專利名稱：鍶微合金化的高鋅2099型鋁合金及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種有色金屬及其制備方法，尤其涉及一種含鍶的 Al-Cu-Li-Zn-Mg-Zr型鋁合金及其制備方法。具體來說，是一種鍶微合金化的高鋅2099型 鋁合金及其制備方法。
背景技術：
鋰(Li)是自然界中最輕的金屬元素，其密度只有0.535g/cm3，向鋁中每加入1 2wt% (質量百分比)的Li，可使合金密度下降3 10%，彈性模量提高5 20%。由于鋁 鋰合金具有低密度、高比強度、高比剛度、優(yōu)良的耐低溫性能、良好的耐腐蝕性能、卓越的超 塑性成形性能、并且可焊接等，被認為是航空、航天工業(yè)中理想的結構材料。其中，2099鋁合 金(一種Al-Cu-Li-Zn-Mglr合金)以其減重顯著(替代2024鋁合金減重7 17% )、抗 腐蝕性優(yōu)良、塑性成形性能好、可焊、低各向異性等特性，在空客新一代大飛機A380上大量 應用。眾所周知，合金化及微合金化是提高鋁合金組織與性能的有效手段。2099鋁合金 的基本成分為銅(Cu) 2. 4 3. 0，鋰(Li) 1. 6 2. 0，鋅(Zn) 0. 4 1. 0，鎂(Mg) 0. 1 0. 5， 錳(Mn)O. 1 0. 5，鋯(Zr)O. 05 0. 12，余量為鋁和少量雜質元素。從微合金化來看，該合 金僅采用了過渡族元素&進行微合金化。鍶(Sr)是一種高活性元素，在鋁合金中是一種 長效變質劑，能有效地凈化熔體、減輕雜質的危害、細化組織，阻礙再結晶和晶粒長大，提高 合金的熱穩(wěn)定性。從主合金元素來看，該合金采用了 Zn進行合金化，降低了合金的層錯能， 促進了 Tl(Al2CuLi)相析出，降低了合金的各向異性，提高了合金的應力腐蝕抗力，可見Zn 是2099鋁合金的有益元素。因此，在2099鋁合金中通過添加微量的Sr，同時適當提高Zn 的含量，可進一步提高2099鋁合金的性能。但是，到目前為止，我國尚未有一種具有自主知識產權的2099型鋁合金可供使 用，這一定程度上制約了我國航空航天、武器裝備等工業(yè)的發(fā)展。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是在2099鋁合金的基礎上，通過調整主合金化元素Zn的成分并微 量添加Sr元素，發(fā)明一種高性能的2099型鋁合金及其制備方法，滿足航空航天、武器裝備 等領域的需求。本發(fā)明的技術方案之一是一種鍶微合金化的高鋅2099型鋁合金，其特征是它主要由鋁(Al)、銅(Cu)、鋰 (Li)、鋅(Zn)、鎂(Mg)、錳(Mn)、鋯(Zr)和鍶(Sr)元素組成；其中，銅(Cu)的質量百分比為 2. 36 2. 52%，鋰(Li)的質量百分比為1. 87 1. 98%，鋅(Zn)的質量百分比為1. 19 1.27%，鎂(Mg)的質量百分比為0.451 0.497%，錳(Mn)的質量百分比為0. 309 0. 313%，鋯(Zr)的質量百分比為0. 0791 0. 0825%，鍶(Sr)的質量百分比為0. 0605 0. 80%，余量為鋁和少量雜質元素。
所述的Zn的質量百分比，較2099鋁合金中Zn含量的上限值高0. 19 0.27%。本發(fā)明的技術方案之二是一種鍶微合金化的高鋅2099型鋁合金的制備方法，其特征在于首先，將純Al熔化；其次，依次加入用常規(guī)方法制備或直接市購的Al-Cu中間合金、Al-Sr中間合金、 Al-Mn中間合金、A1-&中間合金以及純Zn、純Mg，待添加的中間或金屬熔化后，再加入六氯 乙烷精煉直至沒有氣體逸出，靜置保溫5 IOmin后加入氟化鋰(LiF)覆蓋劑，然后加入純 Li，再次加入六氯乙烷精煉直至沒有氣體逸出，靜置保溫3 5min后去渣澆鑄成錠。最后，對澆鑄成錠的合金進行后處理；即可獲得鍶微合金化的高鋅2099型鋁合
