CN101279521B - 一种高强度层状复合铝合金材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属材料及其加工技术领域，特别是一种成形性能优良的高强度层状复合铝合金材料及其制备方法。该材料外层是成形性能优良的6009铝合金，内层是高强韧7075铅合金，在两层之间存在一个厚度为毫米数量级、成分呈梯度变化的过渡层；其内层铝合金成分中的锌、镁含量从内向外呈梯度降低。材料具有与6009铝合金一样优良的成形性能，此外耐腐蚀性能与6009铝合金相当，但强度比6009合金高50％以上，兼有成形性能好、耐腐蚀和高强度的特性，可广泛应用于汽车、石油化工、航空等领域。

Description

一种高强度层状复合铝合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料及其加工技术领域，特别是一种成形性能优良的高强度层状复合铝合金材料及其制备方法。

背景技术

铝合金一般分为铸造铝合金和变形铝合金。在变形铝合金中，根据应用场合的不同，可分为包覆铝、防锈铝、硬铝、锻铝和超硬铝等类别。以Al-Zn-Mg为主要合金组元的7XXX系列铝合金是变形铝合金中强度最高的一类铝合金。而以Al-Si-Mg为主要合金组元的6XXX系列铝合金，由于具有优良的成形性能和耐腐蚀性能，在建筑、交通运输、化工、航空等领域有着广泛的应用。但这类合金面临着材料强度还要不断提高的需求，以满足不断发展的工程需要。

7075合金是一种获得了广泛应用的变形铝合金，在20世纪40年代末期就已应用于制造飞机上的关键结构件，目前仍是飞机中用量较大的一种重要结构材料，其突出的特点是强韧性好，是一种超高强铝合金。6009合金也是一种用量很大的铝合金，主要用于制造汽车车身薄板，该合金耐腐蚀性能好，加工成形性能优良，但6009合金抗拉强度一般。如果能够综合两种合金各自的优点，将两者结合起来形成层状复合材料，是一种应用前景非常广阔的复合材料。

另外，目前制备上述这类层状复合材料的方法主要是轧制复合，通过轧制将两种板材复合在一起，如在铝合金生产中广泛采用的包铝工艺。这种方法生产的铝板不仅需要对板材进行预处理、工艺环节多，而且板材结合界面很薄，界面厚度只有微米量级，是复合板材的脆弱部位，极大地影响了复合板材整体性能的提高。

中国专利ZL97103553.9提出了一种以连续或半连续铸造方式制备梯度材料的方法，解决了实现连续铸造方式生产梯度复合材料的工艺上的主要难点，给出了梯度分布形成的基本条件。但是，要使复合材料的各复合组分充分发挥优异性能，获得无铸造缺陷的梯度复合铸锭，必须针对具体设备和合金体系变化的情况，探索、优化浇注温度、铸造速度、节流孔径、冷却水流量等铸造工艺参数。

发明内容

本发明的目的在于针对7075和6009合金各自的优点和不足，取长补短，提供一种易成形和耐腐蚀的高强度层状复合铝合金材料及其制备方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种高强度层状复合铝合金材料，其特征在于：该材料外层是成形性能优良的铝合金，内层是高强韧铝合金，在两层之间存在一个厚度为毫米数量级、成分呈梯度变化的过渡层；所述过渡层，内层铝合金成分中的锌、镁含量从内向外呈梯度降低。

所述体系内层合金成分为7075铝合金，外层合金成分为6009铝合金。

所述内层合金成分7075铝合金中的合金元素成分取7075合金成分范围的上限。

上述高强度层状复合铝合金材料的制备方法，其特征在于：选择互为匹配的内、外层合金成分，采用连续或半连续铸造方法制备得到：

(1)在连续或半连续铸造过程中，外浇包熔体的温度不高于1033K，将外层6009铝合金和内层7075铝合金的金属液以分离水口方式连续注入同一结晶器，6009铝合金熔体从浇包中直接进入结晶器，7075铝合金则通过内导管进入结晶器的液穴中，熔体在结晶器内顺序凝固，结成一体，由引锭装置以恒速牵引；外层6009铝合金熔体的浇注温度控制在973K～1033K之间，内层7075铝合金熔体的浇注温度控制在973K～1053K；连续铸造或半连续铸造获得的铸锭存在一个厚度为毫米数量级、成分呈梯度变化的过渡层；

