CN101407876A - 适于大截面主承力结构件制造的铝合金材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适于大截面产品制造的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 7.4－8.4wt％，Mg 1.4－2.2wt％，Cu 1.1－1.7％，Zr 0.18－0.3％，其余为Al。本发明的铝合金材料具有较高的强度，良好的韧性和抗腐蚀性能(电导率)，最为重要的是具有极为优越的热处理淬透性能，特别适合于大截面产品的制造。该材料可应用于航空航天、交通运输、军工等领域的关键大型主承力结构部件。

Description

适于大截面主承力结构件制造的铝合金材料及其制备方法
技术领域
本涉发明及一种铝合金，特别是适合用于大截面产品制造的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。
7xxx系铝合金是Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的总称，也是目前已成功地实现商业化应用的各种变形铝合金中强度最高的一类，7000系铝合金预拉伸板是各种民用和军用飞机、地面和海上交通运输工具中所使用的大型整体式结构件制造用的关键中间产品。随着整机发展对大型整体式结构件综合性能要求的不断提高，大型整体式结构件内部结构复杂程度的上升、总体高度和部分壁厚的增大等等，对大型结构件制造用7000系铝合金材料的综合使用性能(包括力学性能、物理性能、抗腐蚀性能等)、以及加工工艺性能(包括切削加工性能、焊接性能等)提出了越来越高的要求，更为重要的是随着半成品的厚度增加，需要材料具有良好的热处理淬透性能。
现有的7050、7150、7055合金已经具有良好的强度和其他综合性能，尤其以7050-T74合金为代表，是当前航空领域使用的最为广泛的合金之一。但这些合金都存在热处理淬透性能中等甚至较差的问题，其淬透厚度一般不超过150mm，不适于大型航空主承力结构件的制造，限制了该系列合金在航空领域的进一步应用。造成上述问题的主要原因在于以上合金的化学成分组成窗口及主元素的配比不尽合理。
发明内容
本发明的目的是提供一种适合用于大截面航空结构件制造的铝合金材料，是一种强度保持在较高水平，断裂韧性、耐蚀性能、电导率等明显提高，同时具有优越热处理淬透性能的高强度高韧性低淬火敏感性铝合金材料，无需采用特殊的热处理工艺，该合金与传统商用7050-T74合金强度和断裂韧性相当，抗应力腐蚀性能(电导率)提高10％，热处理淬透深度提高一倍。
本发明的另一个目的是提供一种制备适合用于大截面航空结构件制造的铝合金材料的方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种用于大截面航空构件制造的新型高强度、高韧性、低淬火敏感性铝合金材料，其化学成分及含量(按重量百分比计)为：Zn7.4-8.4wt％，Mg1.4-2.2wt％，Cu1.1-1.7wt％，Zr0.18-0.3wt％，Fe小于0.10wt％，Si小于0.08wt％，余量为Al。本发明主要依据合金在淬透性和综合性能方面的要求对合金的化学成分组成窗口进行选择，合金内合金元素总量选择为10～12.6wt％，保证了合金具有较高的强度水平。考虑到提高可铸造成型性和断裂韧性的因素，降低了Mg元素的含量，Zn/Mg值选择3.5～6范围之内。Cu元素可提高合金的耐腐蚀性能，但含量过高会明显恶化合金大尺寸半成品的热处理淬透性能，因而在保证合金满足耐蚀性要求的前提下，Cu元素选择为中等偏低的水平，即1.1～1.7wt％。Mn和Cr元素的加入明显增加铸锭开裂倾向且恶化半成品的淬透性，不利于大截面构件的制造，应严格控制。Zr元素是替代Cr元素的最佳选择，在起到细化晶粒、阻碍再结晶作用的同时，可解决Cr元素明显降低半成品淬透性的问题，而且将Zr元素含量提高到0.18～0.3wt％，可起到补充强化的作用。另外，Fe和Si等杂质元素会显著恶化合金的断裂、疲劳、耐蚀性能，应该严格控制其含量在最低水平。
