CN104694801A - 一种铝镁钪锆铝合金板材及其制造方法 - Google Patents

一种铝镁钪锆铝合金板材及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种铝镁钪锆铝合金板材及其制造方法，它涉及一种铝镁钪锆铝合金板材及其制造方法。本发明是用一种新型铝合金板材替代传统铝镁合金，以达到进一步降低航天器、导弹和卫星等航天飞行器的自重，提高运载能力，增加有效载荷降低发射成本的目的。本发明新型铝镁钪锆铝合金板材含有的元素：Mg，Mn，Sc，Zr，Ti和Be；方法：一、配料；二、熔炼；三、铸造；四、均匀化退火；五、热轧；六、预拉伸；七、锯切成品，即得到铝镁钪锆铝合金板材。本发明制备的铝镁钪锆合金板材具有更高的常温和低温力学性能、耐损伤容限，还具有优异的焊接性能、抗腐蚀性能以及较好的高浓度过氧化氢相容性。本发明可用于航天、航空用铝合金板材的制造领域。

Description

一种铝镁钪锆铝合金板材及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种铝镁钪锆铝合金板材及其制造方法。
背景技术
为满足航天航空用户设计选材的需求，进一步降低航天器、导弹和卫星等航天飞行器的自重，大幅度提高运载能力，增加有效载荷及降低发射成本，现需要一种新型铝合金板材替代传统铝镁合金。
发明内容
本发明目的是要解决现有航天用的铝镁合金影响航天飞行器运载能力、有效载荷及发射成本高的问题，提供了一种铝镁钪锆铝合金板材及其制造方法。
本发明一种铝镁钪锆铝合金板材中各元素质量百分比如下：Mg：5.5％～6.5％，Mn：0.15％～0.4％，Sc：0.2％～0.4％，Zr：0.1％～0.2％，Ti：0.02％～0.05％，Be：0.0005％～0.005％，Cu﹤0.05％，Zn﹤0.05％，Si﹤0.10％，Fe﹤0.20％，单个杂质≤0.05％，合计杂质≤0.15％，余量为Al，且Fe的质量百分比>Si的质量百分比。
本发明一种铝镁钪锆铝合金板材的制造方法包括以下步骤：一、配料：按照铝镁钪锆铝合金板材中各元素质量百分比为Mg：5.5％～6.5％，Mn：0.15％～0.4％，Sc：0.2％～0.4％，Zr：0.1％～0.2％，Ti：0.02％～0.05％，Be：0.0005％.～0.005％和余量Al的比例称取纯铝锭、纯镁锭、铝锰中间合金、铝钪中间合金、铝钛中间合金、镁锆中间合金、铝铍中间合金和铝钛硼晶粒细化剂；
二、熔炼：A、采用电炉自投固体料方式将步骤一称取的纯铝锭和铝锰中间合金加入到熔炼炉中，熔炼温度760～810℃，当熔体温度达到800℃时加铝钪中间合金，加入铝钪中间合金后每20分钟搅拌一次，第三次搅拌后加入镁锆中间合金，20分钟后再搅拌，得到熔体；B、将步骤A得到的熔体进行降温，当熔体温度降至760℃时，加入纯镁锭、铝铍中间合金和铝钛中间合金，然后搅拌得到铝合金熔体；C、按熔炼炉中金属质量的0.5％～0.6％加入覆盖剂，并控制步骤B得到的铝合金熔体中Fe的质量含量﹥Si的质量含量，且Cu的质量含量﹤0.05％；D、将步骤四处理后的铝合金熔体用Ar-Cl2混合气体精炼至每100克铝合金熔体中的氢含量≤0.2ml，静置30min，得到铝合金熔液；
三、铸造：在温度为720℃～750℃、水压为0.08MPa～0.15MPa、速度为45mm/min～50mm/min的条件下进行铸造，在铸造过程中，将铝钛硼晶粒细化剂在线播种到流槽中，得到厚度为300mm、宽度为1500mm、长度为3000mm～4000mm的合金铸锭；
四、均匀化退火：将步骤三得到的合金铸锭在温度为340℃～360℃的条件下，保温8h～12h；
五、热轧：将经过步骤四处理的合金铸锭铣面至250mm～260mm，台式炉加热，测金属温度为400℃～420℃，然后保温2小时再开始轧制，轧制成20mm厚的热轧板；
六、预拉伸：将步骤五得到的热轧板空冷至室温后，在预拉伸矫直机上给予1％～2％的预拉伸变形量，得到铝镁钪锆预拉伸板材；
