權(quán)利要求
1.新型輕質(zhì)Al-Sc-Zr-Y-O耐熱鋁合金的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
步驟S1，預(yù)處理：將Al-Sc合金鑄錠進(jìn)行氣霧化處理，得到Al-Sc合金粉末，粒徑為5～30μm；
步驟S2，球磨混料：按重量百分比計(jì)微合金化成分：Sc 0.1～0.5％，Zr 0.3～0.6％，Y0.2～1％，O 0.01～0.25％，余量為Al和不可避免的雜質(zhì)；將含Y粉末、含Zr粉末和所述Al-Sc合金粉末裝入高速擺振球磨機(jī)，在惰性氣體保護(hù)下充分混合，得到混合粉末；其中，含Y粉末平均粒徑為1～20μm，含Zr粉末平均粒徑為5～20μm；
步驟S3，機(jī)械合金化處理：將所述混合粉末在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行機(jī)械合金化處理，Sc、Y、Zr、O以原子形式回溶進(jìn)鋁基體，形成過飽和固溶體的機(jī)械合金化粉末；
步驟S4，致密化處理：將所述機(jī)械合金化粉末冷壓成坯塊，裝入包套抽真空，采用熱擠壓/熱等靜壓/放電等離子體燒結(jié)方式進(jìn)行致密化處理，得到鋁合金塊體，此時(shí)鋁基體中過飽和的Y、Zr、O溶質(zhì)原子重新析出，主要在晶內(nèi)形成大量彌散分布的Y-Zr-O和Y-Al-O納米氧化物相，其中，所述Y-Zr-O和Y-Al-O納米氧化物相的粒度為4～50nm，數(shù)密度為1～3×1015個(gè)/m2；
步驟S5，時(shí)效熱處理：將所述鋁合金塊體進(jìn)行時(shí)效熱處理，Sc、Zr溶質(zhì)原子進(jìn)一步析出，在晶內(nèi)形成大量細(xì)小彌散分布的Al3(Sc,Zr)復(fù)合相，所述Al3(Sc,Zr)復(fù)合相粒度為3～20nm，數(shù)密度為2～4×1018個(gè)/m2；
由此，獲得物理比重為2.73～2.74g/cm3的Al-Sc-Zr-Y-O耐熱鋁合金。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型輕質(zhì)Al-Sc-Zr-Y-O耐熱鋁合金的制備方法，其特征在于，所述Y-Zr-O和Y-Al-O納米氧化物相，是以Y2Zr2O7和YAlO3為主的高熱穩(wěn)定性的三元氧化物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型輕質(zhì)Al-Sc-Zr-Y-O耐熱鋁合金的制備方法，其特征在于，所述Al3(Sc,Zr)復(fù)合相，是納米尺度、高熱穩(wěn)定性的L12結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型輕質(zhì)Al-Sc-Zr-Y-O耐熱鋁合金的制備方法，其特征在于，步驟S2中，所述含Y粉末、含Zr粉末為YH2粉末和ZrO2粉末、Y2O3粉末和ZrH2粉末、Y2O3粉末和ZrO2粉末這三種組合中的一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型輕質(zhì)Al-Sc-Zr-Y-O耐熱鋁合金的制備方法，其特征在于，步驟S2中，所述高速擺振球磨機(jī)的振動(dòng)時(shí)間為1～2h，振動(dòng)頻率為1300-1500Hz。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型輕質(zhì)Al-Sc-Zr-Y-O耐熱鋁合金的制備方法，其特征在于，步驟S3中，所述機(jī)械合金化處理中采用的是全方位行星球磨機(jī)，盤面轉(zhuǎn)速為300～500rpm，縱向轉(zhuǎn)速10～20rpm，球料質(zhì)量比為10～15:1，球磨時(shí)間為20～48h；且每球磨15～30min，停機(jī)5～10min。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型輕質(zhì)Al-Sc-Zr-Y-O耐熱鋁合金的制備方法，其特征在于，步驟S4中，所述冷壓是在冷壓機(jī)中進(jìn)行，壓力為20～40MPa，保壓1～2h；所述包套抽真空，真空度為2×10-3Pa。