一种极低密度纳米低温铝锂合金及其制备方法

1.本发明涉及铝合金材料和制造技术领域，具体涉及一种极低密度纳米低温铝锂合金及其制备方法。


背景技术：

2.新一代航天发动机以液氢/液氧燃料为主,其低温液体燃料储存系统工作在低温环境下,对液体燃料贮槽、贮罐等储存设备材料严格要求其密度小、低温性能优良；其中，低温环境指环境温度为20～100k。
3.铝锂合金具有质量轻、高比刚度和高比强度的特性，加入2％的锂(li)可使铝锂合金的密度下降10％，弹性模量提高25％～35％；当li含量小于10wt％时，其面心立方为主的晶体结构特征，使其具有优良的低温性能，且在低温环境中拉伸断裂、屈服、疲劳、塑性、韧性等性能均随温度降低呈升高的趋势，因此铝锂合金被认为是航天发动机低温液体燃料储存设备最为理想的结构材料之一。
4.但是，由于锂元素特别轻而活泼，其化学活性及其与铝元素的比重和原子半径的差别，使得采用现有普通熔炼工艺制备低密度铝锂合金时，锂元素很难均匀地熔入到合金中；同时受铝锂合金强化机制、综合性能等要求的制约，现有低密度铝锂合金中锂含量不超过3.5wt％,且需要加入大量的镁元素，使其密度下降20％左右，但由于镁元素的大量加入，恶化了铝锂合金的低温性能，不能满足航天发动机液体燃料储存设备材料的轻质、耐低温的目标需求。
5.综上，现有技术中的低密度铝锂合金及其制备方法存在锂含量低、成分不均匀、存在偏析组织、晶粒尺寸大、合金密度大以及镁含量高而低温性能不佳的问题。


技术实现要素：

6.鉴于上述问题，本发明提供了一种极低密度纳米低温铝锂合金及其制备方法，解决了现有技术中的低密度铝锂合金及其制备方法存在锂含量低、成分不均匀、存在偏析组织、晶粒尺寸大、合金密度大以及镁含量高而低温性能不佳的问题。
7.本发明提供了一种极低密度纳米低温铝锂合金，包括如下质量百分比的各组份：锂：5.00～10.00wt％，铝质量百分比不小于90wt％。
8.进一步的，所述极低密度纳米低温铝锂合金包括如下质量百分比的各组份：锂：5.00～10.00wt％，余量为铝。
9.进一步的，所述极低密度纳米低温铝锂合金具有晶粒尺寸100nm以下的超细且均匀的纳米组织。
10.进一步的，所述极低密度纳米低温铝锂合金具有如下性能：密度为2.08～2.23g/cm3，在20～100k的环境温度下，抗拉强度为384～492mpa，比强度为184～232mpa/gcm-3
。
11.本发明还提供了一种极低密度纳米低温铝锂合金的制备方法，用于制备所述极低密度纳米低温铝锂合金，包括如下步骤：
12.s1.合金原材料预处理：将合金原材料按设计比例放入微重力真空电磁感应冷坩埚熔炼炉，抽真空后通入氩气；其中，所述微重力真空电磁感应冷坩埚熔炼炉包括微重力环境装置和坩埚降温装置；
13.s2.微重力合金熔炼：启动所述微重力环境装置，达到并保持微重力条件，将步骤s1得到的所述合金原材料进行熔炼得到合金液；其中，微重力条件指重力或其它的外力引起的加速度不超过10-4
g。
14.s3.微重力合金冷却凝固：保持微重力条件，启动所述坩埚降温装置，将步骤s2得到的所述合金液冷却凝固成合金铸锭；
15.s4.铸锭表面处理：将步骤s3得到的合金铸锭加工成合金锭坯；
16.s5.超塑性变形处理：将步骤s4得到的合金锭坯，以8～12％的剪切应变量进行超塑性变形处理，得到铝锂合金。
17.进一步的，步骤s1中在抽真空后通入氩气之前，使微重力真空电磁感应冷坩埚熔炼炉通电预热至100～260℃。
18.进一步的，步骤s2中达到并保持微重力条件的同时，将微重力真空电磁感应冷坩埚熔炼炉的真空度保持在3.00
×
10-6
mpa。
19.进一步的，步骤s3中的所述冷却凝固成合金铸锭的冷却速率为40～60℃/s。
20.进一步的，步骤s3得到的所述合金铸锭，具有成分均匀、无偏析的组织。
