一种应力时效态高强铝锂合金的制备方法

摘要

本发明涉及一种应力时效态高强铝锂合金的制备方法，属于铝锂合金热处理技术领域。先将采用常规方法制备的铝锂合金在500℃～530℃下固溶处理0.5h～5h，然后沿轧制方向进行4％～10％的拉伸变形，最后在155℃～225℃以及160MPa～220MPa条件下时效7h～14h，之后空冷，得到应力时效态高强铝锂合金。本发明所述方法通过控制预变形量、热处理中的应力场和温度场分布，从而实现铝锂合金中的析出相种类、数量、大小分布的综合调控，达到最佳值，从而大幅度提升铝锂合金的屈服强度和延伸率，而且该方法有效缩短了铝锂合金的热处理时间，进而有效提高了生产效率并节省能源消耗。

权利要求

1.一种应力时效态高强铝锂合金的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下，按照铝锂合金中各元素的配比采用常规方法制备得到的铝锂合金，先加热至500℃~

530℃并保温0.5 h 5 h完成固溶处理，然后将固溶处理后的铝锂合金沿变形方向进行变形~

量为4% 10%的拉伸，再将拉伸变形后的铝锂合金加热至155℃ 225℃，随后对铝锂合金施加~ ~

160 MPa 220 MPa的恒定应力，在155℃ 225℃以及160 MPa 220 MPa条件下时效7 h 14 h，~ ~ ~ ~

时效结束后空冷，得到应力时效态高强铝锂合金；

所得到的应力时效态高强铝锂合金的屈服强度达到600MPa以上，断后伸长率在8%以上；

所述铝锂合金的元素组成及各元素的重量百分数如下：Cu 1.0% 5.0%，Li 0.5% 5.0%，~ ~

Mg 0.3% 1.6%，Mn 0.3% 0.5%，Ag 0.0% 0.6%，Zn 0.05% 0.5%，Zr 0.05% 0.2%，Fe≤0.08%，~ ~ ~ ~ ~

余量为Al；

时效过程中，以5℃/min 8℃/min的升温速率将温度升至155℃ 225℃；

~ ~

时效过程中，铝锂合金加热至155℃ 225℃后，先保温0.5 h 5 h，再对铝锂合金施加~ ~

160 MPa 220 MPa的恒定应力。

~

2.根据权利要求1所述的一种应力时效态高强铝锂合金的制备方法，其特征在于：固溶处理过程中，以5℃/min 8℃/min的升温速率将温度升至500℃ 530℃。

~ ~

3.根据权利要求1所述的一种应力时效态高强铝锂合金的制备方法，其特征在于：拉伸‑4 ‑1 ‑2 ‑1

过程中应变速率设为1×10  s 1×10  s 。

~

说明书

一种应力时效态高强铝锂合金的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种应力时效态高强铝锂合金的制备方法，属于铝锂合金热处理技术领域。

背景技术

[0002] 铝锂合金中由于Li元素的加入使其密度下降，相对传统铝合金具有较好的比强度和比模量，是目前航空航天领域使用占比非常高的结构材料。例如第三代Al‑Cu‑Li系合金
2050，其wt.％(Cu)/wt.％(Li)数值高于4，主要强化相是在时效过程中析出的T1相
(Al2CuLi)和θ'相(Al2Cu)，而δ'相(Al3Li)与铝基体成共格关系，存在共面滑移效应，对强度
贡献比T1相低，需要在时效工艺中尽量生成T1相。目前，铝锂合金板材的出厂状态，主要是固
溶热处理后，自然时效态为主。因此，零部件制造厂需要使用人工时效，进一步提高其力学
性能，但不同工艺的热处理，很难将其屈服强度提高至600MPa以上(朱宏伟,陈永来,刘春
立.2050铝锂合金形变热处理工艺[J].宇航材料工艺,2019,49(02):46‑49+58)。这很大程
度上是因为没有调控T1相的数量、尺寸和分布到最佳状态。另外，现有预变形+人工时效处
理达到峰值时效的时间普遍在20h以上，极大地浪费了能源，并且屈服强度的提升有限。随
着航空航天产业的飞速发展，对铝锂合金这一结构材料的性能要求也进一步提高。所以开
发新的热处理工艺，最大程度地提升铝锂合金的性能，从而释放出更大的实际应用价值。