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型輕質(zhì)Al-Sc-Zr-Y-O耐熱鋁合金的制備方法，其特征在于，步驟S4中，所述熱等靜壓燒結(jié)方式，壓強(qiáng)為150～200MPa，保壓時(shí)間4～6h，溫度為400～600℃。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型輕質(zhì)Al-Sc-Zr-Y-O耐熱鋁合金的制備方法，其特征在于，步驟S5中，所述時(shí)效熱處理是指，時(shí)效溫度為375～425℃，時(shí)效時(shí)間為6～12h。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)的新型輕質(zhì)Al-Sc-Zr-Y-O耐熱鋁合金的制備方法制備的新型輕質(zhì)Al-Sc-Zr-Y-O耐熱鋁合金，其特征在于，彌散增強(qiáng)鋁基體的納米相包括所述Y2Zr2O7和YAlO3，同時(shí)還包括L12結(jié)構(gòu)的所述Al3(Sc,Zr)復(fù)合相。
說明書
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及合金材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型輕質(zhì)Al-Sc-Zr-Y-O耐熱鋁合金及其制備方法。
背景技術(shù)
[0002]鋁合金因具有優(yōu)異的比強(qiáng)度、塑性和抗腐蝕、易加工成形等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、交通等領(lǐng)域。大多數(shù)鋁合金屬于析出強(qiáng)化型合金，主要依賴于基體中大量、彌散析出的第二相，有效阻礙位錯(cuò)和晶界的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高的合金強(qiáng)度。然而，鋁合金服役溫度被普遍限制在200℃以下，主要原因是鋁合金中常見析出相在200℃以上均容易發(fā)生粗化，對位錯(cuò)和晶界的阻礙能力大大降低，導(dǎo)致強(qiáng)化效果急劇下降。耐熱變形鋁合金能在較高溫度下使用而不軟化，依然保持高強(qiáng)度和一定的塑韌性。
[0003]目前常見的耐熱鋁合金主要包括Al-Cu系、Al-Si系、Al-Fe系等。其中，Al-Cu系析出的主要強(qiáng)化第二相為Ω相(Al2Cu)，其表面被Mg、Ag原子包覆，可以有效抑制其粗化，同時(shí)塑韌性較好，可以作為變形耐熱合金使用，但自身熱穩(wěn)定性有限，高溫下會(huì)回溶，一般使用溫度不超過250℃；Al-Si系析出的金屬硅化物第二相(Al-X-Si)，自身熱穩(wěn)定性很高，但容易粗化，尤其是晶界上粗化速度快，導(dǎo)致合金塑韌性較差，一般只作為鑄造鋁合金使用。Al-Fe系目前主要包含Al-Fe-Ce和Al-Fe-Si兩大類，由于合金化含量較高，一般需要采用快速凝固和粉末冶金制造。最典型的Al-Fe-V-Si系列合金，能夠生成擴(kuò)散慢但熱穩(wěn)定性高的Al12(Fe,X)3Si為主的第二相，使用溫度可達(dá)300℃以上，其中300℃屈服強(qiáng)度可達(dá)170～270MPa左右，但塑韌性一般，最大伸長率7～17％。由于Fe、Mn、Ce、Zn等重金屬元素的添加總量較高(一般8～15wt％)，Al-Fe-V-Si耐熱合金的比重一般達(dá)3.0～3.5g/m3，嚴(yán)重削弱了鋁基體的輕質(zhì)優(yōu)勢，而且Fe、Si、Ce等都是晶界強(qiáng)偏析元素，金屬硅化物在晶界上析出較多，會(huì)降低鋁合金的塑韌性，并且金屬硅化物一般具有較好的導(dǎo)電性，容易與鋁基體之間形成微電池腐蝕，嚴(yán)重危害鋁合金的抗腐蝕性能。
[0004]針對上述耐熱鋁合金的物理比重大、塑韌性不夠高、抗腐蝕性能不足的技術(shù)問題，研發(fā)高性能的變形耐熱鋁合金，就要求鋁合金不僅能夠在更高溫度下保持足夠高的強(qiáng)度，同時(shí)盡可能保持鋁合金良好的塑韌性、低的物理比重、耐腐蝕等優(yōu)勢。
