本發(fā)明屬于鋁銅合金鑄造，尤其涉及一種原位顆粒增強(qiáng)鋁銅合金及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、鋁銅系合金具有良好的室溫和高溫力學(xué)性能以及切削加工性能，已在汽車(chē)部件中特別是發(fā)動(dòng)機(jī)缸體零件中得到廣泛應(yīng)用。而為了進(jìn)一步提高合金的力學(xué)性能，業(yè)界開(kāi)始將tib2作為增強(qiáng)顆粒引入鋁合金基體中，從而起到增強(qiáng)作用。tib2增強(qiáng)顆粒的引入可以有效地增強(qiáng)合金的室溫和高溫下的力學(xué)性能，又可以提高合金的蠕變性能，從而滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)使役性能的需要。

2、但是增強(qiáng)顆粒在加入到熔體中時(shí)會(huì)發(fā)生團(tuán)簇現(xiàn)象，從而影響合金熔體的粘度，一定程度降低了合金的流動(dòng)性，同時(shí)在冷卻后，增強(qiáng)顆粒團(tuán)簇會(huì)在晶界處聚集，在形變時(shí)造成應(yīng)力集中，降低了合金的伸長(zhǎng)率。

3、中國(guó)專(zhuān)利，cn110129641b，一種高性能原位tib2顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制備方法，主合金元素cu含量在4.5％-5.3％，并含有mn、ti、cd、zr、v、y等元素，制備方法為將氟硼酸鉀(kbf4)、氟鈦酸鉀(k2tif6)混合后，與酒精壓制成預(yù)制塊，放入電熱鼓風(fēng)干燥箱干燥后備用，預(yù)制塊中的tib2增強(qiáng)顆粒的以逐層剝離的形式熔入熔煉后的金屬液中進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)后采用抽取金屬液的方式將反應(yīng)所得的金屬液和熔鹽分離，然后將分離所得的金屬液精煉、澆注即可，最終得到增強(qiáng)顆粒分布均勻，顆粒尺寸均勻細(xì)小的復(fù)合材料，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度有所提高。但此材料合金元素含量較多，需要較多種類(lèi)的中間合金，同時(shí)混合鹽需要預(yù)先與酒精壓制成預(yù)制塊，這都提升了熔煉現(xiàn)場(chǎng)的操作難度，同時(shí)較高的合金含量會(huì)提升合金熔體粘度，從而減低合金的成型能力。

4、上述專(zhuān)利中制備的增強(qiáng)顆粒鋁銅合金力學(xué)性能有所提升，但是其需要一定預(yù)處理制備工藝，同時(shí)對(duì)由于zr元素的存在，在加入tib2強(qiáng)化顆粒后，可能會(huì)形成(ti，zr)b2化合物，從而降低的tib2顆粒對(duì)合金的細(xì)化和強(qiáng)化作用，不利于合金性能的提升。另外，雖然目前增強(qiáng)顆粒已在鋁合金領(lǐng)域中有較廣泛的應(yīng)用，但是在鑄造鋁銅合金中的作用探索較少。為此本專(zhuān)利提供一種操作簡(jiǎn)易的、能夠提升合金力學(xué)性能的原位tib2顆粒鑄造鋁銅合金及其制備方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提出了一種原位顆粒增強(qiáng)鋁銅合金及其制備方法，以解決現(xiàn)有鋁銅系合金中tib2增強(qiáng)顆粒在熔體中易發(fā)生團(tuán)簇，從而降低合金性能的問(wèn)題。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：一方面，本發(fā)明提供了一種原位顆粒增強(qiáng)鋁銅合金，按照重量百分比計(jì)，所述鋁銅合金包括如下組分：6.0％＜cu＜7.5％，0.3％＜mn＜0.5％，0.2％＜cd＜0.5％，0.1％＜zr＜0.3％，0.05％＜ti＜0.5％，0＜v＜0.2％，0.005＜b＜0.5％，0＜ce＜0.5％，余量為al。

3、本發(fā)明中，cu是鋁銅合金的主要強(qiáng)化元素，主要通過(guò)形成al2cu相來(lái)提高合金的強(qiáng)度和硬度。cu含量為6.0wt.％-7.5wt.％可以獲得良好的強(qiáng)度-塑性平衡。如果cu含量≤6.0wt.％，合金強(qiáng)度可能不足；≥7.5wt.％則可能導(dǎo)致過(guò)多的al2cu相形成，使合金變脆。

4、mn主要用于提高合金的抗腐蝕性和高溫強(qiáng)度，同時(shí)可以細(xì)化晶粒。mn含量為0.3wt.％-0.5wt.％時(shí)，mn可以形成彌散的al6mn相，有效提高合金性能。mn含量≤0.3wt.％可能無(wú)法達(dá)到預(yù)期的強(qiáng)化效果；≥0.5wt.％可能導(dǎo)致過(guò)多的粗大mn化合物形成，反而降低合金的塑性。

