一种提升含钪元素铝锂合金强度的工艺方法

本发明属于铝锂合金制备，具体涉及一种提升含钪元素铝锂合金强度的工艺方法。

背景技术：

1、航空航天工业对高强度、高性能、轻量化和高性价比的结构材料需求不断增加，极大地促进了新型铝锂合金结构材料的改进和发展。研究表明，向al中每添加1wt.％li，可以使合金密度降低3％，弹性模量增加约6％，所以向al中添加li能够有效降低合金的重量，改善综合性能，满足航空航天的重大需求。此外，al-cu-li合金与传统商用2xxx和7xxx铝锂合金相比，具有密度低、比强度高、弹性模量高等优点，是航空航天工业中最具吸引力的合金材料，已在火箭油箱和大型客机的尾翼、机身、下上机翼上获得应用。

2、增加有效载荷、燃油效率以及来自钛合金和复合材料的激烈竞争的巨大压力，研发的新一代航空航天飞机对所需结构材料的性能要求更加苛刻，迫使铝合金制造商必须不断开发新型高综合性能的航空铝合金材料。通过调控其合金成分、微观组织、热处理制度来提高现有铝合金的性能以能够满足航空航天的需求。大量研究表明，稀土sc元素的添加是改善铝合金组织与性能的优良选择：(1)在铝和铝合金中添加sc元素可以细化铸造坯料晶粒尺寸，主要形成等轴晶而不是长枝晶，(2)sc元素在铝合金中强的抗再结晶作用，可以在较高温度下稳定晶粒尺寸，特别是，当sc和zr混合添加时，抗再结晶效果更明显。(3)协助强化析出相的成核，并在高温暴露时提高其析出相抗粗化能力。(4)焊接时具有良好的抗热裂性，(5)铝合金中sc元素的添加降低黄铜织构的含量，进而降低力学性能的各向异性，提高成形性，(6)显著降低裂纹扩展速率。然而，均匀化热处理后含sc元素的第三代al-cu-li合金中sc诱导形成的富cu残留w(alcusc)第二相，导致铝基体中cu元素的固溶度难以提升，极大的限制了第三代al-cu-li合金时效态的力学性能。大量研究表明，均匀化过程中w相的形成与cu含量密切相关，并对不同含cu量合金的性能存在积极或消极影响。当cu含量低于3wt.％时，在铸造和随后的均匀化过程中不会检测到w相。然而，在一些cu含量为3-6wt.％的合金中，当sc含量低于0.1wt.％时，铸造合金中未发现w相，w相在一些alcu相周围成核，并在均质过程中随着sc元素的扩散而呈现不连续分布。这说明均质过程并没有完全溶解粗大相，而是形成了另一种高温含cu相，从而降低了铝固溶体中的铜原子浓度。此外，在al-cu-li合金中添加sc元素并非总是有益的选择，例如，在cu含量较高的al-cu-li合金中少量添加sc会导致机械性能下降。这主要是由于在均匀化过程中形成了w相，它消耗了cu元素并抑制了t1相的析出。显然，这种传统的均匀化处理方法无法最大限度地提高铝固溶体中的cu原子浓度。因此，必须采取一种有效的措施来改善sc元素的添加导致的不利作用，充分发挥sc元素在al-cu-li合金中的优势作用，为开发综合性能更优的航空航天用铝合金提供理论支持和应用基础。

技术实现思路

1、针对现有技术中对于提高含sc的第三代al-cu-li合金强度的不足，本发明的目的在于提供一种提升含钪元素铝锂合金强度的工艺方法。本发明所提供的工艺方法，通过适配的轧制工艺和热处理工艺相结合的方法，调控含sc的第三代al-cu-li合金铸锭中初生alcu相尽可能充分溶解于铝基体而抑制大量的w相形成，促进cu元素在铝基体中的固溶度，并在时效过程中获得更高体积分数的时效析出相，显著增加其对强度的贡献，实现含sc的第三代al-cu-li合金强度的显著提升。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明一种提升含钪元素铝锂合金强度的工艺方法，将含钪元素铝锂合金铸锭进行多道次热轧获得热轧板，将热轧板进行退火处理，获得退火件，将退火件的进行多道次冷轧获得冷轧板，最后将冷轧板依次进行固溶处理、时效处理即得含钪元素铝锂合金。

