CN100415918C

CN100415918C - 高Zn含量超高强高韧高损伤容限型铝合金材料及制备方法

Info

Publication number: CN100415918C
Application number: CNB2005101092707A
Authority: CN
Inventors: 张永安; 熊柏青; 朱宝宏; 刘红伟; 王�锋
Original assignee: Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Current assignee: GRIMN Engineering Technology Research Institute Co Ltd
Priority date: 2005-10-20
Filing date: 2005-10-20
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2025-10-20
Also published as: CN1834277A

Abstract

本发明公开了一种(9～10)wt%Zn含量的超高强高韧高损伤容限型铝合金材料及其制备方法，按重量百分比计，该合金成分为Zn 9～10wt%，Mg2.0～2.5wt%，Cu1.2～1.7wt%，Zr 0.2～0.5wt%，Fe＜0.05wt%，Si＜0.05wt%，其余为Al。按合金成分配料，将原料熔化，浇铸成合金预制锭。在780～800℃将合金预制锭熔化，以惰性气体为雾化气体，进行快速凝固喷射成形制备，雾化压力为0.5～1.0MPa。本发明的(9～10)wt%Zn含量的高强高韧铝合金材料的合金成分均匀、显微组织均匀、组织细小、无偏析。该材经热挤压或热锻压变形加工，并经合理的热处理后材料的极限抗拉强度可达750MPa以上，材料的延伸率保持在8～11%，同时其断裂韧性和疲劳性能优于7050T74材料。该材料可应用于航空航天、核工业、军工等领域的关键结构部件。

Description

高Zn含量超高强高韧高损伤容限型铝合金材料及制备方法

技术领域

本涉发明及一种铝合金，特别是强度在750MPa以上，同时具有高的断裂韧性和疲劳性能的高强高韧高损伤容限铝合金材料及其制备方法。

背景技术

铝合金作为金属材料中最典型的轻质材料，具有比重低、易加工、成本低等优点，一直是一种关键的军民两用材料。铝合金是仅次于钢铁，用量第二大的金属结构材料，而高强高韧是铝合金永恒的发展方向，如果铝合金极限抗拉强度达到800MPa，其比强度值将达到300MPa·cm³/g(对于比强度值300MPa·cm³/g，意味着钢铁材料要求强度达到2350MPa，钛合金达到1450MPa)，将成为目前比强度最高的金属结构材料之一。

7000系(AlZnMgCu系)高强铝合金是以航空航天用材为背景研制并发展起来的一类铝合金材料，长期以来被广泛用于各种飞机机身、机翼梁、机舱壁板、核工业和火箭中高强度结构零件等的制造，是世界各国航空航天工业中不可缺少的重要材料。

长期以来，在采用传统铸锭冶金工艺开发和生产7000系超高强合金过程中，人们发现随着主合金元素(Zn、Mg、Cu)总含量增加、合金化程度的提高，最终合金中时效强化相体积分数有所增加、材料的性能可以得到一定程度的提升。但当主合金元素(Zn、Mg、Cu)总含量超过一定界限时，由于传统制坯工艺凝固冷却速度的限制(一般不超过10K/s)，合金中会形成大量的粗大一次析出相，这些一次析出相很难通过后续的固溶处理使其回溶到基体中，不仅不会进一步提高最终合金中时效强化相的体积分数，反而会恶化材料的各项性能。因此，在采用传统铸锭冶金及变形加工工艺生产7000系铝合金时，一般控制合金中的主合金元素(Zn、Mg、Cu)总含量最高不超过12～13wt％，上述原因直接导致了国际上生产的这类合金的极限抗拉强度(σ_b)长期以来徘徊在500～600MPa左右。

进入二十世纪八十年代以后，随着快速凝固/粉末冶金(RS/PM，Rapidlysolidified technology/Powder metallurgy)技术的发展，使得开发新一代快速凝固7XXX系超高强铝合金成为可能。采用快速凝固工艺后，即使突破主合金元素总含量12～13wt％的界限进行新型合金的成分设计，由于制坯过程中的凝固速度明显加快(可达10³～10⁶K/s以上)，制坯过程中合金元素的固溶度增加、一般不会出现大量的粗大一次析出相，同时组织可以明显细化，因此有利于在最终的合金中形成更高体积分数的时效强化相和细晶组织，材料的最终性能可以大幅度提高。将快速凝固技术用于高强铝合金的制备可以使材料的性能得到较大的提升，极限抗拉强度可以从600MPa提升到800MPa以上，使材料的性能达到一个全新的水平。

