一种低密度高强耐损伤铝锂合金热轧板材及其制备方法

摘要

本发明公开了一种低密度高强耐损伤铝锂合金热轧板材及其制备方法，铝锂合金热轧板材以质量百分比计，由下述组分组成：Cu：3.5～4.0％，Li：0.7～1.1％，Mg：0.5～1.0％，Ag：0.2～0.5％，Zn：0.25～0.5％，Zr：0.1～0.2％，Mn：0.1～0.3％，Ti：0～0.1％，Sc：0～0.08％，Fe≤0.05，Si≤0.05，余量为Al，Cu与Li的总量4.0～5.5，Cu与Li质量比3.0～5.0。本发明通过调控主合金元素质量分数比例、形变热处理等的工艺条件，获得力学性能优良的低密度铝合金，制得的此类铝合金具有优越的室温强度、平面断裂韧性、耐疲劳断裂等综合机械性能。

说明书

技术领域

本发明属于铝合金材料制备与加工技术领域，尤其涉及一种低密度高强耐损伤铝锂合金热轧板材及其制备方法。

背景技术

高比强度、高比刚度、高损伤容限先进轻金属材料是减轻结构重量、降低结构重量系数的主要措施之一。经验表明，材料密度降低10％，大体上可实现结构减重10％；而材料力学性能(如：强度)提高10％，只能实现结构减重1％～3％左右。因此，研制低密度高强耐损伤轻质结构材料，是实现交通运载工具结构重量降低最有效的方法。采用耐久性/损伤容限设计，在设计使用载荷/环境谱下，按照损伤容限设计的运载工具结构，在给定的不修理使用期内，应使因未能查出的缺陷、裂纹和其他损伤的扩展而造成运载工具失效概率减至最小，以保证结构安全。为此，需要轻质材料具备更好的耐疲劳抗断裂能力。

在铝合金中每添加1wt％Li，可使合金密度降低3％，而弹性模量提高6％，而且具有较好的固溶强化效果。因此，铝锂合金具有低密度、高比强度和比刚度、优良的低温性能和耐腐蚀性以及良好的超塑性等优点。用铝锂合金取代常规的铝合金可使结构质量减轻10％～15％，刚度提高15％～20％，是一种理想的航空航天结构材料。随着我国航天事业的发展，新型的铝合金不断发展，铝合金的制造方法也得到优化和改进；但是现有的铝锂合金工艺生产存在强度与耐损伤性能难以协同的问题。

目前成功应用的耐损伤铝锂合金热轧板材典型材料是2195与1420等铝锂合金，其中2195铝锂合金系第三代高强Al-Cu-Li系合金，而1420是中强Al-Mg-Li系合金。1420铝锂合金尽管具有低密度与较好的焊接性能，但其屈服强度低于430MPa。而2195铝锂合金的屈服强度尽管能达到550MPa以上，但其密度大于2.7g/cm

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种低密度高强耐损伤铝锂合金热轧板材及其制备方法，本发明通过调控主合金元素质量分数比例、形变热处理等的工艺条件，获得低Fe、Si杂质含量且力学性能优良的低密度铝合金，制得的此类铝合金具有优越的室温强度、平面断裂韧性、耐疲劳断裂等综合机械性能。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种低密度高强耐损伤铝锂合金热轧板材，以质量百分比计，由下述组分组成：Cu：3.5～4.0％，Li：0.7～1.1％，Mg：0.5～1.0％，Ag：0.2～0.5％，Zn：0.25～0.5％，Zr：0.1～0.2％，Mn：0.1～0.3％，Ti：0～0.1％，Sc：0～0.08％，Fe≤0.05，Si≤0.05，余量为Al，Cu与Li的总量4.0～5.5，Cu与Li质量比3.0～5.0。