[0005]在上述技術(shù)問題引導(dǎo)下，研發(fā)高性能的變形耐熱鋁合金，必須為鋁基體設(shè)計(jì)四條：(1)輕質(zhì)的、固溶度極限較低的合金化元素；(2)熱穩(wěn)定性高且不易粗化的第二相；(3)第二相在晶內(nèi)和晶界同時(shí)析出，但需要以晶內(nèi)為主，且分布均勻、彌散，具有高的析出數(shù)密度、低的析出尺度、以及良好的界面結(jié)合；(4)第二相粒子與鋁基體之間盡可能減少微電池腐蝕的傾向。
發(fā)明內(nèi)容
[0006]針對背景技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種新型輕質(zhì)Al-Sc-Zr-Y-O耐熱鋁合金及其制備方法，通過輕金屬元素Sc和中比重元素Y、Zr的微量添加，使得耐熱鋁合金的物理比重顯著減小，確保輕質(zhì)優(yōu)勢；通過粉末冶金制備，彌散析出氧化物相Y-Zr-O、Y-Al-O以及復(fù)合相L12-Al3(Sc,Zr)，它們本身是熱穩(wěn)定性更高的增強(qiáng)相，以晶內(nèi)為主的大量彌散析出，不僅使鋁合金獲得更高的高溫強(qiáng)度，同時(shí)保證了鋁合金的優(yōu)良塑韌性，而且氧化物第二相不導(dǎo)電，可以確保高的耐腐蝕性；刻意添加的O元素，以Zr氧化物或Y氧化物為攜氧劑方式進(jìn)行添加，可以準(zhǔn)確控制合金中的O含量，使鋁基體不會(huì)發(fā)生直接氧化，卻能夠使超飽和固溶的Zr和Y原子在鋁基體中得到優(yōu)先氧化。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0008]提供一種新型輕質(zhì)Al-Sc-Zr-Y-O耐熱鋁合金的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0009]步驟S1，預(yù)處理：將Al-Sc合金鑄錠進(jìn)行氣霧化處理，得到Al-Sc合金粉末，粒徑為5～30μm；
[0010]步驟S2，球磨混料：按重量百分比計(jì)微合金化成分：Sc 0.1～0.5％，Zr 0.3～0.6％，Y 0.2～1％，O 0.01～0.25％，余量為Al和不可避免的雜質(zhì)；將含Y粉末、含Zr粉末和所述Al-Sc合金粉末裝入高速擺振球磨機(jī)，在惰性氣體保護(hù)下充分混合，得到混合粉末；其中，含Y粉末平均粒徑為1～20μm，含Zr粉末平均粒徑為5～20μm；
[0011]步驟S3，機(jī)械合金化處理：將所述混合粉末在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行機(jī)械合金化處理，Sc、Y、Zr、O以原子形式回溶進(jìn)鋁基體，形成過飽和固溶體的機(jī)械合金化粉末；
[0012]步驟S4，致密化處理：將所述機(jī)械合金化粉末冷壓成坯塊，裝入包套抽真空，采用熱擠壓/熱等靜壓/放電等離子體燒結(jié)方式進(jìn)行致密化處理，得到鋁合金塊體，此時(shí)鋁基體中過飽和的Y、Zr、O溶質(zhì)原子重新析出，主要在晶內(nèi)形成大量彌散分布的Y-Zr-O和Y-Al-O納米氧化物相，其中，所述Y-Zr-O和Y-Al-O納米氧化物相的粒度為4～50nm，數(shù)密度為1～3×1015個(gè)/m2；
[0013]步驟S5，時(shí)效熱處理：將所述鋁合金塊體進(jìn)行時(shí)效熱處理，Sc、Zr溶質(zhì)原子進(jìn)一步析出，在晶內(nèi)形成大量細(xì)小彌散分布的Al3(Sc,Zr)復(fù)合相，所述Al3(Sc,Zr)復(fù)合相粒度為3～20nm，數(shù)密度為2～4×1018個(gè)/m2；
[0014]由此，獲得物理比重為2.73～2.74g/cm3的Al-Sc-Zr-Y-O耐熱鋁合金。
[0015]進(jìn)一步地，所述Y-Zr-O和Y-Al-O納米氧化物相，是以Y2Zr2O7和YAlO3為主的高熱穩(wěn)定性的三元氧化物。
[0016]進(jìn)一步地，所述Al3(Sc,Zr)復(fù)合相，是納米尺度、高熱穩(wěn)定性的L12結(jié)構(gòu)。
