一种诱导二十面体准晶相原位自生强化铸造铝锂合金的合金化方法

摘要

一种诱导二十面体准晶相原位自生强化铸造铝锂合金的合金化方法，涉及一种诱导准晶相原位自生强化铸造铝锂合金的方法。本发明是要解决现有的铸造铝锂合金过程中δ'‑Al3Li粒子的大量析出将加剧共面滑移倾向，晶界处的应力集中现象愈加明显，将导致合金的强韧性明显下降的技术问题。本发明涉及一种诱导准晶相原位自生增强铸造铝锂合金的合金化方法，准晶强化铸造铝锂合金中Al3Li强化粒子析出数量被抑制的同时，二十面体准晶相T2‑Al6CuLi3的析出数量大大增加，合金的强塑积提高了五倍以上。

权利要求

1.一种诱导二十面体准晶相原位自生强化铸造铝锂合金的合金化方法，其特征在于利用合金化处理方法促进含Li二十面体准晶相的原位自生而抑制δ'‑Al3Li粒子的大量析出，合金组织更加均匀且可大幅提高合金的强韧性；

所述二十面体准晶相的标准化学计量比为：Al:Cu:Li＝6:1:3；

合金化处理所用元素的判定依据是：WAl‑X

所述合金化处理准晶相原位自生增强铸造铝锂合金的制备流程是按以下步骤进行的：一、选取纯铝、纯镁、纯锂粒、Al‑50Cu中间合金、Al‑4Zr中间合金和含合金化元素的商业铝基中间合金，再将选取的上述原料去除表面氧化皮和表层；所述的含合金化元素的铝基中间合金为Al‑4V中间合金；

用铝箔将纯镁和纯锂粒分别进行包裹；

二、将坩埚空载加热至400℃～420℃并保温2h～2.5h，调高炉温至750℃～800℃，然后向坩埚内加入步骤一称取的纯铝、Al‑50Cu合金、Al‑4Zr中间合金和所含合金化元素的铝基中间合金，待全部熔融后调低炉温至720℃～730℃，利用石墨压罩将铝箔包裹的纯镁和铝箔包裹的纯锂粒均压入熔体中并通入保护气体，当合金全部熔化后调整炉温到740℃～750℃并加入C2Cl6进行除气，静置10min～15min，调节炉温至720℃～725℃，将熔体浇注到预热好的模具中形成合金铸锭；

三、对步骤二制备的合金铸锭进行热处理，得到铝锂合金；铝锂合金中按质量分数组成为：1.8％～3.2％的Li、0.5％～2％的Cu、0.5％～1.8％的Mg、0.04％～0.21％的Zr、0.2％～0.95％的V，其余为Al。

说明书

一种诱导二十面体准晶相原位自生强化铸造铝锂合金的合金

化方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种诱导准晶相原位自生强化铸造铝锂合金的方法。

背景技术

[0002] 随着石油资源的日益短缺及现代结构器件构造的愈加复杂化，特别是在航空航天、军工等重大装备高端制造领域，迫切需要新制备技术、新材料的发展。铝锂合金具有密
度低、比强度高和比刚度高、耐蚀性好和抗疲劳性能好等优点，用其取代常规铝合金能使构
件质量减轻10％～20％，刚度提高15％～20％，是一种理想的航空航天结构材料。

[0003] 目前铝锂合金的研究开发几乎完全局限于变形铝锂合金。铝锂合金不但具有优良的高比特性，而且还有较好的铸造性能，特别是该合金对细小结构型腔的复制能力一般要
优于普通铝合金，有利于航空用薄壁件的成形；同时，铸造铝锂合金中Li含量允许的范围
宽，构件减重效果更加明显。因此，开展铸造铝锂合金的研究具有重要意义，将铸造成形技
术独特的优越性与性能优良的铝锂合金相结合，有望加快推进铸造铝锂合金铸件在航空航
天领域的应用进程。与变形合金不同，铸造铝锂合金在时效前不能进行预变形处理，合金中
的有效沉淀强化相T1‑Al2CuLi及S/S'‑Al2CuMg等由于形核特质的限制而析出数量很少，合
金基本只能依靠δ'‑Al3Li粒子的弥散强化增强，限制了合金的应用范围。此外，相比变形合
金，铸造铝锂合金最大的问题是其强韧性较低，原因是随着合金的Li含量提高，δ'‑Al3Li粒
子的大量析出将加剧共面滑移倾向，晶界处的应力集中现象愈加明显，将导致合金的强韧
性明显下降。因此，为满足航空航天领域对轻质、高强度和高刚度铸件的需求，一种力学性
能优良的铸造铝锂合金有待研究开发。