发明内容

[0003] 针对现有热处理工艺技术提升铝锂合金性能存在的瓶颈，本发明提供了一种简单可行的应力时效热处理加工方法，通过控制预变形量、热处理中的应力场和温度场分布，从
而实现铝锂合金中的析出相种类、数量、大小分布的综合调控，达到最佳值，从而大幅度提
升铝锂合金的屈服强度和延伸率。经过该方法热处理后，铝锂合金屈服强度可达600MPa以
上，并兼顾延伸率8％以上，而且明显缩短了铝锂合金的热处理时间，节约能源。

[0004] 本发明的目的是通过以下热处理技术方案实现。

[0005] 一种应力时效态高强铝锂合金的制备方法，所述方法步骤如下：

[0006] 按照铝锂合金中各元素的配比采用常规方法制备得到的铝锂合金，先加热至500℃～530℃并保温0.5h～5h完成固溶处理，然后将固溶处理后的铝锂合金沿变形方向进行
变形量为4％～10％的拉伸，再将拉伸变形后的铝锂合金加热至155℃～225℃，随后对铝锂
合金施加160MPa～220MPa的恒定应力，在155℃～225℃以及160MPa～220MPa条件下时效7h
～14h，时效结束后空冷，得到应力时效态高强铝锂合金。

[0007] 进一步地，所述铝锂合金的元素组成及各元素的重量百分数如下：Cu1.0％～5.0％，Li 0.5％～5.0％，Mg 0.3％～1.6％，Mn 0.3％～0.5％，Ag 0.0％～0.6％，Zn 
0.05％～0.5％，Zr 0.05％～0.2％，Fe≤0.08％，余量为Al。

[0008] 进一步地，固溶处理过程中，优选以5℃/min～8℃/min的升温速率将温度升至500℃～530℃。

[0009] 进一步地，拉伸过程中应变速率优选1×10‑4s‑1～1×10‑2s‑1。

[0010] 进一步地，时效过程中，优选以5℃/min～8℃/min的升温速率将温度升至155℃～225℃。

[0011] 进一步地，时效过程中，铝锂合金加热至155℃～225℃后，先保温0.5h～5h，再对铝锂合金施加160MPa～220MPa的恒定应力。

[0012] 有益效果

[0013] 本发明所述方法中，在应力时效前进行塑性变形，可以提高铝锂合金内部位错密度，再利用温度场和应力场的耦合作用，可以充分提高铝锂合金中T1相的析出动力学过程，
加速了T1相的形核，提高了T1相的数量密度并能阻碍其粗化，同时能够有效抑制铝锂合金中
粗大θ'相的形成。本发明所述方法结合预变形和应力时效的方法，并通过工艺参数优化，使
得铝锂合金中的析出相种类、数量及尺寸分布达到合理区间，从而使铝锂合金屈服强度达
到600MPa以上且断后伸长率在8％以上，而且该方法有效缩短了铝锂合金的热处理时间，进
而有效提高了生产效率并节省能源消耗。

