一种铝铜铈系耐热铝合金及其制备方法

1.本发明涉及金属材料领域，具体为一种铝铜铈系耐热铝合金及其制备方法。


背景技术：

2.近些年来，航空航天和交通运输等领域的快速发展对可在更高温度下服役的铝合金材料提出了现实需求。例如，采用铝合金铸造汽车发动机缸体和汽缸盖等部件。然而，受燃机效率提升和排放标准提高的驱动，发动机需进一步提升燃烧压力，这意味着燃机运行温度将高于250℃，超出当前应用的al-si体系的耐热极限。在航空航天等领域，目前在250℃～350℃温度区间主要使用钛合金材料，如能用在250℃～350℃温度区间长期稳定服役的铝合金材料替代钛合金构件，则可实现对飞行器减重的重要设计指标。
3.目前，我国应用最多的耐热铝合金主要为以zl204a、zl205a、zl206、zl207和zl208为代表的2系铸造铝合金，国外主要有美国的a201、206和rr350合金。表征材料在高温下长时间服役能力的力学性能指标主要为高温持久强度或高温蠕变强度，在以上合金中，我国的zl206合金高温持久强度和蠕变强度最佳。zl206的化学成分为cu:7.6～8.4wt.％，re:1.5～2.3wt.％，mn:0.7～1.1wt.％，zr:0.1～0.25wt.％，al为余量，其中re为混合稀土。在t6状态下，其300℃下400h的持久强度约为60mpa，350℃下100h持久强度约为50mpa，在300℃～350℃下存在蠕变速率急剧升高、蠕变持久强度锐减的突出问题。现有的铝合金材料高温持久强度性能指标已经难以满足当前汽车和航空航天领域的最新需求。


技术实现要素：

4.针对现有耐热铸造铝合金在300℃～350℃下蠕变速率急剧升高、蠕变持久强度锐减的突出问题，本发明提供了一种铝铜铈系耐热铝合金及其制备方法，显著提高了耐热铸造铝合金在高温下的长期服役能力。
5.本发明是通过以下技术方案来实现：
6.一种铝铜铈系耐热铝合金，按质量百分比计，包括cu 6％～9％，ce 0.75％～1.5％，mn 0.5％～1.2％，re 0.05％～0.4％，zr 0.1％～0.5％，余量为al。
7.优选的，所述cu和ce的比例为(4-8):1。
8.优选的，所述re为y、er、sc和yb中的至少一种。
9.一种铝铜铈系耐热铝合金的制备方法，包括以下步骤：
10.步骤1、将铝合金铸锭在200℃～300℃保温12h～48h，然后升温至400℃～500℃下保温5h～15h；
11.步骤2、将步骤1铝合金铸锭在520℃～537℃下保温5h～30h后进行淬火；
12.步骤3、将步骤2得到的铝合金铸锭在150℃～200℃下保温5h～30h，然后再升温到250℃～300℃下保温1h以上后冷却至室温，得到铝铜铈系耐热铝合金。
13.优选的，步骤1中采用单质铝和铝合金的中间合金，熔炼制备铝合金铸锭。
14.优选的，步骤2所述淬火处理的方式为水淬处理。
15.优选的，步骤3所述冷却方式为空冷。
16.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
17.本发明提供的一种铝铜铈系耐热铝合金，通过控制铜和铈元素的配比，以及在铝合金中加入稀土元素，显著提高了耐热铸造铝合金在高温下的长期服役能力，其在300℃下100h的持久强度大于100mpa，300℃下400h的持久强度为90mpa,350℃下100h的持久强度大于70mpa。
18.该铝铜铈系耐热铝合金的制备过程中，采用200℃～300℃/12h～48h固溶前处理形成高密度re元素溶质原子团簇，采用400℃～500℃/5h～15h固溶前处理，以高密度re溶质原子团簇为异质形核质点，形成高密度al3zr纳米沉淀相，采用520℃～537℃固溶处理回熔al2cu金属间化合物，并保证高密度al3zr纳米沉淀相不显著粗化，采用150℃～200℃/5h～30h 250℃～300℃/》1h双级时效处理工艺，以al3zr纳米沉淀相为异质形核质点析出θ
′‑
al2cu沉淀相，并促使re和zr元素在θ
′‑
al2cu沉淀相界面偏聚，形成“扩散阻隔层”，大幅提升θ
′‑
al2cu沉淀相在300℃～350℃下的热稳定性，解决了含铜的铝合金中θ
′‑
al2cu沉淀相在300℃～350℃下易于粗化，进而逐步丧失强化效果，致使合金高温寿命有限的突出问题。
19.进一步，cu:ce的比例应为4:1到8:1，优选为5.3:1，以优化纳米沉淀相和微米结晶相的体积分数配比，其中纳米析出相为含cu的θ
