一种高强度航空航天材料及其制备方法

1.本发明涉及航空航天材料技术领域，特别涉及一种高强度航空航天材料及其制备方法。


背景技术：

2.航空航天材料是一类非常特殊的材料，它与军事应用密切相关。与此同时，航空航天材料的进步又对现代工业产生了深远的影响。推动航空航天领域新材料新工艺的发展，能够引领和带动相关技术进步和产业发展，衍生出更为广泛的、军民两用的新材料和新工艺。
3.铝合金具有优异的综合性能、成熟的设计和加工方法及可靠的检测手段，成为航空航天飞行器主要结构材料。ai-li系合金是近年来引起人们广泛关注的一种新型超轻结构材料，该合金的研制与应用，标志着半个多世纪以来铝合金领域的重要发展。锂是一种极为活泼且很轻的化学元素，密度为0.533g/cm3，为铝的1/5，在铝合金中加入锂元素，可以降低其密度，并改善合金的性能。新型铝锂合金密度低、比强度高、弹性模量高，高温和低温性能好、疲劳裂纹扩展速率低、耐腐蚀性能好，具有较好的加工性，是理想的航空航天轻质结构材料。
4.经过将近百年的发展，铝锂合金已进入成熟期，凭借其较高的比强度、比高度和优异的综合力学性能等诸多特点，已成为结构设计中的重点材料。如何进一步提高铝锂合金的强度，以满足更多的需求，是本领域值得研究的课题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种高强度航空航天材料及其制备方法。通过在铝锂合金中加入空心微珠，并且控制制备工艺，得到密度更低，强度更高的新型铝锂合金。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
7.本发明技术方案之一：提供一种高强度航空航天材料，组分按质量百分比计，包括：
8.li 0.72～1.0％、cu 2.6～3.15％、mg 0.23～0.72％、mn≤0.45％、zr 0.04～0.17％、ag 0.10～0.50％、zn≤0.32％、空心微珠8～10％，余量为al和不可避免的杂质。
9.优选地，所述高强度航空航天材料组分按质量百分比计，包括：li 0.72～1.0％、cu 2.6～3.15％、mg 0.23～0.72％、mn≤0.45％、zr 0.04～0.17％、ag 0.10～0.50％、zn≤0.32％、空心微珠10％，余量为al和不可避免的杂质。
10.优选地，所述空心微珠的粒径≤60μm，密度为0.6～1.1g/cm3。
11.本发明所用空心微珠是从电厂排放的废料粉煤灰中提取出来的体轻中空的球形颗粒，空心微珠的密度小，用于制备铝锂合金时，能够进一步降低铝锂合金的密度，同时，空心微珠的加入还能够提升基体材料的强度和刚度。本发明以空心微珠为原料，还实现了粉煤灰固废的再利用。
12.另外，对于航空航天材料材料而言，减重对于成本的降低具有很大的影响，推广应用可节约大量的燃料资源，有利于环保。
13.本发明技术方案之二：提供一种上述高强度航空航天材料的制备方法，包括以下步骤：
14.(1)配料：按预设质量百分比准备li、cu、mg、mn、zr、ag、zn、空心微珠和al；
15.(2)熔炼：先将li、cu、mg、mn、zr、ag、zn和al进行熔炼，然后加入空心微珠，搅拌；
16.(3)检测：检测合金液体的成分，进行调整；
17.(4)真空熔炼：将调整后的合金液体继续进行真空熔炼；
18.(5)成型：将真空熔炼后的合金液体铸锭成型，得到铝锂合金铸锭；
19.(6)固溶、时效处理：对所述铝锂合金铸锭进行固溶和时效处理，制得高强度航空航天材料。
20.优选地，步骤(2)中所述熔炼的温度为800～850℃，时间为60～90min；空心微珠加入时的温度为600～630℃；所述搅拌的速度为800～1000rpm，时间为10～15min。
21.优选地，步骤(4)中所述真空熔炼的温度为700～750℃，真空度为1000～2000pa，时间为20～30min。
22.本发明通过在铝锂合金的制备过程中加入真空熔炼，有效防止铝锂合金熔体吸氢，并减少熔体中易挥发的锂元素的烧损，达到增强铝锂合金塑性的效果。
23.优选地，步骤(6)中所述固溶处理的温度为400℃，时间为5h。
24.优选地，步骤(6)中所述时效处理的温度为180℃，时间为1h。
25.本发明的有益技术效果如下：
26.本发明通过在铝锂合金中加入空心微珠，弥散分布的空心微珠阻碍导致铝锂合金塑性变形的位错运动，随着外加应力的逐渐增大，位错越来越弯曲，最终形成位错环，提升铝锂合金的强度；在外荷载的作用下，铝锂合金基体内位错滑移在铝锂合金与空心微珠的界面上受到阻滞，在空心微珠上产生应力集中，从而达到增强铝锂合金强度的作用；加入的空心微珠依靠相变、膨胀失配、应力诱导等因素，产生微裂纹消耗能量，提高铝锂合金的负载韧性，得到高强度航空航天材料。
27.本发明通过在制备过程中引入真空熔炼以及在空心微珠加入时进行参数上的控制，减少了所制得高强度航空航天材料中的杂质含量，使空心微珠在铝锂合金基体内分布均匀，达到增强铝锂合金性能的目的。
具体实施方式
28.现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。
29.另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值，以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
30.除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规