附图说明

[0014] 图1为实施例1步骤(1)中未处理的铝锂合金与步骤(4)热处理后的铝锂合金的拉伸曲线对比图。

[0015] 图2为实施例1步骤(4)热处理后的铝锂合金的扫描透射电子显微镜图。

[0016] 图3为实施例1步骤(4)热处理后的铝锂合金中T1相的长度和数量密度分布图

[0017] 图4为实施例2步骤(1)中未处理的铝锂合金与步骤(4)热处理后的铝锂合金的拉伸曲线对比图。

[0018] 图5为实施例2步骤(4)热处理后的铝锂合金的扫描透射电子显微镜图。

[0019] 图6为实施例2步骤(4)热处理后的铝锂合金中T1相的长度和数量密度分布图

[0020] 图7为实施例3步骤(1)中未处理的铝锂合金与步骤(4)热处理后的铝锂合金的拉伸曲线对比图。

[0021] 图8为实施例3步骤(4)热处理后的铝锂合金的扫描透射电子显微镜图。

[0022] 图9为实施例3步骤(4)热处理后的铝锂合金中T1相的长度和数量密度分布图

[0023] 图10为对比例1中处理后应力时效态铝锂合金的拉伸曲线图。

[0024] 图11为对比例1中处理后的铝锂合金的扫描透射电子显微镜图。

[0025] 图12为对比例1中处理后的铝锂合金中T1相的长度和数量密度分布图。

具体实施方式

[0026] 下面结合具体实施方式对本发明作进一步阐述，其中，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。

[0027] 实施例1

[0028] 一种铝锂合金，其元素组成及各元素的重量百分数如下：Cu 3.5％，Li 0.8％，Mg 0.4％，Mn 0.3％，Ag 0.3％，Zn 0.05％，Zr 0.2％，Fe 0.05％，余量为Al。

[0029] 制备应力时效态高强铝锂合金的具体步骤如下：

[0030] (1)按照铝锂合金中各元素的配比称取相应元素对应的金属单质，然后将各金属单质进行混合以及合金化处理，得到铝锂合金；

[0031] (2)将步骤(1)制备的铝锂合金置于电阻炉中，以5℃/min的升温速率将温度加热至510℃并保温1.5h，完成固溶处理；

[0032] (3)采用拉伸装置将步骤(2)固溶处理后的铝锂合金沿轧制方向进行7％的拉伸变‑3 ‑1
形，且拉伸过程的应变速率为1×10 s ；

[0033] (4)将步骤(3)完成拉伸变形后的铝锂合金放入应力时效炉中，先以5℃/min的升温速率将温度加热至200℃，保温1h，然后对铝锂合金施加160MPa的恒定应力，在200℃以及
160MPa条件下时效7h，时效结束后空冷，得到应力时效态高强铝锂合金。

[0034] 参考标准GB/T 228.1‑2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法，测得步骤(1)未处理的铝锂合金的屈服强度为372MPa，抗拉强度为478MPa，断后伸长率为11.6％；步
骤(4)热处理后的铝锂合金的屈服强度为607MPa，抗拉强度为617MPa，断后伸长率为8.5％，
其拉伸曲线如图1所示。

[0035] 利用扫描透射电子显微镜对步骤(4)热处理后的铝锂合金沿<110>Al晶带轴进行观测，发现该铝锂合金内部析出相均为沿(111)Al面生长的T1相，基本无沿(001)Al晶面生长的
θ'相析出，如图2所示。利用本方法所得到的应力时效态高强铝锂合金的T1相长度分布如图
2
3所示，其尺寸分布在20nm～80nm之间，数量密度为464个/μm。

[0036] 实施例2

[0037] 一种铝锂合金，其元素组成及各元素的重量百分数如下：Cu 3.5％，Li 0.8％，Mg 0.3％，Mn 0.4％，Ag 0.4％，Zn 0.05％，Zr 0.1％，Fe 0.05％，余量为Al。

[0038] 制备应力时效态高强铝锂合金的具体步骤如下：

[0039] (1)按照铝锂合金中各元素的配比称取相应元素对应的金属单质，然后将各金属单质进行混合以及合金化处理，得到铝锂合金；

[0040] (2)将步骤(1)制备的铝锂合金置于电阻炉中，以5℃/min的升温速率将温度加热至500℃并保温1h，完成固溶处理；

[0041] (3)采用拉伸装置将步骤(2)固溶处理后的铝锂合金沿轧制方向进行9％的拉伸变‑2 ‑1
形，且拉伸过程的应变速率为1×10 s ；

[0042] (4)将步骤(3)完成拉伸变形后的铝锂合金放入应力时效炉中，先以5℃/min的升温速率将温度加热至200℃并保温1h，然后对铝锂合金施加160MPa的恒定应力，在200℃以
及160MPa条件下时效12h，时效结束后空冷，得到应力时效态高强铝锂合金。

