一种耐高温抗热裂铸造铝合金及其制备方法

本申请涉及金属材料领域，特别涉及一种耐高温抗热裂铸造铝合金及其制备方法。

背景技术：

1、铝合金是一种轻质金属，具有良好的导电导热性、耐蚀性、机械性能、机加工性能、易成型性和再生性，近年来，新能源汽车，特别是氢气发动机的应用，需要更高的工作温度和工作压力。同时，随着航空航天工业的迅猛发展，航空、航天器飞行速度不断提高，飞行器与大气摩擦产生大量热量，导致飞行器外部温度也随之不断攀升，对航空、航天器结构材料的耐热性提出更高的要求。然而，现有的铸造用铝合金难以满足这一需求，工业界对铝合金的工作温度提出了更高的要求。

2、目前耐高温铸造铝合金大体上可以分为两类，一类是以铝硅为基础，增加铜，锆，钪等元素，这类合金的工作温度一般限制在低于200℃。另一类是以铝铜作为基本成分进行开发，这类合金可以在更高的温度工作。比较成功的la205a铝合金主要的化学成分是(4.6～5.3)wt.％cu,1.5wt.％mg,(0.3～0.5)wt.％mn,(0.05～0.2)wt.％zr,(0.15～0.35)wt.％ti,(0.15～0.35)wt.％cd,al余量；其300℃时抗拉强度为170mpa，延伸率为3.5％。另一个应用广泛的a201铝合金主要成分为(4.0～5.0)wt.％cu,(0.15～0.35)wt.％mg,(0.4～1.0)wt.％ag,(0.2～0.4)wt.％mn,(0.05～0.2)wt.％zr,(0.15～0.35)wt.％ti,al余量；其300℃时抗拉强度为140mpa，伸长率为12％。

3、但是，上述材料主要存在两个问题，一是仍难以满足目前高温条件下对材料力学性能的要求，二是合金的高温性能主要依靠cu元素的添加获得，带来的最大问题就是抗热裂性能差，合金的成型性能比较差，因此开发一种具有高温性能，同时抗热裂的铝合金就显得十分迫切。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种耐高温抗热裂铸造铝合金及其制备方法，使其力学性能满足高温条件的要求，提升抗热裂性能，改善合金的成型性能。

2、为此，本发明提供一种耐高温抗热裂铸造铝合金，含有如下质量百分比的组分：

3、cu含量为5％～10％，er含量为0.3％～5％，mn含量为0.3％～2％，zr含量为0.1％～1.5％，ti含量为0.05％～0.35％，fe含量≤0.5％，si含量≤0.5％，其他元素总量≤0.2％，余量为al。

4、或者，含有如下质量百分比的组分：

5、cu含量为6％～8％，er含量为0.8％～3％，mn含量为0.3％～1.5％，zr含量为0.1％～1.5％，ti含量为0.05％～0.35％，fe含量≤0.5％，si含量≤0.5％，其他元素总量≤0.2％，余量为al。

6、优选的，铸造铝合金中，er与cu元素重量比例为(0.05～0.84):1。

7、本发明还提供一种制备如上述任一项所述的耐高温抗热裂铸造铝合金的方法，包括以下操作步骤：

8、按照铸造铝合金中元素配比称取所需比例份数含铜料、含铒料、含锰料、含锆料、含钛料、含铝料，将含铜料、含铒料、含锰料、含锆料、含铝料进行熔炼，熔炼后加入含钛料进行细化处理，然后经浇铸成型，再进行一级或多级固溶处理、时效处理，得到铸造铝合金。

9、优选的，含铜料以纯铜锭或al-cu中间合金的形式加入，含铒料以al-er中间合金的形式加入，含锰料以al-mn中间合金的形式加入，含锆料以al-zr中间合金的形式加入，含钛料以al-ti或al-ti-b中间合金的形式加入，含铝料以纯铝锭的形式加入。

10、优选的，熔炼温度为750℃～800℃，细化温度为700℃～750℃，浇铸成型温度为700℃～730℃。

11、优选的，完成细化处理后，将温度降至700℃～730℃进行熔体净化、惰性气体除气精炼，静置2min～30min后，扒渣，再进行浇铸成型。

12、优选的，固溶处理采用一级固溶处理工艺，时效处理采用一级时效处理工艺：先在450℃～550℃温度范围内进行不超过35h的固溶热处理，再在150～220℃范围内进行不超过40小时的时效处理。

13、优选的，固溶处理采用双级固溶热处理工艺：先在440℃～510℃温度范围内进行不超过15h的一级固溶热处理，然后在510℃～550℃温度范围内进行不超过20h的二级固溶热处理。

