CN101698915B - 一种新型超高强高韧铝合金及其制备方法 - Google Patents

一种新型超高强高韧铝合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及到一种新型超高强高韧铝合金及其制备方法。按重量百分比计，其合金成分为：Zn 9.5～10.7％，Mg 1.6～2.6％，Cu 1.6～2.6％，Zr 0.06～0.2，Cr 0.10～0.30％，V 0.1～0.5％，Si≤0.1％，Fe≤0.15％，Ti≤0.1％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al。其中合金元素Zr、Cr与V可选择或同时加入。按合金成分配料，将原料融化，经炉内精炼、静置后，浇注成所需规格的合金锭。合金锭经优选均匀化后可通过热挤压、热轧制及热锻等任一工艺加工成形，经优选热处理后可供加工零件使用。本发明一种新型超高强高韧铝合金材料的显微组织均匀、性能稳定，极限抗拉强度可达730MPa以上，同时延伸率高于10％、KIc可达25MPam1/2以上。该材料制品可用于航空航天、核工业、交通运输、体育用品、兵器等领域的结构元件。

Description

一种新型超高强高韧铝合金及其制备方法
技术领域
本发明是一种新型超高强高韧铝合金及其制备方法，属于金属材料工程领域。
背景技术
近年来，随着铝冶金装备技术及冶金学基础技术水平的提高，已经出现了通过熔铸技术制造的650MPa级及通过粉末冶金技术制造800MPa级的铝合金。结合刚性设计需求，性能稳定的700MPa级铝合金在航空航天、核工业、交通运输、体育用品、兵器等领域具有广阔的应用前景。
650MPa级铝合金已经工业化应用，目前达到工业化应用水平的超高强铝合金有美国7055(Al-8％Zn-2.0Mg-2.2％Cu-0.10％Zr)、7068(Al-7.8％Zn-2.5Mg-2.0％Cu-0.10％Zr)及俄罗斯B96系(Al-8.5％Zn-2.6Mg-2.3％Cu-0.15％Zr)铝合金。国内也发展650MPa级铝合金，并已进行工业化生产。本发明是一种700MPa级铝合金的制备方法。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术的状况而设计提供了一种一种新型超高强高韧铝合金及其制备方法，该种新型超高强高韧铝合金是一种Al-Zn-Mg-Cu系高强铝合金，采用该合金材料及制备方法方法生产的新型铝合金制品具有优异的强度及断裂韧性，其极限抗拉强度可达730MPa以上，同时延伸率高于10％、KIc可达25MPam1/2以上。该材料制品可用于航空航天、核工业、交通运输、体育用品、兵器等领域的结构元件。
本发明技术方案中提出了一种新型超高强铝合金，该合金的化学成分及重量百分比为：Zn 9.5～10.7％，Mg 1.6～2.6％，Cu 1.6～2.6％，Si≤0.1％，Fe≤0.15％，Ti≤0.1％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al。
在该合金的化学成分中增加Zr、Cr或V中的1～3种，其重量百分比为：Zr 0.06～0.2，Cr 0.10～0.30％，V 0.1～0.5％。合金元素Zr、Cr与V可选择或同时加入。通过微量合金元素Zr、Cr与V的加入，起到调控合金的强度/韧性匹配的效果，保证了获得700MPa以上的强度的同时，仍维持较高韧性。
本发明技术方案中还提出了制备上述新型超高强铝合金的方法，其特征在于：该方法的步骤是：
(1)按合金的化学成分及重量百分比要求配料；；
(2)在熔炼炉内进行熔化，熔化温度为680℃～780℃；
(3)对完全熔化的金属液进行精炼，精炼时金属温度维持在690℃～750℃的范围内；
(4)精炼后应进行充分静置，静置时间不低于30分钟；
(5)充分静置后开始浇铸，炉口温度维持在700℃～720℃的范围内，浇铸速度为15～200mm/分钟；
(6)在加热炉内对合金铸锭进行双级均匀化处理，第一级均匀化温度为400℃～430℃，第二级均匀化温度为450℃～480℃；
(7)将均匀化后的铸锭扒皮后，进行热挤压、热轧制及热锻等任一工艺加工成形，成形过程中，坯料应保持在350℃～440℃的温度；
(8)成形后毛坯经峰值时效或过时效热处理后，加工成所需零部件。
步骤(8)中采用的热处理固溶温度为450℃～475℃。
步骤(8)中热处理采用的峰值时效热处理工艺为：在80℃～170℃加热1～64小时。