以美国、德国为代表的工业发达国家在20世纪90年代中期就已经利用喷射成形技术，成功地开发制备出了800MPa强度级快速凝固超高强7000系铝合金--这种合金的主合金元素总含量要远远高于传统工艺生产的各种7000系铝合金，并已经可以进行批量生产，其挤压材主要性能指标可达到：屈服强度在750MPa以上，极限抗拉强度在800MPa以上，延伸率4～6％，抗断裂韧性不低于21～22MPa*m1/2，弹性模量不低于72GPa，其主要应用包括导弹和火箭中的各种轻质高强零部件、高速列车挂钩、赛车中的关键零部件等。

但在上述快速凝固超高强7000系铝合金发展过程中也存在明显的不足，表现在合金成分的优化设计工作相对薄弱，目前生产的合金延伸率偏低、断裂韧性值和抗疲劳性能差，难以满足大量新一代航空航天装备发展中提出的高损伤容限、高可靠性、高安全性、长寿命的要求，合金的应用范围受到限制。

本专利申请单位前期申请了(10～11)重量％Zn含量的超高强度高韧性铝合金材料及其制备方法，(申请号为：03119605.5，申请日为2003年3月14日)该材料已获得实际应用。但是正如上所述，在一些需要强调高断裂韧性、高疲劳性能、高损伤容限性能的场合(比如，航空航天领域)，此类材料的应用受到了很大的制约。正是基于以上认识和需求，本专利申请单位开展了针对性地研究，并取得了很好的效果，因此申请本专利。

另外，目前工业发达国家对喷射成形制备超高强7000系铝合金材料的全套技术目前仍采取KnowHow的形式予以保护，至今仍未形成任何专利。

发明内容

本发明的目的是提供一种极限抗拉强度在750MPa以上的超高强高韧高损伤容限型铝合金材料，该新型合金比传统高强高韧铝合金强度提高30％以上。

本发明的另一目的是提供一种适用于制造极限抗拉强度在750MPa以上的超高强高韧高损伤容限型铝合金材料的制备方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明的极限抗拉强度在750MPa以上的超高强高韧高损伤容限型铝合金材料按重量百分比计，合金成分为Zn 9～10wt％，Mg 2.0～2.5wt％，Cu1.2～1.7wt％，Zr 0.2～0.5wt％，Fe＜0.05wt％，Si＜0.05wt％，其余为Al，该铝合金材料是通过采用喷射成形制备、热变形加工和热处理而制成的。该材料显微组织均匀，晶粒细小，无明显的微观和宏观偏析现象发生。通过适当热处理，材料的主要力学性能达到：σ_b＝750～780Mpa，σ_0.2＝720～750MPa，δ₅＝8～11％，K_IC(MPa*m^1/2)≥31，da/dN≤6×10^-3mm/cycle。

本发明的一种适用于制造极限抗拉强度在750MPa以上的超高强高韧高损伤容限型铝合金材料的制备方法，该方法包括下述步骤：

(1)按合金成分，按重量百分比计，该合金成分为，Zn 9～10wt％，Mg

2.0～2.5wt％，Cu1.2～1.7wt％，Zr 0.2～0.5wt％，Fe＜0.05wt％，Si＜0.05wt％，其余为Al，进行配料，配制预制合金锭；

(2)升温将合金预制锭熔化后，采用惰性气体并通过雾化喷嘴进行雾化，雾化喷嘴以1～5HZ的频率高速扫描，雾化气体为高纯惰性气体，雾化压力为0.5～1.0Mpa；

(3)在气雾化的同时，接收装置在变频电机的牵引下以60～120rpm的速度高速旋转，并以30～40°的角度下拉和20～40mm/min的速度下拉，制成圆锭；

(4)进行热挤压或热锻压工艺成型，加工成所需的部件；

(5)将该部件进行双级固溶和双级时效，即制成高Zn含量的超高强高韧高损伤容限型铝合金材料。

本发明所采用的Zn、Al、Cu、Mg、Zr分别是选取工业纯Zn、工业纯Al、电解Cu、工业纯Mg、Al-Zr中间合金。

在本发明的方法的步骤(1)中，所述的配制预制合金锭的过程是在惰性气体保护下升温至850～900℃将原料熔化，待混合均匀后浇铸成预制合金锭。

在本发明的方法的步骤(2)中，所述的将合金预制锭熔化过程是将预制合金锭装入非真空喷射成形设备，在覆盖剂保护下感应加热至800～850℃将合金锭熔化，保温10～20min使合金熔体均匀化，并加除渣剂和精炼剂进行除气除渣精炼。所使用的覆盖剂是常规的覆盖剂。所使用的非真空喷射成形设备是开放式的，即感应加热熔炉、感应加热或电阻加热的中间包等设备不用密闭，是开放式的，不需要真空系统。

