[发明专利]一种含Zr高强度耐热铝合金材料

说明书

技术领域

本发明涉及高性能、高温结构金属材料技术领域，尤其涉及一种微合金化元素及稀土元素的铜铝合金材料。

背景技术

纯铝的密度小(ρ＝2.7g/cm³)，大约是铁的1/3，熔点低(660℃)，铝是面心立方结构，故具有很高的塑性，易于加工，可制成各种型材、板材。铝的抗腐蚀性能好；但是纯铝的强度很低，不宜作结构材料。通过长期的生产实践和科学实验，人们逐渐以加入合金元素及运用热处理等方法来强化铝，这就得到了一系列的铝合金。添加一定元素形成的铝合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度，σ_b值分别可达24～60kgf/mm²。这样使得铝合金“比强度”(强度与比重的比值σ_b/ρ)胜过很多合金钢，成为理想的结构材料，铝合金因其具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，在工业上被广泛使用，成为工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面。

铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类：变形铝合金指通过冲压、弯曲、轧、挤压等工艺使其组织、形状发生变化的铝合金。变形铝合金又分为不可热处理强化型铝合金和可热处理强化型铝合金两大类。不可热处理强化型不能通过热处理来提高机械性能，只能通过冷加工变形来实现强化，它主要包括高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝以及防锈铝等。可热处理强化型铝合金可以通过淬火和时效等热处理手段来提高机械性能，物理性能和抗腐蚀性能。它可分为硬铝、锻铝、超硬铝和特殊铝合金等。

铸造铝合金指可用金属铸造成形工艺直接获得零件的铝合金，铸造铝合金的合金元素含量一般多于相应的变形铝合金的含量，以使合金有相当的流动性，易填充铸造时铸件的收缩缝。铸造铝合金按化学成分可分为铝硅合金，铝铜合金，铝镁合金，铝锌合金和铝稀土合金。铝合金的抗拉强度大多数在250Mpa～350Mpa之间，高于400Mpa的只有铝铜合金系列的很少几种牌号，这些合金虽然强度高，但不耐热，只能在100～200℃范围内具有较好的耐热性能和高比强度，且添加的是贵重金属，成本高，如已公开报道的在Al-Cu合金中添加微量的Ag而形成的Al-Cu-Ag合金其抗拉强度为520Mpa，在180℃时抗拉强度为375Mpa，但仍然不能满足其在高温下的抗拉强度的需求。

高强度耐热铝合金指其抗拉强度大于480Mpa，又有很好耐热性能的铝合金，高强度耐热高强合金适于在400℃以下的热环境中长期承受较大的工作负荷，这种铝合金在航空航天、重工机械等领域得到了越来越多的应用。目前用于高温零部件铸造的铝合金材料包括铝铜锰系合金及铝稀土系合金，铝铜锰系合金多数以高纯铝锭为合金的原材料，成本较高，而铝稀土系合金则在室温下理学性能相对较差，目前公开报道的高强度耐热铝合金普遍存在高强度和耐久性不足，硬度满足不了实际应用的需求，且在铸造铝合金处理工艺中存在熔体处理工艺粗放、质量差、热裂倾向大、铸造性能差、高温强度低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对目前高强度铝合金领域存在的熔体处理工艺粗放、质量差、热裂倾向大、铸造性能差等技术难题，以优质熔体、固熔体和相图理论为指导，通过优选合金元素Cu、Mn及稀土元素配方，降低合金准固相温度范围，解决铸造时热裂倾向大、制品高温强度低的带有普遍性的问题；优选低成本多元微合金化元素配方，为固熔体中高温相和强化相的培育和细晶化作用创造物质基础条件；以及优化熔炼、热处理工艺技术，实现固熔体中高温相和强化相的足量培育和细晶化作用的充分发挥。最终研制出一种稀土多元微合金化的Cu-Al新型高强耐热(铸造性和变形性)铝合金材料。

本发明采用如下技术方案：一种含Zr高强度耐热铝合金材料，其合金成分主要由Cu、Mn、Cd、Zr、Be、Ti、B、稀土元素、Al组成，各组分的质量百分比为：

Cu：9～10％，Mn：1.2～1.4％，Cd：0.45～0.48％，Zr：0.8～0.9％，Be：0.07～0.09％，Ti：0.7～0.9％，B：0.1～0.2％，稀土元素：3.2～4.8％，余量为Al。

所述的稀土元素为单一稀土元素或两种以上的混合稀土元素。

所述的稀土元素包括Eu、Ce、Pr、Nd、Er、La、Y。

优选的，所述的合金各组分的质量百分比为：Cu：9～9.5％，Mn：1.2～1.3％，Cd：0.45～0.46％，Zr：0.8～0.9％，Be：0.07～0.08％，Ti：0.7～0.8％，B：0.15～0.2％，稀土元素：3.2～4％，余量为Al。