一种稀土铝合金材料及其制备方法和应用

本发明涉及合金材料，具体而言，涉及一种稀土铝合金材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、在众多材料之中，铝合金由于其密度小，强度高及良好的耐腐蚀性能和焊接性能，从而在航空航天、汽车船舶、建筑建材等领域得到广泛应用。目前，铝合金体系主要有al-si系、al-cu系、al-mg系。近年来随着人们对铝合金的需求越来越高，高强度、高延展性、抗腐蚀性已经成为高性能铝合金的门槛，尤其是在节能降耗的大趋势下，以铝合金代替钢应用在汽车生产之中将使得汽车整体重量大幅降低，致使车用铝合金的需求急剧增加，同时对车用铝合金的要求也进一步提高。

2、电解铝合金中铁的含量通常高于0.25wt%，fe元素通常作为一种有害元素存在于铝合金之中，并且除铁工艺复杂且昂贵，铁在铝合金中的固溶度较低（0.052wt%），在铝合金凝固过程中铁会以富铁相的形式存在，包括α-fe相、β-fe相。α-fe相呈汉字状，对基体力学性能影响小；而β-fe相呈针状，严重割据基体，显著降低铝合金的力学性能。目前，消除铁元素的有害作用主要从两个方面入手，一是直接去除铁相，但是此方法对工艺要求很高同时价格也非常昂贵；二是让β-fe相向α-fe相转变，降低β-fe相的有害性。富铁金属化合物被认为依附于异质颗粒表面形核，主要包含氧化物，碳化物，硼化物等。铝合金中富铁相的形貌及其尺寸极大的限制了合金的应用范围，对合金的生产和应用都造成了一定的困难。

3、稀土元素(re)有“工业维生素”的美誉，可作为一种稳定而高效的变质剂应用于铝合金的生产之中，在众多的稀土铝合金的研究和生产之中稀土元素sc对铝合金性能改善的作用效果最为突出，稀土sc在高温下可以与al元素形成al3sc，该物质具有l12型结构与α-al的结构相同，al3sc与α-al的错配度仅为0.9%，可以作为很好的异质形核位点，从而增加铝合金晶粒数量进而细化了晶粒尺寸，并且al3sc的熔点为1320℃，因此al3sc一旦形成便可作为稳定的变质剂。然而sc的价格十分昂贵，极大的限制了其在铝合金研发及生产上的应用。

4、鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种稀土铝合金材料及其制备方法和应用，以改善上述技术问题。

2、本发明是这样实现的：

3、第一方面，本发明提供了一种稀土铝合金材料，按重量百分比计，其化学组成为：mg4%~5%、si≤0.2%、fe≤0.35%、cu≤0.15%、mn0.2%~0.5%、zn≤0.25%、ti≤0.1%、cr≤0.1%以及稀土元素re0.2%~0.4%，余量为铝和不可避免的杂质，杂质含量≤0.15%；其中，re包括富铈稀土和er，所述富铈稀土由原子质量比为（60~70）：（30~40）的ce和la组成。

4、可选地，富铈稀土和er的质量比为4：（1~4），优选4：（2~4），更优选4：（2~3.5）。

5、第二方面，本发明还提供了一种上述稀土铝合金材料的制备方法，其包括：按照其化学组成，将对应的原料混合熔炼，浇铸，以得到所述稀土铝合金材料。

6、可选地，熔炼采用真空感应熔炼技术进行。

7、可选地，熔炼前，先将真空感应炉抽真空至1000pa以下，再充入惰性气体，优选惰性气体为氩气。

8、可选地，采用感应线圈对所述原料进行加热，升温至780℃~800℃，保温1~2min，之后静置1min~3min。

9、可选地，原料包括5182铝合金、al-20mg和所需的稀土中间合金，熔炼时，将所需的稀土中间合金置于其他原料的中间。

10、可选地，采用感应线圈对所述原料进行加热为：依次采用4kw~6kw、8kw~12kw和13kw~17kw进行三段加热，其中，第一段加热的时间控制为1.5min~2.5min、第二段加热的时间控制为2min~4min以及第三段加热的时间控制为2min~4min。

