CN101979692B

CN101979692B - 一种Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金的制备工艺

Info

Publication number: CN101979692B
Application number: CN 201010556640
Authority: CN
Inventors: 李忠盛; 吴护林; 张昭林; 张隆平; 贾代金; 陈韵如; 杨明波
Original assignee: No 59 Research Institute of China Ordnance Industry
Current assignee: No 59 Research Institute of China Ordnance Industry
Priority date: 2010-11-24
Filing date: 2010-11-24
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2030-11-24
Also published as: CN101979692A

Abstract

本发明提供的一种Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金，各组份及其质量百分比为：Zn含量为10-13%,Mg含量为1.8-2.6%，Cu含量为1.8-2.6%，Ce含量为0.15-0.35%，Sc含量0.05-0.15%，Zr含量为0.10-0.20%，杂质元素Si含量≤0.1%，Fe含量≤0.15%，Ti含量≤0.05%，其它杂质元素总的含量≤0.15%，Al为平衡元素。本发明还提出该合金的制备方法，本合金具有优良的力学性能和较低的制备成本。

Description

一种Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金的制备工艺

技术领域：

本发明属于铝合金材料领域，涉及一种超高强铝合金材料，尤其是一种Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金及其制备工艺。

背景技术：

作为高强高韧铝合金的主体，Al-Zn-Mg-Cu系超高强度铝合金因具有高的比强度和硬度、较好的耐腐蚀性能和较高的韧性、优良的加工性能及焊接性能，广泛应用于航空和航天领域，并成为该领域中重要的结构材料之一。目前，国内外已开发出了强度达600MPa级的Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金，并且已成功实现了工业化应用，如美国的7055（Al-8Zn-2.0Mg-2.2Cu-0.10Zr）和7068（Al-7.8Zn-2.5Mg-2.0Cu-0.10Zr）超高强铝合金以及前苏联的B96系超高强Al-Zn-Mg-Cu铝合金（Al-8.5Zn-2.6Mg-2.3Cu-0.15Zr）。然而，航空航天、交通运输和兵器工业等技术的快速发展对Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金的性能和成本提出了更高的要求。因此，有必要开发性能更高的Al-Zn-Mg-Cu系超高强度铝合金。本发明是一种700MPa级且成本相对较低的Al-Zn-Mg-Cu系超高强度铝合金。

[发明内容：

本发明的目的在于提供一种具有良好力学性能且成本相对较低的Al-Zn-Mg-Cu超高强铝合金及其制备工艺。

本发明提供的一种Al-Zn-Mg-Cu超高强铝合金，各组份及其质量百分比为：Zn含量为10-13%, Mg含量为1.8-2.6%，Cu含量为1.8-2.6%，Ce含量为0.15-0.35%，Sc含量0.05-0.15%，Zr含量为0.10-0.20%，杂质元素Si含量≤0.1%，Fe含量≤0.15%，Ti含量≤0.05%，其它杂质元素总的含量≤0.15%，Al为平衡元素。该发明提供的合金与现有Al-Zn-Mg-Cu系超高强度铝合金的不同之处在于复合添加了Ce, Sc和Zr三种微合金化元素。由于微量Ce具有细化铸态晶粒尺寸、降低时效过程中析出物的生长速度和提高氢在铝合金中的固溶度等作用，从而使原有仅添加Sc和/或Zr的Al-Zn-Mg-Cu系超高强度铝合金的性能得到一步提高。

本发明提供的一种Al-Zn-Mg-Cu超高强铝合金的制备工艺，其主要包括以下步骤：

1）将Al、Zn、Mg、Cu、Ce、Sc和Zr 所述的成分配料，其中Al、Mg和Zn以纯度＞99.99wt.%的工业纯Al、Mg和纯Zn形式添加，Cu、Ce、Sc和Zr 分别以Al-50wt.%Cu、Mg-29wt.%Ce、Al-3wt.%Sc和Mg-31wt.%Zr 中间合金的形式添加；合金熔炼在电阻炉中采用石墨坩埚进行，当石墨坩埚的温度达到150-250℃后，加入已预热的纯Al、纯Zn和Al-50wt.%Cu和Al-3wt.%Sc中间合金并将其熔化，熔化后升温到720-740℃，然后加入已预热的纯Mg、Mg-29wt.%Ce和Mg-31wt.%Zr中间合金，待这些中间合金熔化并搅拌后升温到740-760℃，然后用自制的复合细化精炼剂[10~30%氟化铈（CeF），40~60%颗粒状富铈混合稀土（稀土含量大于90%，铈含量大于60%，颗粒尺寸不大于1毫米），10~30%六氯乙烷（C₂Cl₆）]处理5-10分钟，处理完毕后搅拌合金熔体并在750℃静置25-40分钟，静置完毕后捞去合金熔体表面的浮杂，然后进行铸造；