七、锯切成品：将步骤六得到铝镁钪锆预拉伸板材进行锯切，经拉伸的两端切除300mm～400mm长的钳口，然后锯切成品，得到铝镁钪锆铝合金板材，即完成。
本发明铝镁钪锆铝合金板材中的杂质元素来源于铝锭；杂质Si﹤0.10％、Fe﹤0.20％、Cu﹤0.05％、Zn﹤0.05％，其他单个杂质≤0.05％，合计杂质≤0.15％，此范围内的杂质对铝合金板材的性能没有影响。
本发明的铝镁钪锆合金板材与目前广泛采用的5A06合金相比，由于所添加的Sc元素能够起到晶粒细化、抑制再结晶以及固溶强化等作用，使得所发明的铝镁钪锆铝合金板材具有更高的常温和低温力学性能、耐损伤容限，这种合金还具有优异的焊接性能、抗腐蚀性能以及较好的高浓度过氧化氢相容性,先进面级可用铝镁钪锆合金作为贮箱箱体结构材料。
利用本发明的铝镁钪锆合金板材重新结构设计可降低结构件重量10％-20％，提高我国新型导弹的射程以及运载火箭的运载能力，可用于我国导弹及运载火箭的箱体结构以及仪器舱等承受中等载荷的结构件。利用该合金焊接系数较高的特点还可用来代替现有导弹和航天器中使用的5A06焊接件。利用本发明铝镁钪锆合金其抗放射稳定性高，基本不出现辐照损伤的现象，还可用于需长期暴露在宇宙射线的空间结构。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种铝镁钪锆铝合金板材中各元素质量百分比如下：Mg：5.5％～6.5％，Mn：0.15％～0.4％，Sc：0.2％～0.4％，Zr：0.1％～0.2％，Ti：0.02％～0.05％，Be：0.0005％.～0.005％，Cu﹤0.05％，Zn﹤0.05％，Si﹤0.10％，Fe﹤0.20％，单个杂质≤0.05％，合计杂质≤0.15％，余量为Al，且Fe的质量百分比>Si的质量百分比。
本实施方式中的杂质元素来源于铝锭；杂质Si﹤0.10％、Fe﹤0.20％、Cu﹤0.05％、Zn﹤0.05％，其他单个杂质≤0.05％，合计杂质≤0.15％，此范围内的杂质对铝合金板材的性能没有影响。
本实施方式的铝镁钪锆合金板材与目前广泛采用的5A06合金相比，具有更高的常温和低温力学性能、耐损伤容限，这种合金还具有优异的焊接性能、抗腐蚀性能以及较好的高浓度过氧化氢相容性。先进面级可用铝镁钪锆合金作为贮箱箱体结构材料。
利用本实施方式的铝镁钪锆合金板材重新结构设计可降低结构件重量10％-20％，提高我国新型导弹的射程以及运载火箭的运载能力，可用于我国导弹及运载火箭的箱体结构以及仪器舱等承受中等载荷的结构件。利用该合金焊接系数较高的特点还可用来代替现有导弹和航天器中使用的5A06焊接件。利用本实施方式铝镁钪锆合金其抗放射稳定性高，基本不出现辐照损伤的现象，还可用于需长期暴露在宇宙射线的空间结构。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，铝镁钪锆铝合金板材中各元素质量百分比如下：Mg：6.2％，Mn：0.15％～0.4％，Sc：0.25％，Zr：0.14％，Ti：0.03％，Be：0.0025％，Cu﹤0.05％，Zn﹤0.05％，Si﹤0.10％，Fe﹤0.20％，单个杂质≤0.05％，合计杂质≤0.15％，余量为Al，且Fe的质量百分比>Si的质量百分比。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式一种铝镁钪锆铝合金板材的制造方法包括以下步骤：一、配料：按照铝镁钪锆铝合金板材中各元素质量百分比为Mg：5.5％～6.5％，Mn：0.15％～0.4％，Sc：0.2％～0.4％，Zr：0.1％～0.2％，Ti：0.02％～0.05％，Be：0.0005％.～0.005％和余量Al的比例称取纯铝锭、纯镁锭、铝锰中间合金、铝钪中间合金、铝钛中间合金、镁锆中间合金、铝铍中间合金和铝钛硼晶粒细化剂；
