CN102634706A

CN102634706A - 一种高强、高韧、耐蚀Al-Cu-Mg铝合金

Info

Publication number: CN102634706A
Application number: CN2012101311831A
Authority: CN
Inventors: 邓运来; 杨金龙; 李思宇; 陈泽宇; 叶凌英; 万里; 张新明
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2012-04-28
Filing date: 2012-04-28
Publication date: 2012-08-15

Abstract

本发明是一种高强、高韧、耐蚀Al-Cu-Mg系列铝合金。本发明的关键在于调整Al-Cu-Mg合金中合金元素的质量比；其含有以下重量百分比的成分：铜3.0-4.0％，镁0.5-1.5％，锌小于0.2％，钛小于0.06％，硅小于0.2％，铁小于0.25％，锰小于1.2％，铝为余量。本发明中的新型铝合金具有较高的强度，较好的塑性，良好的耐剥落腐蚀性能，较好的断裂韧性。采用本发明合金制得的材料(部件)峰值时效后强度大于480Mpa，材料的室温延伸率不低于10％，维氏硬度值不低于140HV，剥落腐蚀性能在E_B范围内，综合性能明显高于已报道的Al-Cu-Mg系列铝合金。

Description

一种高强、高韧、耐蚀Al-Cu-Mg铝合金

技术领域

本发明涉及一种新型高强高韧Al-Cu-Mg铝合金，该合金可满足峰值时效强度480MPa，单位面积裂纹形核功(UIE)值大于150N·M^-1。有色金属材料及其加工领域。

背景技术

为达到节能减重增效的目的，制造业对于新型高性能轻质材料的需求量迅速增长，铝合金作为大型航空件的结构材料，在降低航空构件的质量中有至关重要的作用，因此得到了越来越多的关注，特别是可热处理强化Al-Cu-Mg系列铝合金。作为大型飞机结构材料的Al-Cu-Mg系列铝合金，其主合金元素化学成分的调整与合金的组织与性能密切相关，合金主要元素低，合金强度低，韧性和耐蚀性较高。主要合金元素含量提高，则强度较高，韧性和耐蚀性降低。因此，合金成分调整是控制合金性能的重要方式。

自上世纪初发现Al-Cu可热处理强化铝合金以来，相继开发出了一系列的高强Al-Cu-Mg铝合金，如国外研发的2x24铝合金和2022铝合金等。目前，大部分Al-Cu-Mg系列铝合金主元素Cu含量较高(＞4.0％)(如2x24铝合金)或者是Mg含量较低(＜1.0％)(如2022铝合金)，其综合性能较差，强度较低抑或是韧性较差。如2022铝合金的T6态抗拉强度仅有435MPa，撕裂UIE(单位裂纹形核功)仅有100N·M^-1，断裂韧性较差。2124铝合金T6态抗拉强度455MPa，延伸率10％左右。结合近年来Al-Cu-Mg合金的发展特点，对铝合金强度、可加工性、韧性和耐蚀性能要求提高，这就要求严格控制合金杂质含量(Fe、Si等)，合理匹配合金主元素，发明兼顾高强、高韧、耐蚀综合性能的Al-Cu-Mg合金。

常见两种Al-Cu-Mg合金的成分表，如表1所示：

合金	Cu	Mg	Mn	Zn	Fe	Si	Ti	Al
									2024	3.8-4.9	1.2-1.8	0.30-0.9	0.25	0.50	0.50	0.15	余量
2022	4.5-5.5	0.10-0.45	0.15-0.50	0.05-0.30	0.20	0.15	0.15	余量

表1常见两种Al-Cu-Mg合金成分

发明内容

本发明的目的是提供一种高强、高韧、耐蚀铝合金，该合金可达到良好的综合性能。

本发明的目的是通过以下方式实现的。

一种高强、高韧、耐蚀Al-Cu-Mg系列铝合金，含有以下重量百分比的成分：铜3.0-4.0％，镁0.5-1.5％，锌小于0.2％，钛小于0.06％，硅小于0.2％，铁小于0.25％，锰小于1.2％，铝为余量。

一种高强、高韧、耐蚀Al-Cu-Mg系铝合金，含有以下重量百分比的成分：铜3.0-4.0％，镁0.5-1.5％，锌小于0.2％，钛小于0.06％，硅小于0.2％，铁小于0.25％，锰小于1.2％，钪、锆、铒、钕、铈、镱中任意一种或者几种；所述的钪、锆、铒、钕、铈、镱每种元素的质量百分比均为0.05-0.15％，铝为余量。

一种高强、高韧、耐蚀Al-Cu-Mg系铝合金，含有以下重量百分比的成分：铜3.0-4.0％，镁0.5-1.5％，锌小于0.2％，钛小于0.06％，硅小于0.2％，铁小于0.25％，锰小于1.2％，钪、锆、铒、钕、铈、镱中任意一种或者几种；所述的钪、锆、铒、钕、铈、镱每种元素的质量百分比均为0.05-0.15％，、锂、银中任意一种或者两种；所述的锂、银每种元素的质量百分比均为0.8-1.2％，铝为余量。

