[发明专利]一种Al-Cu-Mg合金及消除有害含铁相的方法

说明书

本发明涉及有色金属合金技术领域，尤其涉及一种Al‑Cu‑Mg合金及消除有害含铁相的方法。利用固溶在铝基体中的Sn的强空位结合能力显著抑制Al‑Cu‑Mg合金有害含铁相的形成。同时利用先共析Mg₂Sn相细化合金的晶粒组织，进一步细化和球化有害含铁相。该方法为Al‑Cu‑Mg合金结构材料后续热加工提供了有效技术手段，为相关高综合性能铝合金结构材料开发及产业化应用提供了新思路。由于微合金化和常规热处理方法设备要求简单、操作容易、大范围、可控性好，具有很好的重现性，而且相对于传统的方法成本大大降低。本发明利用的手段，无特殊条件要求、工艺条件成熟，因此特别适合商业化大规模生产。

技术领域

本发明涉及有色金属合金技术领域，尤其涉及一种Al-Cu-Mg合金及消除有害含铁相的方法。

背景技术

Al-Cu-Mg合金作为最常见的航空航天合金，由于其优异的力学性能和耐腐蚀性能，在飞机蒙皮、铆钉、航空结构材料等领域得到了广泛的应用。在Al-Cu-Mg合金中，Fe作为最普遍的杂质对其延展性和韧性有显著的不利影响，因为沿合金晶界容易析出微观尺寸的脆性尖锐富铁相（如Al₇Cu₂Fe）。这些富Fe相通常被认为是Al-Cu-Mg合金中的裂纹源，容易引起明显的应力集中并产生裂纹。因此，在航空航天Al-Cu-Mg合金的工业生产中，严格控制Fe的含量水平。

通常，严格控制原料铝中的铁元素的成本很高。为了解决这一问题，一种策略是通过微合金化（如Mn、Cr、Be、Co、Mo、Ni、V、W、Sr和稀土元素）来改变富铁相的结构，从而削弱富铁相尖锐和脆性的影响，从而改善合金的性能。二是通过快速凝固等提升液相分散的方法来抑制粗富铁相的形成。然而，对于工业生产中的大尺寸铸锭，上述策略会带来新的问题，例如通过传统微合金化金属元素通常会导致新的有害沉淀物和/或有害偏析的元素，而快速冷却等方法通常会带来较大的内应力。因此，尽管精炼成本很高，但几乎是航空航天Al-Cu-Mg合金工业生产的一种单一方式。所以，目前急待开发一种工业生产可行的消除Al-Cu-Mg合金中有害含铁相的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的Al-Cu-Mg合金以及消除Al-Cu-Mg合金中有害含铁相的方法，通过Sn元素的添加实现对Al-Cu-Mg合金中有害含铁相的细化与球化，显著提升Al-Cu-Mg合金的韧塑性，改善了合金后续热加工性能。

这种Al-Cu-Mg合金，其合金成分的质量百分比范围为：Cu：4.10-5.50、Mg：0.30-1.60、Fe：0.03-0.1、Si ：0.03-0.06，余量为Al，与现有技术不同的是，还含有0.04-1.0质量百分比的 Sn。

消除Al-Cu-Mg合金中有害含铁相的方法，包括如下步骤：

a)熔炼铸造：合金熔炼在电阻丝炉中进行，将纯Al和中间合金Al-Cu，放入高纯石墨坩埚中随炉升温至780℃后，在坩埚中第一次加入精炼覆盖剂；6-12min待原料完全熔化后，将六氯乙烷置于钟罩内压入熔体中，除气结束后扒渣，第二次加入精炼覆盖剂；随后将Sn用夹钳加入坩埚中，搅拌3-5分钟，待其完全融化后，用钟罩加入Mg，静置一段时间后进行第二次除气、扒渣，同时加入第三次精炼覆盖剂；静置3-5min后在720℃温度下进行浇铸；

b)均匀化退火：铸锭在真空气氛炉中进行均匀化退火，温度误差严格控制在±3℃；采用双级均匀化退火工艺，在490℃±3℃下退火3-5h，在510℃±3℃下退火2-24h，取出后在室温水中淬火。

进一步地， Sn元素的作用是利用强空位结合效应抑制凝固相的产生。

进一步地，步骤a中，纯Al 纯度为99.90wt%、纯Mg纯度为99.92 wt%、纯Sn纯度为99.9 wt%，中间合金Al-Cu 中Cu纯度为21.51 wt%。

进一步地，精炼覆盖剂为氯化钠:氯化钾:氟铝酸钠=2:2:1质量比的混合物。