21.进一步的，对步骤s4得到的合金锭坯进行挤压预处理，将合金锭坯预热至100～150℃，将预热后的合金锭坯放置于挤压机中，并在400～430℃的温度下进行挤压，得到挤压态合金，且挤压比为6～15；再对挤压态合金进行轧制预处理，将挤压态合金在400～430℃的恒温环境下进行热轧加工，单道次压下量为10～15％，得到轧制态合金；然后对轧制态合金执行步骤s5的超塑性变形处理。
22.与现有技术相比，本发明至少具有现如下有益效果：
23.(1)本发明的极低密度纳米低温铝锂合金及其制备方法，通过设计锂含量高达5.00～10.00wt％的铝锂合金，密度达2.08～2.23g/cm3；同时，规避了现有技术中由于锂含量不高而通过大量加入镁来降低铝锂合金密度这一技术手段、因而恶化其铝锂合金的低温性能的不利效果。
24.(2)本发明的极低密度纳米低温铝锂合金的制备方法，采用特殊微重力熔炼技术，获得成分均匀、无偏析组织合金铸锭。
25.(3)本发明的极低密度纳米低温铝锂合金的制备方法，采用超塑性变形技术进行特殊处理，获得晶粒尺寸100nm以下的超细、均匀纳米组织铝锂合金。
26.(4)本发明的极低密度纳米低温铝锂合金，密度为2.08～2.23g/cm3，比现有低密度铝锂合金降低20％以上；合金成分均匀、无偏析，晶粒尺寸100nm以下的超细均匀纳米组织低温稳定性极好；在77k低温条件下，其抗拉强度接近500mpa左右，低温比强度达230mpa/gcm-3
以上，超过高强钛合金的低温比强度性能水平，为一种全新的用于低温环境的极低密度铝锂合金。
附图说明
27.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制。
28.图1为本发明实施例1～3中极低密度纳米低温铝锂合金的制备方法流程图；
29.图2为本发明实施例1～4中微重力真空电磁感应冷坩埚熔炼炉的结构示意图；
30.图3为本发明实施例2中步骤s3得到的合金铸锭照片；
31.图4为本发明实施例2中步骤s3得到的极低密度纳米低温铝锂合金的微观组织图。
具体实施方式
32.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。另外，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
33.实施例1
34.本发明的一个具体实施例，公开了一种极低密度纳米低温铝锂合金，包括如下质量百分比的各组份：锂：5.00wt％，余量为铝。
35.本实施例还公开了一种极低密度纳米低温铝锂合金的制备方法，如图1所示，用于制备上述极低密度纳米低温铝锂合金，包括如下步骤：
36.s1.合金原材料预处理：将合金原材料按设计比例放入特殊设计的微重力真空电磁感应冷坩埚熔炼炉，通电预热至100℃，抽真空后通入氩气；其中，所述微重力真空电磁感应冷坩埚熔炼炉如图2所示，是将金属熔体置于相互交叉的电磁场中，熔体激发的电磁容积力作用在每个单元体积上，其作用力与重力方向相反，克服部分重力，形成微重力环境。可以降低熔体内部因铝-锂合金元素密度偏差引起的偏析，从而获得成分均匀的合金，大幅度提高铝合金中锂元素的含量。此外，还设计冷却水系统，凝固过程用冷却水降低坩埚的温度，强制冷却熔体，加大熔体凝固过程的冷却速率，从而有利于形成细晶组织。
37.其中，合金原材料指99.99％工业重熔精铝锭和99.95％高纯锂锭。
38.s2.微重力合金熔炼：启动所述微重力环境装置，达到并保持微重力条件，通入氩气后将真空度保持在3.00
×
10e-6mpa，温度控制在660℃，保温15分钟，将步骤s1得到的所述合金原材料进行熔炼得到合金液；其中，微重力条件指重力或其它的外力引起的加速度不超过10-4
g，优选10-5
g。
39.s3.微重力合金冷却凝固：保持微重力条件，启动所述坩埚降温装置，将步骤s2得到的所述合金液以40℃/s快速冷却凝固成合金铸锭；其中，合金铸锭具有成分均匀、无偏析的组织。
