CN101597710A - 一种航空用2xxx系铝合金及其加工方法 - Google Patents

一种航空用2xxx系铝合金及其加工方法 Download PDF

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纪艳丽
胡平
钟皓
郭富安
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Abstract

本发明涉及航空用2xxx系铝合金及其加工方法，该合金中Mg1.3～1.5wt％，Cu3.5～4.05wt％，Si≤0.10wt％，Fe≤0.10wt％，Mn0.5～0.7wt％，Cr≤0.10wt％，Ti≤0.15wt％，Zr0.10～0.15wt％，Al余量，且Cu与Mg之比为2.50～2.70∶1。其加工工艺为：将合金铸锭进行均匀化退火，即将合金铸锭从室温以40～50℃/h的升温速率升到490～500℃，保温10～30h，然后空冷；铸锭均匀化退火后，进行挤压，挤压温度400～490℃，获得合金板材；挤压后的合金板材经495℃/1h固溶后，自然放置100h以上。本发明技术方案通过合理调整2xxx系铝合金中Cu、Mg的含量，以控制组织中过剩相的含量，并保证主要强化相Al2CuMg的含量，从而使材料具有较好的强度和塑性；科学的工艺措施确保材料具有较好的综合力学性能，是制造航空部件的理想材料。

Description

一种航空用2xxx系铝合金及其加工方法
技术领域
本发明涉及一种铝合金，尤其涉及一种航空用2xxx系铝合金及其加工方法，属于有色金属技术领域。
背景技术
2xxx系铝合金由于具有中等强度、高损伤容限而被应用于飞机上对断裂韧性、抗疲劳性能有较高要求的部位，如处于拉应力状态的飞机机身蒙皮以及下翼面蒙皮。具有代表性的航空用2xxx系铝合金有：2024、2124、2324等铝合金。
为了提高2xxx系铝合金的塑性、断裂韧性及疲劳性能，最直接的方法就是提高材料的纯度，即降低合金中Fe、Si杂质的含量。但为提高材料的塑性及断裂韧性，不能无限制的减少Fe、Si含量；因为减少Fe、Si含量将大幅度增加材料成本，且可能在冶金过程中难以实现。
同时2xxx系铝合金中主合金元素Cu、Mg含量超过其在合金中最大固溶极限后所形成的过剩相对材料的塑性及断裂韧性有不利的影响。
除此之外，在2024及其衍生合金中常添加Mn元素，Mn与Al、Cu元素在均匀化退火过程中形成Al20Cu2Mn3相，阻碍材料加工过程中的再结晶，达到控制晶粒尺寸的目的。但Al20Cu2Mn3在较高温度下控制晶粒尺寸的作用将下降；且Al20Cu2Mn3相的尺寸较大，可能会影响材料的塑性及断裂韧性。
因此有必要对航空用2024合金及其衍生合金进行成分优化，以提高材料的性能。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种航空用2xxx系铝合金及其加工方法，通过合理优化2xxx系铝合金中合金元素的含量，进一步提高材料的强度和塑性，使材料具有较好的综合性能。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种航空用2xxx系铝合金，其成分的质量百分含量如下——
Mg        1.3～1.5wt％，
Cu        3.5～4.05wt％，
Si        ≤0.10wt％，
Fe        ≤0.10wt％，
Mn        0.5～0.7wt％，
Cr        ≤0.10wt％，
Ti        ≤0.15wt％，
Zr        0.10～0.15wt％，
Al        余量，
且Cu含量与Mg含量之比为2.50～2.70∶1。
进一步地，上述的一种航空用2xxx系铝合金，其中，所述合金的屈服强度在315MPa以下，延伸率在22％以上，抗拉强度在440MPa以上。
