CN104004946A - 690-730MPa超高强度80-100mm淬透性铝合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种690-730MPa超高强度80-100mm淬透性铝合金及其制备方法，其特征是所述的铝合金主要由铝、锌、镁、铜、锆和锶组成，其中，锌的质量百分比为10.78~13.01%，镁的质量百分比为2.78~3.51%，铜（的质量百分比为2.26~2.80%，锆的质量百分比为0.204~0.24%，锶的质量百分比为0.0025~0.0751%，余量为铝和少量杂质元素。所述的制备方法依次包括：（1）熔铸；（2）均质化退火（400℃×6h+420℃×6h+440℃×6h+460℃×12h）；（3）热挤压（挤压比12）；（4）固溶处理（450℃×2h+460℃×2h+470℃×2h）和（5）时效处理（121℃×24h）。本发明合金铝合金晶粒细小（其平均晶粒尺寸小于10μm），实测强度最高可达731MPa，同时延伸率为6.6％，硬度为231.1HV，电导率为25.9％IACS，在水中端淬淬透性为80mm。

Description

690-730MPa超高强度80-100mm淬透性铝合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金材料，尤其是一种新型7000系铝合金及其制备方法，具体地说是一种690-730MPa超高强度80-100mm淬透性铝合金及其制备方法。

背景技术

高强铝合金是现代航空航天、武器装备发展中不可缺少的关键支柱材料，其发展水平不仅体现了一个国家的综合科技实力，而且是一个国家国防安全的重要保障。长期以来，研制强度级别更高、综合性能更加平衡优化的铝合金一直是世界各国优先发展的高科技领域。

高强铝合金已经历了五代的发展，总体发展方向大体为高强→高强耐蚀→高强高韧耐蚀→高强高韧耐蚀耐损伤容限→高强高韧耐蚀高淬透性。除发展高综合性能的铝材外，为实现减重、高可靠、长寿命的目标，主承力构件往往采用厚板、特厚板、大型锻件和大型型材。对于轻质合金，我国大飞机近期需要650MPa高强铝合金，450MPa高损伤容限铝合金；中期需700～800MPa高强高韧耐蚀铝合金，600MPa高强高韧耐蚀Al-Li合金。飞行装备的大型化、高速化要求其承载构件向整体化、轻量化方向发展，以便取得显著减重、可靠性明显增加的效果，这对高强铝合金的强度、淬透性（淬火敏感性）等性能同时提出了更高要求，以便保证大型承载构件的心部性能。

近年来，美国和欧洲已经开发出以7136（Al－8.9Zn－2.2Mg－2.2Cu－0.15Zr）等为代表的最新一代具有强度级别更高、综合性能更加平衡优化且具有良好淬透性的铝合金，走在了世界前列。

为了保证7000系铝合金具有超高强度，合金的锌（Zn）、镁（Mg）、铜（Cu）等合金化元素的含量必须高，以便通过时效沉淀相的大量析出保证合金的超高强度。另一方面，为了保证7000系铝合金具有高的淬透性，合金化元素锌（Zn）、镁（Mg）、铜（Cu）的含量必须配比得当，以便使合金内部晶格畸变程度低，过饱和固溶体稳定性高。

到目前为止，我国尚未有一种具有自主知识产权的690-730MPa超高强度80-100mm淬透性铝合金可供使用，这一定程度上制约了我国航空航天、武器装备等工业的发展。

发明内容

本发明的目的针对目前缺少超高强度高淬透性轻质铝合金供使用的问题，发明一种690-730MPa超高强度80-100mm淬透性铝合金7000系铝合金，同时提供其制备方法。

本发明的技术方案之一是：

一种690-730MPa超高强度80-100mm淬透性铝合金，其特征在于：它主要由铝（Al）、锌（Zn）、镁（Mg）、铜（Cu）、锆（Zr）和锶（Sr）组成，其中，锌（Zn）的质量百分比为10.78~13.01%，镁（Mg）的质量百分比为2.78~3.51%，铜（Cu）的质量百分比为2.26~2.80%，锆（Zr）的质量百分比为0.204~0.24%，锶（Sr）的质量百分比为0.0025~0.0751%，余量为铝和少量杂质元素。所述的锌（Zn）、镁（Mg）、铜（Cu）其总质量百分比含量为16.15~18.97%。

