本發(fā)明屬于鋁合金材料領(lǐng)域，涉及一種Al-Cu-Mg-Fe-Ni系變形耐熱鋁合金及其制備方法。
背景技術(shù)：
：變形耐熱鋁合金具有低密度、高導(dǎo)熱性、良好的成形特性以及較高的經(jīng)濟(jì)效益，已在兵器、航空、航天、汽車(chē)等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，如導(dǎo)彈殼體、尾翼、飛機(jī)蒙皮等。隨著航空、航天的迅速發(fā)展，對(duì)變形耐熱鋁合金的耐熱性能也提出了更高的要求，傳統(tǒng)變形耐熱鋁合金的長(zhǎng)期工作溫度一般在150℃以下，限制了其應(yīng)用范圍。為了提高耐熱鋁合金的使用溫度，國(guó)內(nèi)外研究者采用快速凝固+粉末冶金成形(RS+PM)的方式制備了Al-Fe、Al-Cr系新型耐熱鋁合金，通過(guò)在鋁合金中加入過(guò)渡族金屬元素形成大量彌散分布且具有熱穩(wěn)定性的沉淀相(以金屬間化合物為主)，從而提高合金的耐熱性能，但該方法工藝復(fù)雜，合金致密性不高，同時(shí)大量高密度沉淀相導(dǎo)致合金工藝塑性較差，難以制備大尺寸的零部件。此外，針對(duì)RS+PM方法存在的周期長(zhǎng)，零件致密性不足等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)的研究者提出了一些解決措施，ZL200410022527.0公開(kāi)了一種耐熱鋁合金的制備方法，該方法通過(guò)快速凝固+半固態(tài)壓力鑄造的方式直接制備近終成形的零部件，提高合金的致密性。但該方法仍然難以用于變形耐熱鋁合金產(chǎn)品的制備綜上所述，調(diào)控析出相的類(lèi)型并且增加彌散分布且具有熱穩(wěn)定性的沉淀相是提高變形耐熱鋁合金耐熱性能的關(guān)鍵，其中沉淀相的數(shù)量、尺寸及分布方式又直接決定了合金的熱加工性能。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是：針對(duì)現(xiàn)有成熟變形耐熱鋁合金耐熱性不足以及新型耐熱鋁合金制備工藝復(fù)雜，工藝塑性較差，難以大批量制備等不足，提出一種Al-Cu-Mg-Fe-Ni系變形耐熱鋁合金及其制備方法，使合金耐熱性能具有較大提高的同時(shí)，具備良好的工藝塑性，可實(shí)現(xiàn)批量化制備與應(yīng)用。本發(fā)明的技術(shù)方案是：各組分及其質(zhì)量百分比為：其中，主合金化元素：Cu4.7～5.8％，Mg1.5～2.4％，F(xiàn)e1.5～2.0％,Ni1.4～1.9％,微合金化元素：Zr0.04～0.20％，Ti0.03～0.10％以及Sc0.04～0.10％，V0.08～0.15％，Ag0.3～0.9％中的1種至3種，其它為雜質(zhì)元素，雜質(zhì)元素單個(gè)≤0.05％，總量≤0.15％，余量為Al。制備Al-Cu-Mg-Fe-Ni變形耐熱鋁合金的方法包括以下幾個(gè)步驟：1)按照質(zhì)量比為Al-50％Fe和Al-50％Ni，將Al-Fe、Al-Ni中間合金在電阻爐內(nèi)加熱到900～950℃熔化，降溫至820～850℃，精煉處理10～30min，除去表面浮雜物，靜置15～30min，然后移入氣體霧化制粉設(shè)備中，采用高純氬氣進(jìn)行快速凝固氣體霧化制粉，制備成快速凝固的粉體，粉體直徑在20～150μm；2)將粉體裝入模具，室溫下用冷壓機(jī)進(jìn)行加壓成圓柱坯料，然后將坯料在真空熱壓爐內(nèi)進(jìn)行熱壓燒結(jié)，加熱溫度350℃～460℃，壓力400～800MPa，熱壓爐內(nèi)的真空度不超過(guò)1×10-3Pa，