一种高强度高塑性铸造铝镁锰钪锆合金及其制备方法

1.本发明属于铝合金加工制备技术领域，具体涉及一种低成本高强度高塑性铸造铝镁锰钪锆合金及其制备方法。

背景技术：

2.随着航空航天、舰船及交通运输等领域对铝合金性能的要求越来越高，传统al-mg系合金已不能满足实际工程结构件的使用需求。sc被认为是迄今为止提高al合金性能的最有效元素，加入sc元素形成的al-mg-sc合金不仅保持了al-mg合金良好的耐蚀能力和焊接性能的优点，而且提高了强度，克服了受热易软化的缺点，在航空、航天、石油、化工、电子、汽车和机械制造中得到了广泛应用。al-mg-sc合金在凝固过程中形成初生al3sc颗粒，对合金起到显著的细晶强化、弥散强化的作用。然而，sc作为稀土元素，价格非常昂贵。同时添加微量元素sc和zr，可减少sc的添加量，降低成本。其中，合理控制sc/zr元素比例、制备工艺简单、低成本化是高性能铝镁钪锆合金工业化生产的关键。目前al-mg-sc系合金的制备方法有传统重力铸造、水平单带铸造(hsbc)、选择性激光铸造技术等。cn201811272589.5专利中公开了“一种用于增材制造的al-mg-mn-sc-zr铝合金粉末及其制备方法”，成分为al-5mg-1mn-0.5sc-0.25zr，最佳sc:zr质量比为2:1。该合金经中频炉真空氩气熔炼、雾化成粉末、增材制造后，沉积态试样的拉伸强度为450mpa，热处理后试样的拉伸强度为530mpa。但该方法工艺复杂、制作成本高、不适于大型构件规模化生产。“analysis and evaluation of novel al-mg-sc-zr aerospace alloy strip produced using the horizontal single belt casting(hsbc)process”文章中sc的添加含量高达0.6％，使用水平单带铸造方法制备的合金抗拉强度为269mpa，屈服强度为164mpa，塑性仅为9％。cn201410208158.8专利中公开了“含zr与稀土sc复合的zl铝镁合金(al-10mg)及其制备方法”，合金成分为al-10mg-2.5sc-2.5zr(％)，采用传统熔炼制备技术得到的合金抗拉强度仅为220mpa，延伸率仅为4.1％；经固溶处理后，合金抗拉强度为270mpa，延伸率为6.5％。因此，上述方法仍未实现al-mg-sc合金强度、塑韧性和经济性的最佳匹配。

