一种高强高耐热性铝合金材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种高强高耐热性铝合金材料及其制备方法，尤其涉及一种高强高耐 热性Al-Cu-Mg系铝合金材料及其制备方法，属于铝合金材料技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着现代航天航空科学技术的不断发展，材料服役的条件愈来愈苛刻，对轻质铝 合金结构材料提出了愈来愈高的要求。Al-Cu-Mg系铝合金（2XXX系）是以航空和交通领域 用材为背景研制并发展起来的一类铝合金材料，由于具有较高的强度和良好的耐热性能， 长期以来被广泛应用于飞机的各种蒙皮、机翼下壁板、机身框架与隔框、装甲材料、航空发 动机以及其它中高温条件下使用的重要零部件等结构件，是不可或缺的重要材料。自1906 年德国的AlfredWilm首次发现Al-Cu合金的时效硬化现象以来，Al-Cu-Mg系错合金已 成功发展出2014、2X24、2618等系列铝合金材料。然而，现有合金材料主要用于150°C以下 的工作环境，当工作温度超过150°C时，因强化析出相容易粗化长大而导致合金性能急剧降 低。
[0003] 进入20世纪以来，美国、欧洲等以极大的兴趣研发新一代超音速飞行器，其高巡 航速度将使机身蒙皮表面驻点温度达到150°C以上，甚至有的部件高达200°C以上。显然， 现有的传统商业铝合金（包括2618、2014、2219、2乂24等）的耐热性能已经不能满足新一代 超音速飞行器的服役要求。为了进一步提高铝合金的耐热温度，曾有人尝试采用快速凝固、 机械合金化、粉末冶金技术等工艺开发了新型耐热铝合金（主要包括Al-Fe、Al-Cr等系合 金），但因工艺复杂、坯料规格小、生产成本高而难以推广使用。因此，迫切需要开发用常规 熔铸法制备的能使用于200°C以上的高耐热性的铝合金。
[0004] 对于以沉淀强化为强化机制的耐热铝合金而言，优秀的热稳定强化相是其最为重 要的特征。在耐热铝合金中，要求有高度弥散、热力学稳定、与基体呈共格或半共格关系的 第二相粒子，在高温不易转变、不易粗化，从而提高合金的热稳定性。Al-Cu-Mg系合金中常 见的析出相有片状的9' (Al2Cu)相和棒状的S' (Al2CuMg)相，其中S'具有比较好的热 稳定性，聚集倾向较小，可在130~140°C下长时间稳定存在，使S'相为主要强化相的铝合 金具有较好的耐热性；但使用温度高于150°C以后，S'相便开始粗化，温度升至190°C时粗 化现象变得更为显著，会造成合金机械性能的明显损失。显然，要使耐热铝合金能够在高于 150°C的温度下安全使用，就必须找到一种耐150°C以上高温粗化的强化耐热相。
[0005] 为更好地满足对铝合金高强高耐热性的要求，近年来国内外一些研究机构和企业 大力投入，在现有Al-Cu-Mg系合金中添加Ag、Ce、Ti等微量合金元素，以期改变合金的时 效析出行为；其中，通过添加Ag可以促使在Al-Cu-Mg-Ag系列合金中析出了在较高温度下 (200°C及以下）具有理想尺寸及分布的耐热强化相-Q相，使合金获得了明显改善的高温 耐热性能。同时，研究发现在Al-Cu-Mg系合金中添加一定数量的Si可以改变合金的时效 行为，得到了方块状的〇 (Al5Cu6Mg2)相，该相具有很低的界面能，表现出比Q相更出色的 高温稳定性，使用温度升至250~300°C都具有很好的抵抗粗化能力。显然，充分利用高性 能耐热强化相-〇相可以使得Al-Cu-Mg耐热铝合金材料在200°C以上环境温度长期服役成 为可能，有望成为新一代超音速飞行器理想的结构材料。近年来，铝合金材料工作者对此虽 开展了不少探索研究工作，但仍未获得相应的理想材料，难以满足未来航空航天等领域发 展对铝合金高强高耐热性的严苛要求。
[0006] 由于Al-CU-Mg系合金中耐热强化相0 '相、S'相、Q相和0相存在着竞争析 出关系，如何通过调控合金中各元素的含量及配比，并结合制备工艺参数的优化控制，实现 〇相在合金基体中最大程度地弥散均匀析出及其他耐热强化相匹配析出的精确控制，使合 金在显著改善耐热性的同时保持高的室温强度、断裂韧性和疲劳性能的良好配合，是发展 Al-Cu-Mg系高性能耐热铝合金材料亟待解决的问题，也是航空航天等领域制造业发展的迫 切需求。
【发明内容】
