一种低热裂倾向性Al-5%Cu基合金制备方法 【技术领域】
本发明涉及一种Al-5％Cu基合金制备方法。
背景技术
Al-Cu系合金作为铝合金材料的一种，具有很高的室温及高温力学性能，尤其是强度和延伸率指标的搭配范围宽，性能潜力大，热处理强化明显而广泛使用于航空、航天、汽车、机械等行业中。Al-Cu系中Al-5％Cu基合金(ZL205合金)是我国自行研制的高强度铸造铝合金，是目前世界工业生产中强度较高的铸造铝合金之一，因而其在航空、航天、核工业、兵器工业中逐渐展现了广泛的应用前景。
近年来，随着航空航天事业的发展，对高强韧铸造铝合金的要求也越来越高，这就要求其应在满足力学性能的基础上，最大限度的降低缺陷率，尤其是热裂倾向性，以满足其要求。然而现有的制备方法得到的Al-5％Cu基合金在降低热裂倾向性的同时，不能保持合金的高强度。
【发明内容】
本发明的目的是为了解决现有方法得到的Al-5％Cu基合金结晶温度范围宽，热裂倾向性高的问题，本发明提供了一种低热裂倾向性Al-5％Cu基合金制备方法。
本发明的低热裂倾向性Al-5％Cu基合金制备方法是通过以下步骤实现：一、按质量百分比称取如下原料：66.15％～82.45％的铝、10％的铝铜中间合金、2％～5％的铝锰中间合金、1.25％～5％的铝锆中间合金、1.25％～7.5％的铝钒中间合金、2％～5％的铝钛硼中间合金、0.15％～0.25％的镉和0.9％～1.1％的铝钇中间合金；二、将步骤一中的原料进行表面清洗，再自然干燥后混合装入石墨坩埚中，然后将石墨坩埚置于700～750℃的条件下加热至原料完全熔化后，再通入氩气20～40min，然后将熔体浇入模具中，得Al-5％Cu基合金激冷锭；三、按质量百分比称取15％～25％的步骤二得到的Al-5％Cu基合金激冷锭、50％～60％的铝、7％～8％的铝铜中间合金、1.5％～3.5％的铝锰中间合金、3％～4％的铝锆中间合金、5％～6％的铝钒中间合金、2％～4％的铝钛硼中间合金、0.1％～0.2％的镉和0.75％～0.85％的铝钇中间合金，然后混合装入石墨坩埚中，再将石墨坩埚置于700～750℃的条件下加热至原料完全熔化后，再通入氩气20～40min，然后浇注成板件，得到低热裂倾向性Al-5％Cu基合金。
本发明中Al-5％Cu基合金激冷锭及稀土元素钇(Y)的加入细化了Al-5％Cu基(ZL205A)合金组织，Al-5％Cu基合金激冷锭的加入使得合金熔体在凝固过程中异质形核质点增多，同时稀土元素钇的加入抑制了晶粒的长大，两者共同作用下，使得Al-5％Cu基合金组织细化，缩小了结晶温度区间，得到的Al-5％Cu基合金致密，在铸造过程中的热裂倾向性降低。此外，钇、铝、铜、钒金属元素之间具有较强的交互作用，形成化合物，并且该化合物沿晶界析出，在合金熔体凝固前期阻止晶粒生长细化了二次枝晶间距，从而细化了合金组织，并且对晶界处第二相起到了变质作用，使合金组织变得更加细小、致密，使得合金的结晶区间减小，降低了Al-5％Cu基合金在铸造过程中的热裂倾向性，同时合金的抗拉强度力学性能仍保持现有技术达到的强度。
本发明制备得到的低热裂倾向性Al-5％Cu基合金的最大热裂抗力值为670N，与现有的同体系Al-5％Cu基合金相比，热裂抗力增加了103％，热裂抗力增加了Al-5％Cu基合金的力学性能，使得Al-5％Cu基合金热裂倾向性明显改善。同时，本发明得到的低热裂倾向性Al-5％Cu基合金的抗拉伸强度达到450～500N，在保持现有Al-5％Cu基合金和强度的同时，实现了热裂倾向性缺陷的显著降低。
本发明的低热裂倾向性Al-5％Cu基合金可更好、更安全地服役于航空、航天、核工业、兵器工业。
本发明的制备方法工艺简单，易于操作，原料中不含有贵金属元素，生产成本低。
【附图说明】
图1是具体实施方式十二得到的低热裂倾向性Al-5％Cu基合金的合金组织晶粒粒度形貌图；图2是具体实施方式十二中作为对比制备得到添加0.1％稀土钇的Al-5％Cu基合金地合金组织晶粒粒度形貌图；图3是现有方法得到的Al-5％Cu基合金的合金组织晶粒粒度形貌图；图4是具体实施方式十二得到的低热裂倾向性Al-5％Cu基合金的冷却曲线图。
【具体实施方式】
