[发明专利]一种含Ce-Mg高强耐热铝合金及其制备方法

说明书

本发明涉及到一种含Ce‑Mg高强耐热铝合金及其制备方法，属于金属材料工程领域，其化学成分按照重量百分比为：Ce:8～12%；Mg:4～8%；余量为Al。其制备方法步骤为：1)熔炼；2)浇注，快速凝固；本发明的耐热铝合金主要利用Ce的添加形成Al₁₁Ce₃金属间化合物来提高耐热性能，通过Mg元素的固溶来提高高温强度。本发明的有益效果在于，高温服役过程中的屈服强度不降低反而增高：室温的屈服强度为180～210MPa，在400℃热暴露1000h后的屈服强度为200MPa～250MPa。本发明不需要添加多种微合金元素，设计成本低，制备工艺流程短，稳定性高，可用于耐热要求高的铸造铝合金。

技术领域

本发明涉及金属材料工程领域，具体涉及一种含Ce-Mg高强耐热铝合金及其制备方法。

背景技术

铝合金由于其出色的铸造性能、优异的机械加工性及低成本，是一种理想的结构材料。铝合金解决了钢铁材料的高密度和钛合金材料的昂贵性之间的鸿沟，具有高的比强度、耐腐蚀性和高导热性而用于汽车和航空航天工业。但是随着航空航天和汽车工业的快速发展，对铝合金材料提出了更高的要求，即良好的高温性能。传统的铸造铝合金（Al-Si、Al-Cu）典型的强化机制是沉淀强化，即通过铸造过程中熔入合金元素并进行热处理从而析出第二相来增加合金的刚度和强度。在温度高于200℃左右工况下，起强化作用的第二相因合金元素的大量扩散而以很快的速度长大，变得粗大，以及晶粒的快速长大，而极大地降低了合金的强度性能。

公开号为CN111321330A的中国发明专利公开了一种含钪的Al-Cu系耐热铝合金及其制备方法，该专利引用适量稀土元素Sc、Zr以及合金元素Cu、Mg、Mn，通过多组元微合金化的方法对合金进行改性，其中Sc与Al构成强化相Al₃Sc，Zr与Al构成强化相ZrAl₃，可显著提高铝合金的室温强度与耐高温能力。将浇铸而成的铸态合金进行热处理，可有效改善合金的晶粒细度。但是，Sc元素价格昂贵，造成成本的提高，限制了其工业应用。另一方面，Al₃Sc和ZrAl₃粒子随着工作时间的延长，会逐渐粗化，可能变得不共格，从而在350℃左右时强度性能降低。

公开号为CN111235441A的中国发明专利公开了一种含Sb的耐热铝合金及其制备方法，该专利采用Sb的添加，形成高熔点的强化相AlSb相来改善高温强度。但是，由于Sb的添加容易造成熔炼时候的元素偏析，因此，添加量仅为0.2～0.5%，因此，产生的强化相的数量有限，从而导致强化效果有限。

公开号为CN111020315A的中国发明专利公开了一种稀土耐热铝合金及其制备方法，该专利在Al-Zn-Mg-Cu基础上添加了Gd、Nd。高温时，由于强化相粒子会发生粗化，而导致强度降低，因此，耐热温度为250℃左右。

公开号为CN109402473A的中国发明专利公开了一种具有高Fe含量的Al-Si-Cu-Mn耐热铝合金及其制备方法，该专利在Al-Si合金基础上添加了Mn、Fe、Cu、Ti等多种过渡族元素，以形成多种耐高温、高硬度的金属间化合物来提高高温性能。但是，合金成分复杂，熔炼困难。因此，针对现有技术的缺陷，需要设计一种新的技术方案。

铈是地壳中最丰富的稀土元素，价格也最为便宜。Ce和Al在645℃作用发生共晶反应形成Al₁₁Ce₃。在接近共晶温度时，Ce几乎不容于Al基体，固溶度小于0.005%。由于Ce的原子半径较大，它阻碍了固溶原子在基体中的传输—空位扩散，导致Al₁₁Ce₃的分解能力低。因此，Al₁₁Ce₃在小于共晶温度时几乎不分解。共晶形成的Al₁₁Ce₃均匀分布在晶界上，共晶板条尺寸小于100nm，连接成网状结构分布。这种热稳定性良好的刚性网状结构有效提高合金的界面结合强度和抗蠕变性能，抑制晶界间微裂纹扩张，提高合金的高温强度。同时，Ce元素能有效降低纯铝的粘度，从而有效提高Al-Ce合金的铸造性。