一种含Hf元素的耐热铸造铝合金材料及其铸造方法与流程

本发明属于有色合金冶炼和加工的
技术领域：
，涉及一种含hf元素的耐热铸造铝合金材料及其铸造方法。
背景技术：
：铸造铝合金以其质轻、成本低、生产效率高，利于实现近净成形等优势，广泛应用于制造航空航天领域各种复杂高精度零件。近年来，随着技术的进步，相应构件所处的热载荷环境越来越恶劣，进而对传统铸造铝合金的耐热性能提出了更高的要求。国内外自上世纪七十年代开始，随着航空及汽车发动机的发展，诞生了多种耐热铸造铝合金。从合金的基本体系看，主要有al-si和al-cu系。al-si系耐热铸造铝合金仅在200℃及以下温度，因而目前多用来制造对材料高温性能要求较低的铸件。al-cu系耐热合金能够在200℃～300℃之间具有较好的综合力学性能，而针对未来发动机构件高温下的高强韧性能需求，现有的al-cu系耐热铝合金在300℃乃至更高温度的综合力学性能仍显不足。铪(hf)元素作为重要微量元素，已成功应用于高温合金中，显著提升了合金高温性能。另外，铪(hf)能够与铝形成高温稳定化合物al3hf，其稳定性优于ti、zr与al形成的化合物，能够更好的提升合金的耐热性能。因而，本发明旨在开发一种新型含铪(hf)的耐热铸造铝合金。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种含铪的al-cu系耐热铸造铝合金材料及其制备方法，通过对al-cu系合金成分的优化设计，优选多元微合金化元素配方，包括mn、ti、cd、zr、hf，其中hf元素的加入能够使al-cu系铸造铝合金中形成高温稳定相，提高合金高温性能。；本发明还提供了上述合金的制备方法。本发明的技术方案如下：提供一种含hf元素的al-cu系耐热铸造铝合金材料，其特征在于：其中各元素的重量百分含量为4.5-5.1的cu、0.6-1.2的mn、0.15-0.35的ti、0.05-0.3的cd、0.05-0.2的zr、0.2-0.8的hf、余量为al。优选的，化学成分重量百分比为cu：4.8；mn：0.6；ti：0.15；cd：0.1；zr：0.1；hf：0.2；其余为al和不可避免的杂质。优选的，化学成分重量百分比为cu：4.8；mn：0.8；ti：0.25；cd：0.18；zr：0.1；hf：0.4；其余为al和不可避免的杂质。优选的，化学成分重量百分比为cu：4.8；mn：1.0；ti：0.35；cd：0.25；zr：0.1；hf：0.6；其余为al和不可避免的杂质。本发明还提供上述含铪(hf)耐热铸造铝合金的熔炼方法，其特征在于，具体步骤为：1)将工业纯铝和al-mn、al-zr中间合金加入至熔炼炉中，加热至680-710℃，使其熔化；2)然后加入al-cu中间合金和金属cd，继续加热至740-760℃后加入al-hf中间合金和al-ti中间合金，保温搅拌；3)然后精炼扒渣，最后降温至浇注温度浇注铸件即得。本发明还提供上述含铪(hf)耐热铸造铝合金的热处理方法，其特征在于，具体步骤为：1)合金铸件采用525-545℃保持14-18h固溶处理后在40-80℃水中淬火；2)合金铸件采用170-210℃保温7-10h时效处理，并空冷至室温。本发明的有益效果在于：hf元素的加入可在基体中形成高温稳定相(al3hf)，提高合金的高温性能，同时高温下hf元素在铝合金基体中溶解度较高，进而通过时效析出能够形成较多体积分数的高温稳定相，在高温下起到定扎晶界，阻碍晶界迁移、位错交滑移的过程，有效提高合金高温性能，合金相图如图1所示。al-cu系铸造铝合金中，cu元素有较大的强化效果，同时使合金有较好的延伸率；mn元素能够提高合金的高温强度，同时与杂质元素fe形成纤维相，减少有害fe相的形成，ti元素能够形成异质形核点，细化晶粒，提高合金力学性能，cd元素能够形成稳定单质相提高合金强度、细化晶粒，zr元素能够提升合金屈服强度。本发明通过以上合金元素的适当组合，能够制备出具有优良高温性能的耐热铸造铝合金。附图说明为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图：图1al-hf合金相图富al端；图2实施例1所述合金的金相图；图3实施例2所述合金的金相图；图4实施例3所述合金的金相图；具体实施方式下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。合金的制备方法如下：1)根据需要配制的合金总量，按上述元素比例的优选组分，算出所需金属单质/中间合金的质量，编制合金生产配料表，并按配料表选足备料，各实施例和zl201a合金成分重量百分比如下表所示；cumnticdzrhfal实施例14.71％0.62％0.14％0.09％0.08％0.23％余量实施例24.83％0.77％0.24％0.17％0.12％0.37％余量实施例34.81％0.93％0.34％0.22％0.09％0.63％余量zl201a4.9％0.8％0.25％---余量2)将工业纯铝和al-mn、al-zr中间合金加入至熔炼炉中，加热至680-710℃，使其熔化；3)然后加入al-cu中间合金和金属cd，继续加热至740-760℃后加入al-hf中间合金和al-ti中间合金，保温搅拌；4)然后精炼扒渣，最后降温至浇注温度浇注铸件即得；5)合金铸件采用525-545℃保持14-18h固溶处理后在40-80℃水中淬火；6)合金铸件采用170-210℃保温7-10h时效处理，并空冷至室温。zl201合金的室温抗拉强度为390mpa，延伸率为8％；在300℃抗拉强度为118mpa，延伸率为8％。实施例1所述合金的金相图如图2所示，该合金室温抗拉强度为456mpa，延伸率为10％；在300℃抗拉强度为160mpa，延伸率为5.4％。晶内与晶界上弥散分布的高温强化相有效提升了合金的耐热性能。实施例2所述合金的金相图如图3所示，该合金室温抗拉强度为479mpa，延伸率为12％；在300℃抗拉强度为169mpa，延伸率为6.1％。晶内与晶界上弥散分布的高温强化相有效提升了合金的耐热性能。实施例3所述合金的金相图如图4所示，该合金室温抗拉强度为466mpa，延伸率为8.6％；在300℃抗拉强度为164mpa，延伸率为5.5％。晶内与晶界上弥散分布的高温强化相有效提升了合金的耐热性能。本发明所制备合金的高温拉伸性能较zl201a合金有显著提高。因为这是合金基体中形成了高温强化相，能够阻碍晶界迁移、位错交滑移，使合金力学性能得到显著提高。最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。当前第1页12