本申请属于金属材料领域，涉及一种耐热铸造铝铜合金及其制备方法。
背景技术：
铝铜合金是一类轻质、高强、耐热型铸造铝合金，常应用于飞机、汽车、轮机的次承力部件，已在航空、航天、高铁、兵器等领域推广应用。相对于传统铸造铝合金，铝铜合金的耐热性较好，最高耐热、服役温度可达到200℃，但仍满足不了一些特殊、封闭、高温场合的使用需求，如某些特种发动机的支撑座、发动机罩、发动机冷端等部件，这些特殊部件通常要求服役温度超过250℃甚至更高，因此开发一种耐高温的铸造铝合金十分必要。
技术实现要素：
为解决上述问题，本申请提供了一种高强、耐热型铸造铝铜合金，具体技术方案如下：
一种耐热铸造铝铜合金，其特征在于，所述铸造铝铜合金包括以下质量百分比的合金成分：Cu：2.0～3.5％，Mn：0.5～0.8％，Ti：0.2～0.6％，Sc：0.2～0.5％，Zr：0.1～0.3％，Cd：0.2～0.35％，B：0.002～0.08％，杂质小于或等于0.1％，余量为铝。
进一步，所述铸造铝铜合金含有2.8～3.5％质量的Cu。
所述铸造铜铝合金含有0.6～0.7％质量的Mn。
包含0.3～0.5％质量的Ti。
包含0.3～0.48％质量的Sc。
包含0.15～0.25％质量的Zr。
包含0.2～0.28％质量的Cd。
包含0.002～0.04％质量的B。
本申请还同时公开了一种前述耐热铸造铝铜合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
第一步，先将熔炉升温至300～400℃保温20-35min，按质量百分比将纯铝、Cu、Ti、Sc、Zr、Mn放入坩埚中加热、熔化，坩埚在820～840℃保温保温1-2h，待全部熔化为铝合金熔体后，加入部分B，搅拌10-15min；
第二步，将铝合金熔体降温至710℃～730℃，并加入按质量百分比配比的金属Cd，搅拌3～5min，加入熔体质量0.2～0.4％的精炼剂，搅拌10～15min；
第三步，将铝熔体维持在710℃～730℃，按质量百分比加入余下的B，搅拌3～5min，加入熔体质量0.05～0.1％的精炼剂，静置20～30min，进行浇注。
进一步，在第一步中，所述Cu、Ti、Sc、Zr、Mn部分或全部采用铝基中间合金的形式。
所述铝基中间合金包括AlCu50、AlTi4、AlSc2、AlZr4、AlMn10，所述中间合金中的元素含量要求满足GB/T 27677-2011要求。
在第一步和第三步中，所述B采用Al5TiB1A中间合金的形式，所述中间合金中的元素含量要求满足GB/T 27677-2011要求。
其中，在第一步中，所加入B的质量为所预定在整个耐热铸造铝铜合金中B质量百分比的55～65％；
在第三步中，加入B的质量为所预定在整个耐热铸造铝铜合金中B质量百分比的45％～35％。
本申请具有以下有益技术效果：
1.本申请合金中的铜元素含量较低，可在一定程度上减少合金元素偏析和显微疏松；
2.本申请在合金中引入Sc元素和Zr元素。复合添加Sc、Zr元素可以有效细化铸造微观组织，提高合金的强度与延伸率。同时在后续热处理中，Sc、Zr与合金中的Ti，一起与Al反应生成细小、弥散的Al3(Sc，Zr，Ti)硬质质点，可起到强化和耐热的双重效果。
3.本申请可达到以下技术指标：T6处理下(538℃ 15h固溶+175℃ 5h时效)抗拉强度可达520～540MPa，延伸率10～12％。同样的，经固溶处理后(538℃保温15h)进行280℃ 3h时效处理，本申请合金抗拉强度可达460～480MPa，且在280℃保温100h后抗拉强度基本不下降；经固溶处理后(538℃保温15h)进行280℃ 3h时效，传统ZL205A合金(HB 962-2001)抗拉强度仅为440～450MPa，且随着时效时间延长，强度逐渐下降。
附图说明
图1为本申请耐热铸造铝铜合金与ZL205A合金538℃保温15h后进行280℃时效的抗拉强度变化情况。
具体实施方式
下面结合说明书附图以及具体实施例对本申请的技术方案做进一步详细介绍。
在下列实施例中，根据GB/T 6987-2001对铝合金成分进行测定，根据GB/T 228-2010对合金的抗拉强度和延伸率进行测定。
实施例1
实施例1公开的一种耐热铸造铝铜合金，其各组分质量百分比如下：Cu：2.9％，Mn：0.61％，Ti：0.32％，Sc：0.35％，Zr：0.17％，Cd：0.21％，B：0.003％，杂质不大于0.08％，余量为铝。
含上述各组分的耐热铸造铝铜合金制备方法如下：
