CN102011037A - 稀土Er微合金化的Al-Zn-Mg-Cu合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了稀土Er微合金化的Al-Zn-Mg-Cu合金及其制备方法，属于金属合金技术领域。本发明是在Al-Zn-Mg-Cu合金中加入0.02-0.1wt.％的稀土Er，方法是：首先铸造成合金锭，采用双级均匀化退火工艺退火，然后进行锻造变形或挤压变形，并在465-475℃固溶处理，然后进行峰值时效处理或双级过时效处理。本发明将稀土元素Er，以合适的量和方式加入到Al-Zn-Mg-Cu合金中，与合金发生有效的微合金化作用，从而使合金具有高强度的同时具有良好的塑性和断裂韧性。

Description

稀土Er微合金化的Al-Zn-Mg-Cu合金及其制备方法
技术领域
本发明属于金属合金技术领域，具体涉及经过稀土Er微合金化的铝合金材料及其制备方法。
背景技术
超高强Al-Zn-Mg-Cu合金具有高的比强度比刚度、而且经济和易加工成形等，广泛应用于航空航天领域，并成为这个领域中重要的材料之一。
在高强铝合金中随着主合金化元素Zn、Mg和Cu含量增加，铝合金的强度随之参加，然而铝合金的塑性、断裂韧性和耐腐蚀性却明显的降低。同时，由于Zn的密度大，熔点低，使得高Zn铝合金在制备过程中容易产生成分偏析和热裂，合金铸造性能降低。当合金中Zn、Mg和Cu含量较高时，在铸组织中必然会存在非平衡的多相共晶组织，如果经过均匀化和固溶处理，不能使合金元素充分溶入基体，将会对铝合金的断裂韧性、疲劳性能和应力腐蚀开裂产生显著的不良影响。因此，如何获得铝合金在高强度的基础上具有较好的塑性、韧性和耐腐蚀性能成为超高强铝合金研究的难题和热点。
稀土在铝合金中具有去杂、出气和变质等作用。廉价稀土Er添加到纯Al、Al-Mg、Al-Zn-Mg和Al-Zn-Mg-Cu合金中均发现能显著细化晶粒，提高合金强度，抑制再结晶(N.Zuoren，J.Tounan，F.Jingbo.Resarch on rare earth inaluminum[J].Maaterials Science Forum，2002，1731：396-402；YANG Junjun，NIE Zuoren，JIN Tounan，et al.Effect of trace rare-earth element Er onrectystallization behavior of high pure aluminum[J].Rare-earth RareMetal Materials and Engineering，2003，32(1)：37-40.)。添加Er的7075高强铝合金在保持良好的强度和塑性基础上，合金抗应力腐蚀性能有了相当大的提高(聂祚仁，王旭东，左铁镛，邹景霞.含铒的7075铝合金[P].中国专利：200710099752.8，2007-10-17.)。而Er在高Zn的Al-Zn-Mg-Cu合金中的微合金化作用没有报道。
发明内容
本发明的目的在于寻找一种价格相对便宜的稀土元素Er，以合适的量和方式加入到Al-Zn-Mg-Cu合金中，与合金发生有效的微合金化作用，从而使合金具有高强度的同时具有良好的塑性和断裂韧性。
本发明的另一目的是提供稀土Er微合金化的Al-Zn-Mg-Cu合金的制备方法。
为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：
本发明所提供含Er的Al-Zn-Mg-Cu合金，其特征在于，Al-Zn-Mg-Cu合金中加入0.02-0.1wt.％的稀土Er。
上述Al-Zn-Mg-Cu合金成分为Zn9.5-10.5wt.％，Mg1.6-2.2wt.％，Cu1.4-2.0wt.％，Zr0.05-0.2wt.％，Si≤0.10wt.％，Fe≤0.10wt.％，其它杂质单个≤0.05wt.％，总量≤0.15wt.％，其余为Al。
