一种轻质合金材料及其制备方法
【专利摘要】本发明提供了一种轻质合金材料及其制备方法，所述轻质合金材料包含以下重量百分含量的成分：Al 53％?59％，Nb 3％?4％，Sn 0.5％?1.0％，C 0.01％?0.03％，Sc 0.4％?0.7％，W 0.02％?0.04％，Mo 0.5％?1.2％，Ni 0.06％?0.5％，Cr 0.1％?0.2％，Dy 0.02％?0.04％，不可避免的杂质含量小于0.01％，余量为Ti。本发明的制备过程包括：原料预处理、熔炼、精炼、铸模和退火。本发明具有质量轻、抗拉强度高、耐酸碱腐蚀性强、延展性好、塑性高的特点，其抗拉强度可达1350MPa；屈服强度1100MPa，延伸率可达13％；抗弯折能力强。
【专利说明】
一种轻质合金材料及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种轻质合金材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 随着人们生活水平的不断提高，各种电子、电器产品成为办公和生活的必需品，如 电视机、组合音响、电子办公设备、家用电子保健设备、相机、手机和平板电脑等。所有这些 设备的发展都向轻、薄、小的方向发展，使得对其壳体及内部零件材料的要求越来越高，轻 质材料也越来越重要。但是轻质材料的硬度低、抗冲击能力差、可塑性低。
[0003] 钛合金具有质量轻、强度高、耐腐蚀性好等优点，利用钛合金制造发动机零件有很 多好处，钛和铝合金的密度低，可以降低运动零件的惯性质量，同时钛气门弹簧可以增加自 由振动，减弱车身的振颤，提高发动机的转速及输出功率，但是，钛合金的成本高。
[0004]中国专利CN 104404300A的发明名称为"一种新型轻质合金"，该轻质合金由碳、 锰、硅、铝、镍、钼、铁和硼组成，该发明具有强的抗拉强度和延伸率，但是耐腐蚀能力差；中 国专利CN 102690979B的发明名称为"一种轻质金属工艺品用合金材料及其制备方法"，由 镁、铝和锌组成，保留了镁元素密度低比重轻的特点，具有很好的加工性，但该发明只适合 用于工艺品的制备上，硬度低。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足而提供一种强度高、耐腐蚀性好、 韧性好、耐高温、成本低的轻质合金材料。
[0006] 本发明的另一目的还在于上述轻质合金材料的制备方法。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明采取的具体技术方案是：
[0008] 一种轻质合金材料，包含以下重量百分含量的成分:A1 53%-59%，Nb 3%-4%， Sn 0.5%-1.0%,C 0.01%-0.03%,Sc 0.4%-〇.7%,ff 0.02%-0.04% ,Μο 0.5%-1.2%, Ni 0.06%-0.5%，Cr 0.1%-0.2%，Dy 0·02%-0·04%，不可避免的杂质含量小于0.01%， 余量为Ti。
[0009] 优选的，A1与Nb的重量比为4-6:1。
[0010] 优选的，包含以下重量百分含量的成分:A1 58%，Nb 3%，Sn 0.7%，C (h01%，Sc 0.55%，W 0·03%，Μ〇 0.75%，Ni 0.1%，Cr 0.1%，Dy 0.025%，不可避免的杂质含量小于 0.01%，余量为11。
[0011] -种轻质合金材料的制备方法，包括以下步骤：
[0012] (1)原料预处理:将所有原料置于干燥箱内，在100-160°C下干燥20-30min，烘干， 按照上述配比称量各原料，搅拌，得混合原料，备用；
[0013] (2)熔炼:将步骤（1)所述的混合原料置于熔炼炉内，在氩气气氛下于660-690°C条 件下熔炼l〇_15min，继续加热至910-950°C，熔炼15-30min;
[0014] (3)精炼：将步骤（2)所得熔炼物降温至486-490 °C，熔炼0.5-1. Oh，然后升温至 600-660°C，熔炼l-1.5h，继续升温至910-950°C，熔炼1.5-2h，最后降温至520-550°C，熔炼 0.5-1.5h，得混合液；
[0015] ⑷铸模:将步骤⑶得到的混合液倒入7K冷锭模中，自然冷却到室温，得到铸锭；