上述铝锂合金热轧板材中，Cu合金元素的作用为促进合金在时效过程中T

Li作为一种高模量低密度元素，添加在铝中能降低合金的密度，提高弹性模量。但Cu、Li含量的添加比例尤为关键，添加过高时，造成合金密度增加且易形成中间粗大相降低韧性；添加过低时，不易抑制δ'相的形成，造成应力集中程度增加和无沉淀析出带宽度增加。因此，为综合考虑合金的强韧性和密度等性能，Cu与Li的总量4.0～5.5，Cu与Li质量比3.0～5.0。

添加Mg能够降低铝的层错能，使得层错增加，促进T

合金中添加Mn元素使合金在退火过程形成Al

优选的，所述低密度高强耐损伤铝锂合金热轧板材，以质量百分比计，由下述组分组成：Cu 3.9％，Li 1.1％，Mg 0.76％，Ag 0.26％，Zn 0.34％，Zr 0.1％，Mn 0.27％，Fe≤0.05，Si≤0.05，余量为Al。

优选的，所述低密度高强耐损伤铝锂合金热轧板材，以质量百分比计，由下述组分组成：Cu 3.8％，Li 1.0％，Mg 0.9％，Ag 0.25％，Zn 0.26％，Zr 0.15％，Mn 0.2％，Sc0.07％，Fe≤0.05，Si≤0.05，余量为Al。

优选的，所述低密度高强耐损伤铝锂合金热轧板材，以质量百分比计，由下述组分组成：Cu 3.7％，Li 0.9％，Mg 0.9％，Ag 0.25％，Zn 0.26％，Zr 0.15％，Mn 0.2％，Sc0.04％，Fe≤0.05，Si≤0.05，余量为Al。

优选的，所述铝锂合金热轧板材的抗拉强度为530～600MPa，屈服强度为460～530MPa，伸长率为10～15％，平面断裂韧性为34～40MPa×m

作为一个总的发明构思，本发明还提供了一种低密度高强耐损伤铝锂合金热轧板材的制备方法，包括以下步骤：

1)熔炼：按铝锂合金组分配比配料，经过熔炼铸造成铸锭；

2)三级退火：将铸锭先升温至300～400℃，保温2～8h，然后升温至400～460℃，保温2～10h，再升温至480～500℃，保温20～30h；采用该三级退火，可以使铸锭中不同熔点的非平衡凝固相在升温过程中逐步溶解，从而减少铸锭在高温退火过程中的过烧现象发生，并使合金中在该过程中形成Al

3)热轧：将退火后的铸锭加工成板坯，板坯进行热轧，所述热轧变形温度为430～490℃，保温时间为4～10h，进行多道次轧制，单次变形量不超过30％，每进行1道次轧制后保温0.5～1h，然后进行下一道次热轧，直到轧制得到所需厚度的板材；多道次热轧可降低板材轧制过程中再结晶的发生，从而使后续板材的疲劳性能得到有效提高；

4)固溶处理：将经过热轧的板材进行固溶处理，固溶温度为500～530℃，固溶时间为2h～8h，然后水淬至室温；

5)预拉伸变形；

6)时效处理。

优选的，所述步骤2)中，先升温至350～380℃，保温3～5h，然后升温至430～450℃，保温4～6h，再升温至490～500℃，保温20～24h；所述步骤3)中，所述热轧变形温度为440～480℃，保温时间为5～8h；所述步骤4)中，所述固溶时间为2～5h。

优选的，所述步骤5)中，预拉伸变形量为2～6％。

优选的，所述步骤6)中，时效温度为130～160℃，时间为15h～60h。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明通过熔炼铸造制备铝锂合金铸锭，各成分配比合理，并通过控制合金中Cu与Li的总量和比例，可有效控制铸锭中结晶相含量及其分布，然后通过退火、热轧制变形及形变热处理，控制材料的最终组织特征，制备得到具有高强度、高断裂韧性、抗疲劳断裂、耐腐蚀的低密度高耐损伤铝锂合金热轧板材。

2、本发明制备方法简单，工艺操作安全，成本较低，所制备的铝合金具有良好的综合力学性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是实施例4中的低密度高强耐损伤铝锂合金热轧板材的显微组织图；