发明内容

[0004] 本发明是要解决现有的铸造铝锂合金过程中δ'‑Al3Li粒子的大量析出将加剧共面滑移倾向，晶界处的应力集中现象愈加明显，将导致合金的强韧性明显下降的技术问题，
而提供一种诱导二十面体准晶相原位自生强化铸造铝锂合金的合金化方法。

[0005] 本发明的诱导二十面体准晶相原位自生强化铸造铝锂合金的合金化方法是按以下步骤进行的：

[0006] 一、选取纯铝、纯镁、纯锂粒、Al‑50Cu中间合金、Al‑4Zr中间合金和含合金化元素的铝基中间合金，再将选取的上述原料去除表面氧化皮和表层；

[0007] 用铝箔将纯镁和纯锂粒分别进行包裹；

[0008] 所述的含合金化元素的铝基中间合金为Al‑10Ni中间合金，且最终制备的铝锂合金中按质量分数组成为：1.8％～3.2％的Li、0.5％～2％的Cu、0.5％～1.8％的Mg、0.04％
～0.21％的Zr、0.2％～0.95％的Ni，其余为Al；

[0009] 所述的含合金化元素的铝基中间合金还可以为Al‑4V中间合金，且最终制备的铝锂合金中按质量分数组成为：1.8％～3.2％的Li、0.5％～2％的Cu、0.5％～1.8％的Mg、
0.04％～0.21％的Zr、0.2％～0.95％的V，其余为Al；

[0010] 二、将坩埚空载加热至400℃～420℃并保温2h～2.5h，调高炉温至750℃～800℃，然后向坩埚内加入步骤一称取的纯铝、Al‑50Cu合金、Al‑4Zr中间合金和含合金化元素的铝
基中间合金，待全部熔融后调低炉温至720℃～730℃，利用石墨压罩将铝箔包裹的纯镁和
铝箔包裹的纯锂粒均压入熔体中并通入保护气体，当合金全部熔化后调整炉温到740℃～
750℃并加入C2Cl6进行除气，静置10min～15min，调节炉温至720℃～725℃，将熔体浇注到
预热好的模具中形成合金铸锭；

[0011] 三、对步骤二制备的合金铸锭进行热处理，热处理制度是结合铸锭的DSC结果制定，得到铝锂合金。

[0012] 本发明基于合金化诱导准晶相析出机制提出一种诱导准晶相原位自生增强铸造铝锂合金的合金化设计方法，所述的合金化元素包含两种类型：一是所添加的合金化元素
可诱导二十面体准晶相T2‑Al6CuLi3或前驱相R‑Al4.8CuLi3原位自生，降低了二十面体准晶
相T2‑Al6CuLi3于铸造铝锂合金中析出所需的外部条件，可扩大准晶相(或前驱体)析出所需
合金成分范围或工艺条件；二是所添加的合金化元素可掺杂于二十面体准晶相T2‑Al6CuLi3
晶格结构中，降低了准晶相析出的生成焓；从而实现了利用传统铸造方法生产一种原位自
生准晶相增强的铸造铝锂合金，不仅可显著地提高铸造铝锂合金的强韧性，且适用于大尺
寸复杂结构铸件的制备。

[0013] 所述铸造铝锂合金中涉及二十面体准晶相T2‑Al6CuLi3原位自生的凝固路径包含U8型包晶反应：

[0014]

[0015] 所述铸造铝锂合金中涉及二十面体准晶相T2‑Al6CuLi3原位自生的凝固路径包含U11型包晶反应：

[0016]

[0017] 所述铸造铝锂合金中涉及二十面体准晶相T2‑Al6CuLi3原位自生的凝固路径包含P2型包晶反应：

[0018]

