CN103088242B

CN103088242B - 一种铝锌镁铜锆系高强铝合金的制备方法

Info

Publication number: CN103088242B
Application number: CN201310051011.8A
Authority: CN
Inventors: 沈强; 吴传栋; 李成章; 余侃; 罗国强; 张联盟; 方攀
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2013-02-16
Filing date: 2013-02-16
Publication date: 2015-04-08
Anticipated expiration: 2033-02-16
Also published as: CN103088242A

Abstract

本发明涉及铝锌镁铜锆系高强铝合金的制备方法，具体是按照合金成分，取Al、Zn、Mg、Cu、Zr纯元素粉末配料，按质量计，其中Zn5.0~6.5%，Mg1.7~2.1%，Cu1.6~2.1%，Zr0.17~0.25%，余量为Al，各组分之和为100%；采用元素粉末法，通过混料、低温高压真空热压烧结、高温固溶热处理、热挤压和后期热处理的方法，得到了铝锌镁铜锆系高强铝合金的热压试样。本发明制备的铝锌镁铜锆系高强铝合金的晶粒细小均匀，并且操作简单，可控性好，拓展了铝合金在中、高强结构材料领域的工业化应用。

Description

一种铝锌镁铜锆系高强铝合金的制备方法

技术领域

本发明属于轻质高性能结构铝合金材料及粉末冶金技术领域，特别是一种铝锌镁铜锆系高强铝合金的制备方法。

背景技术

铝合金以其良好的物理、化学和机械性能，在国防和经济建设的许多重要领域有广泛的运用。Al-Zn-Mg-Cu合金属于超高强铝合金，具有较高的比强度，广泛应用于航空领域，国内研究超高强铝合金的制坯方法与国外制坯方法基本一致，主要有传统铸造、粉末冶金、喷射成形和电磁搅拌铸造技术；材料加工主要是通过控制加工温度、变形温度、变形量等参数来控制材料的显微组织；热处理包括单级、双级固溶处理，T6时效处理，T7X过时效处理，回归再时效（RRA）处理等。目前，主要以铸造为主，铸造方法简单，但存在晶粒粗大、偏析严重、组织疏松、固溶度低等问题，限制了Al-Zn-Mg-Cu-Zr系铝合金性能的进一步提高；粉末冶金技术在铝合金领域研究相对较少，而且一般选用采用气雾法制备的铝合金粉末，制备工序繁琐，损失量多，成本较高。

发明内容

本发明的目的旨在针对现有的铝锌镁铜锆系铸造以及粉末冶金制备高强铝合金的技术不足和缺陷，提供一种组分配比合理、生产工艺简单、可有效提高铝合金的总体强度和稳定性的铝锌镁铜锆系高强铝合金的制备方法，使铝合金的性能接近或超过现有铸造或锻造法所生产的制品。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的铝锌镁铜锆系高强铝合金的制备方法，具体是：按照合金成分，取Al、Zn、Mg、Cu、Zr纯元素粉末配料，按质量计，其中Zn 5.0~6.5%，Mg 1.7~2.1%，Cu 1.6~2.1%，Zr 0.17~0.25%，余量为Al，各组分之和为100%；然后将球磨混合均匀的复合粉末装在预先制好的模具内进行低温高压真空热压烧结，对采用低温高压真空热压烧结制备的烧结体进行高温固溶热处理，烧结后的试样进行热挤压，挤压件进行后期热处理得到了铝锌镁铜锆系高强铝合金的热压试样。

所述Al粉纯度可以为99.99%，粉末粒径为2~11μm。

所述Zn粉纯度可以为99.50%，粉末粒径为6~9μm。

所述Mg粉纯度可以为99.80%，粉末粒径为15~20μm。

所述Cu粉纯度可以为99.90%，粉末粒径小于10μm。

所述Zr粉纯度可以为99.90%，粉末粒径为2~3μm。

所述低温高压真空热压烧结可以在真空热压烧结炉中进行，烧结温度可以为530~550℃，真空度可以≤0.01Pa，烧结时施加的压力可以为60~80MPa，烧结时间可以为2~5小时。