在本发明的方法的步骤(2)中，所述的进行雾化的过程是采用非限制式气流雾化喷嘴进行雾化。

在本发明的方法的步骤(2)中，所述的惰性气体为氩气或氮气。

在本发明的方法的步骤(3)中，所述的制成圆锭的过程是通过控制雾化喷嘴的扫描、接收系统的形状和运动方式进行的，可以制备出具有典型快速凝固组织的圆锭(Φ200～300×300～1000mm)。

在本发明的方法的步骤(4)中，是先将圆锭扒皮，所述的将圆锭扒皮的过程是采用扒皮机加工扒皮，可以制备成一定规格的棒坯。并在360～420℃下保温2小时，再进行所述热挤压或热锻压成型的过程。

在本发明的方法的步骤(5)中，所述的将部件进行热处理的过程是进行双级固溶处理，使一次和二次析出相充分回溶，再进行双级时效处理。

该发明的关键在于合金成分设计，要求各元素含量准确，合金化程度高，主合金元素含量高，强调微合金化元素辅助强化，通过采用喷射成形制备、合理的热变形加工和热处理后，实现多强化相耦合强化，无粗大的第二相。同时要求低的Fe、Si杂质含量，从而保证高的损伤容限性能。

该发明的另一关键因素是这种新型合金条件下的喷射成形制备技术，主要技术细节包括以下内容：

为保证合金成分准确，选用尽可能低的熔炼温度，同时在熔炼过程中加覆盖剂保护，浇注之前除气除渣。

为保证制备过程的连续进行，本发明研究了一种高纯度的SiN陶瓷导流管材料，该材料可耐1000℃以上的高温，并具有良好的抗冲刷能力和抗热振性能，可保证连续地工业化生产。

接收装置由接收盘、支撑轴、旋转牵引电机、升降牵引电机、传动机构、动密封系统组成，接收盘在旋转牵引电机和升降牵引电机的牵引下可实现高速旋转(0～120rpm)和无级变速下降(0～30mm/s)。在制备过程中，金属熔体流被高速飞行的雾化气体破碎成大量的细小的液滴，在重力和雾化气体的作用下被加速向前飞行，当雾化液滴发生凝固但还没完全凝固之前沉积到接收盘上，通过控制接收盘的旋转速度和下降速度，可以得到一定直径的圆锭。

在本发明的方法的步骤(4)中，所述的所述热挤压的过程，其挤压温度为380℃～420℃，要保温2h，挤压速度为1～5m/min，挤压比最高可达40∶1。

在本发明的方法的步骤(5)中，所述的将部件进行热处理包括固溶处理和时效处理工艺，固溶处理的主要目的是使喷射成形制备和热变形加工过程析出的一次和二次析出相充分回溶。本发明中固溶处理为双级固溶，具体制度为：(440～450)℃/1h+(475～490)℃/1.5h。

然后进行双级时效处理，具体制度为：(110～120)℃/(16～24)h+(150～160)℃/(6～10)h。经过时效处理后材料的极限抗拉强度可以达到750MPa以上，同时具有高的塑性和损伤容限性能。

