[發明專利]一種高比模量鋁合金及其制備方法

有效

• 申請號: 202011487861.9
• 申請日: 2020-12-16
• 公開（公告）號: CN112708803B
• 公開（公告）日: 2022-04-22
• 發明（設計）人: 肖代紅;劉文勝;黃蘭萍
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: C22C21/00
• 分類號: C22C21/00;C22C1/03;C22F1/04
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 鐘丹;魏娟

本發明涉及一種高比模量鋁合金。所述合金以質量百分比包括下述組分：Li：2～4％，Mn：1～7％，Zr：0.05～0.3％，Ti：0.0～0.3％、Sc：0.0～0.3％，余量為Al；其中Li、Mn為必備的提高鋁合金模量的元素，Zr、Ti、Sc為晶粒調控元素。其制備方法為：按設計的鋁合金組分配比，稱取各組分，在真空熔煉爐中進行熔煉并澆鑄成型，然后熱變形成棒材或板材。本發明采用熔煉鑄造及形變熱處理方法，通過控制提高模量的合金元素(Li、Mn)與晶粒控制元素Zr、Ti、Sc的含量，制備成具有高模量和高比模量的鋁合金。本發明制備出了比現有鋁合金更高模量的的鋁錳鋰合金，制備工藝簡單，可做為高比剛度輕量化結構材料。

技術領域

本發明涉及一種高比模量鋁合金及其制備方法，屬于新型金屬結構材料。

背景技術

鋁合金作為空天、陸地與水面運載工具的主干材料，性價比高，應用面廣。高模量鋁合金對于實現減重增效、長壽命起著決定性作用，不可或缺。高模量是高性能鋁合金的共性特征，相近強度條件下大幅提高鋁合彈性模量以提高比模量，是實現運載工具減重增效的主要發展方向。

航空用高性能鋁合金主要包括7XXX系的Al-Zn-Mg-Cu鋁合金與2XXXX系的Al-Cu-Mg與Al-Li合金。7XXX系鋁合金具有高的比強度(180-208MPa.cm³/g)，但其比模量偏低(不超過25GPa.cm³/g)。2XXX系的Al-Cu-Mg鋁合金的比強度(140-170MPa.cm³/g)與比模量(26-27GPa.cm³/g)均偏低，而Al-Li合金具有相對高的比強度(180-220MPa.cm³/g)與比模量(27-31GPa.cm³/g)，但其比模量有特進一步的提高。

發明內容

本發明的目的在于針對上述現有技術存在的不足，提供一種高比模量鋁合金及其制備方法，本發明在成份設計上，通過調控強化元素(Li，Mn)與晶粒控制元素Zr、Sc的含量，在制備工藝上，采用真空熔煉鑄造及形變熱處理方法，析出Al3Li、Al6Mn、Al4Mn等高模量相，從而獲得低密度高模量的鋁合金，以提高合金的比模量，制得的此類鋁合金具有比傳統鋁合金的更高模量、更高比模量。

本發明是通過以下技術方案實現的：

本發明一種高比模量鋁合金，包含以下重量百分比的組分：Li：2～4％，Mn：1～7％，Zr：0.05～0.3％，Ti：0.0～0.3％、Sc：0.0～0.2％，余量為Al。

本發明的高比模量鋁合金，其中Li、Mn為必備的提高鋁合金模量的元素，Zr、Ti、Sc為晶粒調控元素。優化的條件下，本發明所提供的合金的彈性模量達到90GPa，比模量達到34GPa.cm³/g。

在本發明中，首創的添加了高含量的Mn(5.3～7％)，相對于現有技術中的Mn含量大幅提升了，因為Mn屬于高密度元素，過多添加Mn會提高合金的密度，最終降低材料的比強度；另一方面，同時由于Mn是一種易揮發物質，在常規的高溫熔煉過程中，易產生燒損，因此高含量Mn的加入常導致鑄錠產生大量的氣孔、宿松、裂紋、偏析等缺陷，因此在現有技術中的鋁合金中通常僅添加微量Mn(一般是0.1-0.3質量分數％)，目的在于通過彌散析出Al₂₀Cu₂Mn相，抑制鋁合金在加工變形過程中的再結晶，減少回復再結晶程度，從而改善后續的疲勞與腐蝕性能，然而微量Mn并不能提高合金的彈性模量。