一种同时含β

一种同时含
β
″
相和
θ
′
相的铝合金及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及一种同时含β
″
相和θ
′
相的铝合金及其制备方法，属于铝及铝合金铸造技术领域。


背景技术：

2.zl114a合金是我国北京航空材料研究院自主研发的铸造al-si-mg合金(si含量：6.5～7.5wt％；mg含量：0.45～0.75wt％)，具有良好的力学性能(根据航空标准，金属型铸造条件下，zl114a合金的抗拉强度需大于300mpa)，被广泛应用于航空航天工业，尤其适合生产结构铸件，如战斗机用导弹挂架、发动机机匣和燃油壳体等。近年来航空航天装备轻量化和高可靠性制造的发展趋势对zl114a合金的强度提出了更高的要求，提高zl114a合金的强度不仅有利于现有铸件的生产与实用，也为该合金拓宽工业化使用范围甚至该合金的升级打下了基础。
3.β
″
相是纳米mg-si析出相，是zl114a合金中原本就存在的强化相。θ
′
相是纳米al-cu析出相，是zl114a合金中不存在的强化相。在zl114a合金中添加适量的cu，有可能就会出现β
″
相和θ
′
相两相协同强化的现象，从而大幅度提高zl114a合金的强度，cu含量太高对zl114a合金的工业化使用有很大的影响，cu含量太低不会出现β
″
相和θ
′
相两相协同强化的现象。董亮等研究了cu对铸造al-7si-0.3mg合金的影响，但其cu含量为1.5wt％，远超过mg含量，对合金的工业化使用有较大的影响(董亮.cr,mg,cu合金化对于al-7％si铸造铝合金结构和性能的影响[d].上海交通大学,2018.)；ceschini等人研究了cu对铸造al-7si-0.4mg合金的影响，但其cu含量为1.5wt％，远超过mg含量，对合金的工业化使用有较大的影响(ceschini l,messieri s,morri a,et al.effect of cu addition on overagingbehaviour,room and high temperature tensile and fatigue properties of a357 alloy[j].transactions of nonferrous metals society of china,2020,30(11):2861-2878.)；张洋等人研究了cu对铸造al-7.3si-0.6mg合金的影响，但其cu含量仅为0.2wt％，cu含量太低，不会出现β
″
相和θ
′
相两相协同强化的现象(张洋.sr加入量及微量cu元素对a357合金组织和性能的影响[d].哈尔滨工业大学,2010.)；周楠等人研究了cu对铸造al-7si-0.6mg合金的影响，但其cu含量仅为0.11wt％，cu含量太低，不会出现β
″
相和θ
′
相两相协同强化的现象(周楠.凝固条件与cu元素对a357合金筒形件组织及力学性能影响.哈尔滨工业大学,2013.)；王东成等人研究了cu元素对铸造al-7si-0.6mg合金的影响，最佳cu含量为0.5wt％，但添加cu后合金最大的抗拉强度仅有331mpa(王东成.zl114a合金组织与力学性能的综合优化.南昌航空大学,2010.)；王爽等人研究了cu元素对铸造al-7si-0.3mg合金的影响，cu含量为0.5wt％，但添加cu后合金最大的抗拉强度仅有300mpa(王爽.柴油机用cu、cr改性a356铸铝合金时效工艺研究[d].山东大学,2018.)。总之，在目前有关cu元素对类似zl114a合金的铸造al-si-mg合金的影响的研究中，没有研究者利用β
″
相和θ
′
相两相协同强化的方法大幅提高合金的强度，在现有的研究中，添加cu后，al-si-mg合金的最大抗拉强度远小于350mpa。


