[发明专利]一种耐热耐蚀Al-Cu-Mg合金及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种耐热耐蚀Al‑Cu‑Mg合金及其制备方法和应用。该合金通过设计合金组分，基于原料各元素间的协同作用，在控制合金中Sc和Zr的质量比的同时添加微量Ag元素，使得合金时效形成耐热Ω相和纳米增强Al₃(Sc，Zr)相，从而降低晶界时效析出相，减小PFZ宽度，大幅提升合金材料的耐热性和晶界抗腐蚀性。该合金的制备方法基于各工艺间的协同作用，采用三级均匀化热处理工艺，通过逐步升温方式，有效降低了合金内部粗晶的形成，消除晶内偏析，从而实现合金材料均匀化的技术目的。该合金材料具有优异的耐高温性和耐腐蚀性，可满足飞行器蒙皮材料的力学性能要求。

技术领域

本发明涉及一种Al-Cu-Mg合金，具体涉及一种耐热耐蚀Al-Cu-Mg合金及其制备方法和应用，属于合金材料技术领域。

背景技术

随着航空航天工业的快速发展，对使用材料提出了更高的要求，材料的研究者通过改良所用铝合金的相关性能，使其更加有效的服役于航空航天产品，并能显著的提高产品的总体性能，对减轻航天器结构质量、提高飞行速度、降低耗能等方面有着重要的作用。

AA2xxx系铝合金是一种高强高韧铝合金材料，主要作为机身或者蒙皮板，而被广泛应用在航空航天领域。然而由于近些年气候原因及人类环境的改变，空气中的酸雨、高温气候等原因对材料服役寿命有所限制。而AA2xxx（Al-Cu-Mg）合金由于存在S相和θ相，会使该类合金抗晶间腐蚀性能较差。铝合金的晶间腐蚀不但影响合金的结构完整性，而且也是合金受力发生断裂的裂纹核心，从而使合金发生灾难性时效，限制合金的服役年限。此外，由于一些航空航天飞行器在返回地球着陆过程中，会与大气层发生高速摩擦，虽然合金表面有涂层材料保护，可是合金材料本身的耐热性也会影响工件的使用寿命，这时就需要解决普通铝合金的耐热性较差的问题。

传统牌号的AA2024铝合金虽然能够满足航空航天材料的高强高韧性的需求，但仍存在抗晶间腐蚀性较差、耐热性较差的问题，需要从合金成分设计的问题上寻找新的突破。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的第一个目的在于提供一种耐热耐蚀Al-Cu-Mg合金，该合金基于各组分元素间的协同作用，在控制合金中Sc和Zr的质量比的同时添加微量Ag元素，使得合金时效形成耐热Ω相和纳米增强Al₃(Sc，Zr)相，从而降低晶界时效析出相，减小PFZ宽度，大幅提升合金材料的耐热性和晶界抗腐蚀性。

本发明的第二个目的在于提供一种耐热耐蚀Al-Cu-Mg合金的制备方法，该方法基于各工艺间的协同作用，采用三级均匀化热处理工艺，通过逐步升温方式，有效降低了合金内部粗晶的形成，消除晶内偏析，从而实现合金材料均匀化的技术目的。

本发明的第三个目的在于提供一种耐热耐蚀Al-Cu-Mg合金的应用，用于制备航空器蒙皮和航天器蒙皮。利用本发明所提供的合金材料所制备的飞行器蒙皮，具有良好的力学强度和优异的耐热性和耐腐蚀性，经测试，该合金材料的在200℃下暴露500h后，s_0.2≥250Mpa，s_b≥370Mpa，d为12%左右，满足飞行器的力学性能要求。

为了实现上述技术方案，本发明提供了一种耐热耐蚀Al-Cu-Mg合金，包括以下质量百分比组分：Cu 3.5~5.0%，Mg 0.9~1.8%，Mn 0.1~0.8%，Zn 0.1~0.3%，Zr 0.05~0.4%，Sc0.05~0.3%，Ag 0.2~0.9%，Ti 0.1~0.6 %，其它杂质单个≤0.03%，杂质总量≤0.1 %，余量为铝；其中，Sc与Zr的质量比为1：1~3。

本发明所提供的合金材料通过控制各微量元素的添加量，尤其控制Ag的添加量和Sc/Zr，一方面可以形成大量的耐热性Ω相，保证了合金材料可在100~300℃环境下长时间暴露，另一方面促使合金中形成的Al₃(Sc, Zr)纳米相，可以阻碍合金的回复再结晶，有效提升合金的强度。