^^ ο所述的Al-Cu中間合金中Cu的質量百分比約為50. 12%，Al-Sr中間合金中Sr的 質量百分比約為9. 89%,Al-Mn中間合金中Mn的質量百分比約為10. 02%，A1-&中間合金 中&的質量百分比約為4. 11%。所述的澆鑄成錠的鋁合金的后處理其最佳工藝為470 490°C X24h退 火、470 490 °C預熱后的鍛壓加工、T6處理(固溶處理540 V X2h+時效處理 121 °C X14h-151°C X48h)。本發(fā)明的有益效果是(1)本發(fā)明合金具有密度小、硬度高、抗腐蝕性好等特點。比如，本發(fā)明合金經(jīng)T6 處理(固溶處理540°C X2h+時效處理121°C X14h-151°C X48h)后，其硬度為162.7 174. 1HV，比2024-T6(固溶處理500°C X2h+時效處理191°C X12h)鋁合金的硬度高 14. 7 22. 7%，并且抗腐蝕性能與2024-T6鋁合金相似。(2)本發(fā)明公開了一種鍶微合金化的高鋅2099型鋁合金的制備方法，一定程度上 打破了國外對高性能鋁合金的技術封鎖，可滿足我國航空航天、武器裝備等領域的需求。(3)本發(fā)明通過大量的試驗獲得了理想的制備方法，尤其是通過采用依次加入各 中間合金及純金屬的方法來控制各組份含量，按本發(fā)明的工藝順序才能最終得到符合要求 的鋁合金材料。


圖1是本發(fā)明鍶微合金化的高鋅2099型鋁合金晶間腐蝕試驗后橫截面金相組 織；圖2是市購標準2024-T6鋁合金晶間腐蝕試驗后橫截面金相組織。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明進一步說明。實施例一如圖1所示一種鍶微合金化的高鋅2099型鋁合金，采用以下方法制造而得按28kg配制為例。先將23. 44kg AOO等級純Al (成分99. 79A1,0. 14Fe，0. 04Si，所有實施例中元素符合前的數(shù)字均表示質量百分比)熔化后依次加入1.50kgAl-Cu(49. 62A1，50. 12Cu, 0. 15Fe,0. IlSi)中間合金(Al-Cu中間合金可直接根據(jù)配比從市場購置，也可采用常規(guī)方 法配制，Cu 的損失率約為 6. 25% )、0. 29kgAl-Sr (89. 86Α1，9· 89Sr,0. 15Fe，0. IOSi)中間 合金(Al-Sr中間合金可直接根據(jù)配比從市場購置，也可采用常規(guī)方法配制，Sr的損失率約 為 40% )、0. 96kgAl-Mn 中間合金(89. 73A1,10. 02Mn，0. 19Fe，0. 06Si) (ΑΙ-Μη 中間合金可 直接根據(jù)配比從市場購置，也可采用常規(guī)方法配制，Mn的損失率約為10% )、0.61kg Al-Zr 中間合金(95. 69Α1，4· ΙΙΖγ,Ο. 20Fe，0. IOSi) (A1-&中間合金可直接根據(jù)配比從市場購 置，也可采用常規(guī)方法配制，Zr的損失率約為8% )、0. 36kg純Zn (Zn的損失率約為8% )、
0.17kg純Mg(Mg的損失率約為20% )，待其熔化后加入六氯乙烷精煉(加入量為56g)除氣，靜置保溫5 IOmin后加入LiF覆蓋劑(其中的鋰以雜質的形式出現(xiàn)，因此不會影響 鋰的總含量，下同)，然后加入0. 67kg純Li (Li的損失率約為22% )，再次加入六氯乙烷精 煉(加入量為28g)除氣，靜置保溫3 5min后澆鑄成錠；對澆鑄成錠的合金進行470 4900C X24h退火、經(jīng)470 490°C預熱后的鍛壓加工、T6處理(固溶處理540°C X2h+時 效處理121°C X14h-151°C X48h)；即獲得鍶微合金化的高鋅2099型鋁合金。本實施例的鋁合金的實測硬度為162. 7HV，比2024_T6(固溶處理500°C X2h+時 效處理191°C X12h)鋁合金高14. 7%;按GB/T 7998-2005 (鋁合金晶間腐蝕測試方法)進 行腐蝕，其晶間腐蝕最大深度僅為122. 78ym(附圖1)，而2024-Τ6鋁合金的晶間最大腐蝕 深度為202 μ m(附圖2)。本實施例的鋁合金經(jīng)光譜實際測量成分為-.2. 52 (質量百分比，下同)Cu，1. 87Li，