5、cd可以提高合金的抗蠕變性能和高溫強(qiáng)度。cd含量為0.2wt.％-0.5wt.％時(shí)，可均勻分布在晶界上，有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。cd含量≤0.2wt.％可能無(wú)法達(dá)到預(yù)期的抗蠕變效果；≥0.5wt.％可能導(dǎo)致鎘的毒性問(wèn)題，同時(shí)過(guò)多的cd也可能降低合金的延展性。

6、zr主要用于細(xì)化晶粒和提高合金的再結(jié)晶溫度。zr含量為0.1wt.％-0.3wt.％時(shí)，可形成細(xì)小的al3zr相，有效釘扎晶界。zr含量≤0.1wt.％可能無(wú)法達(dá)到預(yù)期的細(xì)化效果；≥0.3wt.％可能導(dǎo)致過(guò)多的zr與ti、b反應(yīng)，影響tib2顆粒的形成。

7、ti主要用于形成原位tib2顆粒和細(xì)化晶粒。ti含量為0.05wt.％-0.5wt.％時(shí)，ti可與b反應(yīng)形成均勻分布的tib2顆粒。ti含量≤0.05wt.％可能無(wú)法形成足夠的tib2顆粒；≥0.5wt.％可能導(dǎo)致過(guò)多的粗大tib2顆粒形成，影響合金的塑性。

8、v可以提高合金的高溫強(qiáng)度和抗蠕變性能。v含量為0wt.％-0.2wt.％時(shí)，可形成細(xì)小的彌散相，更為優(yōu)選的，v含量為0.05wt.％-0.2wt.％時(shí)。v含量≥0.2wt.％可能導(dǎo)致過(guò)多的v化合物形成，影響合金的塑性。

9、b主要用于與ti反應(yīng)形成tib2顆粒。b含量為0.005wt.％-0.5wt.％時(shí)，可充分與ti反應(yīng)。b含量≤0.005wt.％可能無(wú)法形成足夠的tib2顆粒；≥0.5wt.％可能導(dǎo)致過(guò)多的自由硼存在，影響合金的電導(dǎo)率。

10、ce可以細(xì)化晶粒，改善合金的高溫性能。ce含量為0wt.％-0.5wt.％時(shí)，可有效改善第二相的形貌，更為優(yōu)選的，ce含量為0.2wt.％-0.5wt.％。ce含量≥0.5wt.％可能導(dǎo)致過(guò)多的ce化合物形成，影響合金的塑性和加工性能。

11、另一方面，本發(fā)明提供了一種原位顆粒增強(qiáng)鋁銅合金的制備方法，包括以下步驟：

12、s1、按照合金的組成比例，將cu、mn、zr、v、al和cd對(duì)應(yīng)的原料混合進(jìn)行預(yù)熱，形成第一原料；

13、s2、將第一原料加熱熔化形成熔體，靜置冷卻至740-760℃，然后對(duì)熔體進(jìn)行精煉；

14、s3、將ti、b和ce對(duì)應(yīng)的原料混合進(jìn)行預(yù)熱，形成第二原料；步驟s2中精煉后的熔體加熱，將第二原料加入至熔體攪拌，然后靜置冷卻至740-760℃，進(jìn)行澆注，得到所述鋁銅合金。

15、具體地，步驟s1、s2中通過(guò)對(duì)原料進(jìn)行預(yù)熱可減少熔化過(guò)程中的能量消耗和氧化損失；隨后的熔化和精煉過(guò)程確保了合金成分的均勻性和純凈度。步驟s3中，將k2tif6、kbf4、ceo2混合物加入到鋁銅合金熔體中，能夠分散原位生成的tib2顆粒，減少tib2在晶界處的聚集，從而細(xì)化初生晶粒同時(shí)有效減小合金的二次枝晶間距?？刂圃?40-760℃進(jìn)行澆注，既保證了合金的流動(dòng)性，又避免了過(guò)高溫度可能導(dǎo)致的組織粗化。這種分步加料和溫度控制的方法不僅簡(jiǎn)化了操作，還有效解決了傳統(tǒng)方法中tib2顆粒團(tuán)簇的問(wèn)題，同時(shí)通過(guò)ce的作用優(yōu)化了微觀結(jié)構(gòu)。因此，該方法能夠制備出具有均勻分布tib2顆粒、優(yōu)化第二相形貌和細(xì)化晶粒結(jié)構(gòu)的高性能鋁銅合金，顯著提升了合金的綜合力學(xué)性能。

