CN101705400A - 高强高韧Al-Zn-Mg-Cu铝合金 - Google Patents

高强高韧Al-Zn-Mg-Cu铝合金 Download PDF

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李炼
牟申周
邓桢桢
韩逸
乐永康
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Abstract

本发明提供一种高强高韧Al-Zn-Mg-Cu铝合金，合金成分是：Zn：8.5～10.0wt％，Mg：1.5～2.5wt％，Cu：1.0～2.0wt％，(Cu+0.5)≥Mg，Zr：0.05～0.20wt％，Ti：0.01～0.05wt％，Fe：≤0.10wt％，Si：≤0.08wt％，且(Si+0.02)≤Fe，其余组分为Al和不可避免的杂质。该合金具有较高的强度，较高的断裂韧性，且综合性能优异，适合应用于航空航天领域。

Description

高强高韧Al-Zn-Mg-Cu铝合金
技术领域
本发明涉及一种新型高强高韧Al-Zn-Mg-Cu铝合金，属于有色金属技术领域。
背景技术
超高强铝合金具有密度低、强度高、热加工性能好等优点，是航空航天领域重要的结构材料。随着航空航天工业的发展，对飞机结构材料的要求已不是最初仅仅追求高的静强度或高的抗腐蚀性能的阶段，已经发展到迫切需要开发出综合性能优异的新型超高强铝合金材料的阶段，即要求新型超高强铝合金材料除了应具有较高的强度，还应具有较好的断裂韧性、较好的抗腐蚀性能等。
目前，国外航空用超高强铝合金较先进的牌号有AA7150、AA7449、AA 7085、AA7055等铝合金。AA7150、AA7449、AA7055等铝合金虽然其强度较高，抗腐蚀性能较好，但其断裂韧性较低，因而影响了飞机的使用寿命。AA 7085铝合金虽然其断裂韧性较高，抗腐蚀性能较好，但是其强度相对较低，因而也降低了飞机的安全系数。其原因是：(1)合金中的Zn、Mg等元素含量较低，主要强化相MgZn2形成的数量较少，因而合金的强度较低；(2)合金中的Cu、Mg等元素含量较高，容易形成熔点较高、在固溶过程中难以溶解的粗大的S(Al2CuMg)相，因此合金的断裂韧性较低。针对于前者，可以通过提高Zn、Mg元素来提高合金的强度，但是合金的铸造成型性变差。针对于后者，即为了消除合金中粗大的S相，国内外曾在热处理工艺上作了大量的研究，以AA7150、AA7055等合金为基体，开发出了强化固溶、分级固溶等热处理办法，但是起到的效果一般，且这些热处理方法不容易在工业化生产上实现。
为了提高飞机的使用寿命，增加飞机的安全系数，需要研制出比以上合金综合性能更加优异的超高强铝合金，使其具有较高强度的同时，具有较高断裂韧性及较好的抗腐蚀性能等。确保飞机在恶劣的工作环境下长时间安全可靠地工作，从而降低飞机的制造成本。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种高强高韧Al-Zn-Mg-Cu铝合金。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
高强高韧Al-Zn-Mg-Cu铝合金，特点在于成分的重量百分比为：Zn：8.5～10.0wt％，Mg：1.5～2.5wt％，Cu：1.0～2.0wt％，(Cu+0.5)≥Mg，Zr：0.05～0.20wt％，Ti：0.01～0.05wt％，Fe：≤0.10wt％，Si：≤0.08wt％，且(Si+0.02)≤Fe，其余组分为Al和不可避免的杂质。
进一步地，上述的高强高韧Al-Zn-Mg-Cu铝合金，其中，Zn与Mg的重量百分比为4∶1～6∶1，Cu与Mg的重量百分比为0.5∶1～1∶1。
更进一步地，上述的高强高韧Al-Zn-Mg-Cu铝合金，所述铝合金L向抗拉强度590MPa以上，L向屈服强度580MPa以上，L向延伸率12％以上，L-T向断裂韧度30MPam1/2以上，S-T向抗应力腐蚀性能140MPa以上，抗剥落腐蚀性能EB级以上。
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：
①本发明技术方案合理控制合金中Zn、Mg、Cu含量，Zn/Mg值，Cu/Mg值，以及Fe、Si杂质的含量，使合金组织中高熔点、难溶第二相相比于AA7150、AA7055等铝合金大大减少，因此，合金具有较高强度的同时，具有较高韧性；
②时效态的该合金，其L向抗拉强度590MPa以上，L向屈服强度580MPa以上，L向延伸率12％以上，L-T向断裂韧度30MPam1/2以上，S-T向抗应力腐蚀性能140MPa以上，抗剥落腐蚀性能EB级以上；
③该合金断裂韧性优于AA7150、AA7449、AA7085、AA7055等铝合金，综合性能优异，适合于制造长期暴露在大气环境中使用的飞机部件，可广泛应用在航空航天领域。
具体实施方式
研制一种综合性能优异的超高强铝合金，以解决目前航空用超高强铝合金在综合性能方面，特别是在断裂韧性方面的不足。
一种新型高强高韧Al-Zn-Mg-Cu铝合金，合金成分为：Zn：8.5～10.0wt％，Mg：1.5～2.5wt％，Cu：1.0～2.0wt％，(Cu+0.5)≥Mg，Zr：0.05～0.20wt％，Ti：0.01～0.05wt％，Fe：≤0.10wt％，Si：≤0.08wt％，且(Si+0.02)≤Fe，其余组分为Al和不可避免的杂质。其中，Zn与Mg的重量百分比为4∶1～6∶1，Cu与Mg的重量百分比为0.5∶1～1∶1。
时效态的该合金，其L向抗拉强度590MPa以上，L向屈服强度580MPa以上，L向延伸率12％以上，L-T向断裂韧度30MPam1/2以上，S-T向抗应力腐蚀性能140MPa以上，抗剥落腐蚀性能EB级以上。
