一种Al3Ti颗粒增强2618铝合金复合材料的制备方法

摘要

本发明涉及Al3Ti颗粒增强2618铝合金复合材料制备领域，具体为将熔融的Al-10wt.%Ti中间合金以小股液流的方式浇铸在高速旋转的涡轮上快速飞入室温水中，从而得到快速凝固的Al-10wt.%Ti中间合金小颗粒，再将得到的Al-10wt.%Ti中间合金小颗粒与2618合金液进行固-液混合铸造，通过控制搅拌时间及中间合金的加入量，以获得晶粒细小的Al3Ti颗粒增强2618铝合金复合材料。

说明书

技术领域

本发明涉及Al₃Ti颗粒增强2618铝合金复合材料制备领域，具体为将熔融的Al-10wt.%Ti中间合金以小股液流的方式浇铸在高速旋转的涡轮上快速飞入室温水中，从而得到快速凝固的Al-10wt.%Ti中间合金小颗粒，再将得到的Al-10wt.%Ti中间合金小颗粒与2618合金液进行固-液混合铸造，通过控制搅拌时间及中间合金的加入量，以获得晶粒细小的Al₃Ti颗粒增强2618铝合金复合材料。

背景技术

2618铝合金(即锻铝LD7)是传统锻造铝合金中耐热性最好的一种合金，在120℃以上的温度下，其力学性能高于7000系合金，广泛应用于制造航空发动机和汽车工业的高温零部件，但是通过一般铸造法铸造的2618合金不能达到工业应用的需要，因此2618生产厂家及相关单位进行了诸如微合金化、形变热处理及颗粒增强2618合金基复合材料等方法挖掘2618合金的潜在性能。湘潭工学院的龙春光等人在“Aging characteristic and mechanical properties of TiC/2618 composite”一文中采用原位反应法制备了TiCp6%/2618复合材料，TiC颗粒的存在使合金再结晶温度至少提高50℃，并提高该了合金抗拉强度和高温硬度。专利申请人曾向2618合金中加入普通的Al-5Ti中间合金，以提高该合金的力学性能，但当钛含量超过1wt.%后，合金组织中出现大于15微米的Al₃Ti颗粒，使合金的强度和塑性下降。专利CN 102230096 A“Al₃Ti相弥散增强Al-Cu-Mg系合金的制备方法”中公开了采用快速凝固Al-7.0wt.%Ti合金粉与Al-Cu-Mg系合金液进行固-液混合近液相线铸造以获得弥散分布的Al₃Ti相增强的Al-Cu-Mg系合金的方法。但是由于使用的Al-7.0wt.%Ti合金粉是采用雾法制粉方法得到的，成本较高，因此其使用得到一定的限制。通过向合金引入弥散分布高温强化相Al₃Ti相可有效提高2618合金的耐热性能，但市场上销售的Al-Ti中间合金要么Al₃Ti相呈粗大针片状或块状（不符合使用要求），要么成本昂贵。因此采用制备成本低廉、细化效果良好的Al-Ti中间合金同时结合控制中间合金与母液的混合时间和中间合金加入量是提高2618合金应用价值的一种有效途径。

发明内容

本发明的目的旨在采用一种简单易行的快速凝固方法与装置，制备出快速凝固的Al-10Ti中间合金，通过控制2618合金液和中间合金的混合时间以及中间合金的加入量，采用固液混合铸造方法制备出一种晶粒细小的Al₃Ti颗粒增强2618铝合金复合材料。

一种晶粒组织细小的Al₃Ti颗粒增强2618铝合金复合材料的制备方法，包括以下步骤：

A 将熔融的Al-10wt.%Ti中间合金在1350                                                下保温30~35min，快速浇铸在高速旋转的涡轮上使合金液快速飞入室温水中，得到快速凝固的Al-10wt%Ti中间合金小颗粒；

B 将配好的2618合金在720下进行熔炼，熔炼过程中采用占2618合金质量5-7wt.%的覆盖剂对金属液进行保护，以减少合金液的氧化和烧损；

C 把合金液表面上的渣子扒干净以后，迅速将采用涡轮高速旋转水冷的Al-10 wt.%Ti中间合金小颗粒加入到熔融的2618合金液中得到混合液，进行固-液混合，加入的中间合金量占整个混合液的5 wt%~20 wt%；

D 搅拌熔融混合均匀后，然后将合金浇铸入金属型中得到直径为12mm、高度为100mm的合金试样。

所述A步骤中Al-Ti中间合金一次浇注量一次控制在80~100g，室温水的温度在20~25范围内。

所述A步骤中的涡轮转速为500转/分钟，熔融Al-10Ti中间合金从出炉到浇铸到旋转涡轮上的时间应小于5s，从开始浇铸到完成时间应控制在2s内，以便减少熔融中间合金在液相线温度以上的热损失，保证中间合金能够快速凝固。