图2是实施例9中的低密度高强耐损伤铝锂合金热轧板材的时效析出组织图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例1：

一种低密度高强耐损伤铝锂合金热轧板材，以质量百分比计，合金的最终化学成分由下述组分组成：Cu3.6％，Li1.1％，Mg0.5％，Ag0.3％，Zn0.26％，Zr0.1％，Mn0.3％，Fe0.05％，Si0.05％，余量为Al，其中Fe、Si元素为制备合金时原料及操作工具所带来的，为不可避免的杂质元素。

上述锂合金热轧板材的制备方法包括以下步骤：

1)熔炼：按设计的铝锂合金组分配比配料，原材料以纯铝、纯锂、纯镁、纯银、纯锌、Al-10Mn、Al-4Zr合金、Al-50Cu合金的形式加入，在真空熔炼炉中进行熔炼，然后进行浇铸，得铸锭。

2)三级退火：将铸锭先升温至300℃，保温8h，然后升温至450℃，保温4h，再升温至480℃，保温30h。

3)热轧：将退火后的铸锭表面进行机加工板坯，板坯在430℃下保温4h，热轧(单次变形量不超过30％)后，放入430℃炉中保温1h，继续热轧，经过多道次热轧后成20mm板材。

4)固溶处理：将经过热轧的板材在530℃下固溶2h，然后水淬至室温。

5)预拉伸变形；将固溶淬火处理后的板材进行预拉伸变形，预拉伸变形量为3％。

6)时效处理：将预拉伸变形后的板材在160℃下时效15h。

实施例2：

一种低密度高强耐损伤铝锂合金热轧板材，以质量百分比计，合金的最终化学成分由下述组分组成：Cu3.9％，Li1.1％，Mg0.76％，Ag0.3％，Zn0.34％，Zr0.1％，Mn0.27％，Fe0.04％，Si0.05％，余量为Al，其中Fe、Si元素为制备合金时原料及操作工具所带来的，为不可避免的杂质元素。

上述锂合金热轧板材的制备方法包括以下步骤：

1)熔炼：按设计的铝锂合金组分配比配料，原材料以纯铝、纯锂、纯镁、纯银、纯锌、Al-10Mn、Al-4Zr合金、Al-50Cu合金的形式加入，在真空熔炼炉中进行熔炼，然后进行浇铸，得铸锭。

2)三级退火：将铸锭先升温至350℃，保温5h，然后升温至430℃，保温6h，再升温至500℃，保温24h。

3)热轧：将退火后的铸锭表面进行机加工板坯，板坯在450℃下保温5h，热轧(单次变形量不超过30％)后，放入450℃炉中保温1h，继续热轧，经过多道次热轧后成20mm板材。

4)固溶处理：将经过热轧的板材在510℃下固溶3h，然后水淬至室温。

5)预拉伸变形；将固溶淬火处理后的板材进行预拉伸变形，预拉伸变形量为4％。

6)时效处理：将预拉伸变形后的板材在145℃下时效24h。

实施例3：

一种低密度高强耐损伤铝锂合金热轧板材，以质量百分比计，合金的最终化学成分由下述组分组成：Cu3.8％，Li1.0％，Mg0.9％，Ag0.25％，Zn0.25％，Zr0.15％，Mn0.2％，Fe0.05％，Si0.04％，余量为Al，其中Fe、Si元素为制备合金时原料及操作工具所带来的，为不可避免的杂质元素。

上述锂合金热轧板材的制备方法包括以下步骤：

1)熔炼：按设计的铝锂合金组分配比配料，原材料以纯铝、纯锂、纯镁、纯银、纯锌、Al-10Mn、Al-4Zr合金、Al-50Cu合金的形式加入，在真空熔炼炉中进行熔炼，然后进行浇铸，得铸锭。

