一种铝锂合金及其制备方法与流程

本技术涉及航空航天材料领域，具体涉及一种铝锂合金及其制备方法。

背景技术：

1、铝锂合金具有低密度高强度、高比刚度和抗疲劳与耐腐蚀等优良性能属性，被认为是具有巨大开发潜能的新型耐损伤轻质结构材料，在航空航天领域的应用上展现了广阔的前景。随着航空航天领域的持续技术突破与发展，对轻质耐损伤大型飞行器结构件增强减重需求越来越大。铝锂合金因其具有优秀的轻质高强度属性而备受高度关注。

2、锂是地球上密度最小的金属，且在铝中有较高的固溶度，它的引入给铝合金带来极大的减重效果，并且在后续热处理过程中生成一系列强化相，使铝合金在降低密度的同时保持优良的机械性能。不过锂含量过高时会导致在大尺寸半成品的厚度方向上延展性低，这导致铝锂合金的塑性和断裂韧性较差。因此为了保持铝锂合金拥有足够的塑性和断裂韧性，铝锂合金中锂含量一般都是控制在2wt％及以下，这又会使铝锂合金的机械强度受到限制。

3、随着人们对航天航空材料的要求越来越高，目前的铝锂合金已经越来越难以满足人们对其的机械性能的需求。

技术实现思路

1、为了解决现有铝锂合金中锂含量在2wt％及以下的情况下，铝锂合金的机械强度难以达到人们的需求的问题，本技术提供一种铝锂合金，该铝锂合金通过添加钛和碳气凝胶，大幅度提高铝锂合金的屈服强度、抗拉强度和延伸率，并且添加了碳气凝胶的铝锂合金，密度更小，该铝锂合金比现有铝锂合金更能满足人们需求。

2、第一方面，本技术提供一种铝锂合金，采用如下的技术方案：

3、一种铝锂合金，包括以下重量份的组分：铝100份，锂1.5-2份，镁0.6-1份，钛0.1-0.2份，碳气凝胶0.1-0.3份。

4、通过采用上述技术方案，钛是一种活性较高的金属元素，具有很强的化学亲和力，在铝锂合金中，钛可以与铝形成稳定的合金相，增强合金的整体结构，同时，钛还可以与碳气凝胶中的碳元素形成化学键，这样可以将碳气凝胶有效地“锚定”在铝锂合金的基体中；另外钛可以在合金表面形成一层致密的氧化物薄膜，提高表面的润湿性和粘附性，从而增强碳气凝胶与铝锂合金之间的界面结合力；此外，钛还可以作为合金中的细化剂，细化铝锂合金的晶粒尺寸，提高合金的均匀性和致密度；这种细化作用有助于减少合金中的缺陷和应力集中，提高合金的机械性能和稳定性；

5、碳气凝胶以其纳米级的结构和轻质特性，其高强度和硬度特性使得铝锂合金的抗拉强度、屈服强度得到提升，这种增强效果有助于铝锂合金在承受高负载或高应力环境下表现出更好的性能；碳气凝胶通常具有出色的热稳定性，这有助于提升铝锂合金在高温环境下的性能保持能力，减少因温度变化导致的性能下降；

6、另外，碳气凝胶是一种纳米多孔材料，具有非常高的比表面积和极低的密度，通常其密度远低于传统金属材料；当将碳气凝胶作为添加剂引入铝锂合金中时，它以微小的颗粒形式均匀分散在合金基体中，这些微小的碳气凝胶颗粒取代了部分原本由铝和锂等金属占据的空间，从而降低了整个合金的平均密度；由于碳气凝胶的密度远低于铝和锂等金属，因此其添加可以有效地减轻合金的重量；此外，碳气凝胶的纳米多孔结构还有助于进一步减少合金的密度；这些纳米孔隙不仅提供了更多的界面面积，增强了与合金基体的相互作用，而且它们本身不增加太多质量，从而有助于保持合金的低密度特性；

7、本技术通过在铝锂合金中添加钛和碳气凝胶，大幅度提高铝锂合金的屈服强度、抗拉强度和延伸率，并且添加了碳气凝胶的铝锂合金，密度更小，该铝锂合金比现有铝锂合金更能满足人们需求。

8、优选的，所述钛与碳气凝胶的质量比为1:1.2-1.4。

9、通过采用上述技术方案，当碳气凝胶的含量过低时，碳气凝胶对铝锂合金的机械性能和稳定性的提升效果不明显；当碳气凝胶的含量过高时，碳气凝胶难以更好地通过钛元素与铝相容，反而降低铝锂合金的机械性能和稳定性；为此申请人经过大量研究和实验验证后最终确定，本技术的钛与碳气凝胶以上述为宜。