稀土Er微合金化的Al-Zn-Mg-Cu合金的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)以高纯铝(Al99.70)、高纯Mg(Mg9995)、工业纯Zn(Zn≥98.7wt.％)和Al-5.03Cu、Al-6.00Er、Al-4.50Zr中间合金为原料，按合金化学成分配料，在720-780℃温度下熔制成合金熔液，浇铸温度为700-720℃，铸造成合金锭；
(2)根据(1)所述的合金锭，对其均匀化退火，采用双级均匀化退火工艺，第一级为400-420℃保温4小时，第二级为455-465℃保温20-30小时；
(3)根据(2)所述的均匀化铸锭，将其锻造变形，工艺是将合金锭去皮，在380-420℃预热保温1小时后锻造，锻造后材料空冷；
或者根据(2)所述的均匀化铸锭，将其挤压变形，工艺是将合金锭去皮，在380-420℃预热保温1小时后挤压，挤压后材料空冷；
(4)根据(3)所述的塑性变形合金，将其固溶处理，工艺是在465-475℃保温2-3小时，之后立即室温水淬，淬火转移时间不超过30秒；
(5)根据(4)所述的固溶处理合金坯料，对其峰值时效处理，工艺是在120-135℃保温16-24小时；
或者根据(4)所述的固溶处理合金坯料，对其双级过时效处理，其工艺是第一级时效在110-125℃保温3-5小时；第二级时效在155-170℃保温6-10小时。
具体实施方式
以下将结合合金如表1所示的具体实施步骤以及部分优选性能如表2、表3和表4所示对本发明作进一步地详述。
表1合金成分(wt.％)
Figure BSA00000392302200031
实例1：以高纯铝(Al99.70)、高纯Mg(Mg9995)、工业纯Zn(Zn≥98.7wt.％)和Al-5.03Cu、Al-6.00Er(除不添加Er的合金外)、Al-4.50Zr中间合金为原料，按表1中合金的化学成分要求配料。先将铝锭装炉，待铝锭熔化后，陆续加入纯锌、铝铜中间合金、铝锆中间合金和铝铒中间合金。待金属及中间合金都熔化后，扒去熔体表面的浮渣，熔体温度达到715-735℃时，加入纯镁。为使合金元素分布均匀，对熔体进行搅拌，之后进行精炼，精炼在710-730℃下静置20-35分钟，随后扒去表面的浮渣，再静置到浇铸温度700-720℃后铸造成合金锭坯。对合金铸锭进行双级均匀化退火，其工艺是第一级为400℃保温4小时，第二级为460℃保温30小时。将均匀化退火合金进行锻造变形，工艺是将铸锭去皮后在380-420℃预热保温1小时，上下模在400-420℃之间分两步锻成厚度约为20mm的圆盘，总的变形量为82％，锻压后材料空冷。对锻造变形合金进行固溶处理，工艺是在470℃保温2小时，之后立即室温水淬，淬火转移时间不超过30秒。对固溶处理合金进行峰值时效处理，工艺是在135℃保温16小时。时效处理后测试合金的性能。
经实例1制备方法的合金拉伸性能如表2所示，添加微量稀土Er的Al-Zn-Mg-Cu合金的抗拉强度和屈服强度基本不变，但是延伸率提高了18.4％。
表2锻造变形合金时效(135℃/16小时)拉伸性能
Figure BSA00000392302200041
实例2：以高纯铝(Al99.70)、高纯Mg(Mg9995)、工业纯Zn(Zn≥98.7wt.％)和Al-5.03Cu、Al-6.00Er(除不添加Er的合金外)、Al-4.50Zr中间合金为原料，按表1中合金的化学成分要求配料。先将铝锭装炉，待铝锭熔化后，陆续加入纯锌、铝铜中间合金、铝锆中间合金和铝铒中间合金。待金属及中间合金都熔化后，扒去熔体表面的浮渣，熔体温度达到715-735℃时，加入纯镁。为使合金元素分布均匀，对熔体进行搅拌。之后进行精炼，精炼在710-730℃下静置20-35分钟，随后扒去表面的浮渣，再静置到浇铸温度700-720℃后铸造成合金锭坯。对合金铸锭进行双级均匀化退火，其工艺是第一级为400℃保温4小时，第二级为460℃保温30小时。将均匀化退火合金进行挤压变形，工艺是将铸锭去皮后在380-420℃预热保温1小时，然后进行挤压，挤压比15.4，挤压变形后材料空冷。对挤压变形合金进行固溶处理，工艺是在470℃保温3小时，之后立即室温水淬，淬火转移时间不超过30秒。对固溶处理合金进行峰值时效处理，工艺是在120℃保温24小时。时效处理后测试合金的性能。