技术实现要素：

[0004]
本发明提供了一种添加适量的cu后，利用β
″
相和θ
′
相两相协同强化的方法大幅提高zl114a合金的强度的方法，按照本方法处理后，zl114a合金的抗拉强度能达到380mpa以上。
[0005]
本发明一种同时含β
″
相和θ
′
相的铝合金，所述铝合金以质量百分比计，包括下述组分：
[0006]
si：6～8wt％，mg：0.4～0.8wt％，cu：0.33～0.6wt％，ti：0.1～0.2wt％，余量为al；所述铝合金同时含有β
″
相和θ
′
相。
[0007]
在本发明中β
″
相是纳米mg-si析出相。θ
′
相是纳米al-cu析出相。
[0008]
作为优选方案；本发明一种同时含β
″
相和θ
′
相的铝合金，所述铝合金以质量百分比计，包括下述组分：
[0009]
si：6.5～7.5wt％，mg：0.45～0.75wt％，cu：0.33～0.55wt％，ti：0.1～0.2wt％，余量为al。
[0010]
作为进一步的优选方案；本发明一种同时含β
″
相和θ
′
相的铝合金，所述铝合金以质量百分比计，包括下述组分：
[0011]
si：7.00wt％，mg：0.60wt％，cu：0.50wt％，ti：0.12wt％，余量为al。本发明一种同时含β
″
相和θ
′
相的铝合金的制备方法，包括下述步骤：
[0012]
步骤一熔铸
[0013]
按设计组分配取各原料；铸造；得到铸件；
[0014]
步骤二固溶淬火处理：
[0015]
对步骤一所得铸件进行固溶处理，固溶处理后进行水淬；得到固溶处理后的试样；固溶处理时控制温度为525～545℃(优选为535～545℃)、保温为12～16h，淬火时，淬火水温控制在45～80℃(优选为50～60℃)；
[0016]
步骤三人工时效处理：
[0017]
对步骤二所得固溶淬火处理后的试样进行级时效处理，得到成品；时效温度为163～185℃(优选为175-185℃、进一步优选：时效温度为180-182℃)、保温时间为7～12h、优选为8-10h。
[0018]
作为优选方案，本发明一种同时含β
″
相和θ
′
相的铝合金的制备方法；步骤一中，铜单独配取，其余合金元素通过zl114a合金提供；按设计组分配取zl114a合金和铜，然后经熔炼、铸造得到铸件；所述铸件中铜的含量为0.33～0.55wt％。
[0019]
本发明一种同时含β
″
相和θ
′
相的铝合金的制备方法；当采用树脂砂型铸造时，产品的抗拉强度大于等于380mpa(远远高于现有产品的强度)。
[0020]
本发明一种同时含β
″
相和θ
′
相的铝合金的制备方法；当按照下述步骤操作时，产品的性能远远优于其他方案：
[0021]
(1)添加0.5wt％的cu，合金熔炼：按常规方法对zl114a合金进行熔炼，在其中加入0.5wt％的cu；树脂砂型铸造；得到铸件；步骤(1)中；添加zn后，各元素的含量分别为si：7.00wt％，mg：0.60wt％，cu：0.50wt％，ti：0.12wt％，余量为al；
[0022]
(2)固溶淬火处理：按常规方法对步骤(1)所得铸造件进行固溶处理，温度控制在540
±
5℃、保温13h、淬火水温控制在50～60℃；
[0023]
(3)时效处理：对步骤(2)所得合金进行时效处理，时效温度为180℃，时间为10h；
[0024]
经过上述处理，树脂砂型铸造条件下，zl114a合金铸件的抗拉强度为390mpa。
[0025]
本发明具有如下特点：
[0026]
(1)按照本方法处理后，zl114a合金中出现β
″
相和θ
′
相两相协同强化的现象。
[0027]
(2)根据航空标准，金属型铸造条件下，zl114a合金的抗拉强度需大于300mpa，按照本方法处理后，树脂砂型铸造条件下，zl114a合金的抗拉强度能达到380mpa以上。
附图说明
[0028]
图1为本发明的室温拉伸试样尺寸。
[0029]
图2为时效温度为180℃，时间为8h，cu含量分别为0、0.3wt％和0.5wt％的纳米析出相图。图中用方框标记的是β
″
相，用箭头标记的是θ
′
相。
[0030]
图3为时效温度为165℃，时间为1h，cu含量分别为0、0.3wt％和0.5wt％的纳米析出相图。图中用方框标记的是β
″
相。
具体实施方式
[0031]
实施例一：在zl114a合金中添加0.5wt％的cu，时效温度为180℃，时间为8h。
[0032]
(1)添加0.5wt％的cu，合金熔炼：按常规方法对zl114a合金进行熔炼，在其中加入0.5wt％的cu；树脂砂型铸造；得到铸件；步骤(1)中；添加zn后，各元素的含量分别为si：7.00wt％，mg：0.60wt％，cu：0.50wt％，ti：0.12wt％，余量为al。
[0033]
(2)固溶淬火处理：按常规方法对步骤(1)所得铸造件进行固溶处理，温度控制在540
±
5℃、保温13h、淬火水温控制在50～60℃。
[0034]
(3)时效处理：对步骤(2)所得合金进行时效处理，时效温度为180℃，时间为8h。
[0035]
经过上述处理，树脂砂型铸造条件下，zl114a合金铸件的抗拉强度为384mpa。