[0019] 所述的合金化元素特征可分为两类：

[0020] 一、本发明在合金化处理后合金中所形成的金属间化合物AlxMy(M指代所添加的合金化元素Ni或V)具有特定的晶格结构/常数，可作为富Cu/Mg相的异质形核质点(类似于
“吸附”作用)而改变合金成分使之偏离原有凝固路径，诱发上述U8型、U11型或P2型凝固反应
的发生，促进二十面体准晶相T2‑Al6CuLi3的原位自生；

[0021] 二、在于所选取的合金化元素应具有与Cu相近的原子半径及电负性，因此合金化元素将掺杂于二十面体准晶相T2‑Al6CuLi3晶格结构中，降低准晶相析出的生成焓，促进准
晶相的原位自生。

[0022] 本发明涉及一种诱导准晶相原位自生增强铸造铝锂合金的合金化方法，准晶强化铸造铝锂合金中Al3Li强化粒子析出数量被抑制的同时，二十面体准晶相T2‑Al6CuLi3的析
出数量大大增加，合金的强塑积提高了五倍以上。

[0023] 本发明重点阐述一种可诱导铝锂合金中二十面体准晶相T2‑Al6CuLi3原位自生的合金化方法(包括合金化元素种类及添加量等)，合金的制备仍沿袭现有铝锂合金的制备工
艺及设备，并不显著增加合金的生产成本。

附图说明

[0024] 图1为试验一制备的铝锂合金富Al端相图；

[0025] 图2为试验二中制备的铝锂合金的TEM；

[0026] 图3为试验一中制备的铝锂合金的TEM；

[0027] 图4为图3中圆棒状沉淀相进行选区衍射图；

[0028] 图5为图3中圆棒状沉淀相的原子排列TEM；

[0029] 图6为工程拉伸应力‑应变曲线图；

[0030] 图7是合金拉伸曲线所包围面积的对比图。

具体实施方式

[0031] 具体实施方式一：本实施方式为一种诱导二十面体准晶相原位自生强化铸造铝锂合金的合金化方法，具体是按以下步骤进行的：

[0032] 一、选取纯铝、纯镁、纯锂粒、Al‑50Cu中间合金、Al‑4Zr中间合金和含合金化元素的铝基中间合金，再将选取的上述原料去除表面氧化皮和表层；

[0033] 用铝箔将纯镁和纯锂粒分别进行包裹；

[0034] 所述的含合金化元素的铝基中间合金为Al‑10Ni中间合金，且最终制备的铝锂合金中按质量分数组成为：1.8％～3.2％的Li、0.5％～2％的Cu、0.5％～1.8％的Mg、0.04％
～0.21％的Zr、0.2％～0.95％的Ni，其余为Al；

[0035] 所述的含合金化元素的铝基中间合金还可以为Al‑4V中间合金，且最终制备的铝锂合金中按质量分数组成为：1.8％～3.2％的Li、0.5％～2％的Cu、0.5％～1.8％的Mg、
0.04％～0.21％的Zr、0.2％～0.95％的V，其余为Al；

[0036] 二、将坩埚空载加热至400℃～420℃并保温2h～2.5h，调高炉温至750℃～800℃，然后向坩埚内加入步骤一称取的纯铝、Al‑50Cu合金、Al‑4Zr中间合金和含合金化元素的铝
基中间合金，待全部熔融后调低炉温至720℃～730℃，利用石墨压罩将铝箔包裹的纯镁和
铝箔包裹的纯锂粒均压入熔体中并通入保护气体，当合金全部熔化后调整炉温到740℃～
750℃并加入C2Cl6进行除气，静置10min～15min，调节炉温至720℃～725℃，将熔体浇注到
预热好的模具中形成合金铸锭；

[0037] 三、对步骤二制备的合金铸锭进行热处理，得到铝锂合金。

[0038] 具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的含合金化元素的铝基中间合金为Al‑10Ni中间合金，且最终制备的铝锂合金中按质量分数组成
为：2.51％的Li、1.11％的Cu、1.38％的Mg、0.21％的Zr、0.24％的Ni，其余为Al。其他与具体
实施方式一相同。