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式中低热裂倾向性Al-5％Cu基合金制备方法是通过以下步骤实现：一、按质量百分比称取如下原料：66.15％～82.45％的铝、10％的铝铜中间合金、2％～5％的铝锰中间合金、1.25％～5％的铝锆中间合金、1.25％～7.5％的铝钒中间合金、2％～5％的铝钛硼中间合金、0.15％～0.25％的镉和0.9％～1.1％的铝钇中间合金；二、将步骤一中的原料进行表面清洗，再自然干燥后混合装入石墨坩埚中，然后将石墨坩埚置于700～750℃的条件下加热至原料完全熔化后，再通入氩气20～40min，然后将熔体浇入金属锭模具中，得Al-5％Cu基合金激冷锭；三、按质量百分比称取15％～25％的步骤二得到的Al-5％Cu基合金激冷锭、50％～60％的铝、7％～8％的铝铜中间合金、1.5％～3.5％的铝锰中间合金、3％～4％的铝锆中间合金、5％～6％的铝钒中间合金、2％～4％的铝钛硼中间合金、0.1％～0.2％的镉和0.75％～0.85％的铝钇中间合金，然后混合装入石墨坩埚中，再将石墨坩埚置于700～750℃的条件下加热至原料完全熔化后，再通入氩气20～40min，然后浇注成板件，得到低热裂倾向性Al-5％Cu基合金。
本实施方式得到的Al-5％Cu基合金的合金组织晶粒小，合金结晶区间减小，热烈抗力值可达到670N，在铸造过程中表现出良好的低热裂倾向性，其抗拉强度仍保持在450～500N。
本实施方式的制备方法工艺简单，易于操作，原料中不含有贵金属元素，生产成本低。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中按质量百分比称取如下原料：70％～75％的铝、10％的铝铜中间合金、2.5％～4％的铝锰中间合金、3％～4.5％的铝锆中间合金、5％～7％的铝钒中间合金、2.5％～4％的铝钛硼中间合金、0.2％的镉和1％的铝钇中间合金。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤二中采用质量浓度为10％的氢氧化钠溶液对步骤一中的原料进行清洗。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一、二或三不同的是步骤二中将石墨坩埚置于710～730℃的条件下加热至原料完全熔化。其它步骤及参数与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一、二或三不同的是步骤二中将石墨坩埚置于720℃的条件下加热至原料完全熔化。其它步骤及参数与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五不同的是步骤二中通入氩气30min。其它步骤及参数与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六不同的是步骤三中将石墨坩埚置于710～730℃的条件下加热至原料完全熔化。其它步骤及参数与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至六不同的是步骤三中将石墨坩埚置于720℃的条件下加热至原料完全熔化。其它步骤及参数与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八不同的是步骤三中通入氩气30min。其它步骤及参数与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九不同的是步骤一和步骤三中所述的铝的质量纯度为99.99％，铝铜中间合金中含铜50％(质量)，铝锰中间合金含锰10％(质量)，铝锆中间合金含锆4％(质量)，铝钒中间合金含钒4％(质量)，铝钛硼中间合金含钛5％(质量)、含硼1％(质量)，铝钇中间合金含钇为10％(质量)，镉的质量纯度为99.999％。其它步骤及参数与具体实施方式一至九相同。
本实施方式的铝铜中间合金的制备方法为：将纯铝和纯铜按照质量比为1∶1的比例，置于760℃下的在电阻炉中熔炼制得。
本实施方式的铝是由新疆众和股份有限公司生产的，铝锆中间合金和铝锰中间合金是由北京航空材料研究院研制的，铝钒中间合金是由东港市东方高新金属材料有限公司生产的，铝钛硼中间合金是由哈尔滨市东轻铝材经销有限公司提供，镉是由哈尔滨龙葳稀有金属有限公司提供的，铝钇中间合金是由湖南稀土金属材料研究院提供。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十不同的是步骤二与步骤三中所述的氩气的质量纯度为99.99％。其它步骤及参数与具体实施方式一至十相同。