[0017]進(jìn)一步地，步驟S2中，所述含Y粉末、含Zr粉末為YH2粉末和ZrO2粉末、Y2O3粉末和ZrH2粉末、Y2O3粉末和ZrO2粉末這三種組合中的一種。
[0018]進(jìn)一步地，步驟S2中，所述高速擺振球磨機(jī)的振動(dòng)時(shí)間為1～2h，振動(dòng)頻率為1300-1500Hz。
[0019]進(jìn)一步地，步驟S3中，所述機(jī)械合金化處理中采用的是全方位行星球磨機(jī)，盤面轉(zhuǎn)速為300～500rpm，縱向轉(zhuǎn)速10～20rpm，球料質(zhì)量比為10～15:1，球磨時(shí)間為20～48h；且每球磨15～30min，停機(jī)5～10min。
[0020]進(jìn)一步地，步驟S4中，所述冷壓是在冷壓機(jī)中進(jìn)行，壓力為20～40MPa，保壓1～2h；所述包套抽真空，真空度達(dá)到2×10-3Pa。
[0021]進(jìn)一步地，步驟S4中，所述熱等靜壓燒結(jié)方式，壓強(qiáng)為150～200MPa，保壓時(shí)間4～6h，溫度為400～600℃。
[0022]進(jìn)一步地，步驟S5中，所述時(shí)效熱處理是指，時(shí)效溫度為375～425℃，時(shí)效時(shí)間為6～12h。
[0023]本發(fā)明還提供一種根據(jù)新型輕質(zhì)Al-Sc-Zr-Y-O耐熱鋁合金的制備方法制備的新型輕質(zhì)Al-Sc-Zr-Y-O耐熱鋁合金，其特征在于，彌散增強(qiáng)鋁基體的納米相包括所述Y2Zr2O7和YAlO3，同時(shí)還包括L12結(jié)構(gòu)的所述Al3(Sc,Zr)復(fù)合相。
[0024]進(jìn)一步地，所述Al-Sc-Zr-Y-O耐熱鋁合金的物理比重僅為2.73～2.74g/cm3。
[0025]本發(fā)明的設(shè)計(jì)思路：
[0026](1)針對前述耐熱鋁合金設(shè)計(jì)的第一條，如何選擇理想的合金化元素以析出合適的氧化物第二相。為突出鋁合金的輕質(zhì)優(yōu)勢，一方面，應(yīng)盡可能避免添加比重大的合金化元素。Fe、Mn、Ce、Ni、Co、V、Cu等元素為常見耐熱鋁合金的添加元素，且添加總量要求較高，都不在本發(fā)明的設(shè)計(jì)考察范圍內(nèi)。即便是添加中等比重的合金化元素，也限定只能為微量添加。另一方面，Al對O的親和力很強(qiáng)，可以形成很強(qiáng)的化學(xué)鍵，在廣泛的溫度區(qū)間能形成多種不同晶型的氧化鋁(包括γ、η、θ、α、δ等)，其中α-Al2O3熱穩(wěn)定性最高，常作為高溫熔煉坩堝使用。與Al一樣，很多過渡族或稀土元素都可以形成熱穩(wěn)定性高的自身氧化物，但由于Al的氧化能力很強(qiáng)(尤其是Al粉末極易氧化)，在限定只能微量添加的條件下，這些元素是否能夠在周邊包圍著Al基體的環(huán)境中優(yōu)先氧化，形成大量的氧化物且穩(wěn)定地存在，有復(fù)雜苛刻的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)要求，這是難以簡單判斷的。本發(fā)明選擇了微量的、較低比重的Sc和中等比重的Y、Zr元素，在鋁合金中可以實(shí)現(xiàn)高數(shù)密度、低納米尺度、高熱穩(wěn)定性、與基體界面結(jié)合好的三元(Y-Zr-O和Y-Al-O)納米氧化物和復(fù)合結(jié)構(gòu)的L12-Al3(Sc,Zr)納米顆粒的均勻、彌散析出。其中三元Y-Zr-O和Y-Al-O氧化物相比二元的Al2O3、ZrO2和Y2O3,三元包殼結(jié)構(gòu)L12-Al3(Sc,Zr)相比二元的L12-Al3Sc和L12-Al3Zr，均具有更高的熱穩(wěn)定性、更小的析出尺度和更慢的長大速率。它們在鋁基體中共同形成且穩(wěn)定地存在，可以極大提升鋁合金的強(qiáng)度和耐熱性。