所述铝合金材料，其挤压件典型极限抗拉强度为σb＝580～650MPa。
所述铝合金材料，其屈服强度为σ0.2＝530～600MPa。
所述铝合金材料，其延伸率δ5＝11～18％。
所述铝合金材料，其电导率γ＝21～24MS/m。
所述铝合金材料，其耐剥落腐蚀等级达EA级。
所述铝合金材料，其断裂韧性为K1c≥33Mpa·m1/2。
所述铝合金材料，其热处理淬透深度比国外商用7050合金及国产7B04合金提高一倍以上。
本发明的一种适用于大截面航空制品制造的新型高强度高韧性铝合金材料的制备方法，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Zn7.4-8.4wt％，Mg1.4-2.2wt％，Cu1.1-1.7wt％，Zr0.18-0.3wt％，其余为Al，进行配料，其中，Zn、Mg、Cu、Zr、Al分别是选取纯锌、纯镁、铝铜中间合金或纯铜、镁锆中间合金、铝钴中间合金、纯铝作为原料；
(2)将配置好的高纯铝锭装入熔化炉中，待纯铝熔化后，陆续加入纯锌、铝铜中间合金或纯铜、镁锆中间合金；扒渣后，加入纯镁，对熔体进行搅拌，取样分析化学成分，看是否满足成分控制要求，如有必要进行成分调整；加入精炼剂对熔体进行精炼，以消除熔体内的气体、氧化膜及非金属夹杂物，使熔体净化；扒渣后进行静置，完成整个熔炼过程，等待铸造；
(3)采用立式半连续铸造机进行铸造，制备出表面质量合格、无铸造裂纹的铸锭；
(4)对铸锭进行均匀化热处理；
(5)铸锭扒皮后，进行热挤压、热轧制或锻造变形加工，加工成相应的半成品；
(6)将该半成品进行淬火、时效热处理，即得到本发明的一种新型高强度高韧性铝合金材料。
在所述的第(5)步骤中，对所采用的铸锭进行扒皮，即可以采用车削工艺，车铸锭的外圆面和端面。
所述的铝锭为高纯Al(纯度大于99.99％)、纯锌为工业纯Zn(纯度大于99.95％)、纯镁为工业纯Mg(纯度大于99.95％)。
在本发明的方法的步骤(2)中，熔体温度一般控制在720～750℃。
在本发明的方法的步骤(3)中，铸造温度为690～710℃，铸造速度为40～60mm/min。
在本发明的方法的步骤(4)中，采用单级均匀化热处理，即在450～470℃下保温18～32h。
在本发明的方法的步骤(5)中，在370～410℃下保温2～6小时，随后再进行热变形加工，获得半成品料。
在本发明的方法的步骤(6)中，所述的将半成品料进行淬火热处理的过程是进行单级固溶处理，在465～475℃下保温30～120min，15秒之内转移至15～40℃水中快速淬冷。
所述的步骤(6)中，在所述的单级固溶处理中，保温的时间优选为30～90min，保温后转移至淬冷的时间优选为10秒之内。
在本发明的方法的步骤(6)中，所述的半成品时效热处理过程是在单级、双级或三级T77时效处理。
本发明的优点是：
(1)本发明获得的一种铝合金材料，在保持较高的强度水平的前提下，具有优越断裂韧性、耐蚀性能和电导率；
(2)由于本发明对主元素进行优化设计，因而该铝合金材料本身具有优越的热处理淬透性能，采用常用的淬火热处理方法，半成品料的热处理淬透厚度可达300mm以上，是一种特别适合用于大截面航空主承力结构件制造的高性能铝合金材料。
附图说明
图1末端淬火试验示意图。