1.19Ζη，0· 497Mg，0. 309Μη，0· 0825Zr，0. 0605Sr，余量為鋁和雜質元素。實施例二一種鍶微合金化的高鋅2099型鋁合金，其制造方法為按28kg配制為例。先將23. 39kgA00 等級純 Al (成分99. 79A1，0. 14Fe,0. 04Si)熔化后依次加 入 1. 41kg Al-Cu(49. 62A1，50. 12Cu，0. 15Fe，0. IlSi)中間合金(Al-Cu 中間合金可直 接從市場購置或采用常規(guī)方法制備好后備用，其中Cu的損失率約為6. 25% ),0. 38kg Al-Sr (89. 86A1,9. 89Sr,0. 15Fe，0. IOSi)中間合金(Al-Sr中間合金可直接從市場購置或 采用常規(guī)方法制備好后備用，Sr的損失率約為40% )、0. 97kg Al-Mn中間合金(89. 73A1， 10. 02Mn,0. 19Fe,0. 06Si) (Al-Mn中間合金可直接從市場購置或采用常規(guī)方法制備好后備 用，Mn 的損失率約為 10% )、0. 59kg Al-Zr 中間合金(95. 69Α1，4· ΙΙΖγ,Ο. 20Fe，0. IOSi) (A1-&中間合金可直接從市場購置或采用常規(guī)方法制備好后備用，&的損失率約為8% )、 0. 39kg純Zn (Zn的損失率約為8% )、0. 16kg純Mg (Mg的損失率約為20% )，待其熔化 后加入六氯乙烷精煉(加入量為56g)除氣，靜置保溫5 IOmin后加入LiF覆蓋劑造 渣，然后加入0. 71kg純Li (Li的損失率約為22% )，再次加入六氯乙烷精煉(加入量為 28g)除氣，靜置保溫3 5min后澆鑄成錠；對澆鑄成錠的合金進行470 490°C X24h 退火、經(jīng)470 490°C預熱后的鍛壓加工、T6處理(固溶處理540°C X2h+時效處理 121°C X14h-151°C X48h)；即獲得鍶微合金化的高鋅2099型鋁合金。本實施例的鋁合金的實測硬度為174. 1HV，比2024_T6(固溶處理500°C X2h+時 效處理191 °C X 12h)鋁合金高22. 7% ；按GB/T 7998-2005鋁合金晶間腐蝕測試方法)進行腐蝕，其晶間最大腐蝕深度為245. 65 μ m。本實施例所得的鋁合金經(jīng)光譜實際測量成分為2.36(質量百分比，下同)Cu， 1.98Li, 1. 27Ζη，0· 451Mg，0. 313Μη，0· 0791Zr,0. 080Sr，余量為鋁和雜質元素)。實施例三一種鍶微合金化的高鋅2099型鋁合金，采用以下方法制造而得按28kg配制為例。先將23. 39kg AOO等級純Al (成分:99·79Α1，0· 14Fe，0. 04Si，所有實施例中元 素符合前的數(shù)字均表示質量百分比)熔化后依次加入1.44kgAl-Cu(49. 62A1，50. 12Cu,