[0027]針對前述耐熱鋁合金設(shè)計(jì)的第二條，納米析出相的設(shè)計(jì)：(1)由于添加量被嚴(yán)格限制，析出相都必須具有低的納米尺度，以保證足夠的析出數(shù)密度，才可能有效阻礙晶內(nèi)位錯(cuò)和晶界的運(yùn)動(dòng)，獲得明顯的析出強(qiáng)化效果。(2)納米析出相都必須具有高的熱穩(wěn)定性，在高溫下長期穩(wěn)定存在，不易粗化，才能在高溫下保持高的強(qiáng)化效率和強(qiáng)度水平。(3)納米析出相必須與Al基體有良好的界面結(jié)合，與基體的變形協(xié)調(diào)性好，盡可能減少對合金塑韌性的影響。Y和Zr在Al基體中優(yōu)先氧化，形成的三元Y-Zr-O和Y-Al-O納米氧化物相，滿足全部以上特征。同時(shí)，多余的Zr可與Sc在Al基體中形成高度共格的包殼結(jié)構(gòu)L12-Al3(Sc,Zr)相，由于Zr殼對Sc原子擴(kuò)散有明顯阻礙作用，L12-Al3(Sc,Zr)相能夠在300～400℃下穩(wěn)定存在且不易粗化長大，也滿足全部以上特征。
[0028]針對前述耐熱鋁合金設(shè)計(jì)的第三條，如何析出第二相，關(guān)系到制備工藝的設(shè)計(jì)：(1)本發(fā)明設(shè)計(jì)的合金化元素Sc、Y和Zr，在Al基體中的平衡固溶度都極低，其中Sc＜0.28at.％(655℃)、Zr＜0.033at.％(660℃)、Y＜0.17at.％(639℃)。傳統(tǒng)熔煉-鑄造的方法難以無法實(shí)現(xiàn)這些元素的超飽和固溶。必須采用一些非平衡的極端制備工藝，比如機(jī)械合金化高能球磨，將超飽和數(shù)量的Sc、Zr、Y強(qiáng)制固溶進(jìn)Al基體，獲得非平衡的過飽和固溶體，從而為后續(xù)過程中溶質(zhì)原子(Sc、Zr、Y、O)再析出形成納米氧化物和納米L12相，提供了極大的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力。(2)配合相應(yīng)合理的熱致密化和熱處理過程，在實(shí)現(xiàn)接近和達(dá)到完全致密的前提條件下，通過熱處理過程中的再析出機(jī)制(非原位氧化)形成的納米氧化物和納米L12相。這樣的納米第二相具有確定的慣析面以及結(jié)合良好的共格/半共格界面，能夠與Al基體保持良好的組織相容性，在有效強(qiáng)化鋁基體的同時(shí)能夠保持良好的塑韌性，使合金性能明顯優(yōu)于顆粒增強(qiáng)型金屬基復(fù)合材料。此外，機(jī)械合金化高能球磨能夠突破傳統(tǒng)熔煉制備對合金元素添加量的限制，實(shí)現(xiàn)納米氧化物析出種類與析出數(shù)量的可設(shè)計(jì)性和可控性，從而可以極大擴(kuò)展高強(qiáng)耐熱鋁合金的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)自由度。
[0029]針對前述耐熱鋁合金設(shè)計(jì)的第四條，第二相粒子與鋁基體之間盡可能減少發(fā)生微電池腐蝕的傾向。本申請彌散析出的氧化物相Y-Zr-O、Y-Al-O以及復(fù)合相L12-Al3(Sc,Zr)，完全不導(dǎo)電，與鋁基體之間不會(huì)形成微電池腐蝕回路，因此有利于提高耐熱鋁合金的耐腐蝕性能。
[0030]需要值得注意的是，發(fā)明人在先的專利“一種納米氧化物彌散強(qiáng)化耐熱鋯合金及其制備方法”(專利號ZL202110116461.5)與本申請類似，雖然在制備方法上都是利用機(jī)械合金化結(jié)合熱處理獲得含Y的三元氧化物，但是兩者的設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)是完全不同的。第一，鋯合金本身不具有輕量化優(yōu)勢，合金化設(shè)計(jì)中不需要考慮輕量化因素，而鋁合金本身具有輕量優(yōu)勢。如何確保耐熱鋁合金也具有輕量優(yōu)勢，一直是渴望解決的問題，因?yàn)殚L久以來人們都認(rèn)為只有加高熔點(diǎn)的重元素才能得到耐熱的鋁合金。第二，鋯基體和鋁基體中元素的氧化能力差異性不同。耐熱鋯合金添加的合金化元素是Ti和Y，在鋯合金中可以獲得大量、穩(wěn)定的含Ti氧化物，但在耐熱鋁合金中如果想獲得大量、穩(wěn)定的含Ti氧化物，Al基體有被直接氧化的危險(xiǎn)，因?yàn)門i與Al的氧化成鍵能力非常接近。