步骤(8)中热处理采用双级过时效，其工艺为：第一级在80℃～130℃加热2～10小时；第二级在150℃～182℃加热3～10小时。
步骤(8)中热处理采用多级过时效，其工艺为：第一级在80℃～130℃加热2～10小时；第二级在150℃～182℃加热3～10小时；第三级在80℃～130℃加热1～50小时。
步骤(8)中热处理采用回归时效，其工艺为：第一级在80℃～130℃加热2～10小时；第二级在170℃～200℃加热0.1～3小时，水冷；
第三级在80℃～130℃加热1～100小时。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
表一给出了本发明所提出的新型超高强高韧铝合金化学成分及重量百分比实施例。
表1：新型超高强高韧铝合金化学成分及重量百分比
  铸锭号   Zn   Mg   Cu   Zr   Cr   V   Ti   Fe   Si
  198   10.24   2.00   2.32   0.13   -   -   0.03   ＜0.10   ＜0.10
  203   10.17   1.92   2.30   0.13   -   -   0.03   ＜0.10   ＜0.10
  204   10.05   2.01   2.27   0.12   -   -   0.04   ＜0.10   ＜0.10
  215   9.92   1.98   2.36   0.13   -   -   0.03   ＜0.10   ＜0.10
  216   9.96   1.95   2.36   0.13   -   -   0.04   ＜0.10   ＜0.10
  217   10.34   2.23   2.26   0.12   -   -   0.04   ＜0.10   ＜0.10
  219   10.30   2.18   2.24   0.12   0.22   -   0.03   ＜0.10   ＜0.10
  220   10.04   1.93   2.30   0.12   0.21   -   0.04   ＜0.10   ＜0.10
  221   10.10   2.20   2.25   0.14   -   0.18   0.04   ＜0.10   ＜0.10
该合金的制备工艺的步骤是：
(1)按合金的化学成分及重量百分比要求配料，其中合金元素Zr、Cr与V可选择一种、二种或三种同时加入；
(2)在熔炼炉内进行熔化，熔化温度为680℃～780℃；
(3)对完全熔化的金属液进行精炼，精炼时金属温度维持在690℃～750℃的范围内；
(4)精炼后应进行充分静置，静置时间不低于30分钟；
(5)充分静置后开始浇铸，炉口温度维持在700℃～720℃的范围内，浇铸速度为15～200mm/分钟，浇铸出φ320mm圆锭；；
(6)在加热炉内对合金铸锭进行双级均匀化处理，第一级均匀化温度为400℃～430℃，第二级均匀化温度为450℃～480℃；
(7)将均匀化后的铸锭扒皮后，进行热挤压、热轧制及热锻等任一工艺加工成形，锻件尺寸为120mm×600mm×1500mm，成形过程中，坯料应保持在350℃～440℃的温度；
(8)成形后毛坯经峰值时效或过时效热处理后，加工成所需零部件；
成形后毛坯经465℃～475℃淬火后，选择时效工艺为下述之一：
1.锻件在468℃固溶处理，淬火介质中急冷，采用峰值时效热处理，其工艺为：在80℃～170℃加热1～64小时；
2.采用双级过时效热处理，其工艺为：第一级在80℃～130℃加热2～10小时；第二级在150℃～182℃加热3～10小时；
3.采用多级过时效热处理，其工艺为：第一级在80℃～130℃加热2～10小时；第二级在150℃～182℃加热3～10小时；第三级在80℃～130℃加热1～50小时；
4.采用回归时效热处理，其工艺为：第一级在80℃～130℃加热2～10小时；第二级在170℃～200℃加热0.1～3小时，水冷；第三级在80℃～130℃加热1～100小时。
表2为不同时效工艺的锻件性能。
表2
Figure G2009102109760D00041
表3为采用峰值时效处理时锻件性能
表3
Figure G2009102109760D00042
从上述性能分析可能看出，本发明所述的新型超高强高韧铝合金材料的显微组织均匀、性能稳定，极限抗拉强度可达730MPa以上，同时延伸率高于10％、KIc可达25MPam1/2以上。该材料制品可用于航空航天、核工业、交通运输、体育用品、兵器等领域的结构元件。