技术实现要素：

3.针对铸造铝镁钪合金强度塑性综合力学性能不足的问题，本发明提供了一种低成本高强度高塑性铸造铝镁锰钪锆合金及其制备方法。
4.为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
5.一种铝镁锰钪锆合金，所述铝镁锰钪锆合金中各元素质量百分比为：mg 5.3～6.3％，mn 0.2～0.6％，sc 0.15～0.25％，zr 0.10～0.25％，余量为al，杂质含量≦0.1％。
6.进一步，所述铝镁锰钪锆合金在室温下的屈服强度、抗拉强度分别可达到167.72mpa、288.15mpa，伸长率可达到21.54％。
7.优选的，所述高强度高塑性铸造铝镁锰钪锆合金的原料包括al块、mg块、al-20mn、al-2sc、al-5zr中间合金。
8.更优选的，所述的al块、mg纯度为99.98％。
9.一种高强度高塑性铸造铝镁锰钪锆合金的制备方法，在惰性气体保护下，先将al块在740℃～760℃下保温30min，待al块完全熔化后，扒去浮渣；然后加入al-mn、al-sc、al-zr中间合金，并添加一层覆盖剂，调节炉温至770℃～780℃，保温40min，待中间合金熔化后，扒去浮渣；再加入用铝箔包裹的mg块，同时添加一层覆盖剂，调节炉温至720℃～740℃保温10min，待mg块熔化后扒渣，然后加入覆盖剂精炼；最后在700℃～730℃保温5min制得熔体，并把熔体浇注到铁模具中，制得al-5.8mg-0.4mn-0.25sc-0.25zr合金。
10.进一步，所述mg、mn、sc、zr和al的元素质量百分比为：mg 5.3～6.3％，mn 0.2～0.6％，sc 0.15～0.25％，zr 0.10～0.25％，余量为al，杂质含量≦0.1％。
11.进一步，所述覆盖剂为10～15％na3alf6+25％～30％nacl+55％～65％kcl。
12.与现有技术相比本发明具有以下优点：
13.本发明通过调控sc/zr质量比和总添加量，采用传统熔炼铸造技术，开发出了一种新型的低成本铝镁锰钪锆合金。本发明制备的高强度高塑性铸造铝镁锰钪锆合金室温抗拉强度可达到288.15mpa，屈服强度可达到167.72mpa，伸长率高达21.54％，合金的综合力学性能优异。本发明制备的高强度高塑性铸造铝镁锰钪锆合金与真空熔炼技术和选择性激光熔化技术相比，还具有成本低、工艺简单、适合大型构件规模化工业生产等特点。
附图说明
14.图1表示实施例1制得的高强度高塑性铸造铝镁锰钪锆合金的om图；
15.图2表示对比例1铸态合金的om图；
16.图3表示对比例2铸态合金的om图；
17.图4表示对比例3铸态合金的om图；
18.图5表示实施例1室温拉伸应力-应变曲线。
具体实施方式
19.为使本发明目的、工艺方案及优点更为清晰，现结合附图和具体实施例对本发明进行详细解释。应当理解，所述的具体实施例仅是对本发明的某些特殊方面、特定性和实施方案的解释，并不用于限制本发明。
20.本发明实施例中，一种高强度高塑性铸造铝镁锰钪锆合金的制备方法为：按照元素比例配制al块(纯度为99.98％)、mg块(纯度为99.98％)、al-20mn、al-2sc、al-5zr中间合金。在惰性气体的保护下，先将al块在740～760℃下保温30min，待al块完全熔化后，扒去浮渣；然后加入al-mn、al-sc、al-zr中间合金，并添加一层覆盖剂，调节炉温至770～780℃，保温40min，待中间合金熔化后，扒去浮渣；然后加入用铝箔包裹的mg块，添加一层覆盖剂，调节炉温至720～740℃，保温10min，待mg块熔化后扒渣，然后加入覆盖剂精炼；最后在700～730℃保温5min制得熔体，并把熔体浇注到铁模具中，制得al-5.8mg-0.4mn-0.25sc-0.25zr合金。
21.实施例1
22.高强度高塑性铸造铝镁锰钪锆合金中各元素质量百分比为mg 5.8％，mn 0.4％，sc 0.25％，zr 0.25％，余量为al，杂质含量≦0.1％，制备方法包括以下步骤：
23.①
将称取并且打磨好的373.5g al块(纯度为99.98％)、29g mg(纯度为99.98％)、62.5g al-2sc、25g al-5zr、10g al-20mn中间合金与称好的覆盖剂一起放入干燥箱干燥。
24.②
将石墨坩埚放入电阻炉内加热，当温度到达500℃时开始刷料，将配制好的涂料均匀牢固地附着在坩埚内壁，至少刷三遍。
25.③
加料：刷料完毕后，向坩埚中加入干燥好al块，加入覆盖剂，同时通入氩气保护，待炉温升至760℃保温30min，等待原料熔化。
26.④
扒渣，加料：原料完全熔化后，关闭电源，打开炉门，用工具扒去表面浮渣，再加入al-2sc，al-5zr，al-20mn中间合金，之后再将干燥过的覆盖剂撒到熔体表面，关闭炉门，打开电源，待温度升到780℃后保温40min。
27.⑤
扒渣，加料：待中间合金完全熔化后，关闭电源，打开炉门，用工具扒去表面浮渣，再加入用铝箔包裹好的mg块，之后再将干燥过的覆盖剂撒到熔体表面，关闭炉门，打开电源，待温度升到730℃后保温10min。
28.⑥
精炼：保温过后，关闭电源，进行扒渣，然后将干燥过的精炼剂倒入熔体中并充分搅拌。搅拌完成后，关闭炉门，打开电源，升温至720℃后保温5min。
29.⑦
浇注：开炉扒渣完后，取出熔炼坩埚，对准铁模浇口进行浇注，浇满为止。
30.对比例1
31.与实施例相比，不同之处在于，铸态合金中zr元素的含量为0.1％，其他元素含量相同，得到的合金成分为al-5.8mg-0.4mn-0.25sc-0.10zr，制备方法包括以下步骤：
32.①
将称取并且打磨好的388.5g al块(纯度为99.98％)、29g mg(纯度为99.98％)、62.5g al-2sc、10g al-5zr、10g al-20mn中间合金与称好的覆盖剂一起放入干燥箱干燥。
