[发明专利]一种含稀土Y共晶的高强耐热铸造铝铜合金及制备方法

说明书

本发明公开了一种含稀土Y共晶的高强耐热铸造铝铜合金及制备方法，其合金化学成分按照质量百分比为：Cu 6.5‑7.8％，Mg 0.1‑0.4％，Ag 0.8‑1.2％，Y 0.1‑0.5％，Mn 0.2‑0.4％，V 0.1‑0.3％，Cd 0.1‑0.3％，Ti 0.1‑0.3％，B 0.02‑0.06％，余量为Al，制备过程包括合金的熔炼铸造和铸件的固溶、时效热处理，添加稀土Y后，在Al‑Cu系铸造铝合金中形成了Al₈Cu₄Y共晶组织，使晶界附近的第二相形貌由连续网状转变为不连续骨架状，减轻了第二相对基体的割裂作用，改善了合金的室温拉伸性能和塑性。同时，提高了合金铸造过程中的熔体流动性和铸造工艺性。此外，Al₈Cu₄Y等耐热的稀土化合物“钉扎”在晶界周围，有效地阻碍了高温下晶界的滑移，控制了晶界的变形，提高了合金的高温力学性能。

技术领域

本发明涉及有色金属材料合金化领域，具体涉及一种含稀土Y共晶的高强耐热铸造铝铜合金及制备方法。

背景技术

铸造铝合金具有密度小、比强度高、成本低等优点，并且可以制成形状复杂的零件，在汽车工业、轨道交通以及航空航天领域得到广泛应用。其中，Al-Si系铸造铝合金是品种最多、用途最广的一类合金，具有流动性好、气密性好、热膨胀系数小、热裂倾向小等优异的铸造性能。但是国内外应用广泛的Al-Si系合金(如国内的YL112、YL113、YL104，日本的ADC12、ADC10、ADC3以及美国的A380、A360)强度较低(抗拉强度为220-240MPa)，塑性较差(断后伸长率≤3％)，难以满足航空航天等领域发展对铝合金高强高耐热性的严苛要求。近年来公开了一些Al-Si系铸造铝合金的制备方法，如CN110029250B和CN110129630B，使合金的塑性和韧性得到不同程度的改善，但始终没能改变Al-Si系铸造铝合金力学性能不高的现状，限制了该类合金的广泛应用。

相比之下，Al-Cu系铸造铝合金具有较高的室温和高温力学性能以及良好的切削加工和焊接性能，在航空航天领域应用较广，主要用作承受大载荷的结构件和耐热零件。复杂的Al-Cu系铸造铝合金主要可以分为两大类：耐热铸造铝合金和高强度铸造铝合金，我国的ZL206和ZL205A分别是这两类铸造铝合金的典型代表。根据标准GB/T 1173-2013、HB962-2001以及《铸造手册第3卷：铸造非铁合金(第3版)》，ZL206(T5态)的力学性能指标为室温抗拉强度250Mpa、断后伸长率1.8％，300℃抗拉强度160Mpa、屈服强度120Mpa；ZL205A(T5态)的力学性能指标为室温抗拉强度440Mpa、断后伸长率7％，300℃抗拉强度165Mpa、断后伸长率3.5％。随着航空航天事业的不断发展，飞行器对功率和速度的追求不断提升，对构件材料的耐热性能也提出了更高的要求，ZL206、ZL205A等合金已难以满足高温条件下的使用需求。此外，为了提高合金的铸造性能，Al-Cu系铸造铝合金一般采用较高的Cu含量，合金组织中形成了大量粗大的Al₂Cu第二相，严重割裂了基体，使Al-Cu系铸造铝合金的室温塑性普遍较低，如ZL206(T5态)的室温断后伸长率仅为1.8％。近年来公开的一些高Cu的Al-Cu系铸造铝合金制备方法，如CN108251724B和CN108330362B，在一定程度改善了合金的力学性能和切削加工性能，但合金的室温塑性始终较低，影响了Al-Cu系铝合金铸件的加工工艺性和服役安全性。因此，迫切需要开发一种室温塑性良好、高温性能优越的高强耐热Al-Cu系铸造铝合金材料。

近年来，已经公开了一些含稀土Y的Al-Si系铸造铝合金的制备方法，如CN106591635A、CN108179329B、CN108103363B。这些专利技术通过添加稀土Y或者与其他稀土的混合添加，净化合金熔体(CN108179329B)、改善共晶Si形态和消除气孔(CN106591635A)、细化铸态晶粒(CN108103363B)，从而提高了合金的综合力学性能。但是，这些技术途径无法对解决高Cu的Al-Cu系铸造铝合金中由大量晶界Al₂Cu导致的合金脆性问题提供任何技术启示。

发明内容