[0007] 发明人通过大量研究和工业实践发现，简单地在2XXX系（Al-Cu-Mg系）铝合金中 添加Si元素，不能保证最终会获得高性能耐热强化相相；而且，即使得到了 〇相，也很 难保证合金材料获得合适的析出序列及适宜的0相体积分数，难以获得理想的耐热性能。 需要对铝合金材料中的成分范围及各元素配比进行精细优化设计，从而保证其获得优异性 能匹配。通过合理的设计，可以使2XXX系耐热铝合金材料在显著改善耐热性的同时仍保持 高的室温强度、断裂韧性和疲劳性能的良好配合。
[0008] 因此，本发明的目的在于克服现有2XXX系耐热铝合金材料性能的不足，在现有常 规铝合金材料的基础上，通过铝合金材料组分及制备工艺的优化设计，为航空航天等工业 领域提供一种_强_耐热性错合金材料。
[0009] 另外，发明人还发现，对于因添加多种合金元素导致的合金多层次组织的复杂化， 需要通过制备加工工艺的优化设计来加以匹配调控。因此，本发明的另一目的在于提供一 种所述高强高耐热性铝合金材料的制备方法。
[0010] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0011] 一种高强高耐热性铝合金材料，按重量百分比该铝合金材料由以下组分组成： Cu3. 2 ~4. 8%，Mgl. 0 ~1. 7%，SiO. 30 ~0. 85%，GeO. 01 ~0. 30%，MnO. 01 ~0. 60%， AgO. 01~0? 40%，ZrO~0? 15%，TiO~0? 10%，余量为A1和杂质元素。
[0012] 优选地，按重量百分比所述铝合金材料由以下组分组成：Cu3.8~4. 7%，Mgl.2~ 1. 5%，SiO.35 ~0? 60%，GeO.01 ~0? 15%，MnO.05 ~0? 40%，AgO.01 ~0? 25%，ZrO~ 0. 15%，TiO~0. 10%，余量为A1和杂质元素。
[0013] 本发明的铝合金材料，通过调整Cu和Mg含量及其配比，以主合金元素的形式添加 适量的Si和Ge，并辅以适宜的制备工艺对〇相的析出行为进行精确控制，可以最大程度地 诱发和促进Al-Cu-Mg合金中〇相的析出，能显著增强合金的耐热性能。其中，Mg的含量 优选为1. 35~1. 50 %，Cu的含量与Mg的含量之比优选为2. 9~3. 2,Si与Ge的含量之和 优选为〇. 40~0. 75%。在该错合金材料中，同时辅助米用Ag兀素进行微合金化有利于材 料中一定数量的Q相析出。采用Mn、Zr等元素进行微合金化有利于材料组织的细化、材料 性能的提高，Zr的含量优选为0. 05~0. 15%。
[0014] 本发明的铝合金材料中，杂质元素Fe的含量需控制在< 0.20%;其他杂质元素每 种含量需控制在< 0. 05%，且其他杂质元素含量总和需控制在< 0. 15%。通过控制合金元 素Fe含量在较低水平，可以减少合金中因形成富Cu、Fe相的形成对Cu含量的影响，同时保 证合金获得较高的断裂韧性和疲劳性能，Fe的含量优选控制在< 0. 08%的范围。
[0015] 本发明的铝合金材料可分为铝合金变形加工制品和铝合金铸造制品。其中，铝合 金变形加工制品的制造过程可描述为：合金配制及熔炼一半连续铸造铸锭一均匀化热处理 -变形加工一固溶热处理一时效处理一成品。铝合金铸造制品的制造过程可描述为：合金 的配制及熔炼一模铸件成型一均匀化热处理一固溶热处理一时效处理一成品。
[0016] 具体来说，本发明的铝合金材料的制备方法包括以下步骤：
[0017] (1)按照铝合金材料的组分组成制造铸锭或模铸件，并将得到的铸锭或模铸件进 行均匀化热处理；
[0018] (2)对经均匀化热处理的铸锭进行一次或多次变形加工，得到变形加工材，将变形 加工材或经均匀化热处理的模铸件进行固溶热处理；
[0019] (3)将经固溶热处理的合金材料迅速冷却到室温；
[0020] (4)将合金材料进行时效热处理以获得良好的性能匹配。
[0021] 在所述步骤（1)中，采用熔炼、除气、除夹杂及半连续铸造的方式制造铸锭，在熔 炼过程中，以Mg、Si为核心来精确控制元素含量，通过在线成分检测分析，快速补充调整合 金元素之间的配比。
[0022] 在所述步骤（1)中，均匀化热处理为：在400~550°C范围内，进行总时间为12~ 72h的双级或多级均匀化热处理。
[0023] 在步骤⑵中，采用挤压、乳制、拉拔、锻造中的一种或几种组合的方式进行变形 加工，每一次变形加工前预热至380~460°C，在该温度下的预热时间为1~16h。
[0024] 在所述步骤（2)中，固溶热处理为：在450~560°C范围内对制品进行总时间为 0. 1~10h的单级或双级固溶热处理。
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