再进一步地，上述的一种航空用2xxx系铝合金的加工方法，特点是：将合金铸锭进行均匀化热处理，即将合金铸锭从室温以40～50℃/h的升温速率升到490～500℃，保温10～30h，然后空冷；采用挤压方式获得合金板材，挤压温度为400～490℃；挤压后的合金板材经495℃/1h固溶后，自然放置100h以上。
本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：
本发明通过合理调整2xxx系铝合金中Cu、Mg的含量，以控制组织中过剩相的含量，并保证主要强化相Al2CuMg的含量，从而使材料具有较好的强度和塑性；同时优化微量元素，进一步提高材料的强度。多种技术措施确保材料具有较好的综合力学性能，是制造航空部件的理想材料，较好满足航空业的使用要求，应用前景非常看好。
具体实施方式
在Fe、Si含量一定的情况下，优化2xxx系铝合金的主合金元素Cu、Mg的含量，以减少过剩相Al2CuMg或Al2Cu的体积分数，是提高材料塑性及断裂韧性的关键之所在。
Cu、Mg元素是2xxx系铝合金的主要合金元素，形成了合金的主要强化相：Al2CuMg相及Al2Cu相。但只有在时效过程中析出的Al2CuMg或Al2Cu相的亚稳相才对材料起强化作用，而超过Cu/Mg元素在合金中最大固溶极限下所形成的过剩Al2CuMg或Al2Cu相对材料的强化作用远比其对材料塑性、断裂韧性的不利作用小得多。因此合金中Mg、Cu含量不能过高，必须控制其含量以获得较好的综合性能。当合金中Cu为3.5～4.05wt％，Mg为1.3～1.5wt％，合金中的过剩相较少，材料具有较好的综合力学性能；且2xxx系合金中Cu/Mg比控制时效强化相的组成及强化效果。2024及其衍生铝合金中Cu/Mg质量比为4∶1和1.5∶1之间，其主要强化相为Al2CuMg相的亚稳相。提高Al2CuMg的含量，即提高Mg的含量或降低Cu含量，有利于提高材料的强度。当Cu∶Mg(百分质量比)小于2.70时，合金中大部分的金属间化合物为Al2CuMg相。但Cu含量不能过低，否则不能为Al2CuMg的形成提供足够的Cu元素，且Cu含量过低，固溶强化效果降低，因此Cu∶Mg(百分质量比)在2.50～2.70时，既能保证组织中大部分金属间化合物为Al2CuMg相，又防止由于Cu含量过低造成材料性能的下降。
过渡族元素Mn、Zr的添加，主要是为了控制材料加工过程中的晶粒组织。添加Mn、Zr元素后，合金在均匀化过程中形成Al20Cu2Mn3、Al3Zr相，能够阻碍材料在加工过程中的再结晶，使材料具有较好的强度和断裂韧性。Mn的质量百分比在0.5～0.7wt％，Zr的质量百分比在0.10～0.15wt％时，材料性能较优。若Zr的含量低于0.10wt％，则Zr元素在基体中的过饱和度不足，通过均匀化形成的二次Al3Zr相数量较少；若Zr的含量高于0.15wt.％，则在熔铸过程中容易形成一次Al3Zr相，造成材料加工性能及力学性能急剧下降。
合金中Ti的含量控制在0.15wt％以下，Cr的含量限制在0.10wt％以下，Si的含量控制在0.10wt％以下，Fe的含量控制在0.10wt以下，以使材料具有较好的塑性及断裂韧性。
为了达到促进Al2CuMg相的溶解及Al20Cu2Mn3、Al3Zr相均匀弥散分布的目的，合金铸锭的均匀化退火制度为：以40～50℃/h的速度从室温升到490～500℃，并保温10～30h。在均匀化退火过程中以40～50℃/h的速率升温是为了促进Al20Cu2Mn3、Al3Zr相均匀弥散的析出，升温速率过高，会造成Al20Cu2Mn3、Al3Zr相尺寸较大，达不到控制材料晶粒组织的目的；而升温速度过低，则造成能源的浪费，且并不能更进一步的促进控制晶粒组织这一目的的实现。保温温度为490～500℃，保温时间为10～30h，保温温度过高或保温时间过长，容易造成过烧及Al20Cu2Mn3、Al3Zr相粗化；保温温度过低或保温时间过短，则造成粗大的Al2CuMg相残留在组织中，使材料性能下降。