2)三级退火：将铸锭先升温至380℃，保温3h，然后升温至450℃，保温4h，再升温至500℃，保温24h。

3)热轧：将退火后的铸锭表面进行机加工板坯，板坯在480℃下保温5h，热轧(单次变形量不超过30％)后，放入480℃炉中保温0.5h，继续热轧，经过多道次热轧后成20mm板材。

4)固溶处理：将经过热轧的板材在500℃下固溶3h，然后水淬至室温。

5)预拉伸变形；将固溶淬火处理后的板材进行预拉伸变形，预拉伸变形量为3.5％。

6)时效处理：将预拉伸变形后的板材在155℃下时效24h。

实施例4：

一种低密度高强耐损伤铝锂合金热轧板材，以质量百分比计，合金的最终化学成分由下述组分组成：Cu3.8％，Li1.0％，Mg0.9％，Ag0.25％，Zn0.25％，Zr0.15％，Mn0.2％，Sc0.08％，Fe0.04％，Si0.04％，余量为Al，其中Fe、Si元素为制备合金时原料及操作工具所带来的，为不可避免的杂质元素。

上述锂合金热轧板材的制备方法包括以下步骤：

1)熔炼：按设计的铝锂合金组分配比配料，将原材料以纯铝、纯锂、纯镁、纯银、纯锌、Al-10Mn、Al-4Zr合金、Al-50Cu合金、Al-2Sc合金的形式加入，在真空熔炼炉中进行熔炼，然后进行浇铸，得铸锭。

2)三级退火：将铸锭先升温至380℃，保温3h，然后升温至450℃，保温4h，再升温至500℃，保温24h。

3)热轧：将退火后的铸锭表面进行机加工板坯，板坯在480℃下保温4h，热轧(单次变形量不超过30％)后，放入480℃炉中保温0.5h，继续热轧，经过多道次热轧后成20mm板材。

4)固溶处理：将经过热轧的板材在515℃下固溶3h，然后水淬至室温。

5)预拉伸变形；将固溶淬火处理后的板材进行预拉伸变形，预拉伸变形量为3.5％。

6)时效处理：将预拉伸变形后的板材在160℃下时效36h。

所得低密度高强耐损伤铝锂合金热轧板材的显微组织如图1所示。

实施例5：

一种低密度高强耐损伤铝锂合金热轧板材，以质量百分比计，合金的最终化学成分由下述组分组成：Cu3.7％，Li1.0％，Mg0.9％，Ag0.25％，Zn0.25％，Zr0.15％，Mn0.2％，Sc0.07％，Fe0.05％，Si0.05％，余量为Al，其中Fe、Si元素为制备合金时原料及操作工具所带来的，为不可避免的杂质元素。

上述锂合金热轧板材的制备方法包括以下步骤：

1)熔炼：按设计的铝锂合金组分配比配料，原材料以纯铝、纯锂、纯镁、纯银、纯锌、Al-10Mn、Al-4Zr合金、Al-50Cu合金、Al-2Sc合金的形式加入，在真空熔炼炉中进行熔炼，然后进行浇铸，得铸锭。

2)三级退火：将铸锭先升温至370℃，保温5h，然后升温至440℃，保温5h，再升温至490℃，保温24h。

3)热轧：将退火后的铸锭表面进行机加工板坯，板坯在460℃下保温4h，热轧(单次变形量不超过30％)后，放入460℃炉中保温0.5h，继续热轧，经过多道次热轧后成20mm板材。

4)固溶处理：将经过热轧的板材在510℃下固溶3h，然后水淬至室温。

5)预拉伸变形；将固溶淬火处理后的板材进行预拉伸变形，预拉伸变形量为5％。

6)时效处理：将预拉伸变形后的板材在145℃下时效24h。

实施例6：

一种低密度高强耐损伤铝锂合金热轧板材，以质量百分比计，合金的最终化学成分由下述组分组成：Cu3.9％，Li1.1％，Mg0.76％，Ag0.3％，Zn0.5％，Zr0.1％，Mn0.27％，Sc0.04％，Fe0.05％，Si0.05％，余量为Al，其中Fe、Si元素为制备合金时原料及操作工具所带来的，为不可避免的杂质元素。