10、第二方面，本技术提供一种铝锂合金的制备方法，采用如下的技术方案：

11、一种铝锂合金的制备方法，用于制备上述铝锂合金，包括以下步骤：

12、配料铸锭：将配方量的铝、锂、镁、钛和碳气凝胶混合，依次进行熔炼、精炼和浇铸，获得铸锭；

13、均匀化处理：将所述铸锭进行均匀化处理，获得均匀化态合金铸锭；

14、毛坯加工：将所述均匀化合金铸锭依次进行冷热加工和控温退火，获得成型毛坯；

15、后处理：将所述成型毛坯依次进行固溶、淬火和时效处理，获得铝锂合金。

16、通过采用上述技术方案，通过配料铸锭和均匀化处理步骤，可以确保铝、锂、镁、钛和碳气凝胶等组分在合金中均匀分布，这种均匀性对于提高合金的机械性能和稳定性至关重要，因为可以避免因成分偏析导致的性能差异；通过冷热加工和控温退火，毛坯加工步骤可以细化合金的晶粒，并优化其微观结构，这有助于提高合金的强度和韧性，同时减少缺陷和应力集中现象；后处理步骤中的固溶、淬火和时效处理可以进一步调整合金的相组成和析出行为，从而提高其性能稳定性；由于添加了碳气凝胶，该制备方法有助于降低铝锂合金的密度，同时保持或提高其他性能；碳气凝胶的轻质特性使得合金在保持优良机械性能的同时，实现了密度的降低，这对于航空航天等需要轻质高强材料的领域具有重要意义。

17、优选的，在配料铸锭前，将配方量的钛和碳气凝胶提前混合，依次进行熔炼和浇铸，获得预混料铸锭，然后将所述预混料铸锭和配方量的铝、锂和镁进行混合。

18、通过采用上述技术方案，提前将钛和碳气凝胶混合并进行熔炼，有助于两者之间形成更加均匀和稳定的界面结合，这种强化的界面结合能够提高铝锂合金的机械性能；碳气凝胶作为一种纳米多孔材料，在混合过程中可能会出现团聚现象；提前将其与钛混合并进行熔炼，有助于碳气凝胶在铝锂合金基体中的均匀分散；这样可以避免碳气凝胶团聚导致的性能不均一性，使合金的性能更加稳定可靠。

19、优选的，在均匀化处理的步骤中，所述均匀化处理为双级均匀化处理，第一级均匀化处理温度为440-480℃，处理时间为8-12h；第二级均匀化处理温度为500-550℃，处理时间为24-36h。

20、通过采用上述技术方案，通过双级均匀化处理，可以更好地改善合金内部的结晶组织，消除铸造应力，减少偏析现象；这有助于提高合金的均匀性和稳定性，从而增强合金的机械性能；在第一级440-480℃较低温度的处理中，原子开始逐渐扩散，为第二级高温处理时的快速均匀化创造了条件；第一级处理时间为8-12h，确保合金在该温度下充分进行初步的均匀化过程；

21、而在第二级500-550℃高温处理中，原子扩散速度加快，相的溶解更彻底，从而提高了合金的综合性能；第二级处理时间为24-36h，足够长的时间保证了合金在高温下能够充分进行原子扩散和相溶解，实现更加彻底的均匀化；双级均匀化处理还能有效抑制再结晶过程，减少因再结晶引起的性能损失；这有助于保持合金的优良性能，并提高其使用寿命。

22、优选的，在毛坯加工的步骤中，控温退火的退火温度为400-500℃，退火时间为2-3.5h。

23、通过采用上述技术方案，控温退火过程中的适宜温度范围(400-500℃)可以有效消除合金在冷热加工过程中产生的残余应力；残余应力的存在可能会导致合金在后续加工或使用过程中发生变形或开裂，而合理的退火温度可以帮助合金内部应力得到释放，从而提高其稳定性；选择合适的退火温度，可以确保合金不过烧，避免晶粒过分长大和合金性能的恶化；过高的退火温度可能导致合金出现过烧现象，从而降低其性能和使用寿命；

24、控温退火过程中的退火时间(2-3.5h)可以确保合金在足够的时间内完成晶粒细化过程；长时间的保温有助于原子扩散和再结晶的进行，使得晶粒得以细化；晶粒细化可以提高合金的强度和韧性，同时改善其加工性能；

25、通过合理的退火温度和退火时间组合，可以控制合金中析出相的种类、数量和分布，从而优化合金的性能；退火处理可以使合金元素更加均匀地分布，并促使有利的析出相形成，这些析出相能够增强合金的机械性能和稳定性。

