[发明专利]一种高强耐热的低钪复合微合金化Al-Cu合金及其热处理工艺

说明书

本发明公开了一种高强耐高温的低钪复合微合金化Al‑Cu系合金及其热处理工艺。其主要合金元素包括Cu、Sc、Si、Zr、Er、Ti、Mn，Fe作为杂质元素应限定其质量百分数0.15％，其余为Al和不可避免的杂质。合金铸锭通过常规金属模或沙模铸造方式铸造成型，在固溶处理前可进行热变形成型。对应的热处理工艺包括多级均匀化与随后的等时时效处理，同时应注意对于高Cu含量的合金材料采取更为温和的均匀化处理(降低温度，延长保温时间)及在低温区间更缓慢的时效升温速率。依据本专利制备的Al‑Cu系合金材料通过合适的复合微合金化手段与组织设计降低了昂贵的Sc元素的使用，显著提升合金高温拉伸性能，具备良好的室温力学性能的同时兼具300—400℃优秀的高温拉伸强度与抗蠕变性能。

技术领域

本发明涉及时效强化铝合金技术领域，具体涉及一种高强耐热的低钪复合微合金化Al-Cu合金及其热处理工艺。

背景技术

铝合金作为一种高比强度、高耐蚀性的结构材料，因其兼具轻质、性能范围宽泛且易调控的特点，被广泛应用于航空航天、汽车制造等诸多领域的结构件制造。Al-Cu(2xxx)系合金作为一类典型的可热处理强化型铝合金，可通过热处理制度的改进及合金成分组元的改善，进而获得具有良好的室温综合力学性能与高温力学性能，适用于制造发动机气缸盖、高速飞行器蒙皮等重要结构件，可部分取代笨重的钢材结构件与昂贵的钛合金，对于降低结构件重量、节约能源具有极为重要意义。然而，在上述实际服役过程中，铝合金材料不可避免会面临温升和应力的考验。而受制于铝的低熔点(680℃)，包括2xxx系铝合金在内的诸多可热处理强化型铝基材料受制于传统的固溶-人工时效热处理(以后简称为人工时效处理)及合金成分设计，往往仅能适应低于225℃的服役环境，在高于该温度区间时则将会发生灾难性的快速软化，进而导致材料失效。其根本原因在于高温环境下快扩散的Cu、Mg、Zn等元素所构成的析出强化相(如θ′-Al2Cu等)将会发生严重的粗化或溶解，导致其强化作用急剧下降，进而引起材料在高温下的软化现象。因此，业界亟需能够突破铝合金的高温服役温度瓶颈，特别期盼能够成功研发在300℃—400℃温度范围内长时间服役的轻质铝合金材料。

发明内容

本发明旨在通过实施有效、易行的复合微合金化手段及配套合理的热处理工艺制度，降低昂贵的Sc元素的使用，并克服传统可热处理强化型铝合金在300℃—400℃高温服役环境时强度不足的瓶颈问题。

本发明提及的一种高强耐热的低钪复合微合金化Al-Cu合金的主要微观组织特点为强烈界面偏聚的θ′-Al2Cu与富Sc复杂团簇及/或Al3(Sc,M)复杂析出相的多相组织。

在进行多级均匀化后的时效过程中，早期在低温区可将θ′-Al2Cu强化相以极高密度析出，提供强化效果。同时在θ′-Al2Cu/铝基体的界面处引入多组元溶质偏聚，从而降低θ′-Al2Cu在300℃—400℃高温服役时析出相的粗化、溶解倾向，稳定微观组织。此外，等时时效后期及高温服役过程中可在较高温度区间形成富Sc复杂团簇及/或Al3(Sc,M)复杂析出相，在高温服役时提供额外的强化效果。本发明提供的复合微合金化手段有助于改善θ′-Al2Cu+Al3(Sc,M)双析出相析出行为的同时，极大提高其热稳定性。对于θ′-Al2Cu的热稳定性提高主要来自于其析出相界面上偏聚的Sc/Zr/Mn/Ti/Si多重元素，降低界面能，改善粗化抗性。而Al3(Sc,M)析出相的高温稳定性提升主要来源于形成核-壳的复杂析出结构，亦即以扩散较快的Sc、Er、Si等元素富集层作为Al3M析出相内核，以扩散较慢的Zr、Ti元素富集层作为Al3M析出相外壳，阻碍析出相的高温粗化或溶解。以上的双析出强化相微观组织结构需要基于本发明提供的相应合金组分及借助本发明提供的热处理制度实现。本发明最终实现了目标材料在300℃—400℃具有高强度的同时，兼具室温高强度、高塑性。