二、熔炼：A、采用电炉自投固体料方式将步骤一称取的纯铝锭和铝锰中间合金加入到熔炼炉中，熔炼温度760～810℃，当熔体温度达到800℃时加铝钪中间合金，加入铝钪中间合金后每20分钟搅拌一次，第三次搅拌后加入镁锆中间合金，20分钟后再搅拌，得到熔体；B、将步骤A得到的熔体进行降温，当熔体温度降至760℃时，加入纯镁锭、铝铍中间合金和铝钛中间合金，然后搅拌得到铝合金熔体；C、按熔炼炉中金属质量的0.5％～0.6％加入覆盖剂，并控制步骤B得到的铝合金熔体中Fe的质量含量﹥Si的质量含量，且Cu的质量含量﹤0.05％；D、将步骤四处理后的铝合金熔体用Ar-Cl2混合气体精炼至每100克铝合金熔体中的氢含量≤0.2ml，静置30min，得到铝合金熔液；
三、铸造：在温度为720℃～750℃、水压为0.08MPa～0.15MPa、速度为45mm/min～50mm/min的条件下进行铸造，在铸造过程中，将铝钛硼晶粒细化剂在线播种到流槽中，得到厚度为300mm、宽度为1500mm、长度为3000mm～4000mm的合金铸锭；
四、均匀化退火：将步骤三得到的合金铸锭在温度为340℃～360℃的条件下，保温8h～12h；
五、热轧：将经过步骤四处理的合金铸锭铣面至250mm～260mm，台式炉加热，测金属温度为400℃～420℃，然后保温2小时再开始轧制，轧制成20mm厚的热轧板；
六、预拉伸：将步骤五得到的热轧板空冷至室温后，在预拉伸矫直机上给予1％～2％的预拉伸变形量，得到铝镁钪锆预拉伸板材；
七、锯切成品：将步骤六得到铝镁钪锆预拉伸板材进行锯切，经拉伸的两端切除300mm～400mm长的钳口，然后锯切成品，得到铝镁钪锆铝合金板材，即完成。
本实施方式中当铝合金熔体中Fe的质量含量﹤Si的质量含量时，通过补充一定量的铝铁中间合金进行调整控制，当Cu的质量含量﹥0.05％时，通过补充一定量的纯铝或高纯铝加以控制。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是步骤一所述的按照铝镁钪锆铝合金板材中各元素质量百分比为Mg：6.2％，Mn：0.3％，Sc：0.25％，Zr：0.14％，Ti：0.03％，Be：0.0025％和余量Al的比例称取纯铝锭、纯镁锭、铝锰中间合金、铝钪中间合金、铝钛中间合金、铝铍中间合金、镁锆中间合金和铝钛硼晶粒细化剂，其它与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三或四不同的是，步骤二所述的覆盖剂为2号溶剂，其它与具体实施方式三或四相同。
本实施方式中的2号溶剂是KCl、MgCl2和BaCl2的混和溶剂。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三至五之一不同的是，步骤D所述的Ar-Cl2混合气体中Ar和Cl2体积比为(31～33.5)：1。其它与具体实施方式三至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式三至六之一不同的是，步骤三所述的在温度为730℃、水压为0.10MPa、速度为45mm/min的条件下将步骤二所得的铝合金熔液铸造成厚度为300mm、宽度为1500mm、长度为3500mm的合金铸锭。其它与具体实施方式三至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式三至七之一不同的是，步骤四所述的将步骤三得到的合金铸锭在温度为350℃的条件下，保温10h。其它与具体实施方式三至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式三至八之一不同的是步骤六所述的在预拉伸矫直机上给予1.6％的预拉伸变形量，其它与具体实施方式三至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式三至九之一不同的是步骤六所述的经拉伸的两端切除300mm长的钳口。其它与具体实施方式三至九之一相同。
用以下试验验证本发明的有益效果：