保壓時(shí)間2～6h，保持真空度，隨爐緩冷至150℃以下，取出空冷至室溫；3)將熱壓燒結(jié)后的坯料通過(guò)熱擠壓成Φ5～10mm的絲材，擠壓溫度380℃～440℃；4)將Al、Cu、Mg、Zr、V、Sc和Ag按照權(quán)利要求1所述的成分配料，Al、Mg以純金屬方式加入，其他元素以中間合金方式加入，其中，Sc、V、Ag選擇一種、二種或三種同時(shí)加入，然后在熔煉爐內(nèi)進(jìn)行熔化，熔化溫度680℃～800℃，充分熔化后對(duì)金屬液進(jìn)行精煉并除去表層浮渣，精煉時(shí)金屬溫度維持在700℃～750℃范圍；5)按照權(quán)利要求1所述的Fe、Ni含量，將步驟3所制備的Al-Fe-Ni合金絲加入金屬液中，待完全溶解后進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，攪拌時(shí)避免不要破壞表層氧化膜，保持溫度在710℃～730℃范圍；6)將充分?jǐn)嚢杞饘僖哼M(jìn)行鑄造，鑄造前槽溫度保持在700℃～720℃；7)在空氣循環(huán)爐內(nèi)對(duì)鑄錠進(jìn)行均勻化處理，采取雙級(jí)處理工藝，第一級(jí)溫度為400℃～440℃，第二級(jí)均勻化溫度為490℃～520℃；8)將均勻化處理后的鑄錠扒皮后，進(jìn)行熱軋、熱擠壓或熱鍛任意工藝加工成形，成形過(guò)程中坯料溫度應(yīng)保持在380℃～420℃；9)成形后的坯料經(jīng)過(guò)固溶時(shí)效處理，固溶處理溫度為525℃～543℃，時(shí)效處理工藝為：160℃～195℃溫度下保溫18～30h，隨后加工成所需零部件。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：本發(fā)明針對(duì)工業(yè)化對(duì)變形耐熱鋁合金良好工藝性能及優(yōu)良耐熱性能的需求，通過(guò)合金成分的優(yōu)化并結(jié)合快速凝固+半連續(xù)鑄造工藝的制備方式，在合金中引入適當(dāng)?shù)母邷爻恋硐?，可以使合金耐熱性能提高的同時(shí)，具備良好的加工工藝性能。1、工藝簡(jiǎn)單可行，便于工業(yè)化批量生產(chǎn)。本發(fā)明方法工藝簡(jiǎn)單，Al-Fe-Ni中間合金絲材可以以在線(xiàn)添加的方式加入，工業(yè)化可實(shí)施性強(qiáng)；2、綜合效果顯著。采用本發(fā)明的變形耐熱鋁合金及其制備方法是將Al-Fe和Al-Ni合金制成微米級(jí)顆粒后制成擠壓絲材再加入合金中，絲材在制備過(guò)程中會(huì)析出納米級(jí)高溫耐熱顆粒，絲材中的納米高溫耐熱顆粒引入到合金中可以有效提高合金的耐熱性能，避免了Fe、Ni直接加入后與Cu元素形成大尺寸的殘余第二相，在提高合金耐熱性能的同時(shí)，保證了合金良好的工藝塑性。具體實(shí)施方案下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案和效果作進(jìn)一步的闡述，但本發(fā)明并不局限于下述實(shí)施例。一種Al-Cu-Mg-Fe-Ni變形耐熱鋁合金，各組分及其質(zhì)量百分比為：Cu4.7～5.8％，Mg1.5～2.4％，F(xiàn)e1.5～2.0％,Ni1.4～1.9％,Zr0.04～0.20％，Ti0.03～0.10％以及Sc0.04～0.10％，V0.08～0.15％，Ag0.3～0.9％中的1種至3種，其它雜質(zhì)單個(gè)≤0.05％，總量≤0.15％，余量為Al。