本发明的技术方案之二是：

一种690-730MPa超高强度80-100mm淬透性铝合金的制备方法，其特征是它依次包括：（1）熔铸；（2）均质化退火；（3）热挤压；（4）固溶处理；（5）时效处理；

所述的熔铸：其过程为将纯Al熔化后依次加入Al-Cu中间合金、Al-Sr中间合金、Al-Zr中间合金、纯Zn和纯Mg，待所有中间合金和金属熔化后再加入六氯乙烷精炼除气直至没有气体逸出，静置保温5~10 min后去渣并浇铸成锭；所述的Al-Cu中间合金中Cu的质量百分比为50.12%，Al-Sr中间合金中Sr的质量百分比为9.89%，Al-Zr中间合金中Zr的质量百分比为4.11%；

所述的均质化退火：将熔铸所得的合金进行400±5℃×6h、420±5℃×6h、440±5℃×6h和460±5℃×12h共四次退火；

所述的热挤压：将经过均质化退火的合金再次加热至480±5℃并保温8h后进行挤压比为12的挤压；

所述的固溶处理：将经过热挤压的合金进行450±5℃×2h、460±5℃×2h和470±5℃×2h三次保温后室温水淬；

所述的时效处理：是将固溶处理后的合金进行121±5℃×24h的时效处理即可获得强度为690-730MPa、淬透性为80-100mm的铝合金。

上述制备方法中的最佳温度分别为：

所述的四次均质化退火温度分别为400℃、420℃、440℃和460℃；所述的热挤压加热温度为480℃；所述的固溶处理的三次保温温度分别为450℃、460℃和470℃；所述的时效处理温度为121℃。

本发明的有益效果：

（1）              本发明获得了一种690-730MPa超高强度80-100mm淬透性铝合金。

（2）              本发明公开了一种690-730MPa超高强度80-100mm淬透性铝合金的成分及制备方法，一定程度上打破了国外对高性能铝合金的技术封锁，可满足我国航空航天、武器装备等领域的需求。

（3）              本发明铝合金晶粒细小，其平均晶粒尺寸小于10 μm。

（4）              本发明通过大量的试验获得了理想的制备方法，尤其是通过采用按次序加入各中间合金及纯金属的方法来控制各组份含量，按本发明的工艺能容易地得到符合要求的铝合金材料。

附图说明

图1 是本发明实施例一的金相显微镜照片。

图2 是本发明实施例一的端淬曲线（硬度随端淬距离的变化曲线）。

图3 是本发明实施例二的金相显微镜照片。

图4 是本发明实施例二的端淬曲线（硬度随端淬距离的变化曲线）。

图5是本发明实施例三的金相显微镜照片。

图6 是本发明实施例三的端淬曲线（硬度随端淬距离的变化曲线）。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一

如图1、2所示。

一种690-730MPa超高强度80-100mm淬透性铝合金，其制备方法为：

按28kg铝合金配制为例。

先将20.55 kg A00等级纯Al（成分：99.79%Al, 0.14%Fe, 0.04%Si，本发明所有组份均采用质量百分比表示，下同，凡组份相加不足100%的部分均为杂质）熔化后依次加入1.54 kgAl-Cu(49.62%Al, 50.12%Cu,0.15%Fe, 0.11%Si )中间合金(Cu的损失率约为6.25%)、0.53 kg Al-Sr(89.86%Al, 9.89%Sr,0.15%Fe, 0.10%Si )中间合金(Sr的损失率约为75%)、1.64 kg Al-Zr中间合金(95.69%Al, 4.11%Zr,0.20%Fe, 0.10%Si ) (Zr的损失率约为8%)、3.28 kg纯Zn(Zn的损失率约为8%)、0.97 kg纯Mg(Mg的损失率约为20%)，所述的中间合金可直接从市场上购置，也可采用常规方法自行配制，熔化过程中等前一种中间合金或金属熔化后加入后一种中间合金或金属，待全部依次熔化到铝溶液中后加入六氯乙烷精炼直至没有气体溢出(加入量为56 g)，静置保温5~10 min并去渣后浇铸成锭；对熔铸成锭的合金进行400℃×6h+420℃×6h+440℃×6h+460℃×12h的均质化退火、480℃保温8h后进行挤压比为12的挤压、450℃×2h+460℃×2h+470℃×2h保温后室温水淬固溶处理、121℃′24h的时效处理；即获得一种690-730MPa超高强度80-100mm淬透性铝合金。