14、优选的，固溶处理采用三级固溶热处理工艺：在440℃～480℃保温0.5h～10h，再升温到480℃～510℃保温0.5h～15h，最后升温到510℃～550℃保温0.5h～10h。

15、优选的，时效处理采用二级时效处理工艺：先在150℃～165℃保温1h～16h，然后在180℃～200℃保温6h～24h。

16、优选的，时效处理采用三级时效处理工艺：先在150℃～165℃保温1h～10h，然后170℃～190℃保温6h～15h，最后升温到190℃～220℃保温8h～15h。

17、本发明提供一种耐高温抗热裂铸造铝合金及其制备方法，主要具有如下有益效果：

18、(1)本发明通过对合金成分的优化，合金具有良好的抗热裂性能；通过对热处理工艺的优化，能够获得大量细小弥散的强化相，具有良好的力学性能和优秀的高温力学性能；

19、(2)本发明所述的铸造铝合金通过调整合金中er元素、cu元素的含量、比例及其存在形式，获得300℃高温下的抗拉强度≥210mpa，延伸率≥7％；

20、(3)本发明所述的铸造铝合金通过er元素调整合金的固相线温度，缩短合金的凝固温度区间，提高合金的抗热裂性能。

技术特征：

1.一种耐高温抗热裂铸造铝合金，其特征在于，含有如下质量百分比的组分：

2.根据权利要求1所述的一种耐高温抗热裂铸造铝合金，其特征在于，含有如下质量百分比的组分：

3.根据权利要求1或2所述的一种耐高温抗热裂铸造铝合金，其特征在于，er与cu元素质量比例为0.05～0.84:1。

4.制备如权利要求1-3任一项所述的耐高温抗热裂铸造铝合金的方法，其特征在于，包括以下操作步骤：

5.制备如权利要求4所述的耐高温抗热裂铸造铝合金的方法，其特征在于，完成所述细化处理后，将温度降至700℃～730℃进行熔体净化、惰性气体除气精炼，静置2min～30min后，扒渣，再进行浇铸成型。

6.制备如权利要求4所述的耐高温抗热裂铸造铝合金的方法，其特征在于，先在450℃～550℃温度范围内进行不超过35h的固溶热处理，再在150～220℃范围内进行不超过40小时的时效处理。

7.制备如权利要求4所述的耐高温抗热裂铸造铝合金的方法，其特征在于，所述固溶处理采用双级固溶热处理工艺：先在440℃～510℃温度范围内进行不超过15h的一级固溶热处理，然后在510℃～550℃温度范围内进行不超过20h的二级固溶热处理。

8.制备如权利要求4所述的耐高温抗热裂铸造铝合金的方法，其特征在于，所述固溶处理采用三级固溶热处理工艺：在440℃～480℃保温0.5h～10h，再升温到480℃～510℃保温0.5h～15h，最后升温到510℃～550℃保温0.5h～10h。

9.制备如权利要求4所述的耐高温抗热裂铸造铝合金的方法，其特征在于，所述时效处理采用双级时效处理工艺：先在150℃～165℃保温1h～16h，然后在180℃～200℃保温6h～24h。

10.制备如权利要求4所述的耐高温抗热裂铸造铝合金的方法，其特征在于，所述时效处理采用三级时效处理工艺：先在150℃～165℃保温1h～10h，然后170℃～190℃保温6h～15h，最后升温到190℃～220℃保温8h～15h。

技术总结
本发明提供了一种耐高温抗热裂铸造铝合金及其制备方法，其解决了现有铝合金的力学性能无法满足高温条件的要求，且抗热裂性能差和成型性能差的技术问题，本发明铸造铝合金含有如下质量百分比的组分：Cu含量为5％～10％，Er含量为0.3％～5％，Mn含量为0.3％～2％，Zr含量为0.1％～1.5％，Ti含量为0.05％～0.35％，Fe含量≤0.5％，Si含量≤0.5％，其他元素总量≤0.2％，余量为Al。本发明还公开了上述铸造铝合金的制备方法，按照铸造铝合金元素配比称取所需比例含铜料、含铒料、含锰料、含锆料、含钛料、含铝料，将含铜料、含铒料、含锰料、含锆料、含铝料进行熔炼，熔炼后加入含钛料进行细化处理，再经浇铸成型、固溶处理、时效处理，得到铸造铝合金。可广泛应用于金属材料领域。

技术研发人员：朱训明,张二林,王丽,刘旦,郭春生,段军鹏,孟令涛
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13