试验1、本试验一种铝镁钪锆铝合金板材的制造方法包括以下步骤：一、配料：按照铝镁钪锆铝合金板材中各元素质量百分比为Mg：6.2％，Mn：0.3％，Sc：0.25％，Zr：0.14％，Ti：0.03％，Be：0.0025％和余量Al的比例称取纯铝锭、纯镁锭、铝锰中间合金、铝钪中间合金、铝钛中间合金、铝铍中间合金、镁锆中间合金和铝钛硼晶粒细化剂；
二、熔炼：A、采用电炉自投固体料方式将步骤一称取的纯铝锭和铝锰中间合金加入到熔炼炉中，熔炼温度760℃，当熔体温度达到800℃时加铝钪中间合金，加入铝钪中间合金后每20分钟搅拌一次，第三次搅拌后加入镁锆中间合金，20分钟后再搅拌，得到熔体；B、将步骤A得到的熔体进行降温，当熔体温度降至760℃时，加入纯镁锭、铝铍中间合金和铝钛中间合金，然后搅拌得到铝合金熔体；C、按熔炼炉中金属质量的0.6％加入覆盖剂，并控制步骤B得到的铝合金熔体中Fe的质量含量﹥Si的质量含量，且Cu的质量含量﹤0.05％；D、将步骤四处理后的铝合金熔体用Ar-Cl2混合气体精炼至每100克铝合金熔体中的氢含量≤0.2ml，静置30min，得到铝合金熔液；
三、铸造：将具有挡水板装置的结晶器的内壁贴上一层隔热膜，并将铝钛硼晶粒细化剂置于流槽上端，流槽内采用双级陶瓷片过滤(一级过滤炉内的陶瓷过滤片目数为30ppi、二级过滤炉内的陶瓷过滤片目数为40ppi)，浇铸的同时将铝钛硼丝插入流槽中使铝钛硼晶粒细化剂中的元素均匀熔入铝合金熔液中，铝钛硼晶粒细化剂的给进速度为450mm/min。然后开启Alpur双转子在线除气装置，为防止铝合金熔液粘在结晶器底座上，另取纯铝锭熔化后的熔体倒入结晶器底座上进行铺底，然后在温度为730℃、水压为0.10MPa、速度为45mm/min的条件下将步骤二所得的铝合金熔液铸造成厚度为300mm、宽度为1500mm、长度为3500mm的合金铸锭；
四、均匀化退火：将步骤三得到的合金铸锭在温度为350℃的条件下，保温10h；
五、热轧：将经过步骤四处理的合金铸锭铣面至255mm，台式炉加热，测金属温度为410℃，然后保温2小时再开始轧制。在轧制过程中采用多道次小压下量的轧制工艺，逐步加大道次压下量，开始道次加工率控制在3％～5％；轧制中期，道次加工率应控制在5％～10％；在轧制后期，可采用10％～20％的道次加工率，终轧温度控制在250℃～300℃，将骤四处理的合金铸锭最终轧制成20mm厚的热轧板；
六、预拉伸：将步骤五得到的热轧板空冷至室温后，在预拉伸矫直机上给予1.6％的预拉伸变形量，得到铝镁钪锆预拉伸板材；
七、锯切成品：将步骤六得到铝镁钪锆预拉伸板材进行锯切，经拉伸的两端切除300mm长的钳口，然后锯切成品，得到铝镁钪锆铝合金板材。
本试验制备的铝镁钪锆合金板材的抗拉强度为420Rm/N/mm2～440Rm/N/mm2，屈服强度为310Rm/N/mm2～320Rm/N/mm2，延伸率为20.7％～22.5％。
本试验制备的铝镁钪锆合金板材与目前广泛采用的5A06合金相比具有较好的高浓度过氧化氢相容性，先进面级可用铝镁钪锆合金作为贮箱箱体结构材料。
利用本试验制备的铝镁钪锆合金板材重新结构设计可降低结构件重量10％-20％，提高我国新型导弹的射程以及运载火箭的运载能力，可用于我国导弹及运载火箭的箱体结构以及仪器舱等承受中等载荷的结构件。利用该合金焊接系数较高的特点还可用来代替现有导弹和航天器中使用的5A06焊接件。利用本试验制备的铝镁钪锆合金其抗放射稳定性高，基本不出现辐照损伤的现象，还可用于需长期暴露在宇宙射线的空间结构。

Claims (10)

1.一种铝镁钪锆铝合金板材，其特征在于铝镁钪锆铝合金板材铝镁钪锆铝合金板材中各元素质量百分比如下：Mg：5.5％～6.5％，Mn：0.15％～0.4％，Sc：0.2％～0.4％，Zr：0.1％～0.2％，Ti：0.02％～0.05％，Be：0.0005％.～0.005％，Cu﹤0.05％，Zn﹤0.05％，Si﹤0.10％，Fe﹤0.20％，单个杂质≤0.05％，合计杂质≤0.15％，余量为Al，且Fe的质量百分比>Si的质量百分比。
