[发明专利]一种高比模量铝合金及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高比模量铝合金。所述合金以质量百分比包括下述组分：Li：2～4％，Mn：1～7％，Zr：0.05～0.3％，Ti：0.0～0.3％、Sc：0.0～0.3％，余量为Al；其中Li、Mn为必备的提高铝合金模量的元素，Zr、Ti、Sc为晶粒调控元素。其制备方法为：按设计的铝合金组分配比，称取各组分，在真空熔炼炉中进行熔炼并浇铸成型，然后热变形成棒材或板材。本发明采用熔炼铸造及形变热处理方法，通过控制提高模量的合金元素(Li、Mn)与晶粒控制元素Zr、Ti、Sc的含量，制备成具有高模量和高比模量的铝合金。本发明制备出了比现有铝合金更高模量的的铝锰锂合金，制备工艺简单，可做为高比刚度轻量化结构材料。

技术领域

本发明涉及一种高比模量铝合金及其制备方法，属于新型金属结构材料。

背景技术

铝合金作为空天、陆地与水面运载工具的主干材料，性价比高，应用面广。高模量铝合金对于实现减重增效、长寿命起着决定性作用，不可或缺。高模量是高性能铝合金的共性特征，相近强度条件下大幅提高铝合弹性模量以提高比模量，是实现运载工具减重增效的主要发展方向。

航空用高性能铝合金主要包括7XXX系的Al-Zn-Mg-Cu铝合金与2XXXX系的Al-Cu-Mg与Al-Li合金。7XXX系铝合金具有高的比强度(180-208MPa.cm³/g)，但其比模量偏低(不超过25GPa.cm³/g)。2XXX系的Al-Cu-Mg铝合金的比强度(140-170MPa.cm³/g)与比模量(26-27GPa.cm³/g)均偏低，而Al-Li合金具有相对高的比强度(180-220MPa.cm³/g)与比模量(27-31GPa.cm³/g)，但其比模量有特进一步的提高。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种高比模量铝合金及其制备方法，本发明在成份设计上，通过调控强化元素(Li，Mn)与晶粒控制元素Zr、Sc的含量，在制备工艺上，采用真空熔炼铸造及形变热处理方法，析出Al3Li、Al6Mn、Al4Mn等高模量相，从而获得低密度高模量的铝合金，以提高合金的比模量，制得的此类铝合金具有比传统铝合金的更高模量、更高比模量。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明一种高比模量铝合金，包含以下重量百分比的组分：Li：2～4％，Mn：1～7％，Zr：0.05～0.3％，Ti：0.0～0.3％、Sc：0.0～0.2％，余量为Al。

本发明的高比模量铝合金，其中Li、Mn为必备的提高铝合金模量的元素，Zr、Ti、Sc为晶粒调控元素。优化的条件下，本发明所提供的合金的弹性模量达到90GPa，比模量达到34GPa.cm³/g。

在本发明中，首创的添加了高含量的Mn(5.3～7％)，相对于现有技术中的Mn含量大幅提升了，因为Mn属于高密度元素，过多添加Mn会提高合金的密度，最终降低材料的比强度；另一方面，同时由于Mn是一种易挥发物质，在常规的高温熔炼过程中，易产生烧损，因此高含量Mn的加入常导致铸锭产生大量的气孔、宿松、裂纹、偏析等缺陷，因此在现有技术中的铝合金中通常仅添加微量Mn(一般是0.1-0.3质量分数％)，目的在于通过弥散析出Al₂₀Cu₂Mn相，抑制铝合金在加工变形过程中的再结晶，减少回复再结晶程度，从而改善后续的疲劳与腐蚀性能，然而微量Mn并不能提高合金的弹性模量。