2）在铸造过程中当合金的温度降到固相线温度以下的450-470℃均匀化处理温度后，将合金放入箱式电阻炉中保温10-36h，然后将试样取出空冷至室温。

3）将均匀化处理后得到的合金进行挤压变形处理，具体工艺为：挤压模直径为45mm，挤压嘴直径为15mm，变形系数为9，挤压温度420℃。

4）将挤压变形处理后的合金进行固溶时效处理，具体工艺为：（470℃×8h+水淬）固溶处理+（120℃×24h+空冷）时效处理。

本合金熔炼时采用了复合细化精炼剂，所用的复合细化精炼剂中的氟化铈和富镧混合稀土除了起变质作用和细化作用外，还有精炼除气和除渣等作用。六氯乙烷主要起精炼除气和除渣作用，此外，其与铝合金熔液反应产生的气泡还可以对合金液起搅拌作用。而这些对于合金熔体的质量及获得细小的铸态组织均有积极的作用，并反映到合金最终力学性能的提高上。

同时，本合金中的Zr以Mg-31wt%Zr中间合金形式添加，从而避免了原有含Zr的Al-Zn-Mg-Cu系超高强度铝合金以Al-Zr中间合金或锆盐形式添加带来的问题,如以Al-Zr形式添加易形成高熔点的Al₃Zr化合物从而影响Zr的收得率；以锆盐形式添加会带进不需要的杂质元素，而这对于提高合金的力学性能也是有利的。

此外，由于Al-Zn-Mg-Cu超高强铝合金传统均匀化处理均是在合金铸造冷却到室温后重新加热到均匀化处理温度条件下进行的。很明显，这种传统的均匀化处理方法存在加热和保温时间长、能源消耗大等问题。此外，还必须严格控制加热方式和加热速度等工艺因素，因为一旦加热方式和加热速度选择不当，将会产生加热不均从而难以达到均匀化处理的目的，严重时甚至使合金产生过烧等缺陷，并最终导致合金的综合力学性能受到影响。相反，本合金在制备时采用的均匀化处理工艺则是在铸造过程中当合金的温度降到固相线温度以下的450-470℃均匀化处理温度进行，不需要重新加热。此外，这种均匀化处理方法还可将凝固冷却和均匀化处理连为一体，使得合金一直处于温度较高的状态，内部原子的扩散能力强，加之一些低熔点合金相还未完全析出，因此可以保证在较短的时间内获得较大的过饱和固溶度，为后续固溶时效处理奠定了很好的组织基础。同时，较短的均匀化保温时间带来的成本效益也是十分显著的。

上述工艺的实施，保证了本合金具有优良的力学性能。

具体实施方式：

以下通过具体的三个实施例对本发明的技术方案和效果作进一步的阐述。

实施例1：合金的成分（重量百分比）为：Zn含量为10%, Mg含量为2.2%，Cu含量为2.6%，Ce含量为0.20%，Sc含量0.10%，Zr含量为0.15%，杂质元素Si含量≤0.1%，Fe含量≤0.15%，Ti含量≤0.05%，其它杂质元素总的含量≤0.15%，Al为平衡元素。