本发明从合金的成分控制出发，在AA7055合金基础上通过优化溶质原子含量及原子比，即提高Zn含量、用Zn部分替代Mg，降低Cu含量，提高Zn/Mg比、Zn/Cu比，从而消除或减少合金中的S相，使合金在强度及抗腐蚀性能不降低或有所提高的同时，断裂韧性值大大提高。
以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
实施例1～4的成分及含量如表1所示，经过熔炼、半连续铸造、均匀化、热轧、固溶、预拉伸及热处理后，制成板材。实施例1～4的时效态性能如表2所示。
表1实施例1～4的成分及含量(wt.％)
  实施例   Zn   Mg   Cu   Zr   Ti   Fe   Si   Al
  1   10.0   2.5   2.0   0.12   0.04   0.10   0.08   Bal.
  2   9.48   2.10   1.65   0.20   0.01   0.03   0.01   Bal.
  3   9.13   1.92   1.84   0.16   0.03   0.08   0.05   Bal.
  4   8.5   1.5   1.0   0.05   0.05   0.06   0.04   Bal.
表2实施例1～4的时效态性能
  实施例   抗拉强度(L向)Rm/MPa   屈服强度(L向)Rp0.2/MPa   延伸率(L向)A/％   断裂韧度(L-T向)KIC/MPm1/2 剥落腐蚀EXCO   应力腐蚀(S-T向)SCC/MPa
  1   610   600   12.5   30.6   EB   145
  2   605   595   13.5   31.2   EB   160
  3   595   590   14   32   EB   155
  4   590   580   12   30   EB   140
本发明的合金时效态性能与AA7150、AA7449、AA7085、AA7055合金进行对比，如表3所示。
表3合金的综合性能对比
  抗拉强度(L向)Rm/MPa   屈服强度(L向)Rp0.2/MPa   延伸率(L向)A/％   断裂韧度(L-T向)KIC/MPm1/2 剥落腐蚀EXCO   应力腐蚀(S-T向)SCC/MPa
  实施例4   590   580   12   30   EB   140
  AA7150-T7751① 579 538 8 22 EB 172
  AA7449-T7951① 607 579 8 23 - 110
  AA7085-T7651① 515 495 9 26 EB 180
  抗拉强度(L向)Rm/MPa   屈服强度(L向)Rp0.2/MPa   延伸率(L向)A/％   断裂韧度(L-T向)KIC/MPm1/2 剥落腐蚀EXCO   应力腐蚀(S-T向)SCC/MPa
  AA7055-T7751① 614 593 7 24.2 EB -
表中：上标①数据来源于SAE AMS。
由表2和表3可以看出，本发明合金的断裂韧度明显高于AA7150、AA7449、AA7085、AA7055铝合金。本发明合金的强度明显高于AA7150、AA7085铝合金，与AA7449、AA7055铝合金接近。
综上所述，本发明合金具有优异的综合性能，适合于长期暴露在复杂大气环境中使用的飞机部件。采用该合金，可以增加了飞机的安全性，提高了飞机的使用寿命，其经济效益和社会效应显著。
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.高强高韧Al-Zn-Mg-Cu铝合金，其特征在于成分的重量百分比为：Zn：8.5～10.0wt％，Mg：1.5～2.5wt％，Cu：1.0～2.0wt％，(Cu+0.5)≥Mg，Zr：0.05～0.20wt％，Ti：0.01～0.05wt％，Fe：≤0.10wt％，Si：≤0.08wt％，且(Si+0.02)≤Fe，其余组分为Al和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高强高韧Al-Zn-Mg-Cu铝合金，其特征在于：Zn与Mg的重量百分比为4∶1～6∶1，Cu与Mg的重量百分比为0.5∶1～1∶1。
3.根据权利要求1所述的高强高韧Al-Zn-Mg-Cu铝合金，其特征在于：所述铝合金时效态L向抗拉强度590MPa以上，L向屈服强度580MPa以上，L向延伸率12％以上，L-T向断裂韧度30MPam1/2以上，S-T向抗应力腐蚀性能140MPa以上，抗剥落腐蚀性能EB级以上。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103898382A (zh) * 2014-03-27 2014-07-02 北京科技大学 超强高韧耐蚀Al-Zn-Mg-Cu铝合金材料及其制备方法
CN105401021A (zh) * 2015-10-29 2016-03-16 中国航空工业集团公司北京航空材料研究院 一种700MPa级铝合金挤压型材
CN105506418A (zh) * 2015-12-15 2016-04-20 常熟市良益金属材料有限公司 一种高强度合金材料
CN113737068A (zh) * 2021-08-19 2021-12-03 中铝材料应用研究院有限公司 一种高强韧耐蚀7xxx系铝合金及其加工方法

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