[发明专利]一种Si、Mg、Zr微合金化AlCuMn耐热铝合金及热处理工艺

说明书

一种Si、Mg、Zr微合金化AlCuMn耐热铝合金及热处理工艺，属于耐热合金材料技术领域。合金成分：4％‑5.6％Cu、0％‑0.35％Mg、0.2％‑0.4％Mn、0％‑0.3％Zr、0％‑0.3％Si，其余含量为高纯铝。本发明采用Si、Mg、Zr微合金化和不同的热处理工艺,提高了合金的热稳定性，使得该合金在225～325℃长时间热暴露下具有较高的强度，保持良好的热稳定性。

技术领域

本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种微合金化耐热合金制备及其热处理工艺。

技术背景

随着铝合金在航空航天、交通运输、兵器装备业等领域的应用越来越广泛，对于一些特殊性能的铝合金要求越来越高，比如高温耐热铝合金。目前，微合金化作为铝合金成分优化的重要手段，旨在通过微量的元素添加，实现合金微观组织优化，进而显著改良合金材料力学性能，因而得到学界及工业界持续重视与长足发展。

Al-Cu-Mg系合金是一种典型的可热处理强化铝合金，长期以来被广泛应用于航空航天和民用工业等领域，尤其是在航天工业中占有十分重要的地位。Mg作为传统耐热合金AlCuMg合金的主要元素，可以显著提高AlCu合金的强度与耐热性，但一般情况下，此类合金一般用于130℃-140℃以下的工作环境，当工作温度超过150℃时，基体中的强化相会急剧粗化，从而使合金性能大幅度下降。

Mn和Zr是常用来作为微合金化元素的两种元素。Sc一直以来被公认为是微合金化效果最好的元素，但其昂贵的价格一直限制它的发展，而Zr与Sc物理化性质相似，容易与Al形成L1₂结构的AlxM金属间化合物，所以通常在高温耐热铝合金中往往会添加一部分Zr从而形成与Al₃Sc相似的L1₂结构的Al₃Zr亚稳相，其具备较低的错配度，很难从亚稳过渡相转变成稳定相，从而提升合金的高温耐热性。近期有学者对Al-Cu-Mn-Zr合金进行研究，在Al-Cu合金中同时加入Mn 和Zr，结果表明合金耐热温度可以提高到350℃，研究表明，原因是Mn、Zr在θ′/基体界面析出，Mn可以有效稳定半共格界面，而Zr 可以有效稳定共格界面，因此Mn、Zr可以结合起来降低热力学驱动力，减缓析出相粗化动力学，减慢析出相在高温下的粗化过程。虽然在Al-Cu合金中加入Mn、Zr微合金化元素使合金具有良好的耐热性，但该种合金无论在低温还是高温，硬度值都较低，在100～110Hv左右。

Si通常被作为杂质元素控制其含量，但在高Cu/Mg比Al-Cu-Mg 合金中添加少量Si后，人工时效态合金组织中析出了更加细小弥散的相，还有少量Q相复合析出，使合金的时效硬度提高。众多研究表明，添加少量的Si可以显著提高Al-Cu-Mg合金的时效响应速度，同时使基体中的析出相细化且分布均匀，从而提高合金的力学性能。但 Si的问题在于，在较高温度下，对合金长时间耐热性作用不大。

因此，基于以上技术背景，Mg的添加可以提高合金强度和热稳定性，在此基础上添加Si可以进一步提高合金峰时效硬度，而Zr的添加可以使得合金在更高温度下保持良好的稳定性，本发明通过Mg、 Si、Zr三种微合金化元素的复合添加，并结合独特的热处理工艺，使得本发明合金在225℃以下工况具有较高强度的同时依旧保持良好的热稳定性，提高传统耐热合金使用温度的同时，保证了其强度。而 Mg、Zr复合添加的合金通过独特的热处理工艺，使得本合金在225℃以上工况具有较高的强度和优越的热稳定性，解决了合金在更高温度下具有良好热稳定性但强度低的问题。本发明通过元素复合添加与独特的热处理工艺，发挥其不同优势，使得该发明合金兼具低温与高温应用。

发明内容

本发明的目的在于通过Si、Mg、Zr微合金化元素的添加，制备出一种耐热性较好的AlCuMgMnZrSi耐热合金，并通过独特的热处理工艺进一步提高合金的耐热性。