图2三种不同合金端淬试样的固溶态电导率随至水冷端距离的变化曲线图。
图3国产7B04合金端淬试样的时效态硬度随至水冷端距离的变化曲线图。
具体实施例
实施例1：
采用铸锭冶金的方法制备Al-7.4Zn-1.7Mg-1.4Cu-0.2Zr(wt％)合金。所用原料为高纯铝、工业纯镁、工业纯锌、铝铜中间合金、镁锆中间合金。熔化炉为电阻加热炉，铸造机为立式半连续铸造机。采用的熔铸工序为：装炉(先将高纯铝装炉)→熔化(再加入工业纯锌、铝铜中间合金、镁锆中间合金进行熔化)→扒渣→加工业纯镁→搅拌→取样进行成分分析→调整成分→搅拌→精炼(730℃)→扒渣→静置(10分钟)→铸造，铸造温度为700℃，铸造速度为60mm/min。将铸锭进行470℃/24h均匀化热处理，将铸锭进行扒皮，在410℃保温4h后进行热挤压加工，挤压出截面大小为25×102mm的挤压带板。取样进行475℃/45min保温并在室温水中进行淬火，时效制度可采用单级时效120℃/24h，抗拉强度为590～600MPa，延伸率约为15％，断裂韧度达34MPa·m1/2，电导率和耐蚀性能良好。
采用末端淬火试验对美国商业化7050合金、国产7B04合金和本发明合金的热处理淬透性能进行评价，三种合金的化学成分组成对比如表1所示。所谓淬透性是指合金对淬火效应能达到一定深度的能力，它与合金半成品中心区的性能紧密相关。末端淬火试验(End Quenching Test)是用来研究材料淬透性的常用试验方法，其试验装置示意图如图1所示，采用高位槽1，高位槽1中装有20℃自来水2，在高位槽1的下部接通水管3，水管3的出口正对端淬试样4的底部，端淬试样4是长度为150mm的圆棒，圆棒的圆周面采用石棉毡5包裹进行保温，以减少外界因素干扰。利用高位槽1自来水2到水管3的出口的高度H对端淬试样4的一个端面进行自由喷水淬火，自由端淬的时间约为10min，图1中的H-HJ表示高位槽中储水高度。
在图2、图3中，-■-的曲线表示7B04合金的端淬后的电导率数值随至水冷端距离的变化图；-●-的曲线表示7050合金的端淬后的电导率数值随至水冷端距离的变化图；-▲-的曲线表示实施例1合金的端淬后的电导率数值随至水冷端距离的变化图。
如图2所示，图2表示三种合金材料端淬后的电导率数值随至水冷端距离的变化情况，可以看出，本发明合金固溶态电导率随距离的变化较小，而商用7050合金和国产7B04合金的电导率随至水冷端距离的不断增加，尤其是7B04合金的变化更为显著。电导率的大小与合金在淬火过程中所获得过饱和固溶体息息相关，合金元素的固溶效果越好，铝基体的晶格畸变越大，对自由电子散射起较大阻碍作用，因而合金大电阻率较大，电导率较小。从图2可以发现，在相同的外界淬火条件下，7B04合金和7050合金端淬试样的电导率头尾相差较大，说明合金本身的热处理淬火敏感性较大。相比而言，本发明合金的电导率变化极为平稳，说明试样在至水冷端不同距离处的淬火效果相差无几，淬火敏感性极小。
如图3所示，图3表示比较了本发明合金与7B04、7050合金端淬并经时效处理硬化后硬度随至水冷端距离的变化情况。硬度值是评价合金淬火效应的一个重要指标，从图3中可以看出，国产7B04铝合金的硬度从水冷端开始就急剧下降，商业化7050合金的硬度下降也较为明显，但下降幅度小于7B04合金，相比较而言，本发明合金端淬试样在不同深度的硬度值几乎相同，具有极好的均匀性。若将最大硬度的85～90％处定义为淬透深度，7B04合金、7050合金的自由端淬淬透深度分别约为25mm和60mm，而本发明合金的自由端淬深度在150mm深度的范围内完全淬透。因此，实际工业生产中采用双面喷淋淬火时，7B04、7050合金制品的热处理淬透厚度分别约为50～60mm和120～150mm；而本发明合金制品的热处理淬透厚度可达300mm以上，淬火敏感性极低，尤为适合大截面板材、锻件的制造。
