大的废品堆放场地)；同时，很多铸造铝合金不具备重 熔稳定性，无法在现场直接回用，因此需要组批进行集中处理，占据很大的制造成本，衍生 出一系列处理环节和无效劳动；而应用本发明提供的新材料，所有这些额外的环节、成本和 无效劳动均可省去。
6、优异的加工、表面防腐处理性能。通过将新材料加工成轴、球、管、角材、螺栓等 各种形状的成品件的试验，证明材料具有极好的可加工性能，表面可达到近镜面程度的精 洁度，光反射率高于纯铝；表面氧化和涂覆试验表明，表面阳极氧化后膜厚可达到标准要求 等级、表面颜色无改变，涂料与氧化表面的附着性完全达到抗破坏性试验的标准等级。
7、优异的高温性能。该材料具有高温铝合金的特性，可以达到400°C条件下强度高 于200Mpa以上，高于传统的高温(耐热)铝合金材料，这一特性使新材料可以替代除航空 发动机匣体直接承受高温燃气灼烧的部件之外的其它各部位耐热部件材料。(耐热性原理 参见特性4“配方的科学性和经济性”中关于富铜相、稀土(Sm)、耐热合金元素Cr的内容)。
8、典型的原创性。该系列新型材料是申请人在取得合金化理论创新突破后快速研 发出来的，材料优异性质的验证同时就是对新合金化理论的验证，而这种理论突破目前在 所有的文献资料上都没有明确记载过，因此该系列新材料在国际上属于原始性、基础性的 重大创新。
本发明的创新点10
表一列出了与本发明在某一方面的性能和用途上相近的31种铝合金的元素组 成。可以看出，与已有各种高铜含量变形铝合金、耐热变形铝合金、耐热铸造铝合金相比，本 发明主要有以下创新内容。
一是铜(Cu)含量允许范围大，在1 10% ；同时以锰(Mn)元素配合形成多种高 温强化相。
二是主要使用稀土(Sm)作为基础微合金化元素，且其含量范围大，最高可达5%， 可充分发挥稀土(Sm)在合金中的除气、除渣、净化作用、细化晶粒和变质作用、提高合金的 力学性能以及耐蚀性作用；稀土元素Sm对氧、硫、氮、氢的亲和力都很强，因而其脱氧、脱 硫、去除氢气和氮气的作用都很强，此外，稀土(Sm)为表面活性元素，可集中分布在晶界面 上，降低相与相之间的拉力，因为使形成临界尺寸晶核的功减少，结晶核数量增加，从而使 晶粒细化。
三是对铁元素的限制比较宽松，允许其含量最大可达0.5%，这为使用普铝为基体 进行合金材熔铸开拓了空间。
四是不使用镁、锌等低熔点元素作为产生强化相的物质，避免了高温下材料强化 相的分解和转化，从而显著提高了材料的高温强度。
五是以铬(Cr)元素作为复杂合金化的特征添加元素，在合金中能形成β -CrAl7, η -Cr2Al等5种金属化合物，在熔体中呈弥散相分布于基体晶界，提高合金的室温和高温强 度。结合使用钛(Ti)、硼(B)、锆(Zr)元素作为综合晶粒细化剂，使合金材料具备了高强高 韧耐热和熔体高流动性等全部优良性能的物质基础。
以上是本发明特征配方中最明显的五个方面
表一与本发明有关的各种铝合金化学成分
高铜含量变形铝合金、耐热变形铝合金、耐热铸造铝合金与本发明的成分比较 一、高铜含量变形铝合金
权利要求
1.一种Cr-Sm高强耐热铝合金材料，其特征在于按重量百分比计，该合金成分为Cu 1. 0 10. 0%，Mn :0. 05 1. 5%，Cd :0. 01 0. 5%，Ti :0. 01 0. 5%，B :0. 01 0. 2%， Zr 0. 01 1. 0%, Cr :0. 01 1. 0%，稀土元素 Sm :0. 05 5%，其余为 Al。
2.一种如权利要求1所述的Cr-Sm高强耐热铝合金材料的制备方法，其特征在于包 括如下步骤(1)在上述元素比例范围内，选定一组元素比例，再根据需要配制的合金总量，推算出 所需的每种单质金属的质量，或者中间合金的质量，或者混合金属添加剂的质量，编制合金 生产配料表，并按配料表选足备料；(2)往熔炼炉中加入适量的铝锭或熔融铝液，加热使之完全融化并在700 800°C下保 温；熔化过程在封闭环境内完成；(3)再按配方比例先加入Mn、Ti、Zr、Cr纯金属或Al_Mn、Al-Ti、Al-Zr、Al-Cr中间合 金或者混合金属添加剂，搅拌均勻后再加入Cu、Cd纯金属或Al-CiuAl-Cd中间合金或者混 合金属添加剂，再加入Al-B和Al-Sm中间合金，搅拌均勻；(4)然后对上述合金熔体进行炉内精炼；往合金熔体中加入精炼剂，并搅拌均勻，熔体 精炼在封闭环境中操作；(5)精炼后打渣、静置、调温至630 850°C，合金液倾倒出炉，在线除气、除渣处理；(6)铸造；(7)对铸件进行470 560°C、30小时以内的固溶处理。
3.根据权利要求2所述的Cr-Sm高强耐热铝合金材料的制备方法，其特征在于混合 金属添加剂是指添加、调整合金组元用的饼状或块状非烧结性粉末冶金制品。
4.根据权利要求3所述的Cr-Sm高强耐热铝合金材料的制备方法，其特征在于粉末 冶金制品包括锰、铜、锆、铬、硼或钛金属粉末与熔剂混合而成。
5.根据权利要求4所述的Cr-Sm高强耐热铝合金材料的制备方法，其特征在于熔剂 是指碱金属或碱土金属卤素盐类的混合物，包括NaCl、KCl和Na3AlF6。
6.根据权利要求2所述的Cr-Sm高强耐热铝合金材料的制备方法，其特征在于在步 骤(4)中，精炼剂是指氯气、六氯乙烷、氯化锰以及硼盐变质剂。
全文摘要
本发明公开了一种Cr-Sm高强耐热铝合金材料及其制备方法，按重量百分比计该合金成分为Cu1.0～10.0％，Mn0.05～1.5％，Cd0.01～0.5％，Ti0.01～0.5％，B0.01～0.2％，Zr0.01～1.0％，Cr0.01～1.0％，Sm0.05～5％，其余为Al。本发明以优质熔体、固溶体和相图理论为指导，通过优选合金主元素Cu、Mn及Sm配方，降低合金准固相温度范围，解决铸造时热裂倾向大、制品高温强度低等问题；优选低成本多元微合金化元素配方，为固溶体中高温相和强化相的培育和细晶化作用创造物质基础条件；优化熔炼、热处理工艺技术，最终研制出一种新型铝合金材料。
文档编号C22F1/04GK102031423SQ200910307898
公开日2011年4月27日 申请日期2009年9月29日 优先权日2009年9月29日
发明者周利洪, 张中可, 曹跃清, 李丹宁, 李祥, 胥光酉, 车云 申请人:贵州华科铝材料工程技术研究有限公司, 贵州科学院, 贵州铝厂