[0016] (5)退火：将铸锭置于退火炉内，于180-190°c下退火30-60min，得到轻质合金材 料。
[0017] 优选的，所述步骤(2)中加热的升温速率为15-20 °C /min。
[0018] 优选的，所述步骤(3)中的降温速率为15-25 °C /min。
[0019] 优选的，所述步骤(3)中的升温速率为5-10°C/min。
[0020] 本发明的有益效果：
[0021] 本发明中主要成分为Al-Ti合金复合使用，与单独钛金属相比可以获得较高的相 变点，降低残余β相的含量，降低钛合金高温蠕变过程中的扩散，提高钛合金的高温抗蠕变 性能；同时，Α1元素在高温条件下可以在钛合金表面生成具有稳定保护作用的Α1 2〇3保护膜， 提高耐热钛合金的表面抗氧化性；另外Α1元素可以使钛合金具有较好的塑性，所以Α1和Ti 的相互作用可以明显改善轻质合金的力学性能;Ti的加入则可以改善单一金属A1的机械性 能，克服A1抗拉强度接近屈服强度，韧性差，硬度低，不耐磨，不耐冲击，热传导系数较大，热 变形大，热稳定性差等缺陷。
[0022] 少量金属元素加入对Al-Ti合金具有辅助增效的作用:Nb具有较好的固溶强化效 果，而且可以有效韧化合金，使轻质合金具有较好的强度、塑性和高温性能，在A1与Nb的重 量比为4-6:1时性能变化最为明显。C元素的加入可以增加耐热钛合金中α+β两相区的温度 范围，增大合金的加工温度窗口，能够相对容易的控制初生α相的含量，有效协调钛合金的 热稳定性能、蠕变性能和疲劳性能，C和Ti的共同作用提高了轻质合金的综合力学性能；Sc 和W是微合金化元素，有效地改善了合金的组织结构，细化了晶粒，提高了轻质合金在高温 下的强度、塑性和蠕变等性能;Mo、Ni和Cr的共同作用使轻质合金在高温下的组织稳定性 好，另外，钼还可以改善合金的耐间隙腐蚀性和耐酸性;Sn和Ti相互作用可以起到固溶强化 的作用，可以有效增加轻质合金在常温下的强度;Dy具有内氧化作用，在合金体内形成许多 细小稳定的氧化镝颗粒，产生弥散强化的效果，改善了轻质合金的强度，另外，可以降低合 金体内氧的浓度，抑制合金内晶粒的长大，起到细化晶粒的作用，有效提高了轻质合金材料 的维氏硬度和抗冲击韧性。
[0023] 本发明的合金材料具有质量轻、抗拉强度高、耐酸碱腐蚀性强、延展性好、塑性高， 其抗拉强度可达1350MPa;屈服强度11 OOMPa，延伸率可达13 % ;抗弯折能力强;本发明制备 过程简单，易于操作。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合具体实施例进一步阐述本发明：
[0025] 实施例1
[0026] 一种轻质合金材料，包含以下重量百分含量的成分:A1 53%，Nb 3%，Sn 0.5%，C 0.01%，Sc 0.4%，W 0·02%，Μ〇 0.5%，Ni 0.06%，Cr 0.1%，Dy 0.02%，不可避免的杂质 含量小于0.01%，余量为Ti。
[0027]其制备方法，包括以下步骤：
[0028] (1)原料预处理:将所有原料置于干燥箱内，在100°C下干燥30min，烘干，按照上述 配比称量各原料，搅拌，得混合原料，备用；
[0029] (2)熔炼:将步骤(1)所述的混合原料置于熔炼炉内，在氩气气氛下于660°C条件下 熔炼15min，继续15°C/min的速率加热至910°C，熔炼30min;
[0030] (3)精炼:将步骤⑵所得熔炼物以15°C/min的速率降温至486°C，熔炼1. Oh，然后 以7 °C/min的速率升温至600°C，熔炼1.5h，继续以7 °C/min的速率升温至910°C，熔炼2h，最 后以15°C/min的速率降温至520°C，熔炼1.5h，得混合液；
[0031] (4)铸模:将步骤(3)得到的混合液倒入水冷锭模中，自然冷却到室温，得到铸锭；
[0032] (5)退火:将铸锭置于退火炉内，于180°C下退火60min，得到轻质合金材料。
[0033] 实施例2
[0034] 一种轻质合金材料，包含以下重量百分含量的成分:A1 58%，Nb 3%，Sn 0.7%，C 0.01%，Sc 0.55%，W 0·03%，Μ〇 0.75%，Ni 0.1%，Cr 0.1%，Dy 0.025%，不可避免的杂 质含量小于〇. 01 %，余量为Ti。
[0035]其制备方法，包括以下步骤：