铸锭经均匀化退火后，进行挤压，挤压温度为400～490℃。若挤压温度低于400℃，则挤压后组织中储存了较多的变形能，这样的组织在固溶过程中容易发生再结晶，从而降低材料的性能。若挤压温度高于490℃，则挤压过程中的变形热将造成组织过烧，降低材料的性能。挤压板材经495℃/1h固溶后，自然放置100h以上。
实施例1
铝合金成分以质量百分比计为：Cu 3.5wt％，Mg 1.3wt％，Mn 0.50wt％，Zr 0.10wt％，Fe 0.10wt％，Si 0.10wt％，Ti 0.15wt％，Cr 0.10wt％，余量为Al。
合金铸锭在循环风炉中进行均匀化热处理，从室温以40℃/h的升温速度升到490℃，保温10h，然后空冷；挤压前的加热温度为400℃；挤压板材经495℃/1h固溶后，在室温放置100h以上至T4状态。
实施例2
铝合金成分以质量百分比计为：Cu 3.78wt％，Mg 1.40wt％，Mn 0.70wt％，Zr 0.15wt％，Fe 0.10wt％，Si 0.10wt％，Ti 0.15％wt％，Cr 0.10wt％，余量为Al。
合金铸锭在循环风炉中进行均匀化热处理：从室温以50℃/h的升温速度升到500℃，然后保温30h，然后空冷；挤压前的加热温度为490℃；挤压板材经495℃/1h固溶后，在室温放置100h以上至T4状态。
实施例3
铝合金成分以质量百分比计为：Cu 3.75wt％，Mg 1.5wt％，Mn 0.7wt％，Zr 0.12wt％，Fe 0.10wt％，Si 0.10wt％，Ti 0.15wt％，Cr 0.10wt％，余量为Al。
合金铸锭在循环风炉中进行均匀化热处理：从室温以45℃/h的升温速度升到500℃，然后保温18h，然后空冷；挤压前的加热温度为460℃；挤压板材经495℃/1h固溶后，在室温放置100h以上至T4状态。
实施例4
铝合金成分以质量百分比计为：Cu 4.05wt％，Mg 1.5wt％，Mn 0.7wt％，Zr 0.12wt％，Fe 0.10wt％，Si 0.10wt％，Ti 0.15wt％，Cr 0.10wt％，余量为Al。
合金铸锭在循环风炉中进行均匀化热处理：从室温以45℃/h的升温速度升到500℃，然后保温18h，然后空冷；挤压前的加热温度为460℃；挤压板材经495℃/1h固溶后，在室温放置100h以上至T4状态。
实施例5
铝合金成分以质量百分比计为：Cu 3.77wt％，Mg 1.45wt％，Mn 0.7wt％，Zr 0.12wt％，Fe 0.10wt％，Si 0.10wt％，Ti 0.15wt％，Cr 0.10wt％，余量为Al。
合金铸锭在循环风炉中进行均匀化热处理：从室温以45℃/h的升温速度升到500℃，然后保温18h，然后空冷；挤压前的加热温度为460℃；挤压板材经495℃/1h固溶后，在室温放置100h以上至T4状态。
实施例6
铝合金成分以质量百分比计为：Cu 3.625wt％，Mg 1.45wt％，Mn 0.7wt％，Zr 0.12wt％，Fe 0.10wt％，Si 0.10wt％，Ti 0.15wt％，Cr 0.10wt％，余量为Al。
合金铸锭在循环风炉中进行均匀化热处理：从室温以45℃/h的升温速度升到500℃，然后保温18h，然后空冷；挤压前的加热温度为460℃；挤压板材经495℃/1h固溶后，在室温放置100h以上至T4状态。
实施例7
铝合金成分以质量百分比计为：Cu 3.75wt％，Mg 1.5wt％，Mn 0.6wt％，Zr 0.13wt％，Fe 0.08wt％，Si 0.09wt％，Ti 0.13wt％，Cr 0.07wt％，余量为Al。
合金铸锭在循环风炉中进行均匀化热处理：从室温以42℃/h的升温速度升到495℃，然后保温25h，然后空冷；挤压前的加热温度为420℃；挤压板材经495℃/1h固溶后，在室温放置100h以上至T4状态。
实施例8