(2)连续铸造或半连续铸造获得的铸锭通过压制和/或轧制的塑性加工方式获得最小厚度为1.5mm的层状复合板材；板材在轧制过程中始终保持在内层合金和外层合金之间存在一个成分呈梯度变化的过渡层；

(3)常规热处理工艺得到易成形和耐腐蚀的一种高强度层状复合铝合金材料。

本发明与现有技术相比的优点是：

1、本发明的高强度层状复合铝合金材料具有与6009铝合金一样优良的成形性能，此外耐腐蚀性能与6009铝合金相当，但强度比6009合金高50％以上，兼有成形性能好、耐腐蚀和高强度的特性，可广泛应用于汽车、石油化工、航空等领域。

2、本发明的高强度层状复合铝合金材料在铸锭的制备过程中，可以在复合的两种合金中间形成一层具有宏观尺度(mm数量级)的、冶金结合的梯度过渡层，从而使得层状复合材料可以有效松弛结合界面的内应力，具有更好的成形性能。

3、本发明的高强耐蚀层状铝合金板材可以通过热处理进行强化。

4、本发明制备的板材在轧制过程中始终保持在内层合金和外层合金之间存在一个成分呈梯度变化的过渡层，复合材料性能达到了工业应用水平，应用前景非常广阔，具有良好的推广应用前景。

附图说明

图1是本发明高强度层状复合铝合金材料铸件横截面的宏观形貌图。

图2是本发明高强度层状复合铝合金材料板材切边后的横截面宏观形貌图。

图3是图1的铸件横截面的成分分布图。

图4是图2的板材横截面沿厚度方向的成分分布图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步详细描述本发明，但本发明实施方式不限于此。

1、铸造：

采用原材料工业纯铝、工业纯镁、工业纯锌、工业铬剂、Al-25％Si中间合金、Al-20％Mn中间合金和Al-50％Cu中间合金(重量百分比)分别熔炼6009合金和7075合金。外层是成形性能优良的耐腐蚀铝合金6009铝合金，其成分(重量百分比)范围是：Al-0.6～1.0Si-0.4～0.8Mg-0.15～0.6Cu-0.2～0.8Mn；内层是7075高强韧铝合金，其成分(重量百分比)范围是：Al-5.1～6.1Zn-2.0～3.0Mg-1.2～2.0Cu-0.16～0.3Cr，其中7075合金的配料成分为取该合金的成分上限。在双流浇注半连续铸造装置上进行复合材料铸件的制备，为了获得无铸造缺陷的梯度复合铸件，需要严格控制铸造工艺参数，本实施例所采用的主要铸造工艺参数见表1。对比例所采用的主要铸造工艺参数见表2，如表2表明，当外浇包熔体温度低于973K和超过1033K时，出现漏液和卡锭现象。

表1合金的主要铸造工艺参数

表2合金的主要铸造工艺参数

本发明中所述成形性能优良的高强度层状复合铝合金材料，当其铸锭直径为65mm时，在铸锭横截面上，存在一个厚度为3.5mm至5mm的过渡层，过渡层中锌含量从约5.0wt％呈梯度降低到约1.0wt％，镁含量从约2.0wt％降低到约1.0wt％。

2、压制：

将长度约100mm、直径为65mm的铸锭在500吨的液压机上进行自由压制，在350～400℃压制成板材，变形量约为80％。

3、轧制：

将压制后的板材在双辊轧机上进行多道次的轧制，板材的加热温度为350～400℃，最后可获得最小厚度为1.5mm的板材。板材在轧制过程中始终保持在内层合金和外层合金之间存在一个过渡层。

4、热处理：

热处理工艺为固溶+时效处理。具体的工艺参数为：固溶温度480～500℃，固溶时间0.5～1小时，水淬，时效温度150～200℃，时效时间8～15小时。

5、结果

铸件成分分布：

图1是本发明所制备的高强度层状复合铝合金材料铸件横截面的宏观形貌。图2是本发明所制备的高强度层状复合铝合金材料板材切边后的横截面宏观形貌。如图1、图2所示，铸件和板材的横截面宏观形貌均清晰地表明：铸件与板材的内层组织和外层组织存在明显的差别。