[0036] (1)原料预处理:将所有原料置于干燥箱内，在160°C下干燥20min，烘干，按照上述 配比称量各原料，搅拌，得混合原料，备用；
[0037] (2)熔炼:将步骤(1)所述的混合原料置于熔炼炉内，在氩气气氛下于690°C条件下 熔炼lOmin，继续20°C/min的速率加热至950°C，熔炼15min;
[0038] (3)精炼:将步骤(2)所得熔炼物以25°C/min的速率降温至490°C，熔炼0.5h，然后 以7°C/min的速率升温至660°C，熔炼lh，继续以10°C/min的速率升温至950°C，熔炼1.5h，最 后以15°C/min的速率降温至550°C，熔炼0.5h，得混合液；
[0039] (4)铸模:将步骤(3)得到的混合液倒入水冷锭模中，自然冷却到室温，得到铸锭；
[0040] (5)退火:将铸锭置于退火炉内，于190°C下退火30min，得到轻质合金材料。
[0041 ] 实施例3
[0042] 一种轻质合金材料，包含以下重量百分含量的成分:A1 59%，Nb 4%，Sn 1.0%，C 0.03%，Sc 0.7%，W 0·04%，Μ〇 1.2%，Ni 0.5%，Cr 0.2%，Dy 0.04%，不可避免的杂质 含量小于0.01%，余量为Ti。
[0043]其制备方法，包括以下步骤：
[0044] (1)原料预处理:将所有原料置于干燥箱内，在120°C下干燥25min，烘干，按照上述 配比称量各原料，搅拌，得混合原料，备用；
[0045] (2)熔炼:将步骤(1)所述的混合原料置于熔炼炉内，在氩气气氛下于670°C条件下 熔炼13min，继续17°C/min的速率加热至930°C，熔炼20min;
[0046] (3)精炼:将步骤⑵所得熔炼物以18°C/min的速率降温至489°C，熔炼0.8h，然后 以5 °C/min的速率升温至630°C，熔炼1.2h，继续以7°C/min的速率升温至930°C，熔炼1.7h， 最后以15°C/min的速率降温至530°C，熔炼0.8h，得混合液；
[0047] (4)铸模:将步骤(3)得到的混合液倒入水冷锭模中，自然冷却到室温，得到铸锭；
[0048] (5)退火:将铸锭置于退火炉内，于185°C下退火50min，得到轻质合金材料。
[0049] 实施例4
[0050] 一种轻质合金材料，包含以下重量百分含量的成分:A1 56%，Nb 4%，Sn 0.7%，C 0.02%，Sc 0.6%，W 0·03%，Μ〇 l%，Ni 0.2%，Cr 0.15%，Dy 0.035%，不可避免的杂质 含量小于0.01%，余量为Ti。
[00511其制备方法，包括以下步骤：
[0052] (1)原料预处理:将所有原料置于干燥箱内，在130°C下干燥28min，烘干，按照上述 配比称量各原料，搅拌，得混合原料，备用；
[0053] (2)熔炼:将步骤（1)所述的混合原料置于熔炼炉内，在氩气气氛下于675°C条件下 熔炼12min，继续16°C/min的速率加热至915°C，熔炼16min;
[0054] (3)精炼:将步骤(2)所得熔炼物以20°C/min的速率降温至487°C，熔炼0.6h，然后 以7 °C/min的速率升温至645°C，熔炼1. lh，继续以9°C/min的速率升温至915°C，熔炼1.7h， 最后以15°C/min的速率降温至535°C，熔炼1.3h，得混合液；
[0055] (4)铸模:将步骤(3)得到的混合液倒入水冷锭模中，自然冷却到室温，得到铸锭；
[0056] (5)退火:将铸锭置于退火炉内，于180°C下退火45min，得到轻质合金材料。
[0057] 实施例5
[0058] 一种轻质合金材料，包含以下重量百分含量的成分：A1 57%，Nb 3.5%，Sn 0.8%，C 0.015%，Sc 0.6%，W 0·035%，Μ〇 0.8%，Si 0.3%，Cr 0.16%，Dy 0·035%，Ρ 0.005%，不可避免的杂质含量小于0.01%，余量为Ti。
[0059]其制备方法，包括以下步骤：
[0060] (1)原料预处理:将所有原料置于干燥箱内，在150°C下干燥28min，烘干，按照上述 配比称量各原料，搅拌，得混合原料，备用；
[0061] (2)熔炼:将步骤(1)所述的混合原料置于熔炼炉内，在氩气气氛下于675°C条件下 熔炼llmin，继续18°C/min的速率加热至940°C，熔炼27min;