上述锂合金热轧板材的制备方法包括以下步骤：

1)熔炼：按设计的铝锂合金组分配比配料，原材料以纯铝、纯锂、纯镁、纯银、纯锌、Al-10Mn、Al-4Zr合金、Al-50Cu合金、Al-2Sc合金的形式加入，在真空熔炼炉中进行熔炼，然后进行浇铸，得铸锭。

2)三级退火：将铸锭先升温至400℃，保温10h，然后升温至460℃，保温3h，再升温至500℃，保温24h。

3)热轧：将退火后的铸锭表面进行机加工板坯，板坯在450℃下保温7h，热轧(单次变形量不超过30％)后，放入450℃炉中保温0.5h，继续热轧，经过多道次热轧后成30mm板材。

4)固溶处理：将经过热轧的板材在515℃下固溶3h，然后水淬至室温。

5)预拉伸变形；将固溶淬火处理后的板材进行预拉伸变形，预拉伸变形量为3％。

6)时效处理：将预拉伸变形后的板材在160℃下时效15h。

实施例7：

一种低密度高强耐损伤铝锂合金热轧板材，以质量百分比计，合金的最终化学成分由下述组分组成：Cu4.0％，Li1.0％，Mg0.5％，Ag0.5％，Zn0.34％，Zr0.1％，Mn0.1％，Ti0.1％，Fe0.05％，Si0.03％，余量为Al，其中Fe、Si元素为制备合金时原料及操作工具所带来的，为不可避免的杂质元素。

上述锂合金热轧板材的制备方法包括以下步骤：

1)熔炼：按设计的铝锂合金组分配比配料，原材料以纯铝、纯锂、纯镁、纯银、纯锌、Al-10Mn、Al-4Zr合金、Al-50Cu合金、Al-2.5Ti合金的形式加入，在真空熔炼炉中进行熔炼，然后进行浇铸，得铸锭。

2)三级退火：将铸锭先升温至400℃，保温6h，然后升温至460℃，保温3h，再升温至490℃，保温24h。

3)热轧：将退火后的铸锭表面进行机加工板坯，板坯在490℃下保温4h，热轧(单次变形量不超过30％)后，放入490℃炉中保温0.5h，继续热轧，经过多道次热轧后成30mm板材。

4)固溶处理：将经过热轧的板材在515℃下固溶3h，然后水淬至室温。

5)预拉伸变形；将固溶淬火处理后的板材进行预拉伸变形，预拉伸变形量为6％。

6)时效处理：将预拉伸变形后的板材在130℃下时效60h。

实施例8：

一种低密度高强耐损伤铝锂合金热轧板材，以质量百分比计，合金的最终化学成分由下述组分组成：Cu3.8％，Li1.0％，Mg0.9％，Ag0.25％，Zn0.26％，Zr0.15％，Mn0.2％，Sc0.07％，Fe0.03％，Si0.05％，余量为Al，其中Fe、Si元素为制备合金时原料及操作工具所带来的，为不可避免的杂质元素。

上述锂合金热轧板材的制备方法包括以下步骤：

1)熔炼：按设计的铝锂合金组分配比配料，原材料以纯铝、纯锂、纯镁、纯银、纯锌、Al-10Mn、Al-4Zr合金、Al-50Cu合金、Al-2Sc合金的形式加入，在真空熔炼炉中进行熔炼，然后进行浇铸，得铸锭。

2)三级退火：将铸锭先升温至420℃，保温5h，然后升温至460℃，保温5h，再升温至500℃，保温24h。

3)热轧：将退火后的铸锭表面进行机加工板坯，板坯在475℃下保温4h，热轧(单次变形量不超过30％)后，放入475℃炉中保温0.5h，继续热轧，经过多道次热轧后成25mm板材。