26、优选的，控温退火后的冷却包括以下步骤：

27、阶段一：由退火温度降温80-100℃，到达阶段一终点温度；

28、阶段二：由所述阶段一终点温度继续降温60-80℃，到达阶段二终点温度；

29、阶段三：由所述阶段二终点温度继续降温80-90℃，到达阶段三终点温度；

30、空冷：将坯料取出进行空冷，获得所述成型毛坯。

31、通过采用上述技术方案，控温退火后的冷却模式包括三个降温阶段和一个空冷阶段，这种特定的冷却模式具有以下优势：阶段一：从退火温度降温80-100℃，这一降温幅度相对较小，有助于合金逐渐适应温度变化，减少因快速冷却而产生的残余应力，通过控制这一阶段的降温速度，可以有效地防止合金在冷却过程中发生变形；

32、阶段二：继续降温60-80℃到达阶段二终点温度，在此阶段，通过适当的降温速度，可以控制合金中析出相的形成和分布，合适的温度区间有助于析出相均匀析出，从而提高合金的力学性能和耐腐蚀性能；

33、阶段三：继续降温80-90℃到达阶段三终点温度，此阶段的降温有助于进一步细化晶粒，提高合金的强度和韧性，通过精确控制降温幅度，可以实现晶粒尺寸的精细调控，从而优化合金的综合性能；

34、空冷阶段：经过前面三个阶段的有序降温后，采用空冷方式将坯料冷却至室温，这种方式相比连续缓慢冷却更为高效，能够节省能源并提高生产效率，同时，空冷也能避免合金在后续加工过程中因残余热量导致的性能变化。

35、优选的，控温退火后的冷却各阶段的降温速率如下，阶段一降温速率为60-80℃/h，阶段二降温速率为65-75℃/h，阶段三降温速率为60-70℃/h。

36、通过采用上述技术方案，通过控制降温速率，可以精细地控制合金在冷却过程中的组织变化；每个阶段的降温速率都经过优化，以适应合金在不同温度区间内的相变和析出行为；这有助于形成理想的微观结构，从而提高合金的性能；

37、通过控制降温速率，可以逐渐释放合金在退火过程中产生的残余应力；相较于快速冷却，这种分段式的、适中的降温速率有助于合金更好地适应温度变化，减少因快速冷却导致的应力集中和变形现象。

38、优选的，在后处理的步骤中，所述固溶的温度为800-900℃。

39、通过采用上述技术方案，在800-900℃的固溶温度下，合金中的元素能够充分溶解到基体中，实现均匀化分布；这有助于消除铸造过程中产生的晶内偏析和粗大金属间化合物，减少内应力，从而改善合金的力学性能和稳定性；

40、在固溶处理过程中，合金元素在高温下发生溶解和再分配，形成有利于性能提升的析出相；这些析出相能够有效地提高合金的强度和塑性；

41、在800-900℃的固溶温度下，合金中的晶粒会发生再结晶和长大过程，但通过控制固溶时间和冷却速度，可以实现晶粒的细化；细化的晶粒结构能够进一步提高合金的力学性能和加工性能。

42、优选的，在后处理的步骤中，所述时效处理的温度为150-180℃，处理时间为8-14h。

43、通过采用上述技术方案，150-180℃的时效温度范围能够确保铝锂合金中的析出相在合适的温度下进行析出和长大；时效温度过高可能导致合金过烧，而温度过低则可能不利于析出相的形成和均匀分布；

44、8-14h的处理时间能够确保析出相在时效过程中充分析出和长大，达到预期的强化效果；处理时间过短可能导致析出相析出不完全，而处理时间过长则可能引起过时效，导致性能下降；

45、此外，这一时效温度和时间组合的选择还有助于减少合金在时效过程中的内应力和变形，适当的时效条件能够使合金在保持高性能的同时，减少因时效过程引起的残余应力和变形，从而提高合金的稳定性和可靠性。

46、综上所述，本技术具有以下有益效果：

47、1、由于本技术通过在铝锂合金中添加钛和碳气凝胶，大幅度提高铝锂合金的屈服强度、抗拉强度和延伸率，并且添加了碳气凝胶的铝锂合金，密度更小，该铝锂合金比现有铝锂合金更能满足人们需求；

48、2、本技术关于铝锂合金的制备方法通过配料铸锭和均匀化处理步骤，可以确保铝、锂、镁、钛和碳气凝胶等组分在合金中均匀分布，通过冷热加工和控温退火，毛坯加工步骤可以细化合金的晶粒，并优化其微观结构，后处理步骤中的固溶、淬火和时效处理可以进一步调整合金的相组成和析出行为，通过一系列处理使得铝锂合金在保持优良机械性能的同时，实现了密度的降低。