一种高强、高韧、耐蚀Al-Cu-Mg系铝合金，含有以下重量百分比的成分：铜3.0-4.0％，镁0.5-1.5％，锌小于0.2％，钛小于0.06％，硅小于0.2％，铁小于0.25％，锰小于1.2％，锂、银中任意一种或者两种；所述的锂、银每种元素的质量百分比均为0.8-1.2％，铝为余量。

本发明高强、高韧、耐蚀新型Al-Cu-Mg系列铝合金可以采用以下3种方法制备。

本发明高强、高韧、耐蚀新型Al-Cu-Mg系列铝合金的制备方法(A)：选择在本发明所指范围的合金成分。Al、Mg、Zn采用纯Al、纯Mg、纯Zn的方式加入，其他元素均用中间合金方式加入，采用电炉中用石墨坩埚进行熔炼，熔铸温度为740～760℃，浇注温度720～730℃，充分搅拌后，经Ar气保护加入除气剂(六氯乙烷)除气，拔渣，待温度下降至浇铸温度720～730℃后浇注，合金熔体浇入铁模中。冷却后脱模。铸锭在490℃经24小时均匀化后，切去头尾，在420℃保温2小时后进行轧制，轧制每道次压下量为不超过10％，需进行中间退火(2-3道次)，退火时间为20min。热轧到最后板材显著伸长，必须进行剪断后才能退火。由于板材较薄，热轧中冷却较快，而且为控制好轧制精度，最后阶段的轧制每道次轧下量小于1mm。轧制到3mm厚时终止轧制，完成后进行固溶时效，固溶时效采用510℃固溶2小时，185℃时效12小时(含Li合金时效24小时)得到高强高韧耐蚀铝合金。

高强高韧耐蚀新型Al-Cu-Mg系列铝合金的制备方法(B)：选择在本发明所指范围的合金成分。Al、Mg、Zn采用纯Al、纯Mg、纯Zn的方式加入，其他元素均用中间合金方式加入，采用电炉中用石墨坩埚进行熔炼，熔铸温度为740～760℃，浇注温度720～730℃，充分搅拌后，经Ar气保护加入除气剂(六氯乙烷)除气，拔渣，待温度下降至浇铸温度720～730℃后浇注，合金熔体浇入铁模中。冷却后脱模。铸锭在490℃经24小时均匀化后，车皮后进行挤压，挤压温度控制在380～420℃，挤压比λ≥20。挤压速度为1m/min，挤压后进行固溶时效处理，固溶时效采用510℃固溶2小时，185℃时效12小时(含Li合金时效24小时)得到高强高韧耐蚀铝合金。

高强高韧耐蚀新型Al-Cu-Mg系列铝合金的制备方法(C)：选择在本发明所指范围的合金成分。Al、Mg、Zn采用纯Al、纯Mg、纯Zn的方式加入，其他元素均用中间合金方式加入，采用电炉中用石墨坩埚进行熔炼，熔铸温度为740～760℃，浇注温度720～730℃，充分搅拌后，经Ar气保护加入除气剂(六氯乙烷)除气，拔渣，待温度下降至浇铸温度720～730℃后浇注，合金熔体浇入铁模中。冷却后脱模。铸锭在490℃经24小时均匀化后，切去头尾，在420℃保温2小时后进行轧制，轧制每道次压下量为不超过10％，需进行中间退火(2-3道次)，退火时间为20min。热轧到最后板材显著伸长，必须进行剪断后才能退火。由于板材较薄，热轧中冷却较快，而且为控制好轧制精度，最后阶段的轧制每道次轧下量小于1mm。轧制到3mm厚时终止轧制，完成后进行固溶-预处理-时效，固溶采用510℃固溶2小时，预处理采用冷轧变形，冷轧一道次通过，变形量约8％，185℃时效10小时(含Li合金时效20小时)得到高强高韧耐蚀铝合金。

本发明铝合金材料的强化可以采用第二相强化与固溶强化。本发明在铝合金中加入钪(Sc)、银(Ag)、锆(Zr)、铈(Ce)、镱(Yb)、铒(Er)、锂(Li)，既可获得固溶强化，也可获得第二相强化。本发明在铝合金中加入钪(Sc)、银(Ag)、锆(Zr)、铈(Ce)、镱(Yb)、铒(Er)、锂(Li)，这些元素加入后在铝合金中形成第二相，如Al₃Zr或者含稀土(RE)等复合第二相粒子，对合金晶粒起到细化作用。晶粒细化可对铝合金起到强化作用，同时不降低延伸率。同时复合粒子钉扎晶界，有效阻碍合金再结晶。这些对于合金的综合性能都有利。Ag元素对合金析出相产生影响，Ag与Mg相互作用形成团簇，促进合金析出新的弥散第二相Ω相，Ω相的强化作用强于θ′相，从而引起合金强化，Li元素在合金中形成T₁相(Al₂CuLi)或者δ′相(Al₃Li)，对合金起到强化作用。这些非平衡和(或)平衡第二相能在晶内和晶界分布；从而使本发明的铝合金获得了很高室温强度的同时，室温延伸率不会低于10％。