本实施例的铝合金晶粒细小，其平均晶粒尺寸小于10 μm（附图1），实测强度为731.6 MPa、延伸率为6.6％，硬度为231.1 HV，电导率为25.9％ IACS；在水中端淬淬透性为80 mm（附图2）。

本实施例的铝合金经光谱实际测量成分为：10.78%Zn, 2.78%Mg, 2.59%Cu, 0.221％Zr, 0.0465%Sr, 余量为铝和杂质元素。

实施例二

如图3、4所示。

一种700-750MPa级高强度80-100mm级淬透性铝合金，其制备方法为：

按28kg铝合金配制为例。

先将20.65 kg A00等级纯Al（成分：99.79%Al, 0.14%Fe, 0.04%Si，本发明所有组份均采用质量百分比表示，下同，凡组份相加不足100%的部分均为杂质）熔化后依次加入1.35 kgAl-Cu(49.62%Al, 50.12%Cu,0.15%Fe, 0.11%Si )中间合金(Cu的损失率约为6.25%)、0.028 kg Al-Sr(89.86%Al, 9.89%Sr,0.15%Fe, 0.10%Si )中间合金(Sr的损失率约为75%)、1.78 kg Al-Zr中间合金(95.69%Al, 4.11%Zr,0.20%Fe, 0.10%Si ) (Zr的损失率约为8%)、3.51 kg纯Zn(Zn的损失率约为8%)、1.23 kg纯Mg(Mg的损失率约为20%)，所述的中间合金可直接从市场上购置，也可采用常规方法自行配制，熔化过程中等前一种中间合金或金属熔化后加入后一种中间合金或金属，待全部依次熔化到铝溶液中后加入六氯乙烷精炼直至没有气体溢出(加入量为56 g)，静置保温5~10 min并去渣后浇铸成锭；对熔铸成锭的合金进行400℃×6h+420℃×6h+440℃×6h+460℃×12h的均质化退火、480℃保温8h后进行挤压比为12的挤压、450℃×2h+460℃×2h+470℃×2h保温后室温水淬固溶处理、121℃′24h的时效处理；即获得一种690-730MPa超高强度80-100mm淬透性铝合金。

本实施例的铝合金晶粒细小，其平均晶粒尺寸小于10 μm（附图3），实测强度为 692.7MPa、延伸率为 4.2％，硬度为221.6 HV，电导率为25.0 ％IACS；在水中端淬淬透性为104mm（附图4）。