0.15Fe,0. IlSi)中間合金(Al-Cu中間合金可直接根據(jù)配比從市場購置，也可采用常規(guī)方 法配制，Cu 的損失率約為 6. 25% )、0. 34kgAl-Sr (89. 86Α1，9· 89Sr,0. 15Fe，0. IOSi)中間合 金(Al-Sr中間合金可直接根據(jù)配比從市場購置，也可采用常規(guī)方法配制，Sr的損失率約為 40% ) U. OlkgAl-Mn 中間合金(89. 73A1,10. 02Mn，0. 19Fe，0. 06Si) (ΑΙ-Μη 中間合金可直接 根據(jù)配比從市場購置，也可采用常規(guī)方法配制，Mn的損失率約為10% )、0. BOkgAl-Zr中間 合金(95. 69Α1，4· ΙΙΖγ,Ο. 20Fe，0. IOSi) (A1-&中間合金可直接根據(jù)配比從市場購置，也 可采用常規(guī)方法配制，Zr的損失率約為8% )、0. 37kg純Zn (Zn的損失率約為8% )、0. 17kg 純Mg (Mg的損失率約為20% )，待其熔化后加入六氯乙烷精煉(加入量為56g)除氣，靜置 保溫5 IOmin后加入LiF覆蓋劑，然后加入0. 68kg純Li (Li的損失率約為22% )，再次 加入六氯乙烷精煉(加入量為28g)除氣，靜置保溫3 5min后澆鑄成錠，；對澆鑄成錠的 合金進行470 490°C X24h退火、經(jīng)470 490°C預熱后的鍛壓加工、T6處理(固溶處理 5400C X2h+時效處理121°C X14h-151°C X48h)；即獲得鍶微合金化的高鋅2099型鋁合
^^ ο本實施例的鋁合金的硬度實測為171. 8HV，比2024_T6(固溶處理500°C X2h+時 效處理191°C X12h)鋁合金高21.2%;按GB/T 7998-2005 (鋁合金晶間腐蝕測試方法)進 行腐蝕，其晶間腐蝕最大深度僅為263. 40 μ m。本實施例的鋁合金經(jīng)光譜實際測量成分為-.2. 41 (質量百分比，下同)Cu，1. 90Li,
1.23Ζη，0· 474Mg，0. 325Μη，0· 0813Zr，0. 0715Sr，余量為鋁和雜質元素。實施例四一種鍶微合金化的高鋅2099型鋁合金，其制造方法為按28kg配制為例。先將23. 43kgA00 等級純 Al (成分99. 79A1，0. 14Fe,0. 04Si)熔化后依次加 入 1. 45kg Al-Cu(49. 62A1，50. 12Cu，0. 15Fe，0. IlSi)中間合金(Al-Cu 中間合金可直 接從市場購置或采用常規(guī)方法制備好后備用，其中Cu的損失率約為6. 25% ),0. 33kg Al-Sr (89. 86A1,9. 89Sr,0. 15Fe，0. IOSi)中間合金(Al-Sr中間合金可直接從市場購置或 采用常規(guī)方法制備好后備用，Sr的損失率約為40% )、0. 98kgAl-Mn中間合金(89. 73A1， 10. 02Mn,0. 19Fe,0. 06Si) (Al-Mn中間合金可直接從市場購置或采用常規(guī)方法制備好后備 用，Mn 的損失率約為 10 % )、0. 59kgAl-Zr 中間合金(95. 69A1，4. llZr，0. 20Fe，0. 10Si) (A1-&中間合金可直接從市場購置或采用常規(guī)方法制備好后備用，&的損失率約為8% )、 0. 38kg純Zn (Zn的損失率約為8% )、0. 17kg純Mg(Mg的損失率約為20% )，待其熔化后加 入六氯乙烷精煉(加入量為56g)除氣，靜置保溫5 IOmin后加入LiF覆蓋劑，然后加入0.67kg純Li (Li的損失率約為22% )，再次加入六氯乙烷精煉(加入量為28g)除氣，靜置保 溫3 5min后澆鑄成錠，；對澆鑄成錠的合金進行470 490°C X 24h退火、經(jīng)470 490°C 預熱后的鍛壓加工、T6處理(固溶處理540°C X2h+時效處理121°C X14h_151°C X48h)； 即獲得鍶微合金化的高鋅2099型鋁合金。本實施例的鋁合金的硬度實測為169. 2HV，比2024_T6(固溶處理500°C X2h+時 效處理191 °C X 12h)鋁合金高19. 3% ；按GB/T 7998-2005鋁合金晶間腐蝕測試方法)進 行腐蝕，其晶間最大腐蝕深度僅為251. 60 μ m。本實施例所得的鋁合金經(jīng)光譜實際測量成分為2.43(質量百分比，下同)Cu，