第一步：先将熔炉升温至300～400℃保温25min，后加入纯铝、AlCu50、AlTi4、AlSc2、AlZr4、AlMn10(所述中间合金中的元素含量要求满足GB/T 27677-2011要求)中间合金进行熔炼，使得Cu、Ti、Sc、Zr、Mn的组分含量符合前述的百分比。将熔炉升温至825℃，保温1.5h，待铝锭和其它组分完全熔化成铝合金溶体后，加入一部分Al5TiB1A中间合金(所述中间合金中的元素含量要求满足GB/T 27677-2011要求。按质量百分比，使此时B的含量占整个预定B的总质量60％)，搅拌12min。
第二步：将铝合金熔体温度降至715℃，加入金属Cd，搅拌5min后，加入0.3％精炼剂进行精炼，搅拌15min后。
第三步：将铝熔体维持在715℃，按质量配比，加入余下Al5TiB1A中间合金(此次加入的B含量为所有B总质量的40％)，搅拌5min，加入0.08％精炼剂，搅拌5min，进行惰性气体喷吹处理，在进行炉前成分分析，静置20min，浇注。
将浇注获得的铝铜合金在538℃保温15h，室温水淬，在175℃保温5h。获得的铝铜合金拉伸抗拉强度为521MPa，延伸率为11.3％。
将浇注得到的铝铜合金，在538℃保温15h，室温水淬，在280℃保温3h～100h。其中，3h时获得的铝合金抗拉强度为463MPa，100h后抗拉强度464MPa，基本保持不衰退。(附图1为本申请中的铝铜合金经538℃保温15h，室温水淬后在280℃保温过程中的抗拉强度变化情况，可以看出本申请中铝铜合金经3h时效达到峰值强度，在随后的保温过程中合金抗拉强度基本保持不变，而ZL205A合金的抗拉强度在随后的保温过程中逐渐下降)
如表1所示，为实施例1获得耐热铸造铝铜合金与现有技术中ZL205A合金的参数对比：
表格1
在铝合金中，当铜含量超过4.5％时，添加的钪元素极易与铜元素结合生成难溶W相(Al-Cu-Sc相)，消耗强化元素铜的同时，也抑制了钪的有效作用。因此，本发明降低铜含量，并在此基础上引入钪元素和锆元素，以弥补强化元素铜含量下降带的强度损失。钪与锆元素的引入在一定程度上可以减缓铜元素的析出速度，增加固溶在铝基体中的铜元素析出动力，因此钪与锆元素的添加有利于基体中析出细小、弥散的θ相(含Cu强化相)。此外，由于基体中少量钛元素，在时效过程中，钪、锆、钛元素将结合析出弥散、细小的Al3(Sc，Zr，Ti)二次强化相，这些强化相与铝基体的晶格错配度小，具有良好的热稳定性，可有效钉扎晶界和位错，抑制晶界长大，大大提高合金的力学性能。因此，钪、锆元素的引入起到了耐热和强化的双重效果。
实施例2
实施例2公开的一种耐热铸造铝铜合金，其各组分质量百分比如下：Cu：3.3％，Mn：0.67％，Ti：0.42％，Sc：0.41％，Zr：0.18％，Cd：0.25％，B：0.01％，杂质不大于0.05％，余量为铝。
实施例2所述组分含量的耐热铸造铝铜合金，其制备方法如下：
第一步：先将熔炉升温至350℃保温30min，后加入纯铝、AlCu50、AlTi4、AlSc2、AlZr4、AlMn10(所述中间合金中的元素含量要求满足GB/T 27677-2011要求)中间合金进行熔炼，使得Cu、Ti、Sc、Zr、Mn等组分的含量符合实施例2的百分比，将熔炉升温至835℃，保温1.5h，待铝铜合金完全熔化后，加入一部分Al5TiB1A中间合金(按质量百分比，此时加入B的含量占B的总量的65％)，搅拌15min。
第二步：将铝铜合金熔体温度降至725℃，加入金属Cd，搅拌5min后，加入0.28％精炼剂进行精炼，搅拌15min。
第三步：将铝熔体维持在725℃，按质量配比，加入余下Al5TiB1A中间合金(此次加入B的含量占B总量的35％)，搅拌5min，加入0.1％精炼剂，搅拌10min，进行惰性气体喷吹处理，静置25min，浇注。
对浇注得到的铝铜合金，在538℃保温15h，室温水淬，在175℃保温5h。获得的铝合金拉伸抗拉强度为527MPa，延伸率为10.4％。
对浇注得到的铝铜合金，在538℃保温15h，室温水淬，在280℃保温3h～100h。3h获得的铝合金抗拉强度为470MPa，100h时的抗拉强度471MPa，基本保持抗拉强度不衰退。
相对于实施案例1，案例2中Sc含量与Cu含量略有增加，在时效过程中，基体中析出较多的二次强化相，这有利于铝铜合金的强度提升。在整个时效保温过程中，实施案例2中的强度变化现象与案例1基本一致，因此未单独列出强度变化趋势图。表2为实施案例2中的铝铜合金与ZL205A合金(化学成份满足HB 962-2001)的性能对比情况。
表2
以上对本发明创造的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明创造的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明创造范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。