所述高温固溶热处理可以在真空热压烧结炉中进行，烧结温度可以为600~620℃，烧结时间可以为4~12小时。

本发明与现有技术相比具有以下的主要优点：

本发明采用纯元素粉末的方法进行混料，通过球磨混料，使几种元素粉末充分混合，然后通过低温高压真空热压烧结和高温固溶热处理，使锌、镁、铜、锆等元素在铝基体中固溶超过其理论固溶度，并使粉末反应充分进行，以获得致密度高、孔隙率少、金属间化合物相细小弥散分布的烧结态样品，再进行热处理获得纳米尺寸分布的时效析出强化相，最终使得合金的组织处于多相细小弥散分布状态，从而使其具有良好的综合机械性能，同时，由于没有Fe、Si等杂质元素的影响，其性能进一步加强，合金的强度接近或超过现有铸造或锻造的铝锌镁铜系高强铝合金。

综上所述，本发明组分配比合理、生产工艺简单、可有效提高铝合金的总体强度和稳定性；采用纯元素粉末，通过混料、低温高压真空热压烧结、高温固溶热处理、热挤压、热处理的方法，获得晶粒细小的粉末冶金高强铝合金，使其性能满足高强铝合金的要求。形成可实现工业应用的高强铝合金的热压制备方法。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图。

图2是本发明经过低温高压真空热压烧结工艺（烧结温度为550℃，真空度≤0.01Pa，烧结压力为60MPa，烧结时间为2h）和高温固溶热处理工艺（烧结温度为600℃，真空度≤0.01Pa，烧结时间为5h）后试样的表面物相分析图。

图3是本发明经过低温高压真空热压烧结工艺（烧结温度为550℃，真空度≤0.01Pa，烧结压力为60MPa，烧结时间为2h）和高温固溶热处理工艺（烧结温度为600℃，真空度≤0.01Pa，烧结时间为5h）后试样表面的显微结构图。

图4是本发明经过低温高压真空热压烧结工艺（烧结温度为550℃，真空度≤0.01Pa，烧结压力为60MPa，烧结时间为2h）和高温固溶热处理工艺（烧结温度为600℃，真空度≤0.01Pa，烧结时间为5h）后对烧结体进行热挤压、热处理后的断面显微结构图。

具体实施方式

本发明提出将铝锌镁铜锆五种纯金属元素粉末均匀混合，通过低温高压真空热压烧结，充分利用了热压烧结的优势，获得致密度高、气孔率低烧结体，将采用低温高压真空热压烧结制备的烧结体进行高温固溶热处理，获得合金化程度优异的烧结体，进行热挤压后再进行热处理，可改善合金的时效析出过程，进一步提高其强度，本发明使用的粉末纯度较高、粒径细小，尽量避免有害杂质的加入，使得合金的性能在一定程度上得到了加强。本发明能够生产尺寸精确的产品，具有操作简单、损失量少、可控性好等特点，扩展了铝合金的应用领域，其强度明显接近或超过现有铸造或锻造的铝锌镁铜系铝合金。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

实施例1

实验合金化学成分为：Al-6.5Zn-2.1Mg-2.1Cu-0.17Zr（质量分数），合金配料为10μm铜粉、2μm铝粉、20μm镁粉、6~9μm锌粉和2~3μm锆粉。元素粉末在轻型球磨机上以150转/分钟的速度球磨24h，复合料体在真空热压烧结炉中进行低温高压真空热压烧结，真空度≤0.01Pa，烧结温度为550℃，烧结时间为3h，烧结压力为80MPa，对采用低温高压真空热压烧结的烧结体进行高温固溶热处理，温度为620℃，真空度≤0.01Pa，烧结时间12h，烧结后的试样经过热挤压，挤压前钱模具预热温度为480℃，挤压比为4：1，挤压速率为1.4m/min，挤压件在470℃进行一级固溶2h，之后升温至485℃二级固溶2h，淬入室温水中，然后在120℃进行一级时效24h，升温至170℃二级时效1h，降温至120℃三级时效24h。合金的室温的气孔率≤0.01%，密度为2.82g/cm²，最大抗拉强度≥480MPa，硬度值为≥184HV。

实施例2

实验合金化学成分为：Al-6.1Zn-2.1Mg-1.6Cu-0.25Zr（质量分数），合金配料为10μm铜粉、10μm铝粉、20μm镁粉、6~9μm锌粉和2~3μm锆粉。元素粉末在轻型球磨机上以250转/分钟的速度球磨36h，复合料体在真空热压烧结炉中进行低温高压真空热压烧结，真空度≤0.01Pa，烧结温度为550℃，烧结时间为2h，烧结压力为60MPa，对采用低温高压真空热压烧结的烧结体进行高温固溶热处理，温度为600℃，真空度≤0.01Pa，烧结时间5h，烧结后的试样经过热挤压，挤压前钱模具预热温度为480℃，挤压比为4：1，挤压速率为1.4m/min，挤压件在470℃进行一级固溶2h，之后升温至485℃二级固溶2h，淬入室温水中，然后在120℃进行一级时效24h，升温至160℃二级时效1h，降温至120℃三级时效24h。合金的室温的气孔率≤0.12%，密度为2.81g/cm²，最大抗拉强度≥463MPa，硬度值为≥172HV。

