[发明专利]一种铸造耐热铝合金及其制备工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种耐热铝合金及其制备工艺，属于有色金属冶炼和加工的技术领域，更具体地，涉及一种包括铝和合金元素的耐热铝合金，其中添加合金元素锰形成的富锰相具有优异的耐热硬性，提高合金的耐热性能。

背景技术

根据加工工艺特点的不同，耐热铝合金可以分为变形耐热铝合金和铸造耐热铝合金。变形耐热铝合金主要包括Al-Cu-Mn系、Al-Cu-Mg-Fe-Ni系以及在其基础上改进的Al-Cu-Mg-Ag系耐热硬铝。铸造耐热铝合金主要包括Al-Si系和Al-Cu系两大类。Al-Si系铸造耐热铝合金具有良好的铸造性能，但强度较低，往往要添加Cu、Mg、Ni、Mn、稀土等合金元素以提高其耐热性能；Al-Cu系铸造耐热铝合金具有较高的强度和高温性能，但铸造性能和耐蚀性能相对较差，而且比重较大，尺寸不稳定。

铸造Al-Si系合金因为具有优异的铸造性能而备受重视，现已成为制备耐热铝合金最主要的基本合金。Al-Si系铸造耐热铝合金中，Si是最主要的合金元素，为了获得优良的铸造性能，通常Si的质量分数介于6～14wt.％。然而，Si的添加对合金基体的强度和韧性等都有一定的削弱作用，因此，Al-Si二元合金的强度通常不高。所以，需要在Al-Si合金中加入合金元素如Cu、Mg等，通过形成金属间化合物或固溶强化来提高合金力学性能。Cu是该系合金中一种非常重要的强化元素。适量的Cu对铸造Al-Si合金的强化作用非常大，而且形成的强化相CuAl₂(θ相)热强性较好，能够显著地改善合金高温力学性能。但当Cu含量较高时，容易形成微孔，这些微孔在拉伸过程中会成为微裂纹的产生源头，因此随着Cu含量的增加，合金的塑性和韧性以及铸造性能不断下降，所以Cu的添加量需要谨慎控制，一般为1～4wt.％。典型的Al-Si-Cu铸造合金有美国的319合金和A380合金等。Mg是该系合金中另一种重要的强化元素，Mg和Si在铸态下可以形成网络状Mg₂Si析出相，经热处理后，Mg₂Si会以中间过渡相弥散分布在基体上，可以有效提高合金的室温力学性能，但Mg₂Si相在高温下不稳定，工作环境温度在185℃以上时会向平衡相转变并显著长大，降低合金的力学性能。随着Mg含量的增加，合金的强度提高，但延伸率却发生相应地降低。国内有报道指出，高的Mg含量会显著降低近共晶Al-Si合金的塑性。Caceresetal.研究表明，A357合金中高的Mg添加量会在合金组织中形成粗大的富Fe的π相(Al₉FeMg₃Si₅)，降低合金的塑性。在Al-Si系铸造铝合金中，Mg的添加量取决于Si含量的多少，一般，Si含量越高，Mg的添加量相应地就越低。

目前，亚共晶类Al-Si-Cu-Mg合金是Al-Si系耐热铝合金中应用较为广泛的一类合金，典型例子是A380和ZL702两个牌号，其化学成分见表1。主要是利用可热处理强化的富铜相(θ、W相等)作为主要的耐热相。这类合金中都含有少量的Mn，是用来中和Fe的有害作用。在这类合金中添加Ni,可形成富Ni相，可辅助改善耐热性。ZL702A是在ZL702基础之上降低Si和Mg含量形成另一种耐热铝合金。

表1典型的Al-Si-Cu系耐热合金的化学成分

从发动机用耐热铝合金的研究现状来看，以Al-(6-10wt％)Si-(1-4wt％)Cu为基础合金，调整Si、Cu和Mg含量保证合金具有良好的铸造性能和耐热强度，经多元合金化方式少量添加Ni、Ti、Zr、Cr、RE甚至Fe，微量添加B、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo等形成少量的复杂金属间化合物以改善耐热性能。但这种思路并不能满足高功率密度发动机对铝合金耐热性的要求，因为存在两个方面的局限性。一方面：合金中含有高量的Cu且Si含量偏低，铸造性能较差，特别是热裂倾向严重，不能为高服役温度(300℃以上)提供可靠性组织致密性保证；另一方面是合金的耐热强度主要依赖CuAl₂相，但该耐热相结构相对简单，更高温度下的热稳定性较差，A380和ZL702A的典型发动机用耐热铝合金的高温抗拉强度在150℃之后显著下降，就是因为主要耐热相CuAl₂在高温下受应力作用快速粗化所致。因此，为了满足高功率密度发动机对铝合金高服役温度下高强度的要求，必须进行全新的合金设计，寻找新的具有优异热稳定性的复杂金属间化合物作为主要的耐热相。

发明内容