40.s4.铸锭表面处理：将步骤s3得到的合金铸锭进行机加工，去掉表面氧化皮，加工成圆柱体合金锭坯。
41.挤压预处理：将合金锭坯预热至100℃，将预热后的合金锭坯放置于挤压机中，并在400℃的温度下进行挤压，得到挤压态合金，且挤压比为6。
42.轧制预处理：将挤压态合金在400℃的恒温环境下进行热轧加工，单道次压下量为10％，得到轧制态合金。
43.s5.超塑性变形处理：将步骤s4得到的轧制态合金，以8％的剪切应变量进行超塑性变形处理，得到极低密度纳米低温铝锂合金，该极低密度纳米低温铝锂合金具有晶粒尺寸为98
±
2nm的超细且均匀的纳米组织。其中，超塑性变形处理是指采用超高压扭转在高度
方向施加压力的同时，通过主动摩擦作用在横截面上施加扭矩，实现扭转-压缩复合变形，使变形合金产生轴向压缩和切向剪切变形的特殊塑性变形。
44.实施例2
45.本发明的一个具体实施例，公开了一种极低密度纳米低温铝锂合金，包括如下质量百分比的各组份：锂：8.22wt％，余量为铝。
46.本实施例还公开了一种极低密度纳米低温铝锂合金的制备方法，如图1所示，用于制备上述极低密度纳米低温铝锂合金，包括如下步骤：
47.s1.合金原材料预处理：将合金原材料按设计比例放入特殊设计的微重力真空电磁感应冷坩埚熔炼炉，通电预热至180℃，抽真空后通入氩气；其中，所述微重力真空电磁感应冷坩埚熔炼炉包括微重力环境装置和坩埚降温装置；其中，合金原材料指99.99％工业重熔精铝锭和99.95％高纯锂锭。
48.s2.微重力合金熔炼：启动所述微重力环境装置，达到并保持微重力条件，通入氩气后将真空度保持在3.00
×
10e-6mpa，温度控制在663℃，保温12分钟，将步骤s1得到的所述合金原材料进行熔炼得到合金液；其中，微重力条件指重力或其它的外力引起的加速度不超过10-4
g，优选10-5
g。
49.s3.微重力合金冷却凝固：保持微重力条件，启动所述坩埚降温装置，将步骤s2得到的所述合金液以50℃/s快速冷却凝固成合金铸锭，如图3所示；其中，合金铸锭具有成分均匀、无偏析的组织。
50.s4.铸锭表面处理：将步骤s3得到的合金铸锭进行机加工，去掉表面氧化皮，加工成直径为108mm，高为140mm的圆柱体合金锭坯。
51.挤压预处理：将合金锭坯预热至130℃，将预热后的合金锭坯放置于挤压机中，并在415℃的温度下进行挤压，得到挤压态合金，且挤压比为10。
52.轧制预处理：将挤压态合金在415℃的恒温环境下进行热轧加工，单道次压下量为12％，得到轧制态合金。
53.s5.超塑性变形处理：将s4步骤得到的轧制态合金，以12％的剪切应变量进行超塑性变形处理，得到极低密度纳米低温铝锂合金，如图4所示，该极低密度纳米低温铝锂合金具有晶粒尺寸53
±
1nm的超细且均匀的纳米组织。
54.实施例3
55.本发明的一个具体实施例，公开了一种极低密度纳米低温铝锂合金，包括如下质量百分比的各组份：锂：10.00wt％，余量为铝。
56.本实施例还公开了一种极低密度纳米低温铝锂合金的制备方法，如图1所示，用于制备上述极低密度纳米低温铝锂合金，包括如下步骤：
57.s1.合金原材料预处理：将合金原材料按设计比例放入特殊设计的微重力真空电磁感应冷坩埚熔炼炉，通电预热至260℃，抽真空后通入氩气；其中，所述微重力真空电磁感应冷坩埚熔炼炉包括微重力环境装置和坩埚降温装置；其中，合金原材料指99.99％工业重熔精铝锭和99.95％高纯锂锭。
58.s2.微重力合金熔炼：启动所述微重力环境装置，达到并保持微重力条件，通入氩气后将真空度保持在3.00
×
10e-6mpa，温度控制在667℃，保温10分钟，将步骤s1得到的所述合金原材料进行熔炼得到合金液；其中，微重力条件指重力或其它的外力引起的加速度
不超过10-4