本发明的优点是：

该材料经过精确控制合金成分、变形加工、热处理，材料的极限抗拉强度可达到750MPa以上，同时保持较高的塑性和损伤容限性能。

附图说明

图1为本发明的非真空喷射成形设备结构示意图

图2为本发明的接收装置结构示意图

图3为本发明的合金块体材料微观组织照片

图4为本发明所制备的圆锭照片

具体实施方式

本发明可以采取下述的非真空喷射成形设备配合本发明的方法进行制备合金粉末。如图1所示，该非真空喷射成形设备是采用接收罐体2，接收罐体2的顶部外从上到下依次设有感应加热熔炉(未图式)、感应加热或电阻加热的中间包4。感应加热中间包4的进口上对感应加热熔炼炉的出口，而感应加热或电阻加热的中间包4的出口接导流管5，导流管5的出口通入接收罐体2内。在导流管5管壁的四周设有感应加热系统(未图式)，并在导流管5的出口处设有非限制式气流雾化喷嘴7，导流管5的出口段位于非限制式气流雾化喷嘴的中间，且导流管5与非限制式气流雾化喷嘴7之间采用的是分离配合方式。由于合金雾化温度很高，因此在气雾化过程中选用完全非限制式气雾化喷嘴，在工作过程中导流管与喷嘴之间采用的是分离配合方式。采用这种喷嘴进行气雾化合金粉末的制备，避免了高熔点合金雾化给限制式喷嘴使用时所带来的种种问题。由于在雾化时，雾化气体要从雾化喷嘴不断地流入(流量由喷嘴参数和雾化压力所决定)因此在接收罐体2的底部设有排风系统的接口，使雾化气体排出接收罐体2，并且要求排风系统气流量大于雾化气体流量。

在接收罐体2中安装制备圆锭的接收装置，该接收装置为公知设备。如图3所示，接收装置包括两部分，即旋转部21和升降部22，旋转部21是在接收座23上设有旋转牵引电机24、该旋转牵引电机24通过传动机构与支撑轴26动力连接，该支撑轴26上设有接收盘27；升降部22是在机座上设有升降牵引电机28，该升降电机通过传动机构29与丝杠30动力连接，并在机座上设有与丝杠30平行的光杠31，丝杠30和光杠31与水平面的垂线成30～35角度，接收座23固接行程件32，行程件32上设有螺母和套管头，螺母与丝杠30螺接，套管头与光杠31套接，在制备过程中，启动旋转牵引电机24，高速旋转接收盘23，并启动升降牵引电机28，使丝杠30转动，螺母也随之移动，并以光杠31为轨道在光杠31上滑动，以一定的角度和速度下拉接收盘27，使雾化液滴直接沉积到接收盘27上，得到一定直径的圆锭。

上述制备装置是为了配合本发明的工艺方法，但完成本发明的方法并不局限于该制备装置，也可以采用其它方式的制备装置进行本发明的工艺方法。

实施例1：

合金成分为，Zn 10wt％，Mg 2.5wt％，Cu 1.7％，Zr 0.5％，Fe＜0.05wt％，Si＜0.05wt％，其余为Al，配制合金预制锭以后，装入熔炼炉，升温至800℃，保温30min，除渣除气，进行喷射成形制备，采用高纯氩气进行，雾化压力1.0Mpa。如图2所示，开启旋转电机24、升降电机28，以转速为60～120rpm，高速旋转接收盘，接收盘下拉的角度是与水平面的垂线成35角度，下拉的速度为20～30mm/min，下拉接收盘27，使雾化液滴直接沉积到接收盘27上。一次性连续雾化150公斤新型合金，制备出重100Kg的新型高强高韧铝合金圆锭，所制备的圆锭照片如图4所示。将该沉积坯件加工成一定规格的棒坯，在410℃保温2h，以24∶1的挤压比进行热挤压加工，挤压出φ30mm的圆棒，440℃/1h+480℃/1.5h固溶处理，时效制度采用双级时效120℃/24h+160℃/8h。极限抗拉强度为780MPa，同时延伸率为11％，K_IC＝36MPa*m^1/2，该合金在应力比为0.1、应力集中系数为1、指定寿命为10⁷循环的情况下，疲劳极限可达410MPa以上，在应力集中系数提高到3时，疲劳极限高于130MPa；da/dN≤6×10^-3mm/cycle。如图3所示，该材料显微组织细小，无明显缺陷和宏观偏析。

而成分为Zn 10wt％，Mg 2.7wt％，Cu 1.7％，Zr 0.1％，Ni 0.1％(申请号为03119605.5的专利申请中的实施例1的成分)，采用完全相同的制备和加工工艺，只是固溶处理和时效制度不同，采用435～440℃/1h+485～490℃/1.5h固溶处理，时效制度可采用单级时效120℃/24h，极限抗拉强度为810MPa，同时延伸率为10％，K_IC＝19MPa*m^1/2，该合金在应力比为0.1、应力集中系数为1、指定寿命为10⁷循环的情况下，疲劳极限为380MPa，在应力集中系数提高到3时，疲劳极限为100MPa，da/dN≤6×10^-3mm/cycle。