[0039] 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：步骤一中所述的含合金化元素的铝基中间合金为Al‑10Ni中间合金，且最终制备的铝锂合金中按质量分数
组成为：2.35％的Li、0.96％的Cu、1.22％的Mg、0.19％的Zr、0.44％的Ni，其余为Al。其他与
具体实施方式一或二相同。

[0040] 具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中所述的含合金化元素的铝基中间合金为Al‑10Ni中间合金，且最终制备的铝锂合金中按质量
分数组成为：2.62％的Li、1.03％的Cu、1.53％的Mg、0.18％的Zr、0.91％的Ni，其余为Al。其
他与具体实施方式一至三之一相同。

[0041] 具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤一中所述的含合金化元素的铝基中间合金为Al‑4V中间合金，且最终制备的铝锂合金按质量分数包括0.2％
的V。其他与具体实施方式四相同。

[0042] 具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：步骤一中去除表面氧化皮和表层的方法为：先用质量浓度为0.2％的NaOH水溶液清洗干净，烘干，打磨。其他与具
体实施方式五相同。

[0043] 具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：步骤二中将坩埚空载加热至400℃并保温2h，调高炉温至750℃，然后向坩埚内加入步骤一称取的纯铝、Al‑50Cu
合金、Al‑4Zr中间合金和含合金化元素的铝基中间合金，待全部熔融后调低炉温至720℃，
利用石墨压罩将铝箔包裹的纯镁和铝箔包裹的纯锂粒均压入熔体中并通入保护气体，当合
金全部熔化后调整炉温到740℃并加入C2Cl6进行除气，静置10min，调节炉温至720℃，将熔
体浇注到预热好的模具中形成合金铸锭。其他与具体实施方式六相同。

[0044] 具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：步骤二中加入C2Cl6的重量为铝锂合金重量的千分之六。其他与具体实施方式七相同。

[0045] 具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是：步骤二中所述的保护气体为氩气。其他与具体实施方式八相同。

[0046] 具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是：步骤二中预热模具的温度为200℃。其他与具体实施方式九相同。

[0047] 用以下试验对本发明进行验证：

[0048] 试验一：本试验为一种诱导二十面体准晶相原位自生强化铸造铝锂合金的合金化方法，本试验利用Ni合金化诱导二十面体准晶相T2‑Al6CuLi3原位自生增强铸造铝锂合金，
并确定合适的Ni合金化添加量。具体是按以下步骤进行的：

[0049] 一、选取纯铝、纯镁、纯锂粒、Al‑50Cu中间合金、Al‑4Zr中间合金和含合金化元素的铝基中间合金，再将选取的上述原料去除表面氧化皮和表层；

[0050] 用铝箔将纯镁和纯锂粒分别进行包裹；

[0051] 所述的含合金化元素的铝基中间合金为Al‑10Ni中间合金；

[0052] 步骤一中去除表面氧化皮和表层的方法为：先用质量浓度为0.2％的NaOH水溶液清洗干净，120℃烘干，用400#砂纸打磨；

[0053] 二、将坩埚空载加热至400℃并保温2h，调高炉温至750℃，然后向坩埚内加入步骤一称取的纯铝、Al‑50Cu合金、Al‑4Zr中间合金和含合金化元素的铝基中间合金，待全部熔
融后调低炉温至720℃，利用石墨压罩将铝箔包裹的纯镁和铝箔包裹的纯锂粒均压入熔体
中并通入氩气，当合金全部熔化后调整炉温到740℃并加入C2Cl6进行除气，静置10min，调节
炉温至720℃，将熔体浇注到预热好的模具中形成合金铸锭；步骤二中加入C2Cl6的重量为铝
锂合金重量的千分之六；步骤二中预热模具的温度为200℃；

[0054] 三、对步骤二制备的合金铸锭进行热处理，得到铝锂合金，热处理工艺为固溶处理+水淬25℃+时效处理，具体见表2。

[0055] 图1为试验一制备的铝锂合金富Al端相图(包含涉及二十面体准晶相T2‑Al6CuLi3原位自生的凝固路径)。

[0056] 试验二：本试验为对比试验，与试验一的区别是：在步骤一中没有加入含合金化元素的铝基中间合金，以及每种元素的质量分数不同，具体见表1。其它与试验一相同。