用于制备2618合金基复合材料的中间合金是市场上销售的普通Al-10wt.%Ti中间合金，成本低廉；在Al-10wt.%Ti中间合金熔融过程中控制每个坩埚中的加入量为80~100g是为了合金液能以小股液流均匀的浇筑到高速旋转的涡轮上，防止液流过大得到的水冷中间合金颗粒较大，同时保证中间合金液流能在2 s内浇注完成，防止中间合金由于在室温下停留时间过长导致温度下降，降低冷却速率。

熔炼过程中使用的覆盖剂为NaCl、KCl和Na₃AlF₆分别以30:45:25重量比配制的复合盐，在整个熔炼过程中加入的覆盖剂的总量应控制在2618合金重量的5~7%，该覆盖剂在750下熔融完全去除结晶水后冷却至室温后研磨，过筛成100目的细粉，随后将细粉放入100~110后的干燥箱中备用。

这种自制的30NaCl-45KCl-25Na₃AlF₆覆盖剂在720下能在溶液表面形成一层薄薄的晶体壳层，能有效隔绝熔体表面与氧气的接触，同时，相比于普通NaCl和NaCl混合物覆盖剂在溶液表面形成的液体层，该种覆盖剂在720下的熔液表面形成的固态壳层，易于扒渣的进行。

通过快速凝固，Al-10Ti中间合金从液相线以上快速凝固到常温水中（25~40），析出大量细小弥散的Al₃Ti相；将具有细小Al₃Ti相的水冷Al-10wt.%Ti中间合金颗粒加入到2618合金液中，通过控制Al-Ti中间合金加入量，使得Al₃Ti相既能作为第二相粒子起到第二相强化的作用，又能充分作为2618合金凝固时的异质形核的核心，迅速溶解增加生长抑制因子，晶粒组织细化效果良好，是一种可操作性强的制备晶粒组织细小的Al₃Ti颗粒增强2618铝合金复合材料的方法。

附图说明

图1是Al-10 wt.%Ti中间合金原始组织照片；

图2是2618铝合金的显微组织照片；

图3是Al-10 wt.%Ti中间合金经涡轮高速旋转水冷后显微组织照片；

图4是加入不同Ti含量的Al₃Ti/2618合金复合材料显微组织照片。

具体实施方式

实施例中各合金的具体成分和编号如表1所示，其中1#为本发明的对比例，2~5#为实施例；为方便计量，实施例中所有合金的总重均为100g，实施例中所用的Al-10 wt.%Ti中间合金均是采用山东山大吕美熔体技术有限公司生产的Al-10Ti中间合金，原始显微组织见图1，可以看出，合金中的Al₃Ti相呈粗大块状分散在铝基体中，Al₃Ti相平均尺寸在65μm左右；2618合金的熔炼方法实施例一中已详细说明，实施例2~5中不再赘述2618合金的熔炼过程。

实施例一：制备2618合金：按表1配比各合金元素，Cu元素为2.3wt.%；Mg元素为1.6wt.%；Fe元素为1.1wt.%；Ni元素为1.1wt.%；Al元素为余量，则须配制Al-50 wt.%Cu合金4.60g；Al-8 wt.%Fe13.75g；Al-8 wt.%Ni合金13.75g及1.60g纯镁和66.30g纯铝。

首先在720下将纯铝在型号为SG2-1.5-10的井式炉中熔融并保温10min后将用铝箔包好的Al-8 wt.%Fe，Al-8 wt.%Ni和Al-50 wt.%Cu一并加入到铝液中，迅速在合金表面撒上3~5g自制的30NaCl-45KCl-25Na₃AlF₆（重量比，下同）覆盖剂，保温10min后搅拌，用钟罩将去除表面氧化皮的镁块压入合金液中；待其完全熔化后，再在合金液撒上一层覆盖剂（2g），静置3~5min后扒去漂浮在合金液面上的覆盖剂及杂质，浇铸成直径为12mm，高度为100mm的试样，在离试棒底部25mm处截取试样，制成金相试样，合金显微组织照片如图2所示。

实施例二：制备Ti含量为0.5%的Al₃Ti颗粒增强2618铝合金复合材料：将熔融的Al-10 wt.%Ti中间合金以小股液流均匀的浇铸在转速为500转/分钟的高速涡轮上，借助涡轮的离心力，中间合金液迅速甩进室温水中，得到快速凝固的Al-10 wt.%Ti中间合金；经涡轮高速旋转水冷后的Al-10 wt.%Ti中间合金显微组织如图3所示，可以看出，相比水冷前，Al₃Ti相得到明显细化。