制備方法包括以下幾個(gè)步驟：1.1將Al-Fe、Al-Ni中間合金在電阻爐內(nèi)加熱到900～950℃熔化，降溫至820～850℃，精煉處理10～30min，，除去表面浮雜物，靜置15～30min，然后移入氣體霧化制粉設(shè)備中，采用高純氬氣進(jìn)行快速凝固氣體霧化制粉，制備成快速凝固的粉體，粉體直徑在20～150μm。1.2將粉體裝入模具，室溫下用冷壓機(jī)進(jìn)行加壓成圓柱坯料，然后將坯料在真空熱壓爐內(nèi)進(jìn)行熱壓燒結(jié)，加熱溫度350℃～460℃，壓力100～500MPa，熱壓爐內(nèi)的真空度不超過(guò)1×10-3Pa，保壓時(shí)間2～6h。保持真空度，隨爐緩冷至150℃～200℃出空冷至室溫。1.3將熱壓燒結(jié)后的坯料通過(guò)熱擠壓成Φ5～10mm的絲材，擠壓溫度380℃～440℃。1.4將Al、Cu、Mg、Zr、V、Sc和Ag按照權(quán)利要求1所述的成分配料，Al、Mg以純金屬方式加入，其他元素以中間合金方式加入，Sc、V、Ag可選擇一種、二種或三種同時(shí)加入，然后在熔煉爐內(nèi)進(jìn)行熔化，熔化溫度680℃～800℃。充分熔化后對(duì)金屬液進(jìn)行精煉并除去表層浮渣，精煉時(shí)金屬溫度維持在700℃～750℃范圍。1.5按照權(quán)利要求1所述的Fe、Ni含量，將步驟3所制備的Al-Fe-Ni合金絲加入金屬液中，待完全溶解后進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，攪拌時(shí)避免不要破壞表層氧化膜，保持溫度在710℃～730℃范圍；1.6將充分?jǐn)嚢杞饘僖哼M(jìn)行鑄造，鑄造前槽溫度保持在700℃～720℃。1.7在空氣循環(huán)爐內(nèi)對(duì)鑄錠進(jìn)行均勻化處理，采取雙級(jí)處理工藝，第一級(jí)溫度為400℃～440℃，第二級(jí)均勻化溫度為490℃～520℃；1.8將均勻化處理后的鑄錠扒皮后，進(jìn)行熱軋、熱擠壓或熱鍛等任意工藝加工成形，成形過(guò)程中坯料溫度應(yīng)保持在380℃～420℃；1.9成形后的坯料經(jīng)過(guò)固溶時(shí)效處理，隨后加工成所需零部件。步驟1.9中采用的固溶處理溫度為525℃～543℃；步驟1.9中采用的峰值時(shí)效處理工藝為：160℃～195℃溫度下保溫18～30h。實(shí)施例一采合金成分(質(zhì)量百分比)為：Cu5.0％，Mg2.1％，F(xiàn)e1.6％，Ni1.5％，Ag0.40％，Zr0.15％，Sc0.08％，Ti0.06％，余量為Al。首先將Al-50％Fe、Al-50％Ni中間合金在900℃熔化，充分?jǐn)嚢韬蠼禍刂?50℃，氣體精煉15min，然后表面除渣，靜置20min后轉(zhuǎn)移至霧化爐內(nèi)進(jìn)行霧化制粉；將粉末篩選后獲得20～150μm直徑的粉體。將粉體裝入直徑為Φ200mm直徑的鋼模中進(jìn)行冷壓，壓力100MPa，保壓30min，將壓制成型的料塊取出后在真空熱壓爐內(nèi)進(jìn)行熱壓燒結(jié)，加熱溫度380℃，壓力150MPa，真空度3.5×10-4Pa，保壓時(shí)間2h。將熱壓燒結(jié)后的坯料在400℃下擠壓成Φ10mm的絲材。按照成分配比加入純鋁、純鎂、Al-Cu、Al-Zr、Al-Sc、Al-Ti、Al-Ag中間合金，加熱至750℃充分熔化，然后在720℃對(duì)金屬液進(jìn)行精煉，并及時(shí)去除表層浮渣。按照成分配比，在合金液中加入Φ10mm的Al-Fe-Ni合金絲，保持溶液溫度720℃，待合金絲完全溶解后進(jìn)行充分?jǐn)嚢?。