[0057] 图2为试验二中制备的铝锂合金的TEM，图3为试验一中制备的铝锂合金的TEM，由图可见试验二中铝锂合金的大量的小球状δ'‑Al3Li粒子(直径约15nm)大部分转变为试验
一中铝锂合金中的圆棒状沉淀相(截面直径约35nm)。图4为图3中圆棒状沉淀相进行选区衍
射图，可见这些圆棒状沉淀相的衍射斑点呈现五重对称结构。

[0058] 利用高分辨TEM图3中圆棒状沉淀相的原子排列情况，见图5，发现这些沉淀相的原子结构为二十个原子包围一个中心原子的结构。由图5和图4可判断这些圆棒状沉淀相是二
十面体准晶相T2‑Al6CuLi3。由此可确定Ni是一种可以诱导准晶相原位自生增强铸造铝锂合
金的合金化元素，且优化添加量应为0.251wt.％。

[0059] 试验三：本试验与试验一的区别是：在步骤一中每种元素的质量分数不同，具体见表1。其它与试验一相同。

[0060] 试验四：本试验与试验一的区别是：在步骤一中每种元素的质量分数不同，具体见表1。其它与试验一相同。

[0061] 图6为工程拉伸应力‑应变曲线图，曲线1为试验二中制备的铝锂合金，曲线2为试验一中制备的铝锂合金，曲线3为试验三中制备的铝锂合金，曲线4为试验四中制备的铝锂
合金。

[0062] 图7是合金拉伸曲线所包围面积的对比图，所围成的面积是描述合金的强塑积，其物理意义是表征合金的强度及塑性的综合性能，曲线1为试验二制备的铝锂合金，曲线2为
试验一制备的铝锂合金。

[0063] 表1

[0064]

[0065] 注：合金成分中其余的为铝。

[0066] 表2

[0067]

[0068] 从表1可以看出本发明所述诱导准晶相原位自生增强铸造铝锂合金的合金化方法，准晶强化铸造铝锂合金相较对比试验，抗拉强度提高～20MPa，抗拉强度提高～50MPa，
延伸率～62.5％，强塑积提升超过五倍，其中试验一的效果最佳。

[0069] 特别地，Ni合金化处理后合金中所形成的金属间化合物Al3Ni相具有斜方晶系结构，晶格常数为a＝6.6114nm，b＝7.3662nm，c＝4.8112nm，相较于α‑Al基体(立方晶系结构，
晶格常数为a＝b＝4.0494nm)，更易作为富Cu相(主要为Al2Cu相，体心立方结构，晶格常数
为a＝b＝6.063nm，c＝4.872nm)的异质形核质点(类似于“吸附”基体中Cu原子的作用)，可
以改变合金成分使之偏离原有凝固路径，诱发U8型凝固反应的发生，促进二十面体准晶相
T2‑Al6CuLi3的原位自生。

[0070] U8型包晶反应：

[0071]

[0072] 试验五：本试验与试验一的区别是：本试验利用V合金化诱导二十面体准晶相T2‑Al6CuLi3原位自生增强铸造铝锂合金，并确定V合金化的优化添加量。

[0073] 特别地，相较于Al基体，所选取的V元素具有与Cu相近的原子半径和电负性(Cu:原子半径0.157nm，电负性1.90；V:原子半径0.192nm，电负性1.63；Al:原子半径0.182nm，电负
性1.61)。

[0074] 根据元素间的交互作用强度公式：

[0075]

[0076] 式中，RA和RB分别为溶质A与溶剂B的原子半径，NA和NB分别为溶质A与溶剂B的电负性，WA‑B即为元素A、B的交互作用强度，该参数可半定量地表征元素间形成化合物的倾向。由
上式计算可知，WAl‑V＝0.1375；WCu‑V＝2.802。

[0077] 因此可推断V元素易于与Cu元素结合成为化合物，即推测V可掺杂于二十面体准晶相T2‑Al6CuLi3晶格结构中，替换部分Cu原子占据晶格中心位置，降低准晶相析出的生成焓，
可促进准晶相的原位自生，V的优化添加量为0.2wt.％。