一种高强耐热铝锂合金及其制备方法与流程

本发明属于铝合金材料，涉及一种高强耐热铝锂合金及其制备方法，具体涉及al-cu-li-mg-x系高强耐热铝锂合金及其制备工艺，所制备的铝锂合金在室温、250℃和300℃下均具有较高的强度。

背景技术：

1、随着航空、航天领域的快速发展，飞行器对低结构重量，高性能指标的需求愈加迫切，采取低密度的材料是有效提高飞行器运载能力的一个重要措施。铝合金拥有优异的低密度特性，但高温性能较差，现有的成熟2xxx系变形耐热铝合金长时间许可使用温度不超过200℃，而发动机附近机身蒙皮和隔框、高速无人机蒙皮以及超高声速的骨架材料则需要使用可在250℃～300℃温度范围内工作的轻质高强耐热铝合金。

2、提高铝合金中析出相的稳定性是获得更高耐热性能的一个主要方向。为了提高铝合金的高温性能，国内外研究者通常选用多元合金化方法的改变、抑制析出相的长大。专利cn110423926a公开了一种耐热铝合金及其制备方法。在al-cu-mg合金中加入ag元素，通过固溶后的预拉伸以及双级时效调控析出相的类型，从而提高合金的耐热性能，但该类合金的长期使用温度一般不超过200℃。专利cn115537617a公开了一种高强耐热铝合金及其制备方法，在al-cu-mg合金中引入微量sn元素，通过引入微量的sn元素，捕捉晶间大量的空位，形成溶质原子空位对，并阻碍后续s相的形成，同时起到抑制主强化耐热相ω相的粗化，从而提高合金的耐热性，该合金主要用于飞机轮毂，其工作温度一般不超过165℃。

3、正常温度下，晶界可以阻碍滑移运动，使变形发生在晶粒内部，从而提高合金强度。当铝合金处于300℃的高温环境下，晶界区域由于众多的点缺陷存在，使其在该温度下发生软化而成为合金的薄弱区域，因此，如何提高晶界强度就是提高铝合金300℃下高温性能的重要措施。

技术实现思路

1、本发明的目的是：针对现有成熟的变形耐热铝合金耐温性能不满足无人机以及超高声速飞机(5马赫以上)的使用要求，提出一种al-cu-li-x系高强耐热铝锂合金及其制备方法，使制备的铝锂合金具备250℃下长时间使用(50小时)以及300℃下短时间使用的性能。

2、为解决此技术问题，本发明的技术方案是：

3、提供一种高强耐热铝锂合金，所述的铝锂合金各组分及其质量百分比为：cu 3.6～4.4％，li 1.1～1.5％，mg 0.3～1.2％，mn 0.4～0.8％，zr 0.09～0.15％，ti 0.02～0.05％，sc 0.10～0.30％，ag 0.25～0.40％，杂质元素fe≤0.1％，si≤0.1％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为al。

4、优选地，所述的铝锂合金各组分及其质量百分比为：cu 3.60％，li 1.3％，mg0.8％，mn 0.6％，zr 0.15％，ti 0.03％，sc 0.10％，ag 0.25％。

5、进一步地，所述的铝锂合金各组分及其质量百分比为：cu 3.8％，li 1.4％，mg1.2％，mn 0.8％，zr 0.15％，ti 0.03％，sc 0.3％，ag 0.3％。

6、还提供一种权利要求1所述的耐热铝锂合金的制备方法，包括以下步骤：

7、步骤1、根据合金成分进行熔炼铸造，制备成半连续铸锭；

8、步骤2、在空气循环炉内对铸锭进行均匀化处理，处理时采取双级加热工艺；

9、步骤3、将均匀化处理后的铸锭扒皮处理后，经过初次热变形→高温保温→中温二次热变形；

10、步骤4、成形后的板材/锻件经过固溶淬火、冷变形、时效处理，得到高强耐热铝锂合金材料。

11、步骤2中所述二级加热工艺具体为：第一级均匀化温度为380～440℃，第二级均匀化温度为485～510℃。

12、步骤3中所述热加工工艺为热轧、热锻工艺中任意一种，初次热轧/热锻加热温度400～440℃，初次热变形至成品厚度1.5～1.7倍为止；高温保温490℃～530℃，保温2～4h；出炉空冷、风冷或水冷至180℃～210℃进行中温二次热轧/热锻，直至达到成品厚度规格。