[0062] (3)精炼:将步骤⑵所得熔炼物以17°C/min的速率降温至488°C，熔炼0.7h，然后 以7°C/min的速率升温至655°C，熔炼1.5h，继续以10°C/min的速率升温至920°C，熔炼2h，最 后以15°C/min的速率降温至535°C，熔炼0.9h，得混合液；
[0063] (4)铸模:将步骤(3)得到的混合液倒入水冷锭模中，自然冷却到室温，得到铸锭；
[0064] (5)退火:将铸锭置于退火炉内，于185°C下退火45min，得到轻质合金材料。
[0065] 硅与钛的原子尺寸差别较大，在固溶体中容易在位错处偏聚，阻止位错运动，增强 了合金材料的耐热性和耐腐蚀性;磷在合金熔炼过程中一方面可以作为的脱氧剂，改善合 金的力学性能，另一方面硅的加入可以提高合金熔体的流动性，改善合金的耐腐蚀性和强 度。
[0066] 实施例6
[0067] 一种轻质合金材料，包含以下重量百分含量的成分：A1 55%，Nb 3.6%，Sn 0.75%,C 0.03%,Sc 0.55%,ff 0.025%,Mo 1.1%,Ni 0.2%,Cr 0.16%,Si 0.01%,Dy 0.02%，Ce 0.01%，不可避免的杂质含量小于0.01%，余量为Ti。
[0068]其制备方法，包括以下步骤：
[0069] (1)原料预处理:将所有原料置于干燥箱内，在160°C下干燥30min，烘干，按照上述 配比称量各原料，搅拌，得混合原料，备用；
[0070] (2)熔炼:将步骤(1)所述的混合原料置于熔炼炉内，在氩气气氛下于680°C条件下 熔炼15min，继续19°C/min的速率加热至925°C，熔炼30min;
[0071] (3)精炼:将步骤⑵所得熔炼物以18°C/min的速率降温至487°C，熔炼1. Oh，然后 以7 °C/min的速率升温至650°C，熔炼1.3h，继续以9°C/min的速率升温至930°C，熔炼1.5h， 最后以15°C/min的速率降温至545°C，熔炼0.9h，得混合液；
[0072] (4)铸模:将步骤(3)得到的混合液倒入水冷锭模中，自然冷却到室温，得到铸锭；
[0073] (5)退火:将铸锭置于退火炉内，于190°C下退火60min，得到轻质合金材料。
[0074] 少量铈固溶于合金熔体内，它一方面降低了轻质合金晶格内溶质原子的数量，提 高了合金的导电能力，另一方面夺取了氧形成难溶稀土化合物，降低了合金中间隙氧的含 量，改善了合金材料的维氏硬度和抗冲击韧性;硅和镍在合金溶体内共同作用，增强了合金 材料的耐腐蚀性。
[0075] 对比例1
[0076] 一种轻质合金材料，包含以下重量百分含量的成分：A1 59%，Nb 3.5%，Sn 0.65%，C 0.03%，Sc 0.4%，W 0·025%，Μ〇 0.5%，Ni 0.35%，Cr 0.1%，Dy 0.02%，不可 避免的杂质含量小于〇. 01 %，余量为Ti。
[0077] 其制备过程与实施例1基本相同，其不同之处在于，在铸模过程中是将步骤(3)得 到的混合液倒入锭模中，自然冷却到室温，得到铸锭。
[0078] 对比例2
[0079] 一种轻质合金材料，包含以下重量百分含量的成分：A1 54%，Nb 3.5%，Sn 0.5%，C 0.015%，Sc 0.45%，W 0·02%，Μ〇 0.5%，Ni 0.07%，Cr 0.12%，Dy 0.02%，不 可避免的杂质含量小于0.01 %，余量为Ti。
[0080]其制备方法与实施例1大致相同，其不同之处在于在铸模的过程中没有采用水冷 铸模。
[0081 ] 对比例3
[0082] 一种轻质合金材料，包含以下重量百分含量的成分：A1 58%，Sn 0.7%，C 0.01%，Sc 0.55%，W 0·03%，Μ〇 0.75%，Cr 0.1%，Dy 0.025%，不可避免的杂质含量小 于0.01%，余量为Ti，其制备过程与实施例2相一致。
[0083] 对比例4
[0084] 一种轻质合金材料，包含以下重量百分含量的成分:A1 59%，Nb 4%，Sn 1.0%，C 0.03%，Sc 0.7%，W 0.04%，Ni 0.5%，Cr 0.2%，不可避免的杂质含量小于0.01%，余量 为Ti，其制备过程与实施例3相一致。