按上述成分配制合金，其中Al、Mg和Zn以纯度＞99.99wt.%的工业纯Al、Mg和纯Zn形式添加，Cu、Ce、Sc和Zr 分别以Al-50wt.%Cu、Mg-29wt.%Ce、Al-3wt.%Sc、和Mg-31wt.%Zr 中间合金的形式添加；合金熔炼在电阻炉中采用石墨坩埚进行，当石墨坩埚的温度达到200℃后，加入已预热的纯Al、纯Zn和Al-50wt.%Cu和Al-3wt.%Sc中间合金并将其熔化，熔化后升温到730℃，然后加入已预热的纯Mg、Mg-29wt.%Ce和Mg-31wt.%Zr中间合金，待这些中间合金熔化并搅拌后升温到750℃，然后用复合细化精炼剂[10~30%氟化铈（CeF），40~60%颗粒状富铈混合稀土（稀土含量大于90%，铈含量大于60%，颗粒尺寸不大于1毫米），10~30%六氯乙烷（C₂Cl₆）]处理8分钟，处理完毕后搅拌合金熔体并在750℃静置30分钟，静置完毕后捞去合金熔体表面的浮杂，然后进行铸造；在铸造过程中当合金的温度降到固相线温度以下的450℃均匀化处理温度后，将合金放入箱式电阻炉中保温24h，然后将试样取出空冷至室温。将均匀化处理后得到的合金进行挤压变形处理，具体工艺为：挤压模直径为45mm，挤压嘴直径为15mm，变形系数为9，挤压温度420℃。将挤压变形处理后的合金进行固溶时效处理，具体工艺为：470℃×8h+水淬固溶处理+120℃×24h+空冷时效处理。本实施例得到的合金，其室温抗拉强度为730MPa，屈服强度为688MPa，延伸率为9.1%。

实施例2：合金的成分（重量百分比）为：Zn含量为13%, Mg含量为2.6%，Cu含量为1.8%，Ce含量为0.35%，Sc含量0.15%，Zr含量为0.20%，杂质元素Si含量≤0.1%，Fe含量≤0.15%，Ti含量≤0.05%，其它杂质元素总的含量≤0.15%，Al为平衡元素。

按上述成分配制合金，其中Al、Mg和Zn以纯度＞99.99wt.%的工业纯Al、Mg和纯Zn形式添加，Cu、Ce、Sc和Zr 分别以Al-50wt.%Cu、Mg-29wt.%Ce、Al-3wt.%Sc、和Mg-31wt.%Zr中间合金的形式添加；合金熔炼在电阻炉中采用石墨坩埚进行，当石墨坩埚的温度达到250℃后，加入已预热的纯Al、纯Zn和Al-50wt.%Cu和Al-3wt.%Sc中间合金并将其熔化，熔化后升温到740℃，然后加入已预热的纯Mg、Mg-29wt.%Ce和Mg-31wt.%Zr中间合金，待这些中间合金熔化并搅拌后升温到760℃，然后用自制的复合细化精炼剂[10~30%氟化铈（CeF），40~60%颗粒状富铈混合稀土（稀土含量大于90%，铈含量大于60%，颗粒尺寸不大于1毫米），10~30%六氯乙烷（C₂Cl₆）]处理10分钟，处理完毕后搅拌合金熔体并在750℃静置40分钟，静置完毕后捞去合金熔体表面的浮杂，然后进行铸造；在铸造过程中当合金的温度降到固相线温度以下的470℃均匀化处理温度后，将合金放入箱式电阻炉中保温18h，然后将试样取出空冷至室温。将均匀化处理后得到的合金进行挤压变形处理，具体工艺为：挤压模直径为45mm，挤压嘴直径为15mm，变形系数为9，挤压温度420℃。将挤压变形处理后的合金进行固溶时效处理，具体工艺为：470℃×8h+水淬固溶处理+120℃×24h+空冷时效处理。本实施例得到的合金，其室温抗拉强度为748MPa，屈服强度为692MPa，延伸率为8.5%。

[实施例3：合金的成分（重量百分比）为：Zn含量为12%, Mg含量为2.0%，Cu含量为2.0%，Ce含量为0.15%，Sc含量0.08%，Zr含量为0.10%，杂质元素Si含量≤0.1%，Fe含量≤0.15%，Ti含量≤0.05%，其它杂质元素总的含量≤0.15%，Al为平衡元素。