(1.88Li, 1. 24Ζη，0· 467Mg，0. 317Μη，0· 0803Zr,0. 0708Sr，余量為鋁和雜質元素)。以上僅列出了幾個常見配比的鋁合金的配比及制造方法，本領域的技術人員可以 根據(jù)上述實例適當?shù)卣{整各組份的配比并嚴格按上述步驟進行制造即可獲得理想的硬度 高、抗蝕性能好的2099型鋁鋰合金。本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術相同或可采用現(xiàn)有技術加以實現(xiàn)。
權利要求
一種鍶微合金化的高鋅2099型鋁合金，其特征是它主要由鋁(Al)、銅(Cu)、鋰(Li)、鋅(Zn)、鎂(Mg)、錳(Mn)、鋯(Zr)和鍶(Sr)組成；其中，銅(Cu)的質量百分比為2.36～2.52％，鋰(Li)的質量百分比為1.87～1.98％，鋅(Zn)的質量百分比為1.19～1.27％，鎂(Mg)的質量百分比為0.451～0.497％，錳(Mn)的質量百分比為0.309～0.325％，鋯(Zr)的質量百分比為0.0791～0.0825％，鍶(Sr)的質量百分比為0.0605～0.80％，余量為鋁(Al)和少量雜質。
2.—種權利要求1所述的鍶微合金化的高鋅2099型鋁合金的制備方法，其特征在于首先，將純Al熔化；其次，依次加入Al-Cu中間合金、Al-Sr中間合金、Al-Mn中間合金、A1-&中間合金、純 Zn和純Mg，在添加過程中必須按所列次序添加，即必須等前一中間合金或待添加的金屬熔 化后再加入后一中間合金或待添加金屬，然后再加入六氯乙烷精煉直至沒有氣體逸出，靜 置保溫5 IOmin后加入氟化鋰(LiF)覆蓋劑，然后加入純Li，再次加入六氯乙烷精煉直至 沒有氣體逸出，靜置保溫3 5min后澆鑄成錠； 最后，對澆鑄成錠的鋁合金進行后處理；即可獲得鍶微合金化的高鋅2099型鋁合金。
3 根據(jù)權利要求2所述的鍶微合金化的高鋅2099型鋁合金的制備方法，其特征在于 所述的Al-Cu中間合金中Cu的質量百分比約為50. 12%,Al-Sr中間合金中Sr的質量百分 比約為9. 89%, Al-Mn中間合金Mn的質量百分比約為10. 02%, Al-Zr中間合金中&的質 量百分比約為4. 11%。
4.根據(jù)權利要求2所述的鍶微合金化的高鋅2099型鋁合金的制備方法，其特征在于 所述的澆鑄成錠的鋁合金的后處理方法包括470 490°C X24h退火、470 490°C預熱后 的鍛壓加工、T6處理即固溶處理540°C X2h+時效處理121°C X14h_151°C X48h。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鍶微合金化的高鋅2099型鋁合金及其制備方法，該鋁合金是在2099鋁合金的基礎上，添加了微量鍶進行微合金化并適當提高了鋅的含量，它主要由鋁(Al)、銅(Cu)、鋰(Li)、鋅(Zn)、鎂(Mg)、錳(Mn)、鋯(Zr)和鍶(Sr)組成。該合金的制備工藝流程為先將純Al熔化后依次加入Al-Cu中間合金、Al-Sr中間合金、Al-Mn中間合金、Al-Zr中間合金、純Zn、純Mg，待其熔化后加入六氯乙烷精煉，靜置保溫5～10min后加入LiF覆蓋劑，然后加入純Li，再次加入六氯乙烷精煉除氣，靜置保溫3～5min后澆鑄成錠；對澆鑄成錠的合金進行退火、鍛壓加工、T6處理的后處理。本發(fā)明合金具有密度小、硬度高、抗腐蝕性好等特點，可滿足我國航空航天、武器裝備等領域對高性能鋁合金的需求。
文檔編號C22F1/08GK101838763SQ201010123428
公開日2010年9月22日 申請日期2010年3月15日 優(yōu)先權日2010年3月15日
發(fā)明者吳桂潮, 宋濤, 成城, 王宏宇, 王彬, 程曉農, 羅勇, 許曉靜, 費正旦, 趙梓皓 申請人:江蘇大學