第三，本發(fā)明的耐熱鋁合金中添加了微量的Zr元素，目的是獲得高熱穩(wěn)定性的三元Y-Zr-O納米氧化物相和三元L12-Al3(Sc,Zr)納米相，同時(shí)Zr不會(huì)影響高熱穩(wěn)定性的三元Y-Al-O納米氧化物相的均勻、彌散析出，確保鋁合金獲得更高的耐熱性能。本發(fā)明需要從鋁合金的析出熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件出發(fā)，綜合考慮上述因素，重新設(shè)計(jì)不同的合金化元素以及不同的析出相，并探索相應(yīng)的合理制備工藝。本申請耐熱鋁合金所涉及的技術(shù)關(guān)鍵，不能從耐熱鋯合金中得到簡單啟示。
[0031]本發(fā)明的有益效果：
[0032](1)本發(fā)明設(shè)計(jì)的合金化元素為Sc、Y和Zr，其比重分別為2.99、4.47和6.61g/cm3，它們的添加量都很小，分別控制在小于0.5、1和0.6wt％，由此獲得的鋁合金比重僅為2.73～2.74g/cm3，僅比純鋁(2.70g/cm3)重小于1％，比AlFeVSi合金減重10～22％，確保了鋁合金的輕質(zhì)優(yōu)勢。
[0033](2)Y和Zr能夠在Al基體中優(yōu)先氧化，負(fù)責(zé)提供氧化物相。多余的Zr可與Sc在Al基體中形成L12相。在晶內(nèi)大量彌散析出的納米氧化物相Y-Zr-O、Y-Al-O以及復(fù)合相L12-Al3(Sc,Zr)，本身都是熱穩(wěn)定性更高的增強(qiáng)相，高溫下釘扎位錯(cuò)和晶界能力強(qiáng)，可抑制晶粒發(fā)生再結(jié)晶，從而大幅度提高鋁合金的強(qiáng)度和耐熱性；兩種納米增強(qiáng)相均以晶內(nèi)析出為主，晶界上相對析出較少，保證了鋁合金的優(yōu)良塑韌性，并且氧化物增強(qiáng)相完全不導(dǎo)電，確保了合金獲得良好的耐腐蝕性。
[0034](3)在鋁合金中刻意添加O元素。以Zr氧化物或Y氧化物為攜氧劑方式進(jìn)行添加，可以準(zhǔn)確控制合金中的O含量，從而創(chuàng)造合適的氧化熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件，使超飽和固溶的Zr和Y原子能夠在鋁基體中優(yōu)先氧化，在晶粒內(nèi)部獲得足夠數(shù)量的納米氧化物相Y-Zr-O和Y-Al-O，同時(shí)又不會(huì)使鋁基體發(fā)生直接氧化。O的含量控制和添加方式也是新型輕質(zhì)耐熱鋁合金能夠兼具高強(qiáng)度和良好塑韌性的關(guān)鍵設(shè)計(jì)。
附圖說明
[0035]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0036]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1制備的一種新型輕質(zhì)Al-Sc-Zr-Y-O耐熱鋁合金的透射電子顯微(TEM)照片；
[0037]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1制備的一種新型輕質(zhì)Al-Sc-Zr-Y-O耐熱鋁合金的微觀組織選區(qū)電子衍射(SAD)分析圖；
[0038]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1制備的一種新型輕質(zhì)Al-Sc-Zr-Y-O耐熱鋁合金單向壓縮變形的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線；
具體實(shí)施方式
[0039]為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，并使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步的說明。
[0040]在本文中所披露的范圍的端點(diǎn)和任何值都不限于該精確的范圍或值，這些范圍或值應(yīng)當(dāng)理解為包含接近這些范圍或值的值。對于數(shù)值范圍來說，各個(gè)范圍的端點(diǎn)值之間、各個(gè)范圍的端點(diǎn)值和單獨(dú)的點(diǎn)值之間，以及單獨(dú)的點(diǎn)值之間可以彼此組合而得到一個(gè)或多個(gè)新的數(shù)值范圍，這些數(shù)值范圍應(yīng)該被視為在本文中具體公開。