4、本发明的工艺方法，直接对含钪元素铝锂合金铸锭进行多道次热轧，由于铸锭中粗大相与al基体的弹性常数和变形行为不协调，变形过程中会发生应力集中，当应力集中大于临界值时，粗大相产生裂纹并破碎为细小颗粒，具有较大曲率半径(即更高表面能)的细小相比粗大相更容易溶解，并在多道次热轧过程中形成动态溶解，起到溶解粗大相并抑制w相形成的作用，热轧后进行退火处理，促进热轧过程中部分残余低熔点初生相进一步的溶解，促进溶质原子均匀分布，提高冷轧过程中的塑性变形能力，随后进行多道次冷轧，通过变形储能快速累积进一步有效破碎富cu第二相，形成高密度的位错等，为原子快速扩散提供有利通道，提升固溶保温过程中cu原子回溶al基体的效果，然后再利用固溶热处理使冷轧态板材中的第二相充分溶解于铝基体中，获得过饱和固溶体，最后通过时效处理时效过程中获得均匀化分布和高体积分数的细小的强化相，显著提高合金的强度。

5、本发明的工艺，对于含钪元素铝锂合金均适用，因此对于含钪元素铝锂合金的成分不受限制，不过发明人发现，本发明工艺方法对以下成分的铝锂合金可以进行更大的改进，最终获得更优的性能。

6、优选的方案，所述含钪元素铝锂合金铸锭，按质量百分比计，组成如下：cu：3.50-4.38％，li：0.76-1.42％，mg：0.35-0.95％，ag：0.10-0.39％，mn：0.30-0.50％，zn：0.20-0.51％，sc：0.05-0.20％，zr：0.11-0.30％，余量为al。

7、本发明提供的含钪元素铝锂合金是以第三代al-cu-li合金为基础，时效过程中主要沿(111)al面形成六边形结构的半共格t1相，具有显著的强化效果。此外还复合添加了，sc、zr、zn、mn等元素，zn原子能够在t1相上富集，促进t1相析出的同时，改善晶界析出相的种类，可以提高耐腐蚀性。此外，mn的添加可以形成al20cu2mn3弥散相，具有很高的热稳定性，能够有效阻碍变形过程中的位错滑移以及再结晶过程中的晶界迁移，预变形过程中在其周围形成的位错充当非均匀形核质点，在一定程度上起到强化相析出的作用。此外，复合添加sc、zr元素，减少了铸锭中的枝晶偏析，细化了铸锭晶粒组织，为直接进行热轧奠定了基础。此外，铝基体中形成的含sc、zr相在固溶热处理过程中，能有效阻碍晶界迁移，减小合金的再结晶长大，获得更细小的晶粒组织。

8、然而，上述含sc元素的al-cu-li合金铸锭，在均匀化过程中会形成大量的粗大w相，若采用现有技术的工艺，在固溶过程中难以溶解，这些粗大相消耗大量cu原子，不利于后续时效过程中析出相的形成，严重降低材料的强度，而通过本发明特定的工艺，即可以将粗大相转化为细小颗粒分布，结合中间退火和固溶制度调整使合金含cu相显著溶解，促进铝固溶体中获得更高的cu含量，使时效过程中获得均匀化分布和高体积分数的强化相，显著提高合金的强度。

9、优选的方案，所述多道次热轧的温度为460℃-500℃，优选为490℃-500℃，首道次热轧前先于460℃-500℃，优选为490℃-500℃，保温1h-10h，优选为1-3h，道次间于460℃-500℃，优选为490℃-500℃，保温10-30min。