13、所述步骤4中采取的固溶处理为双级固溶，首先在470～490℃保温0.5～3h，然后升温至520℃～540℃。保温0.5～4h，室温水淬火，然后在30min内进行4.5％～6.5％的冷变形处理。

14、步骤4中的时效处理为120～130℃保温6～10h，随炉升温至145～155℃保温12～20h。

15、本发明的有益效果是：

16、本发明针对上述两种可改善铝合金高温性能的措施，通过合理搭配铝锂合金中的向cu、li、mg元素的含量，同时引入微量合金化元素ag、sc、ti、zr等，搭配本发明的制备方法可以有效的提高析出相的稳定性，并控制合金晶界处高温稳定相弥散析出，同时利用热变形-高温保温-中温变形制备工艺结合后续的分级固溶处理工艺，调控铝锂合金的晶粒组织形貌，使其成为相互嵌套的块状特征组织，由此提高铝锂合金高温性能。具体有以下效果：

17、1、本发明通过多元成分设计、多级均匀化工艺、变温变形以及形变热处理等工艺，获得相对较大且晶界相互嵌套的特征组织(如图1、2所示)，有效抑制高温下晶界的滑动，获得具有良好高温稳定性的宏观、微观特征组织，从而提高铝锂合金耐热性；

18、2、本发明所采取的制备工艺及方法均可在现有的工业化装备上实现，具有较强的可操作性和可实施性。

19、3、本发明的al-cu-li系铝合金具有优异的高温力学性能，在250℃下的持久强度可达300mpa以上，300℃下的高温抗拉强度可达300mpa以上，屈服强度270mpa以上。

技术特征：

1.一种高强耐热铝锂合金，其特征在于：所述的铝锂合金各组分及其质量百分比为：cu3.6～4.4％，li 1.1～1.5％，mg 0.3～1.2％，mn 0.4～0.8％，zr 0.09～0.15％，ti 0.02～0.05％，sc 0.10～0.30％，ag 0.25～0.40％，杂质元素fe≤0.1％，si≤0.1％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为al。

2.一种高强耐热铝锂合金，其特征在于：所述的铝锂合金各组分及其质量百分比为：cu3.60％，li 1.3％，mg 0.8％，mn 0.6％，zr 0.15％，ti 0.03％，sc0.10％，ag 0.25％。

3.一种高强耐热铝锂合金，其特征在于：所述的铝锂合金各组分及其质量百分比为：cu3.8％，li 1.4％，mg 1.2％，mn 0.8％，zr 0.15％，ti 0.03％，sc 0.3％，ag 0.3％。

4.一种权利要求1所述的耐热铝锂合金的制备方法，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤2中所述二级加热工艺具体为：第一级均匀化温度为380～440℃，第二级均匀化温度为485～510℃。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤3中所述热加工工艺为热轧、热锻工艺中任意一种，初次热轧/热锻加热温度400～440℃，初次热变形至成品厚度1.5～1.7倍为止；高温保温490℃～530℃，保温2～4h；出炉空冷、风冷或水冷至180℃～210℃进行中温二次热轧/热锻，直至达到成品厚度规格。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述步骤4中采取的固溶处理为双级固溶，首先在470～490℃保温0.5～3h，然后升温至520℃～540℃。保温0.5～4h，室温水淬火，然后在30min内进行4.5％～6.5％的冷变形处理。

8.根据权利要求4所述的制备方法，步骤4中的时效处理为120～130℃保温6～10h，随炉升温至145～155℃保温12～20h。

技术总结
本发明属于铝合金材料技术领域，公开了一种高强耐热铝锂合金及其制备工艺，该工艺适用的铝锂合金成分及重量百分比为：Cu 3.6～4.4％，Li 1.1～1.5％，Mg 0.3～1.2％，Mn 0.4～0.8％，Zr 0.09～0.15％，Ti 0.02～0.05％，Sc 0.10～0.30％，Ag 0.25～0.40％，杂质元素Fe≤0.1％，Si≤0.1％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al；该合金的制备工艺：铝锂合金熔铸→均匀化→热变形→固溶淬火→冷变形→人工时效。本发明提供的合金在经过上述工艺处理后，在具备良好室温性能的同时，在250℃和300℃的高温条件下均具有较高的强度。

技术研发人员：郝时嘉,李国爱,冯朝辉,钟立伟,于娟
受保护的技术使用者：中国航发北京航空材料研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16