[0041]以下通過具體的實(shí)施例對本發(fā)明提供的納米析出相彌散增強(qiáng)的輕質(zhì)耐熱鋁合金及其制備方法進(jìn)行詳細(xì)闡述。
[0042]實(shí)施例1
[0043]一種新型輕質(zhì)Al-Sc-Zr-Y-O耐熱鋁合金的制備方法，包括如下步驟：
[0044]步驟S1，將Al-Sc鋁合金鑄錠進(jìn)行氣霧化處理，得到Al-Sc合金粉末；
[0045]具體地，包括按重量百分比計(jì)的如下成分：
[0046]Sc 0.1～0.5％，余量為Al和不可避免的雜質(zhì)；采用氬氣霧化，得到粒徑在5～30μm的Al-Sc合金粉末。
[0047]步驟S2，粉末預(yù)混合：將重量為0.3wt.％的Y2O3粉末、0.3wt.％的ZrH2粉末與Al-Sc合金粉末裝入高速擺振球磨機(jī)預(yù)混，振動(dòng)時(shí)間為1h，頻率為1400rpm，得到混合粉末；
[0048]步驟S3，機(jī)械合金化：將混合粉末裝入剛玉球磨罐，在氬氣保護(hù)下進(jìn)行球磨，球磨時(shí)間為30h，盤面轉(zhuǎn)速為300rpm，縱向轉(zhuǎn)速為20rpm，球料質(zhì)量比為10:1，冷卻系統(tǒng)溫度設(shè)置為0℃，獲得過飽和固溶體的機(jī)械合金化粉末；
[0049]步驟S4，致密化成型：將機(jī)械合金化粉末在50MPa下機(jī)械冷壓1h成坯塊，裝入包套抽真空，真空度為10-3Pa；采用熱等靜壓進(jìn)行致密化，熱等靜壓壓強(qiáng)為180MPa，保壓4h，溫度為480℃，在鋁合金基體中過飽和固溶的溶質(zhì)原子重新析出，得到Y(jié)-Zr-O和Y-Al-O納米氧化物彌散增強(qiáng)鋁合金。
[0050]步驟S5，將得到的塊體進(jìn)行時(shí)效熱處理，進(jìn)一步析出L12結(jié)構(gòu)的納米Al3(Sc,Zr)相。時(shí)效溫度為375℃，時(shí)效時(shí)間為6h。
[0051]附圖為本發(fā)明實(shí)施例1制備得到的Al-Sc-Zr-Y-O耐熱鋁合金的微觀組織和宏觀性能。其中，圖1為基體中納米析出相的透射電子顯微(TEM)照片；圖2為合金微觀組織的選區(qū)電子衍射(SAD)分析圖；圖3為不同溫度下合金單向壓縮力學(xué)性能測試得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。可見，時(shí)效熱處理后，鋁合金基體中析出有大量、彌散分布、低納米尺度的氧化物相和L12結(jié)構(gòu)的Al3(Sc,Zr)相，氧化物顆粒粒度為4.5-50nm，數(shù)密度可達(dá)1～3×1015個(gè)/m2，L12結(jié)構(gòu)相顆粒粒度為3.6～20nm，數(shù)密度為2～4×1018個(gè)/m2。經(jīng)壓縮力學(xué)性能測試，合金室溫屈服強(qiáng)度為424MPa，300℃下屈服強(qiáng)度達(dá)200MPa，相當(dāng)于AlFeVSi合金，但最大壓縮變形量可達(dá)60％，表現(xiàn)出更優(yōu)的塑韌性和成形性。400℃下屈服強(qiáng)度仍有178MPa，優(yōu)于AlFeVSi合金，最大壓縮變形量下降到8％，可能與高溫壓縮端面施加的潤滑失效有關(guān)，但仍相當(dāng)于AlFeVSi合金。
[0052]實(shí)施例2
[0053]一種新型輕質(zhì)Al-Sc-Zr-Y-O耐熱鋁合金的制備方法，包括如下步驟：
[0054]步驟S1，將Al-Sc鋁合金鑄錠進(jìn)行氣霧化處理，得到預(yù)合金粉末；
[0055]具體地，包括按重量百分比計(jì)的如下成分：
[0056]Sc 0.1～0.5％，余量為Al和不可避免的雜質(zhì)；采用氬氣霧化，得到粒徑在5～30μm的預(yù)合金粉末。