16、在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，步驟s1中，cu、mn、zr、v分別以al-cu合金、al-mn合金、al-zr合金、al-v合金的形式加入，所述al-cu合金中cu含量為50wt.％，al-mn合金中mn含量為10wt.％，al-zr合金中zr含量為10wt.％，al-v合金中v含量為10wt.％，所述al和cd以純金屬的形式加入。

17、在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，步驟s1中，預(yù)熱溫度為100-140℃，預(yù)熱時(shí)間為1-2h。

18、在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，步驟s2中，精煉具體包括：向熔體中加入合金總質(zhì)量的0.5-1.5％的六氯乙烷進(jìn)行精煉，并進(jìn)行扒渣處理。

19、通過(guò)加入六氯乙烷可凈化熔體、去除氣泡。六氯乙烷在高溫熔體中分解，釋放出氯氣，這一過(guò)程具有多重作用：首先，氯氣與熔體中的雜質(zhì)(如氫、鈉、鈣等)發(fā)生反應(yīng)，形成易于去除的氯化物，這些氯化物會(huì)浮到熔體表面，可以通過(guò)撇渣去除；其次，氯氣的氣泡在上升過(guò)程中能夠吸附熔體中的氫氣，有效降低鑄件的氣孔率；再者，氯氣的攪拌作用促進(jìn)了熔體的均勻性。

20、在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，步驟s3中，ti、b和ce分別以k2tif6粉末、kbf4粉末、ceo2粉末的形式預(yù)混加入熔體中。將k2tif6粉末、kbf4粉末、ceo2粉末在室溫下預(yù)混后，進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為100-140℃，預(yù)熱時(shí)間為1-2h，除去原料粉末中的水分。

21、在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，所述k2tif6粉末、kbf4粉末、ceo2粉末的粒徑為0.5-1.5μm。

22、在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，所述k2tif6粉末中ti含量為0.4-0.6wt.％，kbf4粉末中b含量為0.8-1.2wt.％、ceo2粉末中ce含量為0.4-0.6wt.％。

23、在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，步驟s3中，精煉后的熔體加熱至820-880℃，將第二原料加入熔體，于820-880℃保溫40-80min后再進(jìn)行攪拌。

24、在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，步驟s3中，所述鋁銅合金中包括：彌散分布的原位tib2顆粒，以及呈不連續(xù)骨架狀分布的al2cu和al6mn第二相。

25、本發(fā)明中，通過(guò)添加k2tif6、kbf4和ceo2粉末混合物形成的彌散分布原位tib2顆粒和呈不連續(xù)骨架狀分布的al2cu和al6mn第二相。彌散分布的tib2顆粒作為異質(zhì)形核核心，促進(jìn)了晶粒細(xì)化，增加了晶界面積，強(qiáng)化了晶界阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的能力，從而提高了合金的強(qiáng)度和塑性。同時(shí)，這些顆粒還能有效釘扎晶界，抑制晶粒長(zhǎng)大，提高合金的高溫穩(wěn)定性。不連續(xù)骨架狀分布的al2cu和al6mn第二相則減輕了對(duì)基體的割裂作用，降低了應(yīng)力集中，提高了合金的韌性和抗疲勞性能。這種微觀結(jié)構(gòu)的形成原理在于：加入k2tif6、kbf4、ceo2的粉末混合物在合金形成彌散的原位tib2顆粒，其中，ceo2粉末的加入使tib2顆粒在基體中分散分布，從而使合金產(chǎn)生明顯的晶粒細(xì)化，使得枝晶間距變窄同時(shí)ce的加入還會(huì)使晶界處的al2cu和al6mn第二相形貌由連續(xù)網(wǎng)狀轉(zhuǎn)變?yōu)椴贿B續(xù)骨架狀。

26、本發(fā)明的一種原位顆粒增強(qiáng)鋁銅合金及其制備方法相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有以下有益效果：

27、(1)通過(guò)加入k2tif6、kbf4、ceo2的粉末混合物在合金形成彌散的原位tib2顆粒，彌散分布的tib2顆粒作為異質(zhì)形核核心，促進(jìn)了晶粒細(xì)化，增加了晶界面積，強(qiáng)化了晶界阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的能力，從而提高了合金的強(qiáng)度和塑性；

28、(2)通過(guò)添加0.5wt.％的ceo2粉末，使tib2顆粒在基體中分散分布，從而使合金產(chǎn)生明顯的晶粒細(xì)化，使得枝晶間距變窄；同時(shí)ce元素的加入，還會(huì)使晶界處的al2cu和al6mn第二相形貌由連續(xù)網(wǎng)狀轉(zhuǎn)變?yōu)椴贿B續(xù)骨架狀，減輕了第二相對(duì)基體的割裂作用。