[0036]
实施例二
[0037]
其他条件和实施一一致，不同之处在于：对步骤(2)所得合金进行时效处理，时效温度为180℃，时间为10h。经过上述处理，树脂砂型铸造条件下，zl114a合金铸件的抗拉强度为390mpa。
[0038]
实施例三：在zl114a合金中添加0.5wt％的cu，时效温度为165℃，时间为8h。
[0039]
(1)添加0.5wt％的cu，合金熔炼：按常规方法对zl114a合金进行熔炼，在其中加入0.5wt％的cu；树脂砂型铸造；得到铸件；步骤(1)中；添加zn后，各元素的含量分别为si：7.00wt％，mg：0.60wt％，cu：0.50wt％，ti：0.12wt％，余量为al。
[0040]
(2)固溶淬火处理：按常规方法对步骤(1)所得铸造件进行固溶处理，温度控制在540
±
5℃、保温13h、淬火水温控制在50～60℃。
[0041]
(3)时效处理：对步骤(2)所得合金进行时效处理，时效温度为165℃，时间为8h。
[0042]
经过上述处理，树脂砂型铸造条件下，zl114a合金铸件的抗拉强度为362mpa。
[0043]
实施例四
[0044]
其他条件和实施三一致，不同之处在于：对步骤(2)所得合金进行时效处理，时效温度为165℃，时间为10h。经过上述处理，树脂砂型铸造条件下，zl114a合金铸件的抗拉强度为369mpa。
[0045]
实施例五
[0046]
其他条件和实施三一致，不同之处在于：对步骤(2)所得合金进行时效处理，时效温度为170℃，时间为8h。经过上述处理，树脂砂型铸造条件下，zl114a合金铸件的抗拉强度为365mpa。
[0047]
对比例1：
[0048]
其他条件和实施例1一致，不同之处在于：
[0049]
在zl114a合金中添加0.3wt％的cu，时效温度为165℃，时间为1h。
[0050]
树脂砂型铸造条件下，所得zl114a合金铸件的抗拉强度仅为295mpa。
[0051]
对比例2：
[0052]
其他条件和实施例1一致，不同之处在于：
[0053]
在zl114a合金中添加0.5wt％的cu，时效温度为165℃，时间为1h。
[0054]
树脂砂型铸造条件下，所得zl114a合金铸件的抗拉强度仅为305mpa。
[0055]
对比例3：
[0056]
其他条件和实施例1一致，不同之处在于：
[0057]
在zl114a合金中添加0.5wt％的cu，时效温度为150℃，时间为8h。树脂砂型铸造条件下，所得zl114a合金铸件的抗拉强度仅为330mpa。
[0058]
对比例4
[0059]
其他条件和实施例1一致，不同之处在于：固溶580℃13h，时效165℃8h，树脂砂型铸造条件下，所得zl114a合金铸件的抗拉强度260mpa。
[0060]
对比例5
[0061]
其他条件和实施例1一致，不同之处在于：
[0062]
在zl114a合金中添加0.5wt％的cu，时效温度为180℃，时间为22h。树脂砂型铸造条件下，所得zl114a合金铸件的抗拉强度仅为340mpa。
[0063]
对比例6
[0064]
其他条件和实施例1一致，不同之处在于：
[0065]
在zl114a合金中添加0.5wt％的cu，时效温度为200℃，时间为8h。
[0066]
树脂砂型铸造条件下，所得zl114a合金铸件的抗拉强度仅为350mpa。
[0067]
对比例7
[0068]
其他条件和实施例1一致，不同之处在于：
[0069]
在zl114a合金中添加0.3wt％的cu。
[0070]
树脂砂型铸造条件下，所得zl114a合金铸件的抗拉强度仅为360mpa。
[0071]
对比例8
[0072]
其他条件和实施例1一致，不同之处在于：
[0073]
在zl114a合金中不添加cu。
[0074]
树脂砂型铸造条件下，所得zl114a合金铸件的抗拉强度仅为325mpa。
[0075]
对比例9
[0076]
其他条件和实施例1一致，不同之处在于：
[0077]
在zl114a合金中不添加cu，时效温度为165℃，时间为1h。
[0078]
树脂砂型铸造条件下，所得zl114a合金铸件的抗拉强度仅为275mpa。
[0079]
在实验过程中还发现，淬火有很大影响的是转移时间，转移时间超过25s，产品的性能就会差很多。
[0080]
从上述实施例和对比例可以看出，时效温度和时效时间相同，但cu含量过低，zl114a合金的强度较低；cu含量相同，时效时间相同，但时效温度过低，zl114a合金的强度较低；cu含量相同，时效温度相同，但时效时间较短，zl114a合金的强度较低；另外，只有利用β
″
相和θ
′
相两相协同强化，zl114a合金的强度才能大幅度提高，达到380mpa以上。
[0081]
除了上述探索，在技术开发过程中还发现对zl114铝合金，不加铜的情况下(其他条件和实施例一一致)；但：
[0082]
时效190℃，时间为50h，产品的抗拉强度仅为262mpa；
[0083]
时效190℃，时间为100h，产品的抗拉强度仅为233mpa；
[0084]
时效190℃，时间为150h，产品的抗拉强度仅为215mpa。