[0057]步驟S2，粉末預(yù)混合：將Al-Sc預(yù)合金粉末重量的0.38wt.％的YH2粉末、0.3wt.％的ZrO2粉末與Al-Sc預(yù)合金粉末裝入高速擺振球磨機(jī)預(yù)混，振動(dòng)時(shí)間為2h，振動(dòng)頻率為1400rpm，得到混合粉末；
[0058]步驟S3，機(jī)械合金化：將混合粉末裝入剛玉球磨罐，在氬氣保護(hù)下進(jìn)行球磨，球磨時(shí)間為30h，盤面轉(zhuǎn)速為300rpm，縱向轉(zhuǎn)速為20rpm，剛玉磨罐、球作為球磨介質(zhì)，球料質(zhì)量比為10:1，冷卻系統(tǒng)溫度設(shè)置為0℃，球磨后形成過飽和固溶體的機(jī)械合金化粉末；
[0059]步驟S4，致密化成型：將機(jī)械合金化粉末在50MPa下機(jī)械冷壓1h成坯塊，裝入包套抽真空，真空度為10-3Pa；采用熱等靜壓進(jìn)行致密化，熱等靜壓壓強(qiáng)為180MPa，保壓4h，溫度為480℃，在鋁合金基體中過飽和固溶的溶質(zhì)原子重新析出，得到Y(jié)-Zr-O和Y-Al-O納米氧化物。
[0060]經(jīng)檢測，Y-Zr-O和Y-Al-O納米氧化物析出相的粒度為4.5-50nm，數(shù)密度可達(dá)1～3×1015個(gè)/m2。
[0061]步驟S5，將得到的塊體進(jìn)行時(shí)效熱處理，進(jìn)一步析出L12結(jié)構(gòu)的納米Al3(Sc,Zr)相，粒度為3.6～20nm，數(shù)密度為2～4×1018個(gè)/m2。時(shí)效溫度為425℃，時(shí)效時(shí)間12h。
[0062]實(shí)施例3
[0063]將實(shí)施例1中的致密化處理替換用熱擠壓方式進(jìn)行，其它工藝相同。
[0064]實(shí)施例4
[0065]將實(shí)施例1中的致密化處理替換用放電等離子體燒結(jié)方式進(jìn)行，其它工藝相同。
[0066]對比例1
[0067]制備不添加氫化物(YH2)和氧化物(ZrO2)粉末的鋁合金，預(yù)合金粉末成分與實(shí)施例1相同，制備工藝與實(shí)施例1相同。
[0068]對比例2
[0069]制備單獨(dú)添加0.3wt.％Y2O3粉末的鋁合金，預(yù)合金粉末成分與實(shí)施例1相同，制備工藝與實(shí)施例1相同。
[0070]對比例3
[0071]制備單獨(dú)添加0.3wt.％ZrO2粉末的鋁合金，預(yù)合金粉末成分與實(shí)施例1相同，制備工藝與實(shí)施例1相同。
[0072]對比例4
[0073]制備添加0.3wt.％Y和0.3wt.％ZrO2粉末的鋁合金，預(yù)合金粉末成分與實(shí)施例1相同，制備工藝與實(shí)施例1相同。
[0074]對比例5
[0075]制備添加0.3wt.％Y2O3和0.3wt.％Zr粉末的鋁合金，預(yù)合金粉末成分與實(shí)施例1相同，制備工藝與實(shí)施例1相同。
[0076]以上對本發(fā)明的發(fā)明原理和實(shí)施方法作出了詳細(xì)說明，但本發(fā)明不局限于所描述的實(shí)施方式。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下對這些實(shí)施例進(jìn)行的多種變化、修改、替換和變型，均仍落入在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
全文PDf
新型輕質(zhì)Al-Sc-Zr-Y-O耐熱鋁合金及其制備方法.pdf
聲明：
“新型輕質(zhì)Al-Sc-Zr-Y-O耐熱鋁合金及其制備方法” 該技術(shù)專利(論文)所有權(quán)利歸屬于技術(shù)(論文)所有人。僅供學(xué)習(xí)研究，如用于商業(yè)用途，請聯(lián)系該技術(shù)所有人。
我是此專利(論文)的發(fā)明人(作者)
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編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng)
來源：中南大學(xué)
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