铝合金成分以质量百分比计为：Cu 4.05wt％，Mg 1.5wt％，Mn 0.55wt％，Zr 0.14wt％，Fe 0.07wt％，Si 0.07wt％，Ti 0.12wt％，Cr 0.06wt％，余量为Al。
合金铸锭在循环风炉中进行均匀化热处理：从室温以48℃/h的升温速度升到498℃，然后保温12h，然后空冷；挤压前的加热温度为480℃；挤压板材经495℃/1h固溶后，在室温放置100h以上至T4状态。
比较例1
铝合金成分以质量百分比计为：Cu 4.20wt％，Mg 1.70wt％，Mn 0.75wt％，Zr 0.09wt％，Fe 0.11wt％，Si 0.12wt％，Ti 0.18wt％，Cr 0.12wt％，余量为Al。
合金铸锭在循环风炉中进行均匀化热处理：从室温以60℃/h的升温速度升到480℃，然后保温18h，然后空冷；挤压前的加热温度为460℃；挤压板材经495℃/1h固溶后，在室温放置100h以上至T4状态。
比较例2
铝合金成分以质量百分比计为：Cu 4.05wt％，Mg 1.50wt％，Mn 0.70wt％，Zr 0.10wt％，Fe 0.10wt％，Si 0.10wt％，Ti 0.15wt％，Cr 0.10wt％，余量为Al。
合金铸锭在循环风炉中进行均匀化热处理：从室温以60℃/h的升温速度升到460℃，然后保温18h，然后空冷；挤压前的加热温度为460℃；挤压板材经495℃/1h固溶后，在室温放置100h以上至T4状态。
上述实施例及比较例中合金T4态的性能如表1所示。
表1
  实施例   Rp0.2(Mpa)  Rm(Mpa)   A(％)
  1   320   450   25.0
  2   325   450   25.2
  3   330   460   25.3
  4   350   480   23.2
  5   335   465   24.0
  实施例   Rp0.2(Mpa)  Rm(Mpa)   A(％)
  6   330   462   24.6
  7   330   455   25.0
  8   340   485   24.0
  比较例1   310   430   17.0
  比较例2   300   400   18.0
综上所述，本发明通过合理调整2xxx系铝合金中Cu、Mg的含量，以控制组织中过剩相的含量，并保证主要强化相Al2CuMg的含量，从而使材料具有较好的强度和塑性；同时优化微量元素，进一步提高材料的强度。多种技术措施确保材料具有较好的综合力学性能，是制造航空部件的理想材料，较好满足航空业的使用要求，市场应用前景广阔。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (3)

1.一种航空用2xxx系铝合金，其特征在于：其成分的质量百分含量如下——
Mg    1.3～1.5wt％，
Cu    3.5～4.05wt％，
Si    ≤0.10wt％，
Fe    ≤0.10wt％，
Mn    0.5～0.7wt％，
Cr    ≤0.10wt％，
Ti    ≤0.15wt％，
Zr    0.10～0.15wt％，
A1    余量，
且Cu含量与Mg含量之比为2.50～2.70∶1。
2.根据权利要求1所述的一种航空用2xxx系铝合金，其特征在于：所述合金的屈服强度在315MPa以下，延伸率在22％以上，抗拉强度在440MPa以上。
3.权利要求1所述的一种航空用2xxx系铝合金的加工方法，其特征在于：将合金铸锭进行均匀化退火，即将合金铸锭从室温以40～50℃/h的升温速率升到490～500℃，保温10～30h，然后空冷；铸锭均匀化退火后，进行挤压，挤压温度为400～490℃，获得合金板材；挤压后的合金板材经495℃/1h固溶后，自然放置100h以上。
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