按上述成分配制合金，其中Al、Mg和Zn以纯度＞99.99wt.%的工业纯Al、Mg和纯Zn形式添加，Cu、Ce、Sc和Zr 分别以Al-50wt.%Cu、Mg-29wt.%Ce、Al-3wt.%Sc、和Mg-31wt.%Zr中间合金的形式添加；合金熔炼在电阻炉中采用石墨坩埚进行，当石墨坩埚的温度达到150℃后，加入已预热的纯Al、纯Zn和Al-50wt.%Cu和Al-3wt.%Sc中间合金并将其熔化，熔化后升温到720℃，然后加入已预热的纯Mg、Mg-29wt.%Ce和Mg-31wt.%Zr中间合金，待这些中间合金熔化并搅拌后升温到760℃，然后用自制的复合细化精炼剂[10~30%氟化铈（CeF），40~60%颗粒状富铈混合稀土（稀土含量大于90%，铈含量大于60%，颗粒尺寸不大于1毫米），10~30%六氯乙烷（C₂Cl₆）]处理5分钟，处理完毕后搅拌合金熔体并在750℃静置25分钟，静置完毕后捞去合金熔体表面的浮杂，然后进行铸造；在铸造过程中当合金的温度降到固相线温度以下的460℃均匀化处理温度后，将合金放入箱式电阻炉中保温30h，然后将试样取出空冷至室温。将均匀化处理后得到的合金进行挤压变形处理，具体工艺为：挤压模直径为45mm，挤压嘴直径为15mm，变形系数为9，挤压温度420℃℃。将挤压变形处理后的合金进行固溶时效处理，具体工艺为：470℃×8h+水淬固溶处理+120℃×24h+空冷时效处理。本实施例得到的合金，其室温抗拉强度为724MPa，屈服强度为685MPa，延伸率为8.6%。

从上面的结果可以看到，本发明所述的超高强铝合金在所述的制备工艺下可稳定的制备出抗拉强度超过700MPa、屈服强度超过650MPa、延伸率超过8.0%且成本相对较低的Al-Zn-Mg-Cu超高强铝合金，因而在航空航天、交通运输和兵器工业等领域存在很大的应用潜力。

Claims

1. Al-Zn-Mg-Cu超高强铝合金的制备方法，所述Al-Zn-Mg-Cu超高强铝合金，各组份及其质量百分比为：Zn含量为10-13%, Mg含量为1.8-2.6%，Cu含量为1.8-2.6%，Ce含量为0.15-0.35%，Sc含量0.05-0.15%，Zr含量为0.10-0.20%，杂质元素Si含量≤0.1%，Fe含量≤0.15%，Ti含量≤0.05%，其它杂质元素总的含量≤0.15%，Al为平衡元素，制备方法包括以下三个步骤：

1）将Al、Zn、Mg、Cu、Ce、Sc和Zr按成分配料，其中Al、Mg和Zn以纯度＞99.99wt.%的工业纯Al、Mg和纯Zn形式添加，Cu、Ce、Sc和Zr 分别以Al-50wt.%Cu、Mg-29wt.%Ce、Al-3wt.%Sc和Mg-31wt.%Zr中间合金的形式添加；合金熔炼在电阻炉中采用石墨坩埚进行，当石墨坩埚的温度达到200-250℃后，加入已预热的纯Al、纯Zn和Al-50wt.%Cu和Al-3wt.%Sc中间合金并将其熔化，熔化后升温到720-740℃，然后加入已预热的纯Mg、Mg-29wt.%Ce和Mg-31wt.%Zr中间合金，待这些中间合金熔化并搅拌后升温到740-760℃，然后细化精炼处理5-10分钟，处理完毕后搅拌合金熔体并在750℃静置25-40分钟，静置完毕后捞去合金熔体表面的浮杂，然后进行铸造；所述的细化精炼处理采用复合细化精炼剂，其组成为10~30%氟化铈、40~60%颗粒状富铈混合稀土和10~30%六氯乙烷，其中富铈混合稀土中的稀土含量大于90%，铈含量大于60%，颗粒尺寸不大于1毫米；

2）在铸造过程中当合金的温度降到固相线温度以下的均匀化处理温度后，将合金放入箱式电阻炉中保温，然后将试样取出空冷至室温；

3）将铸造和均匀化处理后得到的合金进行挤压变形处理；

4）将挤压变形处理得到的合金进行固溶和时效处理。

2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的均匀化处理温度是450℃-470℃，合金放入箱式电阻炉中保温的时间为10-36h。

3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述复合细化精炼剂的重量百分比组成为30%氟化铈、40%颗粒状富铈混合稀土、30%六氯乙烷，其中颗粒状富铈混合稀土的稀土含量大于90%，颗粒尺寸不大于1毫米，铈含量大于60%。