11、可选地，控制浇铸时合金溶液的温度为750℃~760℃。

12、可选地，在浇铸时，控制模具的温度在100℃以上。

13、第三方面，本发明还提供了上述稀土铝合金材料在航空航天、汽车船舶或建筑建材中的应用。

14、本发明具有以下有益效果：通过将轻稀土元素（富铈稀土）和重稀土元素（er）的相互配合，以使得该稀土元素的组合在铝合金中起到成分过冷和异质形核的多重作用效果，对α-al、富铁相及网格状的mg2si起到变质改性的效果，优化了α-al、富铁相和网格状的mg2si的形貌及尺寸，从而优化了铝合金的组织结构，提高了其抗拉强度和延伸率。此外，该稀土元素的组合均为相对廉价的稀土元素，其克服了采用稀土元素sc对铝合金改性的昂贵价格而导致的应用限制。

技术特征：

1.一种稀土铝合金材料,其特征在于,按重量百分比计,其化学组成为:mg4%~5%、si≤0.2%、fe≤0.35%、cu≤0.15%、mn0.2%~0.5%、zn≤0.25%、ti≤0.1%、cr≤0.1%以及稀土元素re0.2%~0.4%，余量为铝和不可避免的杂质，杂质含量≤0.15%；其中，re包括富铈稀土和er，所述富铈稀土由原子质量比为(60~70):(30~40)的ce和la组成，所述富铈稀土和er的质量比为4：（1~4）。

2.根据权利要求1所述的稀土铝合金材料，其特征在于，所述富铈稀土和er的质量比为4：（2~4）。

3.一种如权利要求1所述的稀土铝合金材料的制备方法，其特征在于，其包括：按照其化学组成，将对应的原料混合熔炼，浇铸，以得到所述稀土铝合金材料。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，熔炼采用真空感应熔炼技术进行。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，熔炼前，先将真空感应炉抽真空至1000pa以下，再充入惰性气体。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，采用感应线圈对所述原料进行加热，升温至780℃~800℃，保温1~2min，之后静置1min~3min。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，采用感应线圈对所述原料进行加热为：依次采用4kw~6kw、8kw~12kw和13kw~17kw进行三段加热，其中，第一段加热的时间控制为1.5min~2.5min、第二段加热的时间控制为2min~4min以及第三段加热的时间控制为2min~4min。

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，原料包括5182铝合金、al-20mg和所需的稀土中间合金，熔炼时，将所需的稀土中间合金置于其他原料的中间。

9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，控制浇铸时合金溶液的温度为750℃~760℃，模具的温度在100℃以上。

10.如权利要求1或2所述的稀土铝合金材料在航空航天、汽车船舶或建筑建材中的应用。

技术总结本发明公开了一种稀土铝合金材料及其制备方法和应用，按重量百分比计，该稀土铝合金材料的化学组成为：Mg4%~5%、Si≤0.2%、Fe≤0.35%、Cu≤0.15%、Mn0.2%~0.5%、Zn≤0.25%、Ti≤0.1%、Cr≤0.1%以及稀土元素RE0.2%~0.4%，余量为铝和不可避免的≤0.15%的杂质；其中，RE包括富铈稀土（Ce和La）和Er。通过将轻稀土元素和重稀土元素（Er）的相互配合，以使得其在铝合金中起到成分过冷和异质形核的多重作用效果，对α‑Al、富铁相及网格状的Mg<subgt;2</subgt;Si起到变质改性的效果，优化了α‑Al、富铁相和网格状的Mg<subgt;2</subgt;Si的形貌及尺寸，提高了其抗拉强度和延伸率。技术研发人员：巩天浩,解程程,杜赵新受保护的技术使用者：内蒙古工业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5