本发明在选择合金成分及含量时还有如下考虑，高强Al-Cu-Mg铝合金在确定合金成分范围时依据合金性能要求对主要成分进行了调整。Mg、Cu构成合金主要强化相Al₂CuMg。当Cu∶Mg质量比小于2.6，有利于形成S相。合金中由于无沉淀析出带(PFZ)以及晶界析出相的存在，影响合金耐剥落腐蚀性能，而Cu元素对于基体、PFZ、晶界等的电极电位有影响，需要合理调控。因此，合金Cu、Mg元素总含量要求接近5％。Mg和Cu所需比例为，Mg为0.5-1.5％、Cu为3.0-4.0％比较适合，满足强度和耐蚀性要求。Mn元素在Al-Cu-Mg系合金中阻碍再结晶，但会形成粗大第二相，增加应力集中裂纹扩展倾向，需要严格控制。同时，其他合金元素的在铝中的固溶度较低，添加过量会对合金的综合性能不利。且促进晶界无沉淀析出带(PFZ)宽化以及使得合金晶界析出相得连续分布等原因，使得合金的耐蚀性能下降。因此，对于稀土元素其总含量不超过1.0％。

本发明所指铝合金可采用压力加工(如轧制、挤压)，也可采用形变热处理制备所需材料和(或)部件。硬度测试采用小负荷维氏硬度计(HV-10B)，加载重量3Kg，保载时间15s。室温拉伸实验按照国标GB/T228-2002制成标准拉伸试样，拉伸实验在CSS-44100万能材料力学拉伸机上进行，拉伸速度为2mm/min。断裂韧性实验按照Kahn实验制取样品，实验拉伸在MTS810动态疲劳试验机进行，拉伸速度为1mm/min。耐蚀性实验按照GBT22639-2008铝合金加工产品的剥落腐蚀试验方法制取试样并进行实验。

选择在本发明所指范围的合金成分，随成分配比和加工处理方法的不同，所得材料(部件)的性能会有差异，但材料总体特征是：

1)具有高的强度，其维氏硬度值比2022T6和2124T6合金至少都提高15％，拉伸强度提高10％，延伸率不低于10％，断裂强度至少提高10％和5％；

2)具有良好的抗腐蚀性能，耐剥落腐蚀等级控制在EB范围内；

3)具有较好的断裂韧性，UIE(单位面积裂纹形核功)高于2022铝合金20％。

具体实施方式

以下结合实施例旨在进一步说明本发明，而非限制本发明。

各实施例中杂质Si质量分数小于0.2％，Fe小于0.25％，合金元素Zn小于0.2％，Ti小于0.06％，Mn小于1.2％。实施例的合金元素重量百分含量、制备方法与室温拉伸性能、韧性、耐蚀性如表1、表2、表3、表4所示。

表1

表2

表3

表4

Claims

1.一种高强、高韧、耐蚀Al-Cu-Mg系列铝合金，其特征在于，含有以下重量百分比的成分：铜3.0-4.0％，镁0.5-1.5％，锌小于0.2％，钛小于0.06％，硅小于0.2％，铁小于0.25％，锰小于1.2％，铝为余量。

2.一种高强、高韧、耐蚀Al-Cu-Mg系铝合金，其特征在于：含有以下重量百分比的成分：铜3.0-4.0％，镁0.5-1.5％，锌小于0.2％，钛小于0.06％，硅小于0.2％，铁小于0.25％，锰小于1.2％，钪、锆、铒、钕、铈、镱中任意一种或者几种；所述的钪、锆、铒、钕、铈、镱每种元素的质量百分比均为0.05-0.15％，铝为余量。

3.一种高强、高韧、耐蚀Al-Cu-Mg系铝合金，其特征在于：含有以下重量百分比的成分：铜3.0-4.0％，镁0.5-1.5％，锌小于0.2％，钛小于0.06％，硅小于0.2％，铁小于0.25％，锰小于1.2％，钪、锆、铒、钕、铈、镱中任意一种或者几种；所述的钪、锆、铒、钕、铈、镱每种元素的质量百分比均为0.05-0.15％，锂、银中任意一种或者两种；所述的锂、银每种元素的质量百分比均为0.8-1.2％，铝为余量。

4.一种高强、高韧、耐蚀Al-Cu-Mg系铝合金，其特征在于：含有以下重量百分比的成分：铜3.0-4.0％，镁0.5-1.5％，锌小于0.2％，钛小于0.06％，硅小于0.2％，铁小于0.25％，锰小于1.2％，锂、银中任意一种或者两种；所述的锂、银每种元素的质量百分比均为0.8-1.2％，铝为余量。