表1三种合金的主要合金元素含量对比
Figure A20081022248600081
实施例2：
采用铸锭冶金的方法制备Al-8.0Zn-1.7Mg-1.4Cu-0.22Zr(wt％)合金。所用原料为高纯铝、工业纯镁、工业纯锌、铝铜中间合金、镁锆中间合金。熔化炉为电阻加热炉，铸造机为立式半连续铸造机。采用的熔铸工序为：装炉(先将高纯铝装炉)→熔化(再加入工业纯锌、铝铜中间合金、镁锆中间合金进行熔化)→扒渣→加工业纯镁→搅拌→取样进行成分分析→调整成分→搅拌→精炼(725℃)→扒渣→静置(10分钟)→铸造，铸造温度为695℃，铸造速度为50mm/min。将铸锭进行465℃/32h均匀化热处理，将铸锭进行扒皮，在390℃保温4h后进行热挤压加工，挤压出截面大小为25×102mm的挤压带板。取样进行470℃/60min保温并在室温水中进行淬火，进行三级T77时效处理。
实施例3：
采用铸锭冶金的方法制备Al-7.8Zn-1.4Mg-1.6Cu-0.3Zr(wt％)合金。所用原料为高纯铝、工业纯镁、工业纯锌、铝铜中间合金、镁锆中间合金。熔化炉为电阻加热炉，铸造机为立式半连续铸造机。采用的熔铸工序为：装炉(先将高纯铝装炉)→熔化(再加入工业纯锌、铝铜中间合金、镁锆中间合金进行熔化)→扒渣→加工业纯镁→搅拌→取样进行成分分析→调整成分→搅拌→精炼(725℃)→扒渣→静置(10分钟)→铸造，铸造温度为710℃，铸造速度为50mm/min。将铸锭进行470℃/24h均匀化热处理，将铸锭进行扒皮，在400℃保温3h后进行热挤压加工，挤压出截面大小为25×102mm的挤压带板。取样进行475℃/45min保温并在室温水中进行淬火，进行双级T76时效处理。
实施例4：
采用铸锭冶金的方法制备Al-8.4Zn-2.2Mg-1.2Cu-0.18Zr(wt％)合金。所用原料为高纯铝、工业纯镁、工业纯锌、铝铜中间合金、镁锆中间合金。熔化炉为电阻加热炉，铸造机为立式半连续铸造机。采用的熔铸工序为：装炉(先将高纯铝装炉)→熔化(再加入工业纯锌、铝铜中间合金、镁锆中间合金进行熔化)→扒渣→加工业纯镁→搅拌→取样进行成分分析→调整成分→搅拌→精炼(720℃)→扒渣→静置(10分钟)→铸造，铸造温度为690℃，铸造速度为45mm/min。将铸锭进行468℃/28h均匀化热处理，将铸锭进行扒皮，在410℃保温2h后进行热挤压加工，挤压出截面大小为25×102mm的挤压带板。取样进行470℃/90min保温并在室温水中进行淬火，进行双级T74时效处理。
表2为各对比例中合金性能数据及其与其他合金对比情况。
表2实施例与其他合金的性能对比
合金   抗拉强度/MPa   屈服强度/MPa   延伸率/％   K1c/MPa·m1/2 抗SCC 剥腐等级   电导率/MS·m-1 淬透性
  7B04T74   510～530   440～470   7～9   29～32   中   EA   21～22   差
  7050T74   530～550   470～490   8～10   34～38   良   EB   22～23   良
  实施例1   590～600   545～555   15～16.5   34.5   良   P   21～22   优
  实施例2   610～620   590～600   13～15   37   优   EA   23.5～24.5   优
  实施例3   580～585   535～545   15～16   35   良   P   21.5～22   优
  实施例4   630～640   590～605   12～15   34   优   EB   23～23.5   优
