[发明专利]抗热裂的高强度铸造铝合金

说明书

政府利益

有关本发明主题进展的活动至少获得美国政府部分支助，因此，可能获得美国许可权或其他权利，具体合约号为FA8650-05-C-5800。

背景技术

基于Al-Zn的7XXX锻制合金通常用于要求高强度系数的建筑施工中。由于铸件生产近终形产品，其与锻制合金相比，降低了造价及相应的后期交货时间。然而，已知的7XXX合金在凝固过程中容易热裂，因而不是最佳铸造材料。热裂是由于相对高的热膨胀系数和液体与固体体积的显著差异而造成的。

美国专利7,060,139(在此作为参考)公开了一种高强度铝合金，其组成为(wt％)：Al-6.0～12.0Zn-2.0～3.5Mg-0.1～0.5Sc-0.05～0.20Zr-0.5～3.0Cu-0.10～0.45Mg-0.08～0.35Fe-0.07～0.20Si。该专利公开的铝合金具有高的拉伸强度，且在环境温度下及低温下保持高延伸率。该专利公开的铝合金的凝固区间约为164-195℃，固相线温度约为422-466℃，共晶相成分约为1.1-1.5％。然而，这种铝合金铸造性能差。因此，需要一种新的可抗热裂的7XXX铸造铝合金。这样的合金可用在制造业用品如氢涡轮泵外壳或其他的航空材料中。

发明内容

本发明主要包括一种抗热裂的高强度铸造铝合金。该铸造合金的屈服强度在室温下约为410MPa-540MPa。本发明的合金是基于Al-Zn的，其主要的合金成分为Sc，Zr，Mg和Cu。Sr和Zr的量最优化以生产初级L1₂相粒子，该粒子精炼结晶粒度，且提高抗热裂能力、耐疲劳性能和韧性。Fe，Mn和Si的量保持最低水平，因为这些成分不利于强度和抗热裂能力。为生产初级L1₂相粒子，L1₂相的溶线温度必须在fcc(面心立方)相的溶线温度以上。溶线温度可以利用热力学数据库或计算包，如软件提供的版本计算得出。或者，在合金的组成空间内，溶线温度接近于以下的等式：

L1₂溶线温度＝87.01×wp_Sc+157.89×wp_Zr-

243.43×wp_Sc×wp_Zr+267.06×wp_Sc^0.14+769.51×wp_Zr^0.05

fcc溶线温度＝-1.76×wp_Zn-5.14×wp_Mg-

0.005×wp_Zn×wp_Mg+139.13×wp_Zn^0.002+792.11×wp_Mg^0.0002

其中，wp_Sc，wp_Zr，wp_Zn，wp_Mg分别为Sc，Zr，Zn，Mg的重量百分含量。这些等式基于溶线温度的最佳适配。

另外，Zr的含量保持在约0.3wt％以下以形成最少的具有D0₂₃晶体结构的Al₃Zr。如Hyde[Hyde，K.2001.The Addition of Scandium to Aerospace Casting Alloys.Ph.D.diss.，University of Manchester(在此作为参考)]所述的Al-0.5Sc-0.4Zr(wt％)，D0₂₃粒子快速增长，过于巨大且不能有效精炼fcc结晶粒度。这些已经公开的合金在熔体冷却过程中，采用具有L1₂晶体结构的小Al₃(Sc，Zr)粒子，以孕育fcc小晶粒。因为在L1₂中，Zr是Sc的廉价替换物，本发明中的合金使用尽可能多的Zr，约为0.25±0.05wt％。然而，当成本不是限制因素时，可以结合使用仅为0.15wt％的Zr和较大量的Sc。