2.根据权利要求1所述的一种铝镁钪锆铝合金板材，其特征在于铝镁钪锆铝合金板材中各元素质量百分比如下：Mg：6.2％，Mn：0.3％，Sc：0.25％，Zr：0.14％，Ti：0.03％，Be：0.0025％，Cu﹤0.05％，Zn﹤0.05％，Si﹤0.10％，Fe﹤0.20％，单个杂质≤0.05％，合计杂质≤0.15％，余量为Al，且Fe的质量百分比>Si的质量百分比。
3.一种铝镁钪锆铝合金板材的制造方法，其特征在于制造方法包括以下步骤：一、配料：按照铝镁钪锆铝合金板材中各元素质量百分比为Mg：5.5％～6.5％，Mn：0.15％～0.4％，Sc：0.2％～0.4％，Zr：0.1％～0.2％，Ti：0.02％～0.05％，Be：0.0005％.～0.005％和余量Al的比例称取纯铝锭、纯镁锭、铝锰中间合金、铝钪中间合金、铝钛中间合金、镁锆中间合金、铝铍中间合金和铝钛硼晶粒细化剂；
二、熔炼：A、采用电炉自投固体料方式将步骤一称取的纯铝锭和铝锰中间合金加入到熔炼炉中，熔炼温度760～810℃，当熔体温度达到800℃时加铝钪中间合金，加入铝钪中间合金后每20分钟搅拌一次，第三次搅拌后加入镁锆中间合金，20分钟后再搅拌，得到熔体；B、将步骤A得到的熔体进行降温，当熔体温度降至760℃时，加入纯镁锭、铝铍中间合金和铝钛中间合金，然后搅拌得到铝合金熔体；C、按熔炼炉中金属质量的0.5％～0.6％加入覆盖剂，并控制步骤B得到的铝合金熔体中Fe的质量含量﹥Si的质量含量，且Cu的质量含量﹤0.05％；D、将步骤四处理后的铝合金熔体用Ar-Cl2混合气体精炼至每100克铝合金熔体中的氢含量≤0.2ml，静置30min，得到铝合金熔液；
三、铸造：在温度为720℃～750℃、水压为0.08MPa～0.15MPa、速度为45mm/min～50mm/min的条件下进行铸造，在铸造过程中，将铝钛硼晶粒细化剂在线播种到流槽中，得到厚度为300mm、宽度为1500mm、长度为3000mm～4000mm的合金铸锭；
四、均匀化退火：将步骤三得到的合金铸锭在温度为340℃～360℃的条件下，保温8h～12h；
五、热轧：将经过步骤四处理的合金铸锭铣面至250mm～260mm，台式炉加热，测金属温度为400℃～420℃，然后保温2小时再开始轧制，轧制成20mm厚的热轧板；
六、预拉伸：将步骤五得到的热轧板空冷至室温后，在预拉伸矫直机上给予1％～2％的预拉伸变形量，得到铝镁钪锆预拉伸板材；
七、锯切成品：将步骤六得到铝镁钪锆预拉伸板材进行锯切，经拉伸的两端切除300mm～400mm长的钳口，然后锯切成品，得到铝镁钪锆铝合金板材，即完成。
4.根据权利要求3所述的一种铝镁钪锆铝合金板材的制造方法，其特征在于步骤一所述的按照铝镁钪锆铝合金板材中各元素质量百分比为Mg：6.2％，Mn：0.3％，Sc：0.25％，Zr：0.14％，Ti：0.03％，Be：0.0025％和余量Al的比例称取纯铝锭、纯镁锭、铝锰中间合金、铝钪中间合金、铝钛中间合金、镁锆中间合金和铝钛硼晶粒细化剂。
5.根据权利要求3所述的一种铝镁钪锆铝合金板材的制造方法，其特征在于步骤二所述的覆盖剂为2号溶剂。
6.根据权利要求3所述的一种铝镁钪锆铝合金板材的制造方法，其特征在于步骤D所述的Ar-Cl2混合气体中Ar和Cl2体积比为(31～33.5)：1。
7.根据权利要求3所述的一种铝镁钪锆铝合金板材的制造方法，其特征在于步骤三所述的在温度为730℃、水压为0.10MPa、速度为45mm/min的条件下将步骤二所得的铝合金熔液铸造成厚度为300mm、宽度为1500mm、长度为3500mm的合金铸锭。
8.根据权利要求3所述的一种铝镁钪锆铝合金板材的制造方法，其特征在于步骤四所述的将步骤三得到的合金铸锭在温度为350℃的条件下，保温10h。
9.根据权利要求3所述的一种铝镁钪锆铝合金板材的制造方法，其特征在于步骤六所述的在预拉伸矫直机上给予1.6％的预拉伸变形量。
10.根据权利要求3所述的一种铝镁钪锆铝合金板材的制造方法，其特征在于步骤六所述的经拉伸的两端切除300mm长的钳口。
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