技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。
31.关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
32.本发明所用空心微珠的粒径≤60μm，密度为0.95g/cm3，化学成分见表1。
33.表1空心微珠的化学成分(％)
[0034][0035]
实施例1
[0036]
高强度航空航天材料的制备：
[0037]
(1)配料：li 0.72％、cu 3.15％、mg 0.5％、mn 0.36％、zr 0.1％、ag 0.4％、zn 0.32％、空心微珠10％、al 84.45％配料；
[0038]
(2)熔炼：将li、cu、mg、mn、zr、ag、zn和al放入熔炼炉中，在800℃下熔炼90min，再将熔炼炉温度降低至600℃，加入空心微珠，1000rpm的速度下搅拌10min，得到合金熔体；
[0039]
(3)检测：利用光谱分析法检测合金熔体中的合金组分，对缺失量进行补足；
[0040]
(4)真空熔炼：将调整后的合金液体放入真空熔炼炉中再次熔炼，熔炼温度为750℃，时间为25min，真空度为1500pa；
[0041]
(5)成型：将真空熔炼后的合金液体浇铸至钢模中，得到铝锂合金铸锭；
[0042]
(6)固溶、时效处理：将步骤(5)所得铝锂合金铸锭放入箱式电阻炉中，500℃下固溶处理5h，固溶后立即用冷水淬火；将淬火后的铸锭放入温度为180℃的箱式电阻炉中进行时效处理1h，制得高强度航空航天材料。
[0043]
实施例2
[0044]
高强度航空航天材料的制备：
[0045]
(1)配料：li 0.10％、cu 2.8％、mg 0.72％、mn 0.40％、zr 0.04％、ag 0.5％、zn 0.25％、空心微珠8％、al 87.19％配料；
[0046]
(2)熔炼：将li、cu、mg、mn、zr、ag、zn和al放入熔炼炉中，在830℃下熔炼75min，再将熔炼炉温度降低至630℃，加入空心微珠，800rpm的速度下搅拌15min，得到合金熔体；
[0047]
(3)检测：利用光谱分析法检测合金熔体中的合金组分，对缺失量进行补足；
[0048]
(4)真空熔炼：将调整后的合金液体放入真空熔炼炉中再次熔炼，熔炼温度为730℃，时间为30min，真空度为2000pa；
[0049]
(5)成型：将真空熔炼后的合金液体浇铸至钢模中，得到铝锂合金铸锭；
[0050]
(6)固溶、时效处理：将步骤(5)所得铝锂合金铸锭放入箱式电阻炉中，500℃下固溶处理5h，固溶后立即用冷水淬火；将淬火后的铸锭放入温度为180℃的箱式电阻炉中进行时效处理1h，制得高强度航空航天材料。
[0051]
实施例3
[0052]
高强度航空航天材料的制备：
[0053]
(1)配料：li 0.8％、cu 2.6％、mg 0.23％、mn 0.30％、zr 0.17％、ag 0.1％、zn 0.2％、空心微珠9％、al 86.6％配料；
[0054]
(2)熔炼：将li、cu、mg、mn、zr、ag、zn和al放入熔炼炉中，在850℃下熔炼60min，再将熔炼炉温度降低至610℃，加入空心微珠，900rpm的速度下搅拌12min，得到合金熔体；
[0055]
(3)检测：利用光谱分析法检测合金熔体中的合金组分，对缺失量进行补足；
[0056]
(4)真空熔炼：将调整后的合金液体放入真空熔炼炉中再次熔炼，熔炼温度为750℃，时间为25min，真空度为1500pa；
[0057]
(5)成型：将真空熔炼后的合金液体浇铸至钢模中，得到铝锂合金铸锭；
[0058]
(6)固溶、时效处理：将步骤(5)所得铝锂合金铸锭放入箱式电阻炉中，500℃下固溶处理5h，固溶后立即用冷水淬火；将淬火后的铸锭放入温度为180℃的箱式电阻炉中进行时效处理1h，制得高强度航空航天材料。
[0059]
对比例1
[0060]
高强度航空航天材料的制备：
[0061]
与实施例1相比，区别在于省略步骤(2)中空心微珠的加入，其他步骤和操作与实施例1相同。
[0062]
对比例2
[0063]
高强度航空航天材料的制备：
[0064]
与实施例1相比，区别在于将空心微珠的加入量调整为20％，其他步骤和操作与实施例1相同。
[0065]
对比例3
[0066]
高强度航空航天材料的制备：
[0067]
与实施例1相比，区别在于省略真空熔炼，其他步骤和操作与实施例1相同。
[0068]
对比例4
[0069]
高强度航空航天材料的制备：
[0070]
与实施例1相比，区别在于步骤(2)加入空心微珠时不进行降温处理，其他步骤和操作与实施例1相同。
[0071]
对实施例1～3及对比例1～4制备的高强度航空航天材料的弹性模量、抗拉强度、屈服强度和密度进行测定，测定结果见表2。
[0072]
表2各组制备的高强度航空航天材料性能测定结果
[0073]
[0074][0075]
从表1中可以看出，本发明加入空心微珠后，所制得高强度航空航天材料的弹性模量、抗拉强度和屈服强度均有提升，且制得的材料密度更低；而当空心微珠加入过多后，反而影响了材料的强度；在省略真空熔炼的情况下，所制得材料的各项性能均有所降低；在空心微珠加入过程中，如果不对合金熔体温度进行控制，所制得材料的弹性模量变化不大，但抗拉强度和屈服强度明显降低，原因可能是空心微珠加入后在合金熔体中聚集，因此对材料的弹性模量没有产生明显影响，但空心微珠的分散不均匀导致强度明显降低。
[0076]
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。