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al2cu沉淀相，微米结晶相为含cu的al
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cu2mn3、al8cu4ce、al
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cu8ce3mn相，θ
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al2cu纳米沉淀相提升高温蠕变抗力的机制为阻碍位错攀移，微米结晶相提升高温蠕变抗力的机制为载荷传递。在cu含量一定的情况下，含cu纳米沉淀相和含cu微米结晶相的体积分数此消彼长，相对含量由cu:ce比控制，优选的cu:ce比使θ
′‑
al2cu纳米沉淀相和微米结晶相的体积分数合理匹配，从而使阻碍位错攀移和载荷传递两种强化机制产生最佳的协同效力，提升高温力学性能。
附图说明
20.图1为本发明铝铜铈系耐热铝合金在300℃下的持久强度测试数据，以及其与zl201a，zl206和zl207合金的对比。
21.图2为本发明铝铜铈系耐热铝合金在350℃下的持久强度测试数据，以及其与zl206和zl207合金的对比。
22.图3为本发明铝铜铈系耐热铝合金的金相显微组织照片，其显示了微米尺度结晶相。
23.图4为本发明铝铜铈系耐热铝合金的透射电子显微照片，其显示了纳米尺度的θ
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al2cu沉淀相。
24.图5为本发明铝铜铈系耐热铝合金的高分辨电子显微照片，其显示了θ
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al2cu界面处的偏聚结构，即“扩散阻隔层”。
具体实施方式
25.下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
26.一种铝铜铈系耐热铝合金，按质量百分比计，包括cu 6％～9％，ce 0.75％～1.5％，mn 0.5％～1.2％，re 0.05％～0.4％，zr 0.1％～0.5％，余量为al。
27.所述re为稀土，具体为y、er、sc、yb中的一种或者多种。
28.所述cu和ce的比例为(4-8):1，优选为5.3:1。
29.上述铝铜铈系耐热铝合金的制备方法，包括以下步骤：
30.步骤1、按照铝铜铈系耐热铝合金的质量百分比，准备铝和中间合金，采用熔炼的方法制备铝合金铸锭，具体方法如下：
31.在电阻炉中对各原料进行熔炼，然后在铝合金溶液通入惰性气体进行精炼除气和扒渣后，将铝合金溶液浇铸至模具中形成铝合金铸锭。
32.所述惰性气体为氮气或氩气。
33.步骤2、对步骤1得到的铝合金铸锭进行多级固溶前处理，方法如下：
34.s21、将铝合金铸锭在200℃～300℃保温12h～48h，形成高密度re元素溶质原子团簇(数量密度大于10
24
m-3
)，用作al3zr相的异质形核质点。
35.s22、将步骤s21得到的铝合金铸锭在400℃～500℃下保温5h～15h，以高密度re溶质原子团簇为核心，形成al3zr纳米沉淀相。
36.步骤3、对步骤2得到的铝合金铸锭进行固溶处理和时效处理，得到铝铜铈系耐热铝合金，具体方法如下：
37.s31、将铝合金铸锭在520℃～537℃下保温5h～30h，而后进行淬火，完成固溶处理，使凝固过程中形成的含铜金属间化合物回熔于铝基体。
38.s32、将步骤s31得到的铝合金铸锭在150℃～200℃下保温5h～30h，然后再升温到250℃～300℃下保温1h以上后空冷至室温，完成时效处理，得到铝铜铈系耐热铝合金。
39.本发明合金以al3zr纳米沉淀相为异质形核质点析出θ
′‑
al2cu沉淀相，并促使re和zr元素在θ
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al2cu沉淀相界面偏聚，形成“扩散阻隔层”，大幅提升θ
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al2cu沉淀相在300℃～350℃下的热稳定性。
40.实施例1
41.一种铝铜铈系耐热铝合金，按质量百分比计，包括cu 7％，ce 1％，mn 0.8％，re 0.085％，zr 0.17％，余量为铝。
42.该铝铜铈系耐热铝合金的制备方法如下，包括以下步骤：