33.②
将石墨坩埚放入电阻炉内加热，当温度到达500℃时开始刷料，将配制好的涂料均匀牢固地附着在坩埚内壁，至少刷三遍。
34.③
加料：刷料完毕后，向坩埚中加入干燥好al块，加入覆盖剂，同时通入氩气保护，待炉温升至760℃保温30min，等待原料熔化。
35.④
扒渣，加料：原料完全熔化后，关闭电源，打开炉门，用工具扒去表面浮渣，再加入al-2sc，al-5zr，al-20mn中间合金，之后再将干燥过的覆盖剂撒到熔体表面，关闭炉门，打开电源，待温度升到780℃后保温40min。
36.⑤
扒渣，加料：待中间合金完全熔化后，关闭电源，打开炉门，用工具扒去表面浮渣，再加入用铝箔包裹好的mg块，之后再将干燥过的覆盖剂撒到熔体表面，关闭炉门，打开电源，待温度升到730℃后保温10min。
37.⑥
精炼：保温过后，关闭电源，进行扒渣，然后将干燥过的精炼剂倒入熔体中并充分搅拌。搅拌完成后，关闭炉门，打开电源，升温至720℃后保温5min。
38.⑦
浇注：开炉扒渣完后，取出熔炼坩埚，对准铁模浇口进行浇注，浇满为止。
39.对比例2
40.与实施例的不同之处在于，zr的含量提高到0.30％，得到的合金成分为al-5.8mg-0.4mn-0.25sc-0.30zr。制备方法包括以下步骤：
41.①
将称取并且打磨好的368.5g al块(纯度为99.98％)、29g mg(纯度为99.98％)、10g al-20mn、62.5gal-2sc、30gal-5zr中间合金与称好的覆盖剂一起放入干燥箱干燥。
42.②
将石墨坩埚放入电阻炉内加热，当温度到达500℃时开始刷料，将配制好的涂料
均匀牢固地附着在坩埚内壁，至少刷三遍。
43.③
加料：刷料完毕后，向坩埚中加入干燥好al块，加入覆盖剂，同时通入氩气保护，待炉温升至760℃保温30min，等待原料熔化。
44.④
扒渣，加料：原料完全熔化后，关闭电源，打开炉门，用工具扒去表面浮渣，再加入al-20mn中间合金，之后再将干燥过的覆盖剂撒到熔体表面，关闭炉门，打开电源，待温度升到780℃后保温40min。
45.⑤
扒渣，加料：待中间合金完全熔化后，关闭电源，打开炉门，用工具扒去表面浮渣，再加入用铝箔包裹好的mg块，之后再将干燥过的覆盖剂撒到熔体表面，关闭炉门，打开电源，待温度升到730℃后保温10min。
46.⑥
精炼：保温过后，关闭电源，进行扒渣，然后将干燥过的精炼剂倒入熔体中并充分搅拌。搅拌完成后，关闭炉门，打开电源，升温至720℃后保温5min。
47.⑦
浇注：开炉扒渣完后，取出熔炼坩埚，对准铁模浇口进行浇注，浇满为止。
48.对比例3
49.与实施例的不同之处在于，zr的含量提高到0.30％，sc的含量提高到0.30％，得到的合金成分为al-5.8mg-0.4mn-0.30sc-0.30zr。制备方法包括以下步骤：
50.①
将称取并且打磨好的356g al块(纯度为99.98％)、29g mg(纯度为99.98％)、10g al-20mn、75g al-2sc、30g al-5zr中间合金与称好的覆盖剂一起放入干燥箱干燥。
51.②
将石墨坩埚放入电阻炉内加热，当温度到达500℃时开始刷料，将配制好的涂料均匀牢固地附着在坩埚内壁，至少刷三遍。
52.③
加料：刷料完毕后，向坩埚中加入干燥好al块，加入覆盖剂，同时通入氩气保护，待炉温升至760℃保温30min，等待原料熔化。
53.④
扒渣，加料：原料完全熔化后，关闭电源，打开炉门，用工具扒去表面浮渣，再加入al-20mn中间合金，之后再将干燥过的覆盖剂撒到熔体表面，关闭炉门，打开电源，待温度升到780℃后保温40min。
54.⑤
扒渣，加料：待中间合金完全熔化后，关闭电源，打开炉门，用工具扒去表面浮渣，再加入用铝箔包裹好的mg块，之后再将干燥过的覆盖剂撒到熔体表面，关闭炉门，打开电源，待温度升到730℃后保温10min。
55.⑥
精炼：保温过后，关闭电源，进行扒渣，然后将干燥过的精炼剂倒入熔体中并充分搅拌。搅拌完成后，关闭炉门，打开电源，升温至720℃后保温5min。
56.⑦
浇注：开炉扒渣完后，取出熔炼坩埚，对准铁模浇口进行浇注，浇满为止。
57.表1不同成分铸态合金的性能
[0058][0059][0060]
从表1中可以看出，实施例1制得的高强度高塑性铸造铝镁锰钪锆合金的抗拉强度相比于对比例1提高了24.32％，屈服强度提高了26.31％，伸长率提高了56.31％。原因在
于：实施例1中的zr元素含量较多，sc/zr质量比为1，zr代替al3sc中50％的sc原子形成al3(sc，zr)，al3(sc，zr)颗粒具有最小的聚集倾向性，其强化效果更显著。同时，对比例1中zr含量较低，颗粒数量较少、晶粒细化效果较弱，图2显示其基体组织为粗大的柱状树枝晶；而实施例1中的晶粒更为细小、大量颗粒均匀弥散分布(图1)。因此，实施例1合金的强度更高、塑性更好。
[0061]
实施例1制得的高强度高塑性铸造铝镁锰钪锆合金的抗拉强度相比于对比例2提高了15.26％，屈服强度提高了20.66％，伸长率提高了52.12％。原因在于，更高含量zr添加使对比例2合金晶粒显著细化，但晶界上析出了粗大的网状或骨骼状颗粒(图3)，合金力学性能明显下降。
[0062]
实施例1制得的高强度高塑性铸造铝镁锰钪锆合金的抗拉强度相比于对比例3提高了4.78％，屈服强度提高了13.32％，伸长率提高了72％。原因在于，当sc/zr质量比为1:1、sc+zr总含量超过0.5％时，合金中形成了大量颗粒，晶粒显著细化，但更多网状或骨骼状颗粒偏聚于晶界对合金力学性能不利，对比例3的力学性能尤其塑性明显下降。因此，进一步提高sc、zr元素含量并不能提高合金的力学性能，反而增加了成本，不利于工业化生产。
[0063]
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