本发明的实施例1的材料的损伤容限性能优于申请号为03119605.5的专利申请中的实施例1。

实施例2：

Zn 9wt％，Mg 2.0wt％，Cu1.3％，Zr 0.2％，Fe＜0.05wt％，Si＜0.05wt％，其余为Al配制合金预制锭以后，装入熔炼炉，升温至800℃，保温10min，除渣除气，进行喷射成形制备，采用高纯氩气进行，雾化压力0.8MPa，并采用和实施例1相同的接收盘的转速、接收盘下拉的角度、下拉的速度，一次性连续雾化100公斤新型合金，制备出重70Kg的新型高强高韧铝合金圆锭，将该沉积坯件加工成一定规格的棒坯，在390℃保温2h，以24∶1的挤压比进行热挤压加工，挤压出Φ25mm的圆棒，450℃/1h+485℃/1.5h固溶处理，时效制度采用115℃/16h+150℃/8h。，极限抗拉强度为750MPa，同时延伸率为12％，K_IC(MPa*m^1/2)＝34，da/dN≤6×10^-3mm/cycle。

实施例3：

Zn 9.5wt％，Mg 2.3wt％，Cu1.5％，Zr 0.4％，Fe＜0.05wt％，Si＜0.05wt％，其余为Al配制合金预制锭以后，装入熔炼炉，升温至780℃，保温20min，除渣除气，进行喷射成形制备，采用高纯氮气进行，雾化压力0.8MPa，并采用和实施例1相同的接收盘的转速、接收盘下拉的角度、下拉的速度，一次性连续雾化100公斤新型合金，制备出重70Kg的新型高强高韧铝合金圆锭，将该沉积坯件加工成一定规格的棒坯，在400℃保温2h，以24∶1的挤压比进行热挤压加工，挤压出Φ25mm的圆棒，440℃/1h+485℃/1.5h固溶处理，时效制度采用120℃/20h+160℃/10h。，极限抗拉强度为760MPa，同时延伸率为11％，K_IC(MPa*m^1/2)＝34，da/dN≤6×10^-3mm/cycle。

Claims

1. 一种高Zn含量的超高强高韧高损伤容限型铝合金材料，其特征在于：按重量百分比计，该合金成分为Zn 9～10wt％，Mg 2.0～2.5wt％，Cu 1.2～1.7wt％，Zr 0.2～0.5wt％，Fe＜0.05wt％，Si＜0.05wt％，其余为Al，其中，Fe和Si为杂质元素，该铝合金材料是通过采用喷射成形制备、热变形加工和热处理而制成的。

2. 一种制备高Zn含量的超高强高韧高损伤容限型铝合金材料的方法，其特征在于：该方法包括下述步骤：

(1)按合金成分，按重量百分比计，该合金成分为Zn 9～10wt％，Mg2.0～2.5wt％，Cu1.2～1.7wt％，Zr 0.2～0.5wt％，Fe＜0.05wt％，Si＜0.05wt％，其余为Al，进行配料，配制预制合金锭；

(2)升温将合金预制锭熔化后，采用惰性气体并通过雾化喷嘴进行雾化，雾化喷嘴以1～5HZ的频率高速扫描，雾化气体为惰性气体，雾化压力为0.5～1.0MPa；

(4)进行热挤压或热锻压工艺成型，加工成所需的部件；

(5)将部件进行双级固溶处理和双级时效处理，即制成高Zn含量的超高强高韧高损伤容限型铝合金材料。

3. 根据权利要求2所述的制备高Zn含量的超高强高韧高损伤容限型铝合金材料的方法，其特征在于：在所述的步骤(4)中，是先将圆锭扒皮，将喷射成形材料在380～420℃下保温2小时，再进行热挤压或热锻压工艺成型。

4. 根据权利要求3所述的制备高Zn含量的超高强高韧高损伤容限型铝合金材料的方法，其特征在于：在所述的步骤(5)中，双级固溶处理的具体制度为：(440～450)℃/1h+(475～490)℃/1.5h。

5. 根据权利要求3或4所述的制备高Zn含量的超高强高韧高损伤容限型铝合金材料的方法，其特征在于：在所述的步骤(5)中，双级时效处理的具体制度为：(110～120)℃/(16～24)h+(150～160)℃/(6～10)h。

6. 根据权利要求1所述的制备高Zn含量的超高强高韧高损伤容限型铝合金材料的方法，其特征在于：在步骤(2)中所采用的惰性气体为氩气或氮气。