[发明专利]一种具有高尺寸稳定性的Al-Cu-Mg-Si合金及其制备方法

说明书

一种具有高尺寸稳定性的Al‑Cu‑Mg‑Si合金及其制备方法，涉及一种具有高尺寸稳定性的Al‑Cu‑Mg‑Si合金及其制备方法。目的是解决现有的铝合金长期使用过程中尺寸稳定性差的问题。合金中元素的质量百分比为：Cu：2.5％～5.5％，Mg：0.7％～2％，Si：0.3～0.8％，Al为余量，并且Cu和Mg质量比K1为2.61～4，Mg和Si的质量比K2为1.73～4.5；方法：按照元素的质量百分比称取原料，熔化得到铝合金熔液，进行压铸得到铝合金铸锭，热处理。本发明所得铝合金在储存及服役过程中尺寸变化率显著降低，尺寸稳定性明显提高。本发明适用于制备Al‑Cu‑Mg‑Si合金。

技术领域

本发明涉及铝合金技术领域，具体涉及一种具有高尺寸稳定性的Al-Cu-Mg-Si合金及其制备方法。

背景技术

尺寸稳定性是指在长期贮存(恒温、变温)或服役(振动、冲击、静载荷)环境下，材料及其零件保持原始尺寸和形状不变的能力，通常用样品经过模拟环境暴露后在固定环境下所测得的尺寸变化来表征。陀螺仪、星敏感器、光学仪器结构件、精密轴承等高精度器件均对尺寸稳定性有极高的要求。世界上许多国家都在开发适用于精密零件的新材料。

2024铝合金、6061铝合金、7075铝合金等具有低密度、高断裂韧性、高疲劳强度以及优异的加工性能，已成为高精度光学和惯性器件的常用的材料。但是，长期以来发现这些合金的尺寸稳定性不足，虽然研发人员在稳定化热处理、去应力退火处理方面做了大量工作，使得尺寸稳定性特性有所提高，但是仍然无法满足高精度仪器仪表的对于精度的越来越高的要求。作为时效强化型铝合金，在时效过程中析出强化相能够获得较高的强度，但是在某些环境下，例如卫星持续运行10年、高精度仪器仪表贮存8年，这种情况下，由于不可避免的少量时效析出足以使仪器精度下降甚至丧失设计精度。例如Al-Cu-Mg系合金的尺寸稳定性因素包括应力因素、组织因素及相的因素，通过传统的热处理方法或者稳定化工艺可以消除材料内部的残余应力并对组织进行调控，解决应力因素、组织因素问题，但对于析出相引起的尺寸变化难以调控。Al-Cu-Mg合金的析出相主要为S′相(Al₂CuMg)或者θ′相(Al₂Cu)，两种析出相的密度均高于基体合金密度，均会引起合金体积减小。例如，各向同性2024铝合金时效过程中的尺寸变化率为-7.86×10^-5，相当于10mm长度的棒缩短0.78μm。Al-Cu-Mg合金中加入一定量Si元素后可析出β′相(Mg₂Si)或Q′相(Al₃Cu₂Mg₉Si₇)，此两相的密度均低于基体合金，导致合金体积增大。因此，研究新型的Al-Cu-Mg-Si合金，通过对合金成分进行精确调控，对成分精细化设计，控制合金析出相的种类和数量，得到一种具有高尺寸稳定性的Al-Cu-Mg-Si合金材料，这类新材料在精密零件上具有重要工程应用价值。

发明内容

本发明为了解决现有的铝合金长期使用过程中尺寸稳定性差的问题，提出一种具有高尺寸稳定性的Al-Cu-Mg-Si合金及其制备方法。

本发明具有高尺寸稳定性的Al-Cu-Mg-Si合金中元素的质量百分比为：Cu：2.5％～5.5％，Mg：0.7％～2％，Si：0.3～0.8％，Al为余量，并且Cu和Mg质量比K1满足：2.61K14，Mg和Si的质量比K2满足：1.73K24.5；其中杂质总质量含量≤0.1％。

上述具有高尺寸稳定性的Al-Cu-Mg-Si合金的制备方法按照以下步骤进行：

步骤一：准备原料

按照合金中元素的质量百分比称取纯金属或铝合金作为原料；

所述合金中元素的质量百分比为：Cu：2.5％～5.5％，Mg：0.7％～2％，Si：0.3～0.8％，Al为余量，并且Cu和Mg质量比K1满足：2.61K14，Mg和Si的质量比K2满足：1.73K24.5；

步骤二：熔炼