本实施例的铝合金经光谱实际测量成分为：11.54%Zn, 3.51%Mg, 2.26%Cu, 0.24Zr％, 0.0025%Sr, 余量为铝和杂质元素。

实施例三

如图5-6所示。

一种690-730MPa超高强度80-100mm淬透性铝合金，其制备方法为：

按28kg铝合金配制为例。

先将19.42 kg A00等级纯Al（成分：99.79%Al, 0.14%Fe, 0.04%Si，本发明所有组份均采用质量百分比表示，下同，凡组份相加不足100%的部分均为杂质）熔化后依次加入1.67 kgAl-Cu(49.62%Al, 50.12%Cu,0.15%Fe, 0.11%Si )中间合金(Cu的损失率约为6.25%)、0.85 kg Al-Sr(89.86%Al, 9.89%Sr,0.15%Fe, 0.10%Si )中间合金(Sr的损失率约为75%)、1.51 kg Al-Zr中间合金(95.69%Al, 4.11%Zr,0.20%Fe, 0.10%Si ) (Zr的损失率约为8%)、3.96 kg纯Zn(Zn的损失率约为8%)、1.11 kg纯Mg(Mg的损失率约为20%)，所述的中间合金可直接从市场上购置，也可采用常规方法自行配制，熔化过程中等前一种中间合金或金属熔化后加入后一种中间合金或金属，待全部依次熔化到铝溶液中后加入六氯乙烷精炼直至没有气体溢出(加入量为56 g)，静置保温5~10 min并去渣后浇铸成锭；对熔铸成锭的合金进行400℃×6h+420℃×6h+440℃×6h+460℃×12h的均质化退火、480℃保温8h后进行挤压比为12的挤压、450℃×2h+460℃×2h+470℃×2h保温后室温水淬固溶处理、121℃′24h的时效处理；即获得一种690-730MPa超高强度80-100mm淬透性铝合金。

本实施例的铝合金晶粒细小，其平均晶粒尺寸小于10 μm（附图5），实测强度为690.9 MPa、延伸率为 6％，硬度为215.9 HV，电导率为 26.1 % IACS；在水中端淬淬透性为 110 mm（附图6）。

本实施例的铝合金经光谱实际测量成分为：13.01%Zn, 3.16%Mg, 2.8%Cu, 0.204％Zr, 0.0751%Sr, 余量为铝和杂质元素。

实施例四。

本实施例与实施例一至四的区别是在进行热处理时所使用的温度上浮或下降5℃，但所得合金的性能与对应的实施例区别小于1%。

以上仅列出了几个常见配比的铝合金的配比及制造方法，本领域的技术人员可以根据上述实例适当地调整各组份的配比并严格按上述步骤进行制造即可获得理想的690-730MPa超高强度80-100mm淬透性铝合金。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (4)

1.一种690-730MPa超高强度80-100mm淬透性铝合金，其特征在于：它主要由铝（Al）、锌（Zn）、镁（Mg）、铜（Cu）、锆（Zr）和锶（Sr）组成，其中，锌（Zn）的质量百分比为10.78~13.01%，镁（Mg）的质量百分比为2.78~3.51%，铜（Cu）的质量百分比为2.26~2.80%，锆（Zr）的质量百分比为0.204~0.24%，锶（Sr）的质量百分比为0.0025~0.0751%，余量为铝和少量杂质元素。

2.根据权利要求1所述的铝合金，其特征所述的锌（Zn）、镁（Mg）和铜（Cu）三者之和的质量百分比含量为16.15~18.97%。

3.一种权利要求1所述的690-730MPa超高强度80-100mm淬透性铝合金的制备方法，其特征是它依次包括：（1）熔铸；（2）均质化退火；（3）热挤压；（4）固溶处理；（5）时效处理；

所述的熔铸：其过程为将纯Al熔化后依次加入Al-Cu中间合金、Al-Sr中间合金、Al-Zr中间合金、纯Zn和纯Mg，待所有中间合金和金属熔化后再加入六氯乙烷精炼除气直至没有气体逸出，静置保温5~10 min后去渣并浇铸成锭；所述的Al-Cu中间合金中Cu的质量百分比为50.12%，Al-Sr中间合金中Sr的质量百分比为9.89%，Al-Zr中间合金中Zr的质量百分比为4.11%；

所述的均质化退火：将熔铸所得的合金进行400±5℃×6h、420±5℃×6h、440±5℃×6h和460±5℃×12h共四次退火；

所述的热挤压：将经过均质化退火的合金再次加热至480±5℃并保温8h后进行挤压比为12的挤压；

所述的固溶处理：将经过热挤压的合金进行450±5℃×2h、460±5℃×2h和470±5℃×2h三次保温后室温水淬；

所述的时效处理：是将固溶处理后的合金进行121±5℃×24h的时效处理即可获得强度为690-730MPa、淬透性为80-100mm的铝合金。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征是所述的四次均质化退火温度分别为400℃、420℃、440℃和460℃；所述的热挤压加热温度为480℃；所述的固溶处理的三次保温温度分别为450℃、460℃和470℃；所述的时效处理温度为121℃。