技术领域本发明涉及一种Al-Cu系铸造铝合金材料及其制备方法，属于材料技术领域。
背景技术：
Al-Cu系铸造铝合金具有室温和高温机械性能好、切削加工性能好、以及耐热性能优良等特点，在航空工业中占有十分重要的地位，是航空工业重要结构材料之一，在民用工业等领域也获得广泛应用。但是由于Al-Cu系铸造铝合金凝固温度区间大，热裂和疏松倾向大，流动性差，容易出现裂纹、疏松等铸造缺陷，所以其铸造性能较差。目前，对于Al-Cu系铸造铝合金的研究主要集中在高强增韧方面，研究人员已经开发出许多具有代表性的合金，比如法国的A-U5GT合金；美国的KO-1合金；俄罗斯的BAЛ10合金；我国的ZL205A合金等。其中，ZL205A是目前强度最高的铸造铝合金材料，但其含有Cu、Mn、Zr、V、Cd、Ti、B等7种合金元素，成分复杂，尤其是含有V贵重金属元素，价格高昂；而且该ZL205A合金在流动性较差，抗热裂性也较差，导致合金的铸造性能较差，应用受到限制。
技术实现要素：
本发明提供一种Al-Cu系铸造铝合金，不含贵金属元素，降低了合金的配方成本，且在维持合金高强度的同时提高了合金铸件的延伸率。本发明还提供一种上述Al-Cu系铸造铝合金的制备方法，步骤简单，成本较低。一方面，本发明提供一种Al-Cu系铸造铝合金材料，按重量百分比计，Al-Cu系铸造铝合金材料的成分为Cu4.5-6.5％、Mn0.35-0.80％、Zn0.05-1.0％、Ti0.05-0.45％、Zr0.05-0.45％、稀土元素0.05-0.5％、以及余量的Al及微量杂质元素。进一步地，按重量百分比计，Al-Cu系铸造铝合金材料的成分为Cu4.7-5.7％；Mn0.45-0.70％；Zn0.05-0.50％；Ti0.15-0.35…％；Zr0.05-0.25％；稀土元素0.05-0.35％；其余为Al及微量杂质元素。进一步地，所述稀土元素为Ce或以Ce为主要元素的混合稀土。进一步地，所述混合稀土中Ce的重量百分含量为40-50％。另一方面，本发明还提供一种如上所述的Al-Cu系铸造铝合金材料的制备方法，包括：使铝锭熔融并保温，得铝熔体；向所述铝锭熔体中加入含其余合金元素的物质并使其完全熔化，搅拌均匀，得铝合金熔体；向所述铝合金熔体中加入精炼剂，进行精炼除气处理并扒渣后浇铸成型。进一步地，所述含其余合金元素的物质为含其余元素的中间合金或合金元素添加剂。进一步地，向所述铝合金熔体中加入精炼剂，进行精炼除气处理并扒渣后静置15-25分钟，浇铸成型。进一步地，所述浇铸成型后，还包括对铸件进行固溶和时效处理。进一步地，固溶处理工艺为在480-580℃保温3-30小时，然后淬火冷却。进一步地，时效处理工艺为在120-220℃保温3-30小时，然后在空气中冷却。本发明提供的Al-Cu系铸造铝合金成分合理，在Al-Cu-Mn为主成分的基础上添加微量合金元素Ti、Zr、Zn和稀土等，从而在维持合金高强度的同时提高了Al-Cu系铸造铝合金的铸造性能；同时该Al-Cu系铸造铝合金不含贵金属元素，降低了生产成本。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明提供一种Al-Cu系铸造铝合金材料，按重量百分比计，该Al-Cu系铸造铝合金材料成分为Cu4.5-6.5％、Mn0.35-0.80％、Zn0.05-1.0％、Ti0.05-0.45％、Zr0.05-0.45％、稀土元素0.05-0.5％、以及余量的Al及微量杂质元素。其中，所述稀土元素为Ce或以Ce为主要元素的混合稀土。所述混合稀土中包含除Ce以外至少两种的稀土元素，且Ce的重量百分含量为40-50％。本发明提供的Al-Cu系铸造铝合金材料的制备方法可参照以下步骤进行：1、按配方比例准备好铝锭和含其余合金元素的物质。为使其余合金元素快速熔入铝液中，对于铜、锰、钛、锆等难熔合金元素，也可以选用铝合金铸造行业常用的中间合金或合金元素添加剂。2、将铝锭加入熔炼炉中，加热使之完全熔化，并保温以维持熔体温度在700-800℃，得铝熔体。3、再按配方比例加入含其余合金元素的物质，并适当搅拌，得铝合金熔体，待其余合金元素完全熔化后，将铝合金熔体搅拌均匀。4、然后加入精炼剂进行炉内精炼，精炼剂一般可选用铝合金铸造行业常用的精炼剂，比如有色金属行业标准YS/T491-2005中的RJ-1精炼剂。5、然后再对已经精炼铝合金熔体进行除气处理并扒渣，然后浇铸成型。其中，除气处理可使用现有技术中的常用方法，例如用除气机向加入铝合金熔体中通入氩气。精炼除气处理并扒渣后，可将熔体静置15-25分钟，使熔体中的杂质沉淀或上浮，进一步使熔体净化，然后再浇铸成型。进一步地，所述浇铸成型后，还包括对铸件进行固溶处理和时效处理。所述固溶处理和时效处理的工艺可参照常规方法进行，例如可以为：固溶处理工艺为在480-580℃保温3-30小时，然后淬火冷却；时效处理工艺为在120-220℃保温3-30小时，然后在空气中冷却。以下通过具体实施例对本发明的Al-Cu系铸造铝合金材料及其制备方法做详细说明。实施例1：本实施例拟制备100kg合金，其中各元素的重量百分比如表1所示。