專利名稱：一種Al₃Ti顆粒增強2618鋁合金復合材料的制備方法
技術領域：
本發明涉及Al3Ti顆粒增強2618鋁合金復合材料制備領域，具體為將熔融的Al-lOwt. %Ti中間合金以小股液流的方式澆鑄在高速旋轉的渦輪上快速飛入室溫水中，從而得到快速凝固的Al-lOwt. %Ti中間合金小顆粒,再將得到的Al-lOwt. %Ti中間合金小顆粒與2618合金液進行固-液混合鑄造，通過控制攪拌時間及中間合金的加入量，以獲得晶粒細小的Al3Ti顆粒增強2618鋁合金復合材料。
背景技術：
2618鋁合金(即鍛鋁LD7)是傳統鍛造鋁合金中耐熱性最好的一種合金，在120°C 以上的溫度下，其力學性能高于7000系合金，廣泛應用于制造航空發動機和汽車工業的高溫零部件，但是通過一般鑄造法鑄造的2618合金不能達到工業應用的需要，因此2618生產廠家及相關單位進行了諸如微合金化、形變熱處理及顆粒增強2618合金基復合材料等方法挖掘2618合金的潛在性能。湘潭工學院的龍春光等人在“Aging characteristicand mechanical properties of TiC/2618 composite”一文中米用原位反應法制備了TiCp6%/2618復合材料，TiC顆粒的存在使合金再結晶溫度至少提高50°C，并提高該了合金抗拉強度和高溫硬度。專利申請人曾向2618合金中加入普通的Al-5Ti中間合金，以提高該合金的力學性能，但當鈦含量超過Iwt. %后，合金組織中出現大于15微米的Al3Ti顆粒，使合金的強度和塑性下降。專利CN 102230096 A “Al3Ti相彌散增強Al-Cu-Mg系合金的制備方法”中公開了采用快速凝固Al-7. Owt. %Ti合金粉與Al-Cu-Mg系合金液進行固-液混合近液相線鑄造以獲得彌散分布的Al3Ti相增強的Al-Cu-Mg系合金的方法。但是由于使用的Al-7. Owt. %Ti合金粉是采用霧法制粉方法得到的，成本較高，因此其使用得到一定的限制。通過向合金引入彌散分布高溫強化相Al3Ti相可有效提高2618合金的耐熱性能，但市場上銷售的Al-Ti中間合金要么Al3Ti相呈粗大針片狀或塊狀(不符合使用要求)，要么成本昂貴。因此采用制備成本低廉、細化效果良好的Al-Ti中間合金同時結合控制中間合金與母液的混合時間和中間合金加入量是提高2618合金應用價值的一種有效途徑。

發明內容
本發明的目的旨在采用一種簡單易行的快速凝固方法與裝置，制備出快速凝固的Al-1OTi中間合金，通過控制2618合金液和中間合金的混合時間以及中間合金的加入量，采用固液混合鑄造方法制備出一種晶粒細小的Al3Ti顆粒增強2618鋁合金復合材料。一種晶粒組織細小的Al3Ti顆粒增強2618鋁合金復合材料的制備方法，包括以下步驟
A 將熔融的A1-1 0 w t % T i中間合金在I 3 5 00C下保溫3(T35min，快速澆鑄在高速旋轉的渦輪上使合金液快速飛入室溫水中，得到快速凝固的Al-10wt%Ti中間合金小顆粒；
B將配好的2618合金在720 °C下進行熔煉，熔煉過程中采用占2618合金質量5-7wt. %的覆蓋劑對金屬液進行保護，以減少合金液的氧化和燒損；
C把合金液表面上的渣子扒干凈以后，迅速將采用渦輪高速旋轉水冷的Al-1O wt. %Ti中間合金小顆粒加入到熔融的2618合金液中得到混合液，進行固-液混合，加入的中間合金量占整個混合液的5 wt% 20 wt% ；
D攪拌熔融混合均勻后，然后將合金澆鑄入金屬型中得到直徑為12_、高度為100_的合金試樣。所述A步驟中Al-Ti中間合金一次澆注量一次控制在8(Tl00g，室溫水的溫度在20 25 15C范圍內。
