[发明专利]一种低密度高强高弹性模量的铝锂合金及制备方法

说明书

本发明公开一种低密度高强高弹性模量的铝锂合金及制备方法，属于铝锂合金新材料和制造的技术领域。所述低密度高强高弹性模量的铝锂合金的化学成分按质量百分比计为：Cu 1.5‑4.5wt.％，Li 2.4‑3.8wt.％，Mg 0.5‑2.0wt.％，Zn 0.5‑1.0wt.％，Ag 0.3‑0.8wt.％，Er 0.05‑0.3wt.％，Zr 0.05‑0.25wt.％，Fe≤0.08wt.％，Si≤0.05wt.％，余量为Al和不可避免的杂质。所述制备方法包括合金配料、烘料、电磁感应加热炉气压调整、真空感应炉熔炼、功率调整、铸造、热处理和冷却方式。本发明避免除气除渣并减少铝锂合金制备的缺陷。

技术领域

本发明属于铝锂合金新材料和制造的技术领域，涉及一种低密度高强高弹性模量的铝锂合金及制备方法。

背景技术

目前，航空航天结构件制造领域对轻质高强金属材料的需求日益凸显。其中，将自然界中最轻的金属元素Li加入到铝合金中将会进一步提高传统铝合金的比强度。

然而，对于结构承载件来说，仅单方面提高合金强度并不能有效延长结构件的服役周期，其他由于微小变形引发的断裂同样对结构件整体构成服役威胁，故而目前新一代铝锂合金在追求合金强度提升的同时，也需要优先保证合金具有较高的弹性模量，以增加抵抗变形的能力，提升结构件的服役周期。

高弹性模量铝锂合金的制备方法主要涉及合金中Li含量的成分调控和热处理手段。目前的研究表明，铝锂合金中Li元素含量每提升1wt.％，可使弹性模量提升6wt.％。但同时Li含量的增加也会对铝锂合金的制备带来挑战。这是由于Li元素的活性极高，在空气中会即刻发生氧化反应生成Li₂O，同时Li₂O还易吸收空气中水分生成LiOH，从而在铝锂合金的制备过程中出现氧化物和H元素等不利影响因素，极易导致所制备铝锂合金中的气孔、白点、氢脆等冶金缺陷，不利于高Li含量的铝锂合金的制备。

此外，铝锂合金铸锭后续的热处理工艺也对其弹性模量有较大影响，高Li含量的铸态铝锂合金中含有较多沿晶界分布的大尺寸Al-Li相，需要通过恰当的固溶热处理工艺使这些粗大含Li第二相回溶进基体，形成过饱和固溶体，之后再通过时效处理在过饱和固溶体中形成尺寸在纳米级的含Li析出相，以保证所制备的铝锂合金铸锭具备高的弹性模量。

研究发现，现有的铝锂合金铸造工艺多采用电阻炉在覆盖剂保护下利用精炼剂除气的方法进行炼制，容易存在工艺操作复杂，制备过程中锂元素易氧化。

例如：中国专利CN108570580A公开了一种高锂含量铸造铝镁锂合金及其制备方法，是在AA8090合金基础上，去除了Cu，上海交通大学一种Mg含量在1-4wt.％，Li含量在2.5-3wt.％，Zr含量在0.15-0.2wt.％，Sc含量在0.1-0.15wt.％的铝锂合金制备方法，通过使用重量比为3:1的氯化锂和氟化锂的混合溶剂进行精炼，并在氩气保护下进行加Li和浇铸，但该工艺操作较为复杂，在除渣和浇铸过程中金属液容易与空气接触，在高Li含量条件下依然存在氧化的风险。

中国专利CN108570580A公开了一种含钪铸造铝锂合金及其制备方法，是在AA2099合金基础上，降低了Cu，Cu含量在0.8-1.8wt.％，Mg含量在0.2-0.7wt.％，Li含量在1.6-1.99wt.％，Zr含量在0.1-0.25wt.％。该合金通过双级固溶和单级时效热处理之后，强度达到400-450MPa，弹性模量达到77-78GPa，远低于80GPa。

中国专利CN108570579A公开了一种含镁铸造铝锂合金及其制备方法，Cu含量在0.9-1.9wt.％，Mg含量在0.2-0.7wt.％，Li含量在1.6-1.99wt.％，Zr含量在0.1-0.25wt.％，Sc含量在0.05-0.35wt.％。其中的覆盖剂和氩气保护虽然能够有效避免Li元素的氧化，但是工艺操作复杂，工业化应用中覆盖剂消耗量大，且Sc的价格为$3460/kg，本发明中Er的价格为$26.4/kg，工艺操作简单，显然本发明的Er稀土元素选择更利于工业大规模生产。