[发明专利]一种轻质铸造Al-Si-Li合金材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种轻质铸造Al‑Si‑Li合金材料及其制备方法，其中合金材料按照重量百分比的化学组成为：Si 2～7wt％，Li 1～5％，Mg 0.1～3wt％，Mn 0～0.5wt％，Ti 0～0.5wt％，Be 0～0.5wt％，Zr 0～0.5wt％，Cr 0～0.5wt％，余量为Al和杂质。制备方法包括：按照上述重量百分比的化学组成配料；先将铝锭加热熔融成铝熔体，然后加入除Li以外的金属原料搅拌均匀；向铝合金熔体中加入精炼剂进行精炼，精炼结束后除气处理并扒渣；依次加入覆盖剂、Li原料、Sr变质剂和AlTiB晶粒细化剂搅拌均匀，静置5～25min后浇铸成型；对铸件进行固溶和时效处理，之后空气冷却至室温。

技术领域

本发明属于金属材料及冶金技术领域，具体涉及一种轻质铸造Al-Si-Li合金材料及其制备方法。

背景技术

Al-Li合金具有密度低、弹性模量高、比强度和比刚度高、疲劳性能好和耐腐蚀性能及焊接性能好等诸多优异的综合性能，是近年来航空航天材料中发展最为迅速的一种先进轻合金结构材料，在航空航天领域显示出了广阔的应用前景。经过漫长的发展过程，第三代Al-Li合金已经在航空工业中得到了应用。目前研发的Al-Li合金主要以变形合金为主，对轻质高强铸造Al-Li合金的研发比较少。铸件在航空飞行器中占有重要地位。对铸造铝锂合金及铸件的研究是近年来铝锂合金研究领域内出现的新动向。因此，研发轻质高强铸造Al-Li合金对航空工业的发展具有重要意义。

铸造性能是铸造合金的重要性能指标。提高合金的铸造性能是研发新型铸造合金的关键。Al-Si合金具有优异的铸造性能，并具有中等强度，在工业生产中得到了广泛应用。在亚共晶Al-Si合金中加入Li，可在降低合金密度的同时提高合金的弹性模量。研究表明，在铝合金中每添加1wt％Li，可使合金密度降低3％，而弹性模量提高6％，而且合金在固溶和时效后硬化效果良好。因此，预计Al-Si-Li合金依然会保持Al-Si合金的优异铸造性能，又兼具Al-Li合金的低密度，高弹性模量，高比强度和高比刚度等特点，在航空航天领域有广阔的应用前景。

然而，根据Al-Si-Li相图，以及对Al-7wt％Si-xLi合金的研究表明，在Al-7wt％Si合金中加入Li导致了初生Al₂Li₃Si₂相的形成。而且随着Li含量的增加，初生Al₂Li₃Si₂相变得更加粗大。图1表示一种Al-7wt％Si-2.5wt％Li合金中粗大的Al₂Li₃Si2相。可以肯定，这种粗大的初生相将严重损害合金的力学性能，尤其是塑性。这一微观结构特征阻碍了Al-Si-Li系合金的发展，使得Al-Si-Li合金失去了应用价值。因此，细化甚至消除这些粗大的初生相是研发铸造Al-Si-Li合金的关键。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种轻质铸造Al-Si-Li合金材料及其制备方法，所述轻质铸造Al-Si-Li合金材料大大细化甚至消除了粗大的初生Al₂Li₃Si₂相，既保持了Al-Si铸造合金优异的铸造性能和较高的强度，又具有比传统Al-Si合金低3～10％的密度，达到了轻质高强的目标。本发明的技术方案为：

第一个方面，本发明提供一种轻质铸造Al-Si-Li合金材料，按照重量百分比的化学组成为：Si 2～7wt％，Li 1～5％，Mg 0.1～3wt％，Mn 0～0.5wt％，Ti 0～0.5wt％，Be 0～0.5wt％，Zr 0～0.5wt％，Cr 0～0.5wt％，余量为Al和杂质，其中所述杂质中：杂质元素Fe≤0.3wt％；其它杂质元素总含量≤1.0wt％。

根据本发明所述的轻质铸造Al-Si-Li合金材料，优选地，该合金材料的抗拉强度为245～350MPa，延伸率为3.0～8.0％，密度为2.4～2.6g/cm³。