注：常规力学性能拉伸方向为挤压方向；K1c测试时裂纹扩展方向为垂直挤压方向(L-T)

Claims (10)

1、一种适合用于大截面航空结构件制造的铝合金材料，其特征在于：按重量百分比计，该合金成分为Zn7.4-8.4wt％，Mg1.4-2.2wt％，Cu1.1-1.7％，Zr0.18-0.3wt％，Fe小于0.10wt％，Si小于0.08wt％，其余为Al，并且Zn、Mg、Cu和Zr总量为10～12.6wt％，Zn/Mg值为3.5～6。
2、一种制备适合用于大截面航空结构件制造的铝合金材料的方法，其特征在于：该方法包括下述步骤：
(1)按合金成分，以重量百分比计，该合金成分为Zn7.4-8.4wt％，Mg1.4-2.2wt％，Cu1.1-1.7wt％，Zr0.18-0.3wt％，其余为Al，进行配料，其中，Zn、Mg、Cu、Zr、Al分别是选取纯锌、纯镁、铝铜中间合金或纯铜、镁锆中间合金、铝钴中间合金、纯铝作为原料；
(2)将配置好的高纯铝锭装入熔化炉中，待纯铝熔化后，陆续加入纯锌、铝铜中间合金或纯铜、镁锆中间合金；扒渣后，加入纯镁，对熔体进行搅拌，取样分析化学成分，看是否满足成分控制要求，如有必要进行成分调整；加入精炼剂对熔体进行精炼，以消除熔体内的气体、氧化膜及非金属夹杂物，使熔体净化；扒渣后进行静置，完成整个熔炼过程，等待铸造；
(3)采用立式半连续铸造机进行铸造，制备出表面质量合格、无铸造裂纹的铸锭；
(4)对铸锭进行均匀化热处理；
(5)铸锭扒皮后，进行热挤压、热轧制或锻造变形加工，加工成相应的半成品；
(6)将该半成品进行淬火、时效热处理，即得到本发明的一种适合用于大截面航空结构件制造的铝合金材料。
3、根据权利要求2所述的制备适合用于大截面航空结构件制造的铝合金材料的方法，所述的铝锭为纯度大于99.99％的高纯Al、纯锌为工业纯Zn、纯镁为工业纯Mg。
4、根据权利要求2所述的制备适合用于大截面航空结构件制造的铝合金材料的方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，熔体温度一般控制在720～750℃。
5、根据权利要求2所述的制备适合用于大截面航空结构件制造的铝合金材料的方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，铸造温度为690～710℃，铸造速度为40～60mm/min。
6、根据权利要求2所述的制备适合用于大截面航空结构件制造的铝合金材料的方法，其特征在于：所述的步骤(4)中，均匀化热处理为在450～470℃下保温18～32h。
7、根据权利要求2所述的制备适合用于大截面航空结构件制造的铝合金材料的方法，其特征在于：所述的步骤步骤(5)中，在370～410℃下保温2～6小时，随后再进行热变形加工，获得半成品料。
8、根据权利要求2所述的制备适合用于大截面航空结构件制造的铝合金材料的方法，其特征在于：所述的步骤(6)中，所述的将半成品料进行淬火热处理的过程是进行固溶处理，在465～475℃下保温30～120min，15秒之内转移至15～50℃水中淬冷。
9、根据权利要求8所述的制备适合用于大截面航空结构件制造的铝合金材料的方法，其特征在于：所述的步骤(6)中，在所述的固溶处理中，保温的时间为30～90min，转移至淬冷的时间为10秒之内。
10、根据权利要求2所述的制备适合用于大截面航空结构件制造的铝合金材料的方法，其特征在于：所述的步骤(6)中，所述的半成品时效热处理过程是单级、双级或三级T77时效。
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