[發明專利]一種Al-Yb-Zr耐熱鋁合金及其熱處理工藝

無效

• 申請號: 201310084317.3
• 申請日: 2013-03-15
• 公開（公告）號: CN103255319A
• 公開（公告）日: 2013-08-21
• 發明（設計）人: 聶祚仁;文勝平;高坤元;黃暉
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: C22C21/00
• 分類號: C22C21/00;C22F1/04
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張慧

技術領域

本發明涉及一種經過微合金化的鋁合金材料及其熱處理工藝，屬于金屬合金技術領域。

技術背景

鋁合金強度和導電率提高之間存在相互矛盾之處，提高強度必然要提高合金元素的含量或者提高加工變形量，而合金元素含量的提高和加工量的提高都將使電導率下降。同時，一般耐熱合金導線中Zr的添加雖然能夠提高合金的耐熱性能，但是Zr含量較低的Al-Zr合金的時效強化效果較差，其對強度提高的作用并不明顯；增加Zr元素的含量能夠起到一定的析出強化作用，但合金的導電率顯著下降。這意味著強度和耐熱性的提高都將使電導率相應下降。因此要得到高強度、高耐熱性能、高導電率三者結合的鋁合金導體材料，則必須要找到一種新的導向合金成分及其制備方法，在添加很少量的合金元素的條件下就能析出大量均勻彌散分布、且具有熱穩定性的強化相。

近年來，國內外大量學者對稀土元素在鋁合金中的作用做了大量的研究。這些研究主要集中在La、Ce、Y、Sc、Zr和混合稀土對鋁合金的的影響，其中對稀土元素Sc研究最為深入，在Al-Si系、Al-Zn-Mg系及Al-Mg系等鋁合金中添加Sc均取得了令人滿意的研究結果。然而，添加Sc大大增加了鋁合金的生產成本，使含Sc鋁合金在工業中的應用受到了限制。將Yb加入到鋁合金中，能生成與Al₃Sc作用相同的L1₂結構的Al₃Yb相，可以提高鋁合金的再結晶溫度，更能有效的起到細晶強化和彌散強化等積極作用，提高鋁合金的綜合使用性能。而且Yb的價格比較便宜，在鋁合金中添加少量的Yb元素不會大幅度提高生產成本，能夠廣泛應用于工業生產中。然而，在常規鑄錠冶金的凝固過程中Yb在鋁合金中的固溶度有限，限制了其作用的進一步提高。通過復合添加其它能夠生成L1₂結構析出相的合金元素有可能提高析出密度，從而進一步發揮合金化的作用。除了Sc以外，Zr是一種能夠生成亞穩L1₂結構析出相的合金元素，但是Zr本身的析出過程非常緩慢，尤其是成份較低的情況下需要幾千個小時才能充分析出。Zr和Yb復合微合金化后，在Al₃Yb相的誘導下有可能使得其析出過程提前。因此Yb，Zr復合有可能充分發揮各自的作用，起到良好的合金化效果。本發明正是在基于以上考慮的情況下，設計了Al-Yb-Zr合金，尋找其合適的成份范圍和相應的熱處理工藝。

發明內容

本發明的目的在于通過復合微合金化的方法，尋找Yb和Zr協同發揮強化作用的成分范圍，對鋁或者鋁合金基體起到強化作用，從而提高鋁合金的性能。

本發明所提供的Al-Yb-Zr合金，其特征在于純鋁基體中加入了0.12～0.25%（重量百分比）的Yb，0.15～0.3%（重量百分比）的Zr，以及其它不可避免的雜質。

該合金的制備方法是在熔煉鋁的過程中加入AlYb和AlZr中間合金來實現，熔煉溫度為780±10℃，到達熔煉溫度后保溫30分鐘，然后用鐵模澆鑄，鑄錠隨后進行固溶時效熱處理，其工藝包括以下步驟：首先在620±10℃固溶20～30小時，隨后水淬到室溫，然后在150℃～（400～575）℃之間進行等時時效，具體過程為從150℃起每增加25℃保溫3h后取樣，例如150℃/3h取第一個樣，150℃/3h+175℃/3h取第二個樣，150℃/3h+1755℃/3h+200/3h取第三個樣，依次類推直到在（400～575）℃結束，在此（400～575）℃內的某一溫度可以產品符合要求，如最大硬度值。

本發明由于采用了Yb和Zr復合微合金化，具有非常顯著的時效強化效果，如附圖1所示，相對Al-Yb合金提高了時效強化效果和熱穩定性，相對Al-Zr合金則使得時效析出的過程明顯加速，而且該合金具有較好的熱穩定性。

附圖說明

圖1：150～575℃之間每隔25℃等時3小時時效曲線；

圖2：S4號合金的再結晶曲線。

具體實施方式

實例1:采用石墨坩堝熔煉和鐵模鑄造制備合金鑄錠，所用原料為純鋁和Al-3Yb和Al-4Zr中間合金，熔煉溫度為780±10℃。到達熔煉溫度后保溫30分鐘，然后用鐵模澆鑄。制備了5種不同成份的合金，通過XRF測試了其實際成分，如下表1所示。其中S1和S2樣品分別為Al-Yb和Al-Zr二元合金，用作對比。

表1實驗合金成份