43.步骤1、按照上述质量百分比，准备铝和中间合金，采用熔炼的方法制备铝合金铸锭，具体方法如下：
44.s11、将al和al-mn中间合金在石墨坩埚放入电阻炉中进行融化，并在720℃-820℃下保温2.5h；
45.s12、在步骤s11的金属溶液中加入al-cu中间合金、al-zr中间合金和al-re中间合金进行融化，并在720℃-820℃下保温1.5h；
46.s13、在700℃-720℃下，对步骤s12得到的铝合金溶液通入氩气进行精炼除气，然后进行静置扒渣后，将铝合金溶液浇铸至砂模中形成铝合金铸锭。
47.步骤2、将铝合金铸锭200℃保温24h，然后升温至500℃保温12h。
48.步骤3、将步骤2得到的铝合金铸锭在530℃下保温15h后进行水淬处理，然后将得到的铝合金铸锭在150℃下保温18h，然后再升温到250℃下保温50h后空冷至室温，得到铝铜铈系耐热铝合金。
49.对得到的铝铜铈系耐热铝合金进行性能测试，测试指标如下：
50.该铝铜铈系耐热铝合金在300℃下的持久强度为100mpa，300℃下的抗拉强度为165mpa，屈服强度为132mpa，延伸率为8％。
51.该铝铜铈系耐热铝合金在350℃下的持久强度为60mpa，350℃下的抗拉强度为121mpa，屈服强度为99mpa，延伸率为11％。
52.该铝铜铈系耐热铝合金在400℃下的抗拉强度为71mpa，屈服强度为62mpa，延伸率为10％。
53.该铝铜铈系耐热铝合金在室温下抗拉强度为400mpa，屈服强度为243mpa，延伸率为7％。
54.实施例2
55.一种铝铜铈系耐热铝合金，按质量百分比计，包括cu 8.0％，ce 1.3％，mn 0.8％，re 0.085％，zr 0.17％，余量为铝。
56.该铝铜铈系耐热铝合金的制备方法如下，包括以下步骤：
57.步骤1、按照上述质量百分比，准备铝和中间合金，采用熔炼的方法制备铝合金铸锭，具体方法如下：
58.s11、将al和al-mn中间合金在石墨坩埚放入电阻炉中进行融化，并在720℃-820℃下保温2.5h；
59.s12、在步骤s11的金属溶液中加入al-cu中间合金、al-zr中间合金和al-re中间合金进行融化，并在720℃-820℃下保温1.5h；
60.s13、在700℃-720℃下，对步骤s12得到的铝合金溶液通入氩气进行精炼除气，然后进行静置10-30min后扒渣，将铝合金溶液浇铸至砂模中形成铝合金铸锭。
61.步骤2、将铝合金铸锭250℃保温24h，然后升温至450℃保温12h。
62.步骤3、将步骤2得到的铝合金铸锭在537℃下保温15h后进行水淬处理，然后将得到的铝合金铸锭在175℃下保温10h，然后再升温到250℃下保温24h后空铜铈系耐热铝合金。蠕变测试前材料在300℃下保温24h后测试。
63.参阅图1-5，对得到的铝铜铈系耐热铝合金进行性能测试，测试指标如下：
64.该铝铜铈系耐热铝合金在300℃下100h的持久强度为105mpa，300℃下400h的持久强度为92mpa，300℃下的抗拉强度为178mpa，屈服强度为128mpa，延伸率为9.5％。
65.该铝铜铈系耐热铝合金在350℃下的持久强度为70mpa，350℃下的抗拉强度为139mpa，屈服强度为108mpa，延伸率为13％。
66.该铝铜铈系耐热铝合金在400℃下的抗拉强度为72mpa，屈服强度为69mpa，延伸率为13％。
67.该铝铜铈系耐热铝合金在室温抗拉强度为412mpa，屈服强度为225mpa，延伸率为3.0％。
68.本实施例2制备的铝铜铈系耐热铝合金与现有各牌号的耐热铝合金的性能的比较结果如表1所示。
69.图1
70.合金种类测试温度状态100h持久强度400h持久强度zl201a300℃t578mpa
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zl206300℃t6《100mpa60mpa
zl207300℃t190mpa
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本发明铝合金300℃t6》100mpa92mpazl206350℃t650mpa
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zl207350℃t135mpa
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本发明铝合金350℃t670mpa