[0085]将实施例1-8得到的合金材料制备成25mm X 50mm X 2mm尺寸的样品，将样品进行离 子注入和氧化膜处理，并在样品上用刀刻有划痕，然后进行盐雾实验。
[0086]盐雾实验是在喷雾室内进行的，采用浓度为5%的NaCl溶液，压力为100千帕的压 缩空气，在相对湿度为96 %，温度为35°C的条件下，向每个试样喷射盐水700小时。
[0087] 实施例1-6与对比例1-4的性能测试结果见表1:
[0088] 表1实施例1-6以及对比例1-4的性能测试结果
[0091]从表1中可以看出，实施例1-6的制备的轻质合金材料具有高的强度、韧性和耐腐 蚀性，抗拉强度最高可达135010^;屈服强度110010^，延伸率可达13%;抗弯折能力和耐腐 蚀性强;对比例1与实施例1相比，其制备过程缺少精炼步骤其强度明显降低;对比例2与实 施例1相比，在铸模的过程中没有采用水冷铸模，其屈服强度明显降低;对比例3与实施例2 相比缺少镍和铌，其强度和耐腐蚀性降低;对比例4与实施例3相比缺少钼和镝，其强度和耐 腐蚀性降低。
[0092]最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通 技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案 的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1. 一种轻质合金材料，其特征在于，包含以下重量百分含量的成分:A1 53%-59%，Nb 3%-4%，Sn 0.5%-1.0%，C 0.01%-0.03%，Sc 0.4%-0.7%，W 0·02%-0·04%，Μο 0.5%-1.2%，Ni 0.06%-0.5%，Cr 0.1%-0.2%，Dy 0·02%-0·04%，不可避免的杂质含 量小于0.01 %，余量为Ti。2. 如权利要求1所述的一种轻质合金材料，其特征在于，包含以下重量百分含量的成 分：A1 58%，Nb 3%，Sn 0.7%，C 0.01%，Sc 0.55%，W 0.03%，M〇 0.75%，Ni 0.1%，Cr 0.1%，Dy 0.025%，不可避免的杂质含量小于0.01%，余量为Ti。3. 如权利要求1或2所述的一种轻质合金材料，其特征在于，A1与Nb的重量比为4-6:1。4. 一种如权利要求1-3任一项所述的轻质合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下 步骤： (1) 原料预处理:将所有原料置于干燥箱内，在100-160°C下干燥20-30min，烘干，按照 上述配比称量各原料，搅拌，得混合原料，备用； (2) 熔炼:将步骤（1)所述的混合原料置于熔炼炉内，在氩气气氛下于660-690°C条件下 熔炼10-15min，继续加热至910-950°C，熔炼15-30m; (3) 精炼:将步骤(2)所得熔炼物降温至486-490°C，熔炼0.5-1. Oh，然后升温至600-660 °(：，熔炼1-1.511，继续升温至930-950°(：，熔炼1.5-211，最后降温至520-550°(：，熔炼0.5-1.5h，得混合液； (4) 铸模:将步骤(3)得到的混合液倒入水冷锭模中，自然冷却到室温，得到铸锭； (5) 退火:将铸锭置于退火炉内，于180-190°C下退火30-60min，得到轻质合金材料。5. 如权利要求4所述的一种轻质合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中加 热的升温速率为15-20°C/min。6. 如权利要求4所述的一种轻质合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中降 温的速率为15-25°C/min。7. 如权利要求4所述的一种轻质合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中升 温的速率为5-10°C/min。
【文档编号】C22C1/02GK105970026SQ201610377152
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月31日
【发明人】马志国, 吕琰, 李敏, 代从仁, 高德峰
【申请人】黄河科技学院