然后將金屬液轉(zhuǎn)移至半連續(xù)鑄造機(jī)組進(jìn)行澆鑄，澆鑄成Φ160mm的圓錠；將圓錠在空氣循環(huán)爐內(nèi)進(jìn)行均勻化處理，采取雙級(jí)均勻化工藝，第一級(jí)溫度為410℃，第二級(jí)均勻化溫度為520℃；將均勻化處理后的鑄錠扒皮成Φ140mm圓錠，然后擠壓成δ10×100mm的帶板，擠壓溫度390℃。將獲得的擠壓帶板進(jìn)行固溶時(shí)效處理，具體工藝為：538℃/45min+室溫水淬，然后空氣循環(huán)爐內(nèi)進(jìn)行195℃/20h人工時(shí)效處理。測(cè)量合金的室溫拉伸性能，其縱向屈服強(qiáng)度為360MPa，抗拉強(qiáng)度為438MPa，伸長(zhǎng)率為14.5％，明顯高于2618A等變形耐熱鋁合金；隨后測(cè)量了合金的高溫持久性能和高溫蠕變性能，結(jié)果如表1所示。由表可以發(fā)現(xiàn)合金在200℃下具有較高的強(qiáng)度。表1擠壓帶板的高溫性能狀態(tài)取樣方向試驗(yàn)溫度，℃高溫持久強(qiáng)度,σ100/MPa高溫蠕變強(qiáng)度，σ0.2/100/MPaT6縱向150345331T6縱向175330323T6縱向200313308實(shí)施例二采合金成分(質(zhì)量百分比)為：Cu5.5％，Mg1.8％，F(xiàn)e2.0％，Ni1.9％，Zr0.15％，Sc0.08％，Ti0.06％，V0.10％，余量為Al。首先將Al-50％Fe、Al-50％Ni中間合金在900℃熔化，充分?jǐn)嚢韬蠼禍刂?20℃，氣體精煉15min，然后表面除渣，靜置20min后轉(zhuǎn)移至霧化爐內(nèi)進(jìn)行霧化制粉；將粉末篩選后獲得20～150μm直徑的粉體。將粉體裝入直徑為Φ300mm直徑的鋼模中進(jìn)行冷壓，壓力100MPa，保壓30min，將壓制成型的料塊取出后在真空熱壓爐內(nèi)進(jìn)行熱壓燒結(jié)，加熱溫度400℃，壓力100MPa，真空度5.3×10-4Pa，保壓時(shí)間3h。將熱壓燒結(jié)后的坯料在400℃下擠壓成Φ10mm的絲材。按照成分配比加入純鋁、純鎂、Al-Cu、Al-Zr、Al-Sc、Al-Ti，Al-V中間合金，加熱至780℃充分熔化，然后在730℃對(duì)金屬液進(jìn)行精煉，并及時(shí)去除表層浮渣。按照成分配比，在合金液中加入Φ10mm的Al-Fe-Ni合金絲，保持溶液溫度720℃，待合金絲完全溶解后進(jìn)行充分?jǐn)嚢?。然后將金屬液轉(zhuǎn)移至半連續(xù)鑄造機(jī)組進(jìn)行澆鑄，澆鑄成Φ160mm的圓錠；將圓錠在空氣循環(huán)爐內(nèi)進(jìn)行均勻化處理，采取雙級(jí)均勻化工藝，第一級(jí)溫度為440℃，第二級(jí)均勻化溫度為520℃；將均勻化處理后的鑄錠扒皮成Φ140mm圓錠，然后擠壓成δ10×100mm的帶板，擠壓溫度400℃。將獲得的擠壓帶板進(jìn)行固溶時(shí)效處理，具體工藝為：540℃/45min+室溫水淬，然后空氣循環(huán)爐內(nèi)進(jìn)行177℃/26h人工時(shí)效處理。測(cè)量合金的室溫拉伸性能，其縱向屈服強(qiáng)度為373MPa，抗拉強(qiáng)度為451MPa，伸長(zhǎng)率為11.2％；隨后測(cè)量了合金的高溫持久性能和高溫蠕變性能，結(jié)果如表2所示。由表可以發(fā)現(xiàn)合金在200℃下具有較高的強(qiáng)度。表2擠壓帶板的高溫性能狀態(tài)取樣方向試驗(yàn)溫度，℃高溫持久強(qiáng)度,σ100/MPa高溫蠕變強(qiáng)度，σ0.2/100/MPaT6縱向150356351T6縱向175348343T6縱向200321311當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3