具体实施方式十二：本实施方式中低热裂倾向性的Al-5％Cu基合金制备方法是通过以下步骤实现：一、按质量百分比称取如下原料：72.3％的铝、10％的铝铜中间合金、3％的铝锰中间合金、4％的铝锆中间合金、6.5％的铝钒中间合金、3％的铝钛硼中间合金、0.2％的镉和1％的铝钇中间合金；二、将步骤一中的原料采用质量浓度为10％的氢氧化钠溶液进行清洗，再自然干燥后混合装入石墨坩埚中，然后将石墨坩埚置于720℃的条件下加热至原料完全熔化后，再通入氩气30min，然后将熔体浇入金属锭模具中，得Al-5％Cu基合金激冷锭；三、按质量百分比称取15％的步骤二得到的Al-5％Cu基合金激冷锭、61.54％的铝、8％的铝铜中间合金、2.55％的铝锰中间合金、3.4％的铝锆中间合金、5.525％的铝钒中间合金、2.55％的铝钛硼中间合金、0.17％的镉和0.765％的铝钇中间合金，然后混合装入石墨坩埚中，再将石墨坩埚置于720℃的条件下加热至原料完全熔化后，再通入氩气30min，然后浇注成板件，得到低热裂倾向性的Al-5％Cu基合金。
本实施方式将得到Al-5％Cu基合金采用金相显微镜进行合金组织形貌观察，放大50倍的合金组织形貌如图1所示。作为对比，本实施方式采用步骤一中所述的原料，将原料表面清洗、干燥后，混合装入石墨坩埚中，然后将石墨坩埚置于720℃的条件下加热至原料完全熔化后，再通入氩气30min，然后浇注成板件，得到添加0.1％稀土钇的Al-5％Cu基合金。然后采用金相显微镜对其进行合金组织形貌观察，放大50倍的合金组织形貌如图2所示。本实施方式将利用现有方法得到的Al-5％Cu基合金也采用金相显微镜对其进行合金组织形貌观察，放大50倍的合金组织形貌如图3所示。
对比图2和图3可知，利用本实施方式的制备方法，仅添加稀土元素钇得到的Al-5％Cu基合金，合金晶粒粒度有了明显的细化，说明稀土元素钇起到了抑制晶粒长大的作用。对比图1和图3可知，本实施方式得到的低热裂倾向性的Al-5％Cu基合金的晶粒粒度比现有方法得到的Al-5％Cu基合金的晶粒粒度有了更加明显的细化。说明在激冷锭和稀土元素钇两者的共同作用下，Al-5％Cu基合金组织细化，Al-5％Cu基合金更加致密。
本实施方式采用4018-温度采集模块对得到的低热裂倾向性的Al-5％Cu基合金进行测试，得到低热裂倾向性的Al-5％Cu基合金的冷却曲线图，如图4所示。由图4可见，低热裂倾向性的Al-5％Cu基合金的结晶温度区间缩小了，添加稀土元素钇后，低热裂倾向性的Al-5％Cu基合金的液相线TE显著降低，而固相线TN略有上升，则合金的结晶区间ΔT＝TE-TN减小。
本实施方式采用大连理工大学研制的ZQS-2000型双试棒合金热裂线收缩仪铸件模型，对低热裂倾向性的Al-5％Cu基合金进行检测，得到本实施方式的低热裂倾向性的Al-5％Cu基合金的热裂抗力值为670N，与现有的同体系的Al-5％Cu基合金相比，本实施方式的热裂抗力值增加了103％。本实施方式对低热裂倾向性的Al-5％Cu基合金进行抗拉强度测试得其抗拉强度为500N，达到现有Al-5％Cu基合金的抗拉强度要求。
本实施方式的低热裂倾向性的Al-5％Cu基合金在激冷锭和稀土元素钇两者的共同作用下，合金组织细化，合金结晶区间减小，合金的热裂抗力值增加，合金的热裂倾向性降低。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式十二不同的是步骤三中按质量百分比称取20％的步骤二得到的Al-5％Cu基合金激冷锭、57.84％的铝、8％的铝铜中间合金、2.4％的铝锰中间合金、3.2％的铝锆中间合金、5.2％的铝钒中间合金、2.4％的铝钛硼中间合金、0.16％的镉和0.8％的铝钇中间合金。其它步骤及参数与具体实施方式十二相同。
本实施方式采用具体实施方式十二中所述的仪器对低热裂倾向性Al-5％Cu基合金进行检测，得到本实施方式的低热裂倾向性Al-5％Cu基合金的热裂抗力值为550N，与现有的同体系的Al-5％Cu基合金相比，本实施方式的热裂抗力值增加了60.2％。本实施方式对低热裂倾向性的Al-5％Cu基合金进行抗拉强度测试得其抗拉强度为450N，达到现有Al-5％Cu基合金的抗拉强度要求。