Claims (7)

1.一种超高强高韧铝合金，其特征在于：该合金的化学成分及重量百分比为以下之一：
(1)Zn 10.24％，Mg 2.00％，Cu 2.32％，Zr 0.13％，Ti 0.03％，Si＜0.10％，Fe＜0.10％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al；
(2)Zn 10.17％，Mg 1.92％，Cu 2.30％，Zr 0.13％，Ti 0.03％，Si＜0.10％，Fe＜0.10％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al；
(3)Zn 10.05％，Mg 2.01％，Cu 2.27％，Zr 0.12％，Ti 0.04％，Si＜0.10％，Fe＜0.10％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al；
(4)Zn 9.92％，Mg 1.98％，Cu 2.36％，Zr 0.13％，Ti 0.03％，Si＜0.10％，Fe＜0.10％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al；
(5)Zn 9.96％，Mg 1.95％，Cu 2.36％，Zr 0.13％，Ti 0.04％，Si＜0.10％，Fe＜0.10％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al；
(6)Zn 10.34％，Mg 2.23％，Cu 2.26％，Zr 0.12％，Ti 0.04％，Si＜0.10％，Fe＜0.10％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al；
(7)Zn 10.30％，Mg 2.18％，Cu 2.24％，Zr 0.12％，Cr 0.22％，Ti 0.03％，Si＜0.10％，Fe＜0.10％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al；
(8)Zn 10.04％，Mg 1.93％，Cu 2.30％，Zr 0.12％，Cr 0.21％，Ti 0.04％，Si＜0.10％，Fe＜0.10％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al；
(9)Zn 10.10％，Mg 2.20％，Cu 2.25％，Zr 0.14％，V 0.18％，Ti 0.04％，Si＜0.10％，Fe＜0.10％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al。
2.制备上述权利要求1所述的超高强高韧铝合金的方法，其特征在于：该方法的步骤是：
(1)按合金的化学成分及重量百分比要求配料；
(2)在熔炼炉内进行熔化，熔化温度为680℃～780℃；
(3)对完全熔化的金属液进行精炼，精炼时金属温度维持在690℃～750℃的范围内；
(4)精炼后应进行充分静置，静置时间不低于30分钟；
(5)充分静置后开始浇铸，炉口温度维持在700℃～720℃的范围内，浇铸速度为15～200mm/分钟； 
(6)在加热炉内对合金铸锭进行双级均匀化处理，第一级均匀化温度为400℃～430℃，第二级均匀化温度为450℃～480℃；
(7)将均匀化后的铸锭扒皮后，进行热挤压、热轧制及热锻任一工艺加工成形，成形过程中，坯料应保持在350℃～440℃的温度；
(8)成形后毛坯经峰值时效或过时效热处理后，加工成所需零部件。
3.根据权利要求2所述的制备超高强铝合金的方法，其特征在于：步骤(8)中采用的热处理固溶温度为450℃～475℃。
4.根据权利要求2所述的制备超高强铝合金的方法，其特征在于：步骤(8)中热处理采用的峰值时效热处理工艺为：在80℃～170℃加热1～64小时。
5.根据权利要求2所述的制备超高强铝合金的方法，其特征在于：步骤(8)中热处理采用双级过时效，其工艺为：第一级在80℃～130℃加热2～10小时；第二级在150℃～182℃加热3～10小时。
6.根据权利要求2所述的制备超高强铝合金的方法，其特征在于：步骤(8)中热处理采用三级过时效，其工艺为：第一级在80℃～130℃加热2～10小时；第二级在150℃～182℃加热3～10小时；第三级在80℃～130℃加热1～50小时。
7.根据权利要求2所述的制备超高强铝合金的方法，其特征在于：步骤(8)中热处理采用回归时效，其工艺为：第一级在80℃～130℃加热2～10小时；第二级在170℃～200℃加热0.1～3小时，水冷；第三级在80℃～130℃加热1～100小时。 
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