所述A步驟中的渦輪轉速為500轉/分鐘，熔融Al-1OTi中間合金從出爐到澆鑄到旋轉渦輪上的時間應小于5s，從開始澆鑄到完成時間應控制在2s內，以便減少熔融中間合金在液相線溫度以上的熱損失，保證中間合金能夠快速凝固。用于制備2618合金基復合材料的中間合金是市場上銷售的普通Al-lOwt. %Ti中間合金，成本低廉；在Al-lOwt. %Ti中間合金熔融過程中控制每個坩堝中的加入量為8(Tl00g是為了合金液能以小股液流均勻的澆筑到高速旋轉的渦輪上，防止液流過大得到的水冷中間合金顆粒較大，同時保證中間合金液流能在2 s內澆注完成，防止中間合金由于在室溫下停留時間過長導致溫度下降，降低冷卻速率。熔煉過程中使用的覆蓋劑為NaCl、KCl和Na3AlF6分別以30:45:25重量比配制的復合鹽，在整個熔煉過程中加入的覆蓋劑的總量應控制在2618合金重量的5 7%，該覆蓋劑在750 °(]下熔融完全去除結晶水后冷卻至室溫后研磨，過篩成100目的細粉，隨后將細粉放入10(Tll0 °C后的干燥箱中備用。這種自制的30NaCl-45KCl_25Na3AlF6覆蓋劑在720 °C下能在溶液表面形成一層薄薄的晶體殼層，能有效隔絕熔體表面與氧氣的接觸，同時，相比于普通NaCl和NaCl混合物覆蓋劑在溶液表面形成的液體層，該種覆蓋劑在720 °C下的熔液表面形成的固態殼層，易于扒渣的進行。通過快速凝固，Al-1OTi中間合金從液相線以上快速凝固到常溫水中(25 40 0C )，析出大量細小彌散的Al3Ti相；將具有細小Al3Ti相的水冷Al-lOwt. %Ti中間合金顆粒加入到2618合金液中，通過控制Al-Ti中間合金加入量，使得Al3Ti相既能作為第二相粒子起到第二相強化的作用，又能充分作為2618合金凝固時的異質形核的核心，迅速溶解增加生長抑制因子，晶粒組織細化效果良好，是一種可操作性強的制備晶粒組織細小的Al3Ti顆粒增強2618鋁合金復合材料的方法。


圖1是Al-1O wt. %Ti中間合金原始組織照片；
圖2是2618鋁合金的顯微組織照片；
圖3是Al-1O wt. %Ti中間合金經渦輪高速旋轉水冷后顯微組織照片；
圖4是加入不同Ti含量的Al3Ti/2618合金復合材料顯微組織照片。
具體實施方式
實施例中各合金的具體成分和編號如表I所示，其中1#為本發明的對比例，2 5#為實施例；為方便計量,實施例中所有合金的總重均為IOOg,實施例中所用的A1-10wt. %Ti中間合金均是采用山東山大呂美熔體技術有限公司生產的Al-1OTi中間合金，原始顯微組織見圖1，可以看出，合金中的Al3Ti相呈粗大塊狀分散在鋁基體中，Al3Ti相平均尺寸在65iim左右；2618合金的熔煉方法實施例一中已詳細說明，實施例2 5中不再贅述2618合金的熔煉過程。實施例一制備2618合金按表I配比各合金兀素,Cu兀素為2. 3wt. % ；Mg兀素為1.6wt. % ；Fe元素為1. lwt. % ；Ni元素為1. lwt. % ；A1元素為余量，則須配制Al-50 wt. %Cu合金 4. 60g ；Al-8 wt. %Fel3. 75g ;A1_8 wt. %Ni 合金 13. 75g 及1. 60g 純鎂和 66. 30g 純鋁。
首先在720 0C下將純鋁在型號為SG2-1. 5-10的井式爐中熔融并保溫IOmin后將用鋁箔包好的Al-8 wt. %Fe, Al-8 wt. %Ni和Al-50 wt. %Cu—并加入到鋁液中，迅速在合金表面撒上:T5g自制的30NaCl-45KCl-25Na3AlF6 (重量比，下同)覆蓋劑，保溫IOmin后攪拌，用鐘罩將去除表面氧化皮的鎂塊壓入合金液中；待其完全熔化后，再在合金液撒上一層覆蓋劑(2g)，靜置3 5min后扒去漂浮在合金液面上的覆蓋劑及雜質，澆鑄成直徑為12mm，高度為IOOmm的試樣,在離試棒底部25mm處截取試樣,制成金相試樣,合金顯微組織照片如圖2所示。實施例二 制備Ti含量為0. 5%的Al3Ti顆粒增強2618鋁合金復合材料將熔融的Al-1O wt. %Ti中間合金以小股液流均勻的澆鑄在轉速為500轉/分鐘的高速渦輪上，借助渦輪的離心力，中間合金液迅速甩進室溫水中，得到快速凝固的Al-1O wt.