配制样品的总重（Al-10 wt.%Ti中间合金+2618合金的总重量）为100g，取5g干燥后的涡轮高速旋转水冷Al-10 wt.%Ti中间合金颗粒，按表1配制其余合金元素，还须配制95g 2618合金，具体为Al-50Cu合金4.60g，Al-8 wt.%Fe13.75g，Al-8 wt.%Ni合金13.75g及1.60g纯镁和61.30g纯铝。

将铝箔包好的涡轮高速旋转水冷的Al-10Ti中间合金颗粒压入熔制好的2618合金液面以下，迅速搅拌，保温30~35s后使其完全熔入合金液中，浇铸成直径为12mm，高度为100mm的合金试样；在离试棒底部25mm处截取试样，制成金相试样，合金显微组织照片如图4（a）所示；可以看出，加入0.5 wt.%Ti的Al₃Ti/2618合金复合材料晶粒组织得到明显细化，主要是由于Al₃Ti相与（Al）基体的晶格常数相近，能作为Al₃Ti/2618复合材料基体的异质形核核心。

实施例三：制备Ti含量为1.0%的Al₃Ti颗粒增强2618铝合金复合材料：将熔融的Al-10 wt.%Ti中间合金以小股液流均匀的浇铸在转速为500转/分钟的高速涡轮上，中间合金液迅速甩进室温水中，得到快速凝固的Al-10 wt.%Ti中间合金。   

配制样品的总重（Al-10 wt.%Ti中间合金+2618合金的总重量）为100g，取10g干燥后的涡轮高速旋转水冷Al-10 wt.%Ti中间合金颗粒，按表1配制其余合金元素，还须配制90g 2618合金，具体为Al-50Cu合金4.60g，Al-8 wt.%Fe13.75g，Al-8 wt.%Ni合金13.75g及1.60g纯镁和56.30g纯铝。

将铝箔包好的涡轮高速旋转水冷的Al-10Ti中间合金颗粒压入熔融的2618合金液面以下，迅速搅拌，保温35~40s后使其完全熔入合金液中，浇铸成直径为12mm，高度为100mm的试样，在离试棒底部25mm处截取试样，制成金相试样，合金显微组织照片如图4（b）所示；可以看出，随着合金中钛含量的增加，能提供异质形核的核心数增加，合金晶粒组织得到进一步细化。

实施例四：制备Ti含量为1.5%的Al₃Ti颗粒增强2618铝合金复合材料：将熔融的Al-10 wt.%Ti中间合金以小股液流均匀的浇铸在转速为500转/分钟的高速涡轮上，中间合金液迅速甩进室温水中，得到快速凝固的Al-10 wt.%Ti中间合金。

配制样品的总重（Al-10 wt.%Ti中间合金+2618合金的总重量）为100g，取15g干燥后的涡轮高速旋转水冷Al-10 wt.%Ti中间合金颗粒，按表1配制其余合金元素，还须配制85g 2618合金，具体为Al-50Cu合金4.60g，Al-8 wt.%Fe13.75g，Al-8 wt.%Ni合金13.75g及1.60g纯镁和51.30g纯铝。

将铝箔包好的涡轮高速旋转水冷的Al-10Ti中间合金颗粒压入熔融的2618合金液面以下，迅速搅拌，保温40~45s后使其完全熔入合金液中，浇铸成直径为12mm，高度为100mm的试样；在离试棒底部25mm处截取试样，制成金相试样合金显微组织照片如图4（c）所示，可以看出当钛含量达到1.5%细化效果最好，此时第二相强化和细晶强化两种强化机制共存，使2618合金的强韧化均达到理想效果。

实施例五：制备Ti含量为2.0%的Al₃Ti颗粒增强2618铝合金复合材料：将熔融的Al-10 wt.%Ti中间合金以小股液流均匀的浇铸在转速为500转/分钟的高速涡轮上，中间合金液迅速甩进室温水中，得到快速凝固的Al-10 wt.%Ti中间合金。

配制样品的总重（Al-10 wt.%Ti中间合金+2618合金的总重量）为100g，取20g干燥后的涡轮高速旋转水冷Al-10 wt.%Ti中间合金颗粒，按表1配制其余合金元素，还须配制80g 2618合金，具体为Al-50Cu合金4.60g，Al-8 wt.%Fe13.75g，Al-8 wt.%Ni合金13.75g及1.60g纯镁和46.30g纯铝。

将铝箔包好的涡轮高速旋转水冷的Al-10Ti中间合金颗粒压入熔融的2618合金液面以下，迅速搅拌，保温45~50s后使其完全熔入合金液中，浇铸成直径为12mm，高度为100mm的试样；在离试棒底部25mm处截取试样，合金显微组织照片如图4（d）所示，可以看出，随着钛含量的继续增加，Al-Ti中间合金完全熔入合金夜中所需的保温时间将增加，Al₃Ti相发生聚集长大，导致晶粒组织开始长大，细化效果下降。

表1试样中各合金元素含量（质量百分数）