其制备方法如下：(1)按表1中各成分的重量称量好所需的各种合金元素。表1(2)将铝锭分次加入熔炼炉中，加热使之完全熔化，并在700-800℃下保温。(3)分次加入事先准备好的中间合金或合金元素添加剂，并适当搅拌。(4)待合金元素完全熔化后，将合金熔体搅拌均匀，然后加入精炼剂进行炉内精炼。精炼剂选用铝合金铸造行业常用的RJ-1精炼剂，然后把精炼产生的铝渣扒出。(5)用除气机向熔体中通入氩气进行除气处理，再对其进行扒渣处理，之后静置约20分钟，即可进行浇注。(6)浇注成型后，对铸件进行固溶和时效处理。其中，固溶处理工艺为在480-580℃保温3-30小时，然后淬火冷却，时效处理工艺为在120-220℃保温3-30小时，然后在空气中冷却。将本实施例制备的Al-Cu系铸造铝合金材料铸件的试样进行拉伸性能测试，结果为：在T5状态下，抗拉强度452MPa，延伸率10.9％。本实施例中的合金与ZL204铸造铝合金相近，根据国家标准GB/T1173-2013的规定，ZL204铸造铝合金在T5状态下，抗拉强度为440MPa，延伸率为4％。本实施例中的合金与ZL204合金相比，同样在T5状态下，强度相当，然而铸件的延伸率得到改善，塑性增强。实施例2：本实施例拟制备100kg合金，其中各元素的重量百分比如表1所示。其制备方法如下：(1)按表2中各成分的重量称量好所需的各种合金元素。表2元素设计成分(wt％)添加元素用合金或添加剂合金或添加剂用量(kg)Al铝锭81.59Cu5.9Al-50Cu中间合金11.80Mn0.3585锰剂0.41Zn0.2纯锌0.20Ti0.15Al-10Ti中间合金1.50Zr0.05Al-10Zr中间合金0.50Ce0.4Al-10Re中间合金4.00(2)将铝锭分次加入熔炼炉中，加热使之完全熔化，并在700—800℃下保温。(3)分次加入事先准备好中间合金或合金元素添加剂，并适当搅拌。(4)待合金元素完全熔化后，将合金熔体搅拌均匀。然后加入精炼剂进行炉内精炼。精炼剂选用铝合金铸造行业通用的RJ-1精炼剂，然后把精炼产生的铝渣扒出。(5)用除气机向加入精炼剂的熔体混合物通入氩气进行除气处理，再对其进行扒渣处理，之后静置约20分钟，即可进行浇注。(6)浇注成型后，对铸件进行固溶和时效处理。其中，固溶处理工艺为在480-580℃保温3-30小时，然后淬火冷却，时效处理工艺为在120-220℃保温3-30小时，然后在空气中冷却。将本实施例制备的Al-Cu系铸造铝合金材料铸件的试样进行拉伸性能测试，结果为：在T6状态下，抗拉强度495MPa，延伸率6.1％。实施例3：本实施例拟制备100kg合金，其中各元素的重量百分比如表3所示。其制备方法如下：(1)按表3中各成分的重量称量好所需的各种合金元素。表3元素设计成分(wt％)添加元素用合金或添加剂合金或添加剂用量(kg)Al余量铝锭83.66Cu4.5纯铜4.50Mn0.885锰剂0.94Zn0.9纯锌0.90Ti0.45Al-10Ti中间合金4.50Zr0.45Al-10Zr中间合金4.50Ce0.1Al-10Re中间合金1.00(2)将铝锭分次加入熔炼炉中，加热使之完全熔化，并在700—800℃下保温。(3)分次加入事先准备好中间合金或合金元素添加剂，并适当搅拌。(4)待合金元素完全熔化后，将合金熔体搅拌均匀。然后加入精炼剂进行炉内精炼。精炼剂选用铝合金铸造行业通用的RJ-1精炼剂，然后把精炼产生的铝渣扒出。(5)用除气机向加入精炼剂的熔体混合物通入氩气进行除气处理，再对其进行扒渣处理，之后静置约20分钟，即可进行浇注。(6)浇注成型后，对铸件进行固溶和时效处理。其中，固溶处理工艺为在480-580℃保温3-30小时，然后淬火冷却，时效处理工艺为在120-220℃保温3-30小时，然后在空气中冷却。将本实施例制备的Al-Cu系铸造铝合金材料铸件的试样进行拉伸性能测试，结果为：在T6状态下，抗拉强度489MPa，延伸率6.4％。实施例4：本实施例拟制备100kg合金，其中各元素的重量百分比如表4所示。其制备方法如下：(1)按表4中各成分的重量称量好所需的各种合金元素。表4(2)将铝锭分次加入熔炼炉中，加热使之完全熔化，并在700—800℃下保温。(3)分次加入事先准备好中间合金或合金元素添加剂，并适当搅拌。(4)待合金元素完全熔化后，将合金熔体搅拌均匀。然后加入精炼剂进行炉内精炼。精炼剂选用铝合金铸造行业通用的RJ-1精炼剂，然后把精炼产生的铝渣扒出。(5)用除气机向加入精炼剂的熔体混合物通入氩气进行除气处理，再对其进行扒渣处理，之后静置约20分钟，即可进行浇注。(6)浇注成型后，对铸件进行固溶和时效处理。其中，固溶处理工艺为在480-580℃保温3-30小时，然后淬火冷却，时效处理工艺为在120-220℃保温3-30小时，然后在空气中冷却。将本实施例制备的Al-Cu系铸造铝合金材料铸件的试样进行拉伸性能测试，结果为：在T6状态下，抗拉强度475MPa，延伸率5.1％。最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。