图3是图1中高强度层状复合铝合金铸件横截面上Mg、Zn含量的分布。如图3所示，合金横截面上Mg、Zn含量都是从铸锭芯部到表面逐渐降低，当铸锭半径大于约19mm以后，Mg、Zn含量急剧下降，总的趋势是内部Mg、Zn含量接近7075，表层接近6009，当铸锭半径约为19mm～24.5mm之间是成分陡降区；图4是图2中高强度层状复合铝合金板材横截面沿厚度方向Mg、Zn含量的分布。从图4中可以看出，合金板材横截面沿厚度方向Mg、Zn含量都是从板材中心到表面逐渐降低，并且当到板材中心的距离小于3.5mm左右时降低比较平缓，大于3.5mm以后，Mg、Zn含量急剧下降，总的趋势是板材中心层Mg、Zn含量接近7075，表层接近6009，在到板材中心的距离约在3.5mm～5mm之间是成分陡降区。

铝合金的力学性能

对板材进行拉伸试验，按GB228-87测量合金的力学性能，测量结果见表3。为了便于比较，表3中同时列出了6009铝合金同样处理状态下的测量结果。从表3中可见，研制合金T6热处理后的抗拉强度比6009合金提高50％，屈服强度提高88％，而伸长率仍与6009合金相当。由于合金外层成分与6009合金接近，因此，研制合金在力学性能相对提高的前提下，能够保证与6009合金相当的耐腐蚀性能。

表3合金的力学性能

Claims (3)

1.一种高强度层状复合铝合金材料，其特征在于：该材料外层是成形性能优良的铝合金，内层是高强韧铝合金，在两层之间存在一个厚度为毫米数量级、成分呈梯度变化的过渡层；所述过渡层，内层铝合金成分中的锌、镁含量从内向外呈梯度降低；所述体系内层合金成分为7075铝合金，外层合金成分为6009铝合金；上述层状复合铝合金材料，采用以下连续或半连续铸造方法制备得到：

(1)在连续或半连续铸造过程中，外浇包熔体的温度不高于1033K，将外层6009铝合金和内层7075铝合金的金属液以分离水口方式连续注入同一结晶器，6009铝合金熔体从浇包中直接进入结晶器，7075铝合金则通过内导管进入结晶器的液穴中，熔体在结晶器内顺序凝固，结成一体，由引锭装置以恒速牵引；外层6009铝合金熔体的浇注温度控制在973K～1033K之间，内层7075铝合金熔体的浇注温度控制在973K～1053K；连续铸造或半连续铸造获得的铸锭存在一个厚度为毫米数量级、成分呈梯度变化的过渡层；

(2)连续铸造或半连续铸造获得的铸锭通过压制和/或轧制的塑性加工方式获得最小厚度为1.5mm的层状复合板材；板材在轧制过程中始终保持在内层合金和外层合金之间存在一个成分呈梯度变化的过渡层；

(3)常规热处理工艺得到易成形和耐腐蚀的一种高强度层状复合铝合金材料。

2.根据权利要求1所述的一种高强度层状复合铝合金材料，其特征在于：内层合金成分7075铝合金中的合金元素成分取7075合金成分范围的上限。

3.权利要求1所述高强度层状复合铝合金材料的制备方法，其特征在于：选择互为匹配的内、外层合金成分，采用连续或半连续铸造方法制备得到：

(1)在连续或半连续铸造过程中，外浇包熔体的温度不高于1033K，将外层6009铝合金和内层7075铝合金的金属液以分离水口方式连续注入同一结晶器，6009铝合金熔体从浇包中直接进入结晶器，7075铝合金则通过内导管进入结晶器的液穴中，熔体在结晶器内顺序凝固，结成一体，由引锭装置以恒速牵引；外层6009铝合金熔体的浇注温度控制在973K～1033K之间，内层7075铝合金熔体的浇注温度控制在973K～1053K；连续铸造或半连续铸造获得的铸锭存在一个厚度为毫米数量级、成分呈梯度变化的过渡层；

(2)连续铸造或半连续铸造获得的铸锭通过压制和/或轧制的塑性加工方式获得最小厚度为1.5mm的层状复合板材；板材在轧制过程中始终保持在内层合金和外层合金之间存在一个成分呈梯度变化的过渡层；

(3)常规热处理工艺得到易成形和耐腐蚀的一种高强度层状复合铝合金材料。

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