%Ti中間合金；經渦輪高速旋轉水冷后的Al-1O wt. %Ti中間合金顯微組織如圖3所示，可以看出，相比水冷前，Al3Ti相得到明顯細化。配制樣品的總重(Al-10 wt. %Ti中間合金+2618合金的總重量)為100g，取5g干燥后的渦輪高速旋轉水冷Al-1O wt. %Ti中間合金顆粒，按表I配制其余合金元素，還須配制95g 2618 合金，具體為 Al-50Cu 合金 4. 60g，Al-8 wt. %Fel3. 75g,Al-8 wt. %Ni 合金 13. 75g及1.60g純鎂和61.30g純鋁。將鋁箔包好的渦輪高速旋轉水冷的Al-1OTi中間合金顆粒壓入熔制好的2618合金液面以下，迅速攪拌，保溫3(T35s后使其完全熔入合金液中，澆鑄成直徑為12mm，高度為IOOmm的合金試樣；在離試棒底部25mm處截取試樣,制成金相試樣,合金顯微組織照片如圖
4Ca)所示；可以看出，加入0. 5 wt. %Ti的Al3Ti/2618合金復合材料晶粒組織得到明顯細化，主要是由于Al3Ti相與s (Al)基體的晶格常數相近，能作為Al3Ti/2618復合材料基體的異質形核核心。實施例三制備Ti含量為1. 0%的Al3Ti顆粒增強2618鋁合金復合材料將熔融的Al-10 wt. %Ti中間合金以小股液流均勻的澆鑄在轉速為500轉/分鐘的高速渦輪上，中間合金液迅速甩進室溫水中，得到快速凝固的Al-10 wt. %Ti中間合金。
配制樣品的總重(Al-10 wt. %Ti中間合金+2618合金的總重量)為100g，取IOg干燥后的渦輪高速旋轉水冷Al-10 wt. %Ti中間合金顆粒，按表I配制其余合金元素，還須配制90g 2618 合金，具體為 Al-50Cu 合金 4. 60g，Al-8 wt. %Fel3. 75g,Al-8 wt. %Ni 合金 13. 75g及1. 60g純鎂和56. 30g純鋁。將鋁箔包好的渦輪高速旋轉水冷的Al-1OTi中間合金顆粒壓入熔融的2618合金液面以下，迅速攪拌，保溫35 40s后使其完全熔入合金液中，澆鑄成直徑為12mm，高度為IOOmm的試樣,在離試棒底部25mm處截取試樣,制成金相試樣，合金顯微組織照片如圖4(b)所示；可以看出，隨著合金中鈦含量的增加，能提供異質形核的核心數增加，合金晶粒組織得到進一步細化。實施例四制備Ti含量為1. 5%的Al3Ti顆粒增強2618鋁合金復合材料將熔融的Al-10 wt. %Ti中間合金以小股液流均勻的澆鑄在轉速為500轉/分鐘的高速渦輪上，中間合金液迅速甩進室溫水中，得到快速凝固的Al-10 wt. %Ti中間合金。配制樣品的總重(Al-10 wt. %Ti中間合金+2618合金的總重量)為100g，取15g干燥后的渦輪高速旋轉水冷Al-10 wt. %Ti中間合金顆粒，按表I配制其余合金元素，還須配制 85g 2618 合金，具體為 A1-50CU 合金 4. 60g, Al-8 wt. %Fel3. 75g, Al-8 wt. %Ni 合金13. 75g及1. 60g純鎂和51. 30g純鋁。
將鋁箔包好的渦輪高速旋轉水冷的Al-1OTi中間合金顆粒壓入熔融的2618合金液面以下，迅速攪拌，保溫4(T45s后使其完全熔入合金液中，澆鑄成直徑為12mm，高度為IOOmm的試樣；在離試棒底部25_處截取試樣，制成金相試樣合金顯微組織照片如圖4(c)所示，可以看出當鈦含量達到1. 5%細化效果最好，此時第二相強化和細晶強化兩種強化機制共存，使2618合金的強韌化均達到理想效果。實施例五制備Ti含量為2. 0%的Al3Ti顆粒增強2618鋁合金復合材料將熔融的Al-10 wt. %Ti中間合金以小股液流均勻的澆鑄在轉速為500轉/分鐘的高速渦輪上，中間合金液迅速甩進室溫水中，得到快速凝固的Al-10 wt. %Ti中間合金。配制樣品的總重(Al-10 wt. %Ti中間合金+2618合金的總重量)為100g，取20g干燥后的渦輪高速旋轉水冷Al-10 wt. %Ti中間合金顆粒，按表I配制其余合金元素，還須配制 80g 2618 合金，具體為 A1-50CU 合金 4. 