4)固溶处理：将经过热轧的板材在510℃下固溶4h，然后水淬至室温。

5)预拉伸变形；将固溶淬火处理后的板材进行预拉伸变形，预拉伸变形量为3.5％。

6)时效处理：将预拉伸变形后的板材在150℃下时效24h。

实施例9：

一种低密度高强耐损伤铝锂合金热轧板材，以质量百分比计，合金的最终化学成分由下述组分组成：Cu3.7％，Li0.9％，Mg0.9％，Ag0.25％，Zn0.26％，Zr0.15％，Mn0.2％，Sc0.04％，Fe0.04％，Si0.04％，余量为Al，其中Fe、Si元素为制备合金时原料及操作工具所带来的，为不可避免的杂质元素。

上述锂合金热轧板材的制备方法包括以下步骤：

1)熔炼：按设计的铝锂合金组分配比配料，原材料以纯铝、纯锂、纯镁、纯银、纯锌、Al-10Mn、Al-4Zr合金、Al-50Cu合金、Al-2Sc合金的形式加入，在真空熔炼炉中进行熔炼，然后进行浇铸，得铸锭。

2)三级退火：将铸锭先升温至400℃，保温4h，然后升温至470℃，保温4h，再升温至500℃，保温20h。

3)热轧：将退火后的铸锭表面进行机加工板坯，板坯在480℃下保温6h，热轧(单次变形量不超过30％)后，放入480℃炉中保温1h，继续热轧，经过多道次热轧后成25mm板材。

4)固溶处理：将经过热轧的板材在515℃下固溶3h，然后水淬至室温。

5)预拉伸变形；将固溶淬火处理后的板材进行预拉伸变形，预拉伸变形量为3％。

6)时效处理：将预拉伸变形后的板材在155℃下时效20h。

所得低密度高强耐损伤铝锂合金热轧板材的时效析出组织如图2所示。

对比例1：

一种2195铝锂合金热轧板材，其成分为Al-3.8Cu-1.1Li-0.36Ag-0.36Mg-0.1Zr-0.1Fe-0.1Si。

制备方法包括以下步骤：

1)熔炼：按设计的铝锂合金组分配比配料，原材料以纯铝、工业纯镁、纯银、Al-50Cu、Al-10Li及Al-4Zr合金的形式加入，在真空熔炼炉中进行熔炼，然后进行浇铸，得铸锭。

2)退火：将铸锭先升温至480℃，保温20h。

3)热轧：将退火后的铸锭表面进行机加工板坯，板坯在430℃下保温3h，热轧(单次变形量不超过30％)后，放入430℃炉中保温1h，继续热轧，经过多道次热轧后成30mm板材。

4)固溶处理：将经过热轧的板材在510℃下固溶3h，然后水淬至室温。

5)预拉伸变形；将固溶淬火处理后的板材进行预拉伸变形，预拉伸变形量为3％。

6)时效处理：将预拉伸变形后的板材在145℃下时效32h。

对比例2：

一种1420铝锂合金热轧板材，其成分为Al-2.2Li-5.0Mg-0.1Zr-0.15Fe-0.1Si。

制备方法包括以下步骤：

1)熔炼：按设计的铝锂合金组分配比配料，原材料以纯铝、工业纯镁、Al-10Mn及Al-4Zr合金的形式加入，在真空熔炼炉中进行熔炼，然后进行浇铸，得铸锭。

2)退火：将铸锭先升温至440℃，保温24h。

3)热轧：将退火后的铸锭表面进行机加工板坯，板坯在420℃下保温3h，热轧(单次变形量不超过30％)后，放入420℃炉中保温1h，继续热轧，经过多道次热轧后成20mm板材。

4)固溶处理：将经过热轧的板材在420℃下固溶2h，然后水淬至室温。

5)时效处理：将预拉伸变形后的板材在145℃下时效48h。

测试实施例1-9以及对比例1-2中所得合金热轧板材的抗拉强度(R

表1合金热轧板材的室温性能

比较表1中的实施例与对比例的性能参数值，可以看出：本发明制备的低密度高强耐损伤铝锂合金热轧板材的拉伸强度(R