实施例3

实验合金化学成分为：Al-5.0Zn-1.7Mg-2.1Cu-0.25Zr（质量分数），合金配料为10μm铜粉、10μm铝粉、20μm镁粉、6~9μm锌粉和2~3μm锆粉。元素粉末在轻型球磨机上以250转/分钟的速度球36h，复合料体在真空热压烧结炉中进行低温高压真空热压烧结，真空度≤0.01Pa，烧结温度为550℃，烧结时间为4h，烧结压力为60MPa，对采用低温高压真空热压烧结的烧结体进行高温固溶热处理，温度为610℃，真空度≤0.01Pa，烧结时间8h，烧结后的试样经过热挤压，挤压前钱模具预热温度为480℃，挤压比为4：1，挤压速率为1.4m/min，挤压件在470℃进行一级固溶2h，之后升温至485℃二级固溶2h，淬入室温水中，然后在120℃进行一级时效24h，升温至160℃二级时效1h，降温至120℃三级时效24h。合金的室温的气孔率≤0.09%，密度为2.79g/cm²，最大抗拉强度≥453MPa，硬度值为≥169HV。

实施例4

实验合金化学成分为：Al-5.0Zn-1.7Mg-1.6Cu-0.17Zr（质量分数），合金配料为10μm铜粉、2μm铝粉、20μm镁粉、6~9μm锌粉和2~3μm锆粉。元素粉末在轻型球磨机上以150转/分钟的速度球磨24h，复合料体在真空热压烧结炉中进行低温高压真空热压烧结，真空度≤0.01Pa，烧结温度为530℃，烧结时间为2h，烧结压力为60MPa，对采用低温高压真空热压烧结的烧结体进行高温固溶热处理，温度为600℃，真空度≤0.01Pa，烧结时间4h，烧结后的试样经过热挤压，挤压前钱模具预热温度为480℃，挤压比为4：1，挤压速率为1.4m/min，挤压件在470℃进行一级固溶2h，之后升温至485℃二级固溶2h，淬入室温水中，然后在120℃进行一级时效24h，升温至170℃二级时效1h，降温至120℃三级时效24h。合金的室温的气孔率≤0.01%，密度为2.78g/cm²，最大抗拉强度≥448MPa，硬度值为≥164HV。

上述实施例中，所述轻型球磨机可以采用QM-A型球磨机。

Claims

1. 一种铝锌镁铜锆系高强铝合金的制备方法，其特征是按照合金成分，取Al、Zn、Mg、Cu、Zr纯元素粉末配料，按质量计，其中Zn 5.0~6.5%，Mg 1.7~2.1%，Cu 1.6~2.1%，Zr 0.17~0.25%，余量为Al，各组分之和为100%；然后将球磨混合均匀的复合粉末装在预先制好的模具内进行低温高压真空热压烧结，对采用低温高压真空热压烧结制备的烧结体进行高温固溶热处理，烧结后的试样进行热挤压，挤压件进行后期热处理得到了铝锌镁铜锆系高强铝合金的热压试样；所述低温高压真空热压烧结在真空热压烧结炉中进行，烧结温度为530~550℃，真空度≤0.01Pa，烧结时施加的压力为60~80MPa，烧结时间为2~5小时；所述高温固溶热处理在真空热压烧结炉中进行，烧结温度为600~620℃，烧结时间为4~12小时。

2.根据权利要求1所述的铝锌镁铜锆系高强铝合金的制备方法，其特征是所述Al粉末纯度为99.99%，粉末粒径为2~11μm。

3.根据权利要求1所述的铝锌镁铜锆系高强铝合金的制备方法，其特征是所述Zn粉纯度为99.50%，粉末粒径为6~9μm。

4.根据权利要求1所述的铝锌镁铜锆系高强铝合金的制备方法，其特征是所述Mg粉纯度为99.80%，粉末粒径为15~20μm。

5.根据权利要求1所述的铝锌镁铜锆系高强铝合金的制备方法，其特征是所述Cu粉纯度为99.90%，粉末粒径小于10μm。

6.根据权利要求1所述的铝锌镁铜锆系高强铝合金的制备方法，其特征是所述Zr粉纯度为99.90%，粉末粒径为2~3μm。