60g, Al-8 wt. %Fel3. 75g, Al-8 wt. %Ni 合金13. 75g及1. 60g純鎂和46. 30g純鋁。將鋁箔包好的渦輪高速旋轉水冷的Al-1OTi中間合金顆粒壓入熔融的2618合金液面以下，迅速攪拌，保溫45飛Os后使其完全熔入合金液中，澆鑄成直徑為12mm，高度為IOOmm的試樣；在離試棒底部25mm處截取試樣，合金顯微組織照片如圖4 Cd)所示，可以看出，隨著鈦含量的繼續增加，Al-Ti中間合金完全熔入合金夜中所需的保溫時間將增加，Al3Ti相發生聚集長大，導致晶粒組織開始長大，細化效果下降。表I試樣中各合金兀素含量(質量百分數)
_、\4素(％)
H \CuFeNiTi Al
_______
1#— 2.31.61.1 —1.1—~ Bal
2#—231.61.1 —1.10.5— Bal
3#~ 2.31.61.1 —1.11.0~ Bal
4#— 2.31.61.1 —1.11.5~ Bal
5#I 2.3I 1.6I 1.1 I1.1 I 2.0 I Bal
權利要求
1.一種Al3Ti顆粒增強2618鋁合金復合材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟(A)將熔融的A1-1 O w t · % T i中間合金在I 3 5 O 0C下保溫3(T35min，快速澆鑄在高速旋轉的渦輪上使合金液快速飛入室溫水中，得到快速凝固的Al-10wt%Ti中間合金小顆粒；(B)將配好的2618合金在720°C下進行熔煉，熔煉過程中采用占2618合金質量 5-7wt. %的覆蓋劑對金屬液進行保護，以減少合金液的氧化和燒損；(C)把合金液表面上的渣子扒干凈以后，迅速將采用渦輪高速旋轉水冷的A1-10 wt. %Ti中間合金小顆粒加入到熔融的2618合金液中得到混合液，進行固-液混合，加入的中間合金量占整個混合液的5 wt°/T20 wt% ；(D)攪拌熔融混合均勻后，然后將合金澆鑄入金屬型中得到合金試樣。
2.如權利要求1所述的一種Al3Ti顆粒增強2618鋁合金復合材料的制備方法，其特征在于所述A步驟中Al-Ti中間合金一次澆注量一次控制在8(Tl00g，室溫水的溫度在 20 25 0C范圍內。
3.如權利要求1所述的一種Al3Ti顆粒增強2618鋁合金復合材料的制備方法，其特征在于所述A步驟中的渦輪轉速為500轉/分鐘，熔融Al-1OTi中間合金從出爐到澆鑄到旋轉渦輪上的時間應小于5s，從開始澆鑄到完成時間應控制在2s內，以便減少熔融中間合金在液相線溫度以上的熱損失，保證中間合金能夠快速凝固。
4.如權利要求1所述的一種Al3Ti顆粒增強2618鋁合金復合材料的制備方法，其特征在于熔煉過程中使用的覆蓋劑為NaCl、KCl和Na3AlF6分別以30:45:25重量比配制的復合鹽，在整個熔煉過程中加入的覆蓋劑的總量應控制在2618合金重量的5 7%，該覆蓋劑在 750 °(下熔融完全去除結晶水后冷卻至室溫后研磨，過篩成100目的細粉，隨后將細粉放入KKTllO °c后的干燥箱中備用。
全文摘要
本發明涉及Al3Ti顆粒增強2618鋁合金復合材料制備領域，具體為將熔融的Al-10wt.%Ti中間合金以小股液流的方式澆鑄在高速旋轉的渦輪上快速飛入室溫水中，從而得到快速凝固的Al-10wt.%Ti中間合金小顆粒，再將得到的Al-10wt.%Ti中間合金小顆粒與2618合金液進行固-液混合鑄造，通過控制攪拌時間及中間合金的加入量，以獲得晶粒細小的Al3Ti顆粒增強2618鋁合金復合材料。
文檔編號C22C1/03GK103014390SQ20121056728
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月25日 優先權日2012年12月25日
發明者王建華, 伍波, 王廣飛, 蘇旭平, 涂浩, 劉亞 申請人:常州大學