技术特征：

1.一种高强度高塑性铸造铝镁锰钪锆合金，其特征在于：所述铝镁锰钪锆合金中各元素质量百分比为：mg 5.3～6.3％，mn 0.2～0.6％，sc 0.15～0.25％，zr0.10～0.25％，余量为al，杂质含量≦0.1％。2.根据权利要求1所述的铝镁锰钪锆合金，其特征在于：所述铝镁锰钪锆合金在室温下的抗拉强度可达到288.15mpa，屈服强度可达到167.72mpa，伸长率可达到21.54％。3.根据权利要求1所述的一种高强度高塑性铸造铝镁锰钪锆合金的制备方法，其特征在于：在惰性气体的保护下，先将al块在740℃～760℃下保温30min，待al块完全融化后，扒去浮渣，然后加入al-mn、al-sc、al-zr中间合金，并添加一层覆盖剂，调节炉温至770℃～780℃，保温40min，待中间合金熔尽后，扒去浮渣，再加入用铝箔包裹的mg块，同时添加一层覆盖剂，调节炉温至720℃～740℃保温10min，待mg块熔尽后扒渣，然后加入覆盖剂精炼，最后在700℃～730℃保温5min制得熔体，并把熔体浇注到模具中，制得al-5.8mg-0.4mn-0.25sc-0.25zr合金。4.根据权利要求3所述的一种高强度高塑性铸造铝镁锰钪锆合金的制备方法，其特征在于：所述mg、mn、sc、zr和al的元素质量百分比为：mg 5.3～6.3％，mn 0.2～0.6％，sc 0.15～0.25％，zr 0.10～0.25％，余量为al，杂质含量≦0.1％。5.根据权利要求3所述的一种高强度高塑性铸造铝镁锰钪锆合金的制备方法，其特征在于：所述覆盖剂为10～15％na3alf6+25％～30％nacl+55％～65％kcl。

技术总结

本发明属于铝合金加工制备技术领域，具体涉及一种高强度高塑性铸造铝镁锰钪锆合金及其制备方法。本发明高强度高塑性铸造Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金，包括如下重量百分比的成分：Mg5.3～6.3％，Mn0.2～0.6％，Sc0.15～0.25％，Zr0.10～0.25％，余量为Al。本发明的Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金与标准牌号的01570系合金相比，室温下铸态的抗拉强度提高了24.32％，屈服强度提高了26.31％，伸长率提高了56.31％。得到的合金成分简单，成本低廉，工艺简单，易于工业化生产，具有良好的经济效益。具有良好的经济效益。具有良好的经济效益。