g，优选10-5
g。
59.s3.微重力合金冷却凝固：保持微重力条件，启动所述坩埚降温装置，将步骤s2得到的所述合金液以60℃/s快速冷却凝固成合金铸锭；其中，合金铸锭具有成分均匀、无偏析的组织。
60.s4.铸锭表面处理：将步骤s3得到的合金铸锭进行机加工，去掉表面氧化皮，加工成圆柱体合金锭坯。
61.挤压预处理：将合金锭坯预热至150℃，将预热后的合金锭坯放置于挤压机中，并在430℃的温度下进行挤压，得到挤压态合金，且挤压比为15。
62.轧制预处理：将挤压态合金在430℃的恒温环境下进行热轧加工，单道次压下量为15％，得到轧制态合金。
63.s5.超塑性变形处理：将s4步骤得到的轧制态合金，以10％的剪切应变量进行超塑性变形处理，得到极低密度纳米低温铝锂合金，该极低密度纳米低温铝锂合金具有晶粒尺寸76
±
2nm的超细且均匀的纳米组织。
64.实施例4
65.本发明的一个具体实施例，公开了一种极低密度纳米低温铝锂合金，包括如下质量百分比的各组份：锂：8.22wt％，余量为铝。
66.本实施例还公开了一种极低密度纳米低温铝锂合金的制备方法，用于制备上述极低密度纳米低温铝锂合金，包括如下步骤：
67.s1.合金原材料预处理：将合金原材料按设计比例放入特殊设计的微重力真空电磁感应冷坩埚熔炼炉，通电预热至100℃，抽真空后通入氩气；其中，所述微重力真空电磁感应冷坩埚熔炼炉包括微重力环境装置和坩埚降温装置；其中，合金原材料指99.99％工业重熔精铝锭和99.95％高纯锂锭。
68.s2.微重力合金熔炼：启动所述微重力环境装置，达到并保持微重力条件，通入氩气后将真空度保持在3.00
×
10e-6mpa，温度控制在663℃，保温12分钟，将步骤s1得到的所述合金原材料进行熔炼得到合金液；其中，微重力条件指重力或其它的外力引起的加速度不超过10-4
g，优选10-5
g。
69.s3.微重力合金冷却凝固：保持微重力条件，启动所述坩埚降温装置，将步骤s2得到的所述合金液以50℃/s快速冷却凝固成合金铸锭；其中，合金铸锭具有成分均匀、无偏析的组织。
70.s4.铸锭表面处理：将步骤s3得到的合金铸锭进行机加工，去掉表面氧化皮，加工成圆柱体合金锭坯。
71.s5.超塑性变形处理：将s4步骤得到的合金锭坯，以8％的剪切应变量进行超塑性变形处理，得到极低密度纳米低温铝锂合金，该极低密度纳米低温铝锂合金晶粒尺寸小于100nm的超细纳米组织。
72.对实施例1～4中步骤s3所得到的合金铸锭，进行沿轴线上中下位置取样，为避免高锂铝合金铸锭表面与水反应剧烈，故采用阿基米德排丙酮法，对合金铸锭样品的密度进行测试。取上中下位置各3组试样的平均值作为测试结果。
73.对实施例1～4中超塑性变形处理后所得到的极低密度纳米低温铝锂合金，采用100kn规格的sans万能力学性能测试机，设置拉伸速度为0.1mm/min，借助特制的拉伸专用
夹具，对厚度2mm非标准板状试样，进行单向静拉伸测试，每个数据点取3个试样测量值的平均值为室温抗拉强度测试结果；在特制拉伸专用夹具中加入液氮，温度控制为77k，将试样完全浸没在液氮里面，保温时间为10min，拉伸速率为1.0mm/min，对厚度2mm非标准板状试样进行低温拉伸测试，每个数据点取3个试样测量值的平均值为低温抗拉强度测试结果。对获得的试样各性能测试结果进行统计，如表1所示。
74.表1极低密度纳米低温铝锂合金性能测试结果
[0075][0076]
通过测试结果可知，本发明得到的极低密度纳米低温铝锂合金，最低密度仅为2.08g/cm3，低于现有最低密度为2.25g/cm3的超低密度铝锂合金7％以上，是目前最低密度的铝锂合金材料；其低温抗拉强度接近500mpa左右，低温比强度达230mpa/gcm-3
以上，超过高强钛合金的低温比强度性能水平。