10、优选的方案，所述多道次热轧时，单道次的轧制压下量为10％-15％，总压下量70％-90％。

11、发明人发现，每道次压下量控制在10％到15％之间，并在每道次结束后进行保温10-30分钟，可以避免位错累积引起铸锭局部的微裂纹，确保轧制板材质量。此外，通过热轧变形，可一定程度破碎初生相并引入一定量的形变储能。

12、优选的方案，所述退火处理的温度为480℃-530℃，退火处理的时间为1h-10h。

13、发明人发现，高温退火处理程中进一步促进热轧过程中部分残余低熔点初生相溶解，有利于溶质原子均匀分布，提高冷轧过程中的塑性变形能力，并防止在高温固溶过程中出现过烧现象。

14、优选的方案，所述多道次冷轧的总变形量为50％-90％，单道次变形量为10-15％。

15、在本发明中，进一步冷轧，变形储能快速累积且有效破碎富cu第二相，形成高密度的位错等，为原子快速扩散提供有利通道，提升固溶保温过程中cu原子回溶al基体的效果。

16、优选的方案，所述固溶处理的温度为520℃-555℃，固溶处理的时间为1h-3h，固溶处理完成后，立即水冷至室温。

17、在本发明中，固溶热处理使冷轧态板材中的第二相充分溶解于铝基体中，获得过饱和固溶体，有利于后续时效析出。

18、在实际操作过程中，将固溶处理后的板材立即置于室温水中进行淬火处理。通过迅速水冷至室温，避免冷却速率过低导致粗大第二相形成，进而影响时效析出。

19、优选的方案，所述时效处理前先进行预变形，预变形量为2-6％。

20、进一步的优选，所述预变形为预拉伸变形。

21、预变形可以有效释放淬火过程中的残余应力，此外本发明通过采用预拉伸变形引入位错有效促进析出物的成核，进一步改善材料的机械性能。不过预变形量需要有效控制，预变量过小不能有效引入位错密度，而预变量过大会显著降低合金的塑性。

22、优选的方案，所述时效处理的温度为145℃-175℃，时效处理的时间为10h-80h。

23、固溶处理后，进行峰值时效处理，将时效处理的温度控制在上述范围内，最终所得铝锂合金强度最高，若时效温度过低不利于主要的t1相析出，时效温度过高会加速强化相的粗化，降低峰值硬度。

24、原理与优势

25、本发明的工艺方法，直接对含钪元素铝锂合金铸锭进行多道次热轧，由于铸锭中粗大相与al基体的弹性常数和变形行为不协调，变形过程中会发生应力集中，当应力集中大于临界值时，粗大相产生裂纹并破碎为细小颗粒，具有较大曲率半径(即更高表面能)的细小相比粗大相更容易溶解，并在多道次热轧过程中形成动态溶解，起到溶解粗大相并抑制w相形成的作用，热轧后进行退火处理，促进热轧过程中部分残余低熔点初生相进一步的溶解，促进溶质原子均匀分布，提高冷轧过程中的塑性变形能力，随后进行多道次冷轧，通过变形储能快速累积进一步有效破碎富cu第二相，形成高密度的位错等，为原子快速扩散提供有利通道，提升固溶保温过程中cu原子回溶al基体的效果，然后再利用固溶热处理使冷轧态板材中的第二相充分溶解于铝基体中，获得过饱和固溶体，最后通过时效处理时效过程中获得均匀化分布和高体积分数的细小的强化相，显著提高合金的强度。

26、本发明针对初始铸锭直接进行塑性变形，显著改善初生相的形貌，提高了cu原子在铝固溶体中的含量。通过塑性变形和热处理工艺调整实现对微观组织的调控，进而实现含sc的第三代al-cu-li合金强度的显著提升，本发明通过调整热机械处理工艺，最大程度消除铝锂合金铸锭中的结晶相残留，显著提升了添加钪元素铝锂合金的强度，实现了制备超高强含sc元素铝锂合金的短流程工艺。