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71.可见，本发明的铝铜铈系耐热铝合金在300℃和350℃下的高温持久强度显著超过现有牌号的耐热铝合金。本发明通过合金成分控制，并结合多级热处理工艺，实现了re元素和zr元素在θ
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al2cu沉淀相界面偏聚，提高了强化相的高温稳定性，优化了沉淀相和结晶相之间的体积分数配比，进而获得优异的持久强度(300℃下400小时的持久强度和350℃下100小时的持久强度尤为突出)。
72.实施例3
73.一种铝铜铈系耐热铝合金，按质量百分比计，包括cu 6.0％，ce 0.75％，mn 0.5％，re 0.4％，zr 0.5％，余量为铝。
74.该铝铜铈系耐热铝合金的制备方法如下，包括以下步骤：
75.步骤1、按照上述质量百分比，准备铝和中间合金，采用熔炼的方法制备铝合金铸锭，具体方法如下：
76.s11、将al和al-mn中间合金在石墨坩埚放入电阻炉中进行融化，并在720℃-820℃下保温2.5h；
77.s12、在步骤s11的金属溶液中加入al-cu中间合金、al-zr中间合金和al-re中间合金进行融化，并在720℃-820℃下保温1.5h；
78.s13、在700℃-720℃下，对步骤s12得到的铝合金溶液通入氩气进行精炼除气，然后进行静置10-30min后扒渣，将铝合金溶液浇铸至砂模中形成铝合金铸锭。
79.步骤2、将铝合金铸锭300℃保温12h，然后升温至400℃保温15h。
80.步骤3、将步骤2得到的铝合金铸锭在520℃下保温30h后进行水淬处理，然后将得到的铝合金铸锭在200℃下保温5h，然后再升温到300℃下保温50h后空冷至室温得到铝铜铈系耐热铝合金。
81.对得到的铝铜铈系耐热铝合金进行性能测试，测试指标如下：
82.该铝铜铈系耐热铝合金在300℃下100小时的持久强度为85mpa，300℃下的抗拉强度为153mpa，屈服强度为110mpa，延伸率为12％。
83.该铝铜铈系耐热铝合金在350℃下100小时的持久强度为54mpa，350℃下的抗拉强度为116mpa，屈服强度为92mpa，延伸率为16％。
84.该铝铜铈系耐热铝合金在400℃下的抗拉强度为55mpa，屈服强度为51mpa，延伸率为17％。
85.该铝铜铈系耐热铝合金在室温抗拉强度为359mpa，屈服强度为203mpa，延伸率为3.4％。
86.实施例4
87.一种铝铜铈系耐热铝合金，按质量百分比计，包括cu 9.0％，ce 1.5％，mn 1.2％，sc 0.05％，zr 0.1％，余量为铝。
88.该铝铜铈系耐热铝合金的制备方法如下，包括以下步骤：
89.步骤1、按照上述质量百分比，准备铝和中间合金共50kg合金，采用熔炼的方法制备铝合金铸锭，具体方法如下：
90.s11、将al和al-mn中间合金在石墨坩埚放入电阻炉中进行融化，并在720℃-820℃下保温2.5h；
91.s12、在步骤s11的金属溶液中加入al-cu中间合金、al-zr中间合金和al-re中间合金进行融化，并在720℃-820℃下保温1.5h；
92.s13、在700℃-720℃下，对步骤s12得到的铝合金溶液通入氩气进行精炼除气，然后进行静置10-30min后扒渣，将铝合金溶液浇铸至砂模中形成铝合金铸锭。
93.步骤2、将铝合金铸锭300℃保温48h，然后升温至500℃保温5h。
94.步骤3、将步骤2得到的铝合金铸锭在537℃下保温5h后进行水淬处理，然后将得到的铝合金铸锭在175℃下保温30h，然后再升温到250℃下保温24h后空冷至室温，得到铝铜铈系耐热铝合金。蠕变测试前材料在300℃保温24h后进行测试。
95.对得到的铝铜铈系耐热铝合金进行性能测试，测试指标如下：
96.该铝铜铈系耐热铝合金在300℃下100h的持久强度为91mpa，300℃下的抗拉强度为162mpa，屈服强度为116mpa，延伸率为10.5％。
97.该铝铜铈系耐热铝合金在350℃下100h的持久强度为61mpa，350℃下的抗拉强度为122mpa，屈服强度为95mpa，延伸率为14.2％。
98.该铝铜铈系耐热铝合金在400℃下的抗拉强度为63mpa，屈服强度为60mpa，延伸率为15.3％。
99.该铝铜铈系耐热铝合金在室温抗拉强度为384mpa，屈服强度为258mpa，延伸率为2.76％。
100.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。