[0043] 参考标准GB/T 228.1‑2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法，测得步骤(1)未处理的铝锂合金的屈服强度为366MPa，抗拉强度为473MPa，断后伸长率为12.0％；步
骤(4)热处理后的铝锂合金的屈服强度为604MPa，抗拉强度为613MPa，断后伸长率为9％，其
拉伸曲线如图4所示。

[0044] 利用扫描透射电子显微镜对步骤(4)热处理后的铝锂合金沿<110>Al晶带轴进行观测，发现该铝锂合金内部析出相均为沿(111)Al面生长的T1相，基本无θ'相析出，如图5所示。
利用本方法所得到的应力时效态高强铝锂合金的T1相长度分布如图6所示，其尺寸分布在
2
10nm～80nm之间，数量密度为459个/μm。

[0045] 实施例3

[0046] 一种铝锂合金，其元素组成及各元素的重量百分数如下：Cu 3.5％，Li 0.8％，Mg 0.3％，Mn 0.3％，Ag 0.5％，Zn 0.05％，Zr 0.2％，Fe 0.05％，余量为Al。

[0047] 制备应力时效态高强铝锂合金的具体步骤如下：

[0048] (1)按照铝锂合金中各元素的配比称取相应元素对应的金属单质，然后将各金属单质进行混合以及合金化处理，得到铝锂合金；

[0049] (2)将步骤(1)制备的铝锂合金置于电阻炉中，以5℃/min的升温速率将温度加热至500℃并保温2h，完成固溶处理；

[0050] (3)采用拉伸装置将步骤(2)固溶处理后的铝锂合金沿轧制方向进行8％的拉伸变‑4 ‑1
形，且拉伸过程的应变速率为5×10 s ；

[0051] (4)将步骤(3)完成拉伸变形后的铝锂合金放入应力时效炉中，先以8℃/min的升温速率将温度加热至200℃并保温0.5h，然后对铝锂合金施加160MPa的恒定应力，在200℃
以及160MPa条件下时效7h，时效结束后空冷，得到应力时效态高强铝锂合金。

[0052] 参考标准GB/T 228.1‑2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法，测得步骤(1)未处理的铝锂合金的屈服强度为380MPa，抗拉强度为472MPa，断后伸长率为11％；步骤
(4)热处理后的铝锂合金的屈服强度为602MPa，抗拉强度为613MPa，断后伸长率为9％，其拉
伸曲线如图7所示。

[0053] 利用扫描透射电子显微镜对步骤(4)热处理后的铝锂合金沿<110>Al晶带轴进行观测，发现该铝锂合金内部析出相均为沿(111)Al面生长的T1相，基本无θ'相析出，如图8所
示。利用本方法所得到的应力时效态高强铝锂合金的T1相长度分布如图9所示，其尺寸分布
2
在10nm～70nm之间，数量密度为451个/μm。

[0054] 对比例1

[0055] 在实施例1的基础上，将步骤(3)中的拉伸变形量修改成2.5％，除了拉伸变形量之外，其他参数如固溶温度、固溶时间、应变率、时效温度、时效应力、时效时间等均不发生变
化，即其他步骤及条件均与实施例1相同，得到应力时效态的铝锂合金。

[0056] 参考标准GB/T 228.1‑2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法，测得本对比例所制备的应力时效态的铝锂合金的屈服强度为559MPa，抗拉强度为584MPa，断后伸长
率为10.8％，其拉伸曲线如图10所示。

[0057] 利用扫描透射电子显微镜对本对比例所制备的应力时效态的铝锂合金沿<110>Al晶带轴进行观测，发现T1相的数量密度较实施例1中明显减小，并且有θ'相的存在，如图11
所示。T1相的长度和数量密度分布如图12所示，其中长度在100nm以上的T1相数量较多，T1的
2
数量密度为336个/μm。

[0058] 综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的
保护范围之内。