经实例2制备方法的合金拉伸性能(L向)和断裂韧性(T-L向)如表3所示，添加微量Er的Al-Zn-Mg-Cu合金保持在高强度同时塑性和断裂韧性有所改善，即强度下降仅1.74％，而塑性提高8.4％，断裂韧性提高7.2％。
表3挤压变形合金时效(120℃/24小时)拉伸性能和断裂韧性
Figure BSA00000392302200051
实例3：以高纯铝(Al99.70)、高纯Mg(Mg9995)、工业纯Zn(Zn≥98.7wt.％)和Al-5.03Cu、Al-6.00Er(除不添加Er的合金外)、Al-4.50Zr中间合金为原料，按表1中合金的化学成分要求配料。先将铝锭装炉，待铝锭熔化后，陆续加入纯锌、铝铜中间合金、铝锆中间合金和铝铒中间合金。待金属及中间合金都熔化后，扒去熔体表面的浮渣，熔体温度达到715-735℃时，加入纯镁。为使合金元素分布均匀，对熔体进行搅拌。之后进行精炼，精炼在710-730℃下静置20-35分钟，随后扒去表面的浮渣，再静置到浇铸温度700-720℃后铸造成合金锭坯。对合金铸锭进行双级均匀化退火，其工艺是第一级为400保温4小时，第二级为460℃保温30小时。将均匀化退火合金进行挤压变形，工艺是将铸锭去皮后在380-420℃预热保温1小时，然后进行挤压，挤压比15.4，挤压变形后材料空冷。对挤压变形合金进行固溶处理，工艺是在470℃保温3小时，之后立即室温水淬，淬火转移时间不超过30秒。对固溶处理合金进行双级过时效处理，其工艺是第一级时效在120℃保温4小时；第二级时效在165℃保温8小时。时效处理后测试合金的性能。
经实例3制备方法的合金拉伸性能(L向)如表4所示，添加微量Er的Al-Zn-Mg-Cu合金保持在高强度同时塑性有所改善。
表4挤压变形合金双级时效拉伸性能
总之，添加微量Er使高强铝合金具有高强度的同时有很好的塑性和断裂韧性。因此，稀土Er在高强Al-Zn-Mg-Cu合金中的微合金化作用能有效提升合金的综合性能。

Claims (3)

1.稀土Er微合金化的Al-Zn-Mg-Cu合金，其特征在于，Al-Zn-Mg-Cu合金中加入0.02-0.1wt.％的稀土Er。
2.按照权利要求1的稀土Er微合金化的Al-Zn-Mg-Cu合金，其特征在于，所述Al-Zn-Mg-Cu合金成分为Zn9.5-10.5wt.％，Mg1.6-2.2wt.％，Cu1.4-2.0wt.％，Zr0.05-0.2wt.％，Si≤0.10wt.％，Fe≤0.10wt.％，其它杂质单个≤0.05wt.％，总量≤0.15wt.％，其余为Al。
3.稀土Er微合金化的Al-Zn-Mg-Cu合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)以高纯铝、高纯Mg、工业纯Zn和Al-5.03Cu、Al-6.00Er、Al-4.50Zr中间合金为原料，按合金化学成分配料，在720-780℃温度下熔制成合金熔液，浇铸温度为700-720℃，铸造成合金锭；
(2)根据(1)所述的合金锭，对其均匀化退火，采用双级均匀化退火工艺，第一级为400-420℃保温4小时，第二级为455-465℃保温20-30小时；
(3)根据(2)所述的均匀化铸锭，将其锻造变形，工艺是将合金锭去皮，在380-420℃预热保温1小时后锻造，锻造后材料空冷；
或者根据(2)所述的均匀化铸锭，将其挤压变形，工艺是将合金锭去皮，在380-420℃预热保温1小时后挤压，挤压后材料空冷；
(4)根据(3)所述的塑性变形合金，将其固溶处理，工艺是在465-475℃保温2-3小时，之后立即室温水淬，淬火转移时间不超过30秒；
(5)根据(4)所述的固溶处理合金坯料，对其峰值时效处理，工艺是在120-135℃保温16-24小时；
或者根据(4)所述的固溶处理合金坯料，对其双级过时效处理，其工艺是第一级时效在110-125℃保温3-5小时；第二级时效在155-170℃保温6-10小时。
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