[0077]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种极低密度纳米低温铝锂合金，其特征在于，包括如下质量百分比的各组份：锂：5.00～10.00wt％，铝质量百分比不小于90wt％。2.根据权利要求1所述极低密度纳米低温铝锂合金，其特征在于，包括如下质量百分比的各组份：锂：5.00～10.00wt％，余量为铝。3.根据权利要求2所述的极低密度纳米低温铝锂合金，其特征在于，具有晶粒尺寸100nm以下的超细且均匀的纳米组织。4.根据权利要求3所述的极低密度纳米低温铝锂合金，其特征在于，具有如下性能：密度为2.08～2.23g/cm3，在20～100k的环境温度下，抗拉强度为384～492mpa，比强度为184～232mpa/gcm-3
。5.一种极低密度纳米低温铝锂合金的制备方法，用于制备权利要求1～4中任一项所述的极低密度纳米低温铝锂合金，其特征在于，包括如下步骤：s1.合金原材料预处理：将合金原材料按设计比例放入微重力真空电磁感应冷坩埚熔炼炉，抽真空后通入氩气；其中，所述微重力真空电磁感应冷坩埚熔炼炉包括微重力环境装置和坩埚降温装置；s2.微重力合金熔炼：启动所述微重力环境装置，达到并保持微重力条件，将步骤s1得到的所述合金原材料进行熔炼得到合金液；其中，微重力条件指重力或其它的外力引起的加速度不超过10-4
g。s3.微重力合金冷却凝固：保持微重力条件，启动所述坩埚降温装置，将步骤s2得到的所述合金液冷却凝固成合金铸锭；s4.铸锭表面处理：将步骤s3得到的合金铸锭加工成合金锭坯；s5.超塑性变形处理：将步骤s4得到的合金锭坯，以8～12％的剪切应变量进行超塑性变形处理，得到极低密度纳米低温铝锂合金。6.一种权利要求5所述的极低密度纳米低温铝锂合金的制备方法，其特征在于，步骤s1中在抽真空后通入氩气之前，使微重力真空电磁感应冷坩埚熔炼炉通电预热至100～260℃。7.一种权利要求6所述的极低密度纳米低温铝锂合金的制备方法，其特征在于，步骤s2中达到并保持微重力条件的同时，将微重力真空电磁感应冷坩埚熔炼炉的真空度保持在3.00
×
10-6
mpa。8.根据权利要求7所述的极低密度纳米低温铝锂合金的制备方法，其特征在于，步骤s3中的所述冷却凝固成合金铸锭的冷却速率为40～60℃/s。9.根据权利要求8所述的极低密度纳米低温铝锂合金的制备方法，其特征在于，步骤s3得到的所述合金铸锭，具有成分均匀、无偏析的组织。10.根据权利要求9所述的极低密度纳米低温铝锂合金的制备方法，其特征在于，对步骤s4得到的合金锭坯进行挤压预处理，将合金锭坯预热至100～150℃，将预热后的合金锭坯放置于挤压机中，并在400～430℃的温度下进行挤压，得到挤压态合金，且挤压比为6～15；再对挤压态合金进行轧制预处理，将挤压态合金在400～430℃的恒温环境下进行热轧加工，单道次压下量为10～15％，得到轧制态合金；然后对轧制态合金执行步骤s5的超塑性变形处理。

技术总结
本发明涉及一种极低密度纳米低温铝锂合金及其制备方法，属于铝合金材料和制造技术领域，解决了现有技术中低密度铝锂合金及其制备方法存在锂含量低、成分不均匀、存在偏析组织、晶粒尺寸大、合金密度大以及镁含量高而低温性能不佳的问题。本发明通过设计锂含量高达5.00～10.00wt％的铝锂合金，不需要加入镁；采用特殊微重力熔炼，获得成分均匀、无偏析组织合金铸锭；采用超塑性变形进行处理，获得晶粒尺寸100nm以下的超细、均匀纳米组织铝锂合金，密度为2.08～2.23g/cm3，比现有低密度铝锂合金降低20％以上；低温稳定性极好，在77K低温条件下，其抗拉强度接近500Mpa左右，低温比强度达230Mpa/gcm-3


技术研发人员：郭洪波 马岳 何雯婷 何健 魏亮亮 彭徽 徐惠彬
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/10/5