CN104711463A - 一种Al-Mg-Zn-Li合金及其板材制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Al-Mg-Zn-Li铝合金及其板材的制备方法，合金化学成分重量百分比为：Mg=3.0~8.0%；Zn=2.1~5.0%；Li＜2.0%；Cu<2.0%；Mn<1.2%；Fe<0.3%；Si<0.3%；加入Cr、Ti、Zr、Sc、Hf、La、Ce、Pr、Nd、Ag中的一种或多种元素，单种元素加入量小于0.5%；不可避免的还存在其它杂质元素，其它杂质单种元素不超过0.05%，杂质总量不超过0.2%，余量为Al。合金制备流程依次包含熔铸、均匀化、锯铣、加热、轧制、固溶、淬火、时效等工序，其中均匀化采用了三级均匀化制度，制备出的板材强度较高、密度较低。

Description

一种Al-Mg-Zn-Li合金及其板材制备方法
技术领域
本发明具体涉及一种Al-Mg-Zn-Li合金及其合金板材制备方法，合金材料可用于航空材料，但不限于航空材料。
背景技术
纯Al的密度为2.70g/cm3，纯Mg的密度为1.74g/cm3，纯Li的密度为0.53g/cm3，在铝合金中加入Mg或Li元素是目前降低铝合金密度的可行方法，其中添加Li的降密效果更好。以纯铝为例，在纯铝中每增加1％的Mg，密度可降低0.55％，而每增加1％的Li，密度可以降低3.9％。Al-Mg-X、Al-Li-X、Al-Mg-Li-X(X指其它元素)合金的开发是目前低密度铝合金的主要开发方向。
若以添加Mg元素来降低铝合金密度，添加较少，则降密效果不理想，若添加太多则容易在合金中形成大量β相(Mg2Al3)，当β相在晶界上连续分布时极易降低合金的耐蚀性能。若以添加Li元素来降低铝合金密度，降密效果较为理想，但过多的Li容易在合金中第二相难以控制，在轧制过程中极易将板材轧裂。既要保证合金性能，又要降低合金密度，还要确保材料制备方便，在技术上是相当困难的，需要从成分与工艺上进行综合考虑。
申请号为201210589350.7的专利涉及到Al-Mg-Li合金的轧制工艺改进，通过合理的工艺参数及转向轧制方法可以避免材料轧制开裂。但转向轧制实施起来相对麻烦，在工业生产中更是难以实施。
发明内容
本发明的目的是提供一种低密度Al-Mg-Li合金及其板材制备方法。
本发明的技术方案为：一种Al-Mg-Zn-Li铝合金，合金成分重量比为：Mg＝3.0～8.0％；Zn＝2.1～5.0％；Li＜2.0％；Cu<2.0％；Mn<1.2％；Fe<0.3％；Si<0.3％；Cr、Ti、Zr、Sc、Hf、La、Ce、Pr、Nd、Ag中的至少一种元素，单种元素加入量小于0.5％；不可避免的还存在其它杂质元素，其它杂质单种元素不超过0.05％，杂质总量不超过0.2％，余量为Al；
该合金经包括均匀化、加热处理、轧制、固溶、淬火和时效处理的步骤制备而成；所述均匀化工艺采用三级均匀化制度：380～400℃/4～6h+440～450℃/20～24h+460～470℃/10～12h；所述轧制，单道次轧制压下量不超过30％，温度不低于350℃。
优选Mg＝5.0～7.0％；Zn＝2.5～3.5％；Li＝0.5～1.5，Cu<1.5％；Mn<0.5％；Fe<0.15％；Si<0.1％。
优选至少加入Cr、Ti、Ag中的一种元素，单种元素加入量＜0.3％；至少加入Zr、Sc、Hf中的一种元素，单种元素加入量＜0.3％；至少加入La、Ce、Pr、Nd中的一种元素，单种元素加入量＜0.3％。
上述Al-Mg-Zn-Li合金板材的制备方法，包括下述步骤：熔铸、均匀化、加热处理、轧制、固溶、淬火和时效处理；所述均匀化工艺采用三级均匀化制度：380～400℃/4～6h+440～450℃/20～24h+460～470℃/10～12h；所述轧制，单道次轧制压下量不超过30％，温度不低于350℃。
优选加热制度采用420～450℃/1～2h。轧制优选采用热轧，温度控制在350～430℃范围内。优选热轧过程中进行中间退火，中间退火制度控制为400～430℃/30～120min。所述固溶制度采用470～480℃/2h。所述时效制度采用120～150℃/24～28h。
本发明中的第一个关键点在于：通过复合添加Mg、Li元素来降低合金密度，且Li含量明显低于Mg含量。与单独添加Mg元素相比，密度降低的效果更明显，若单独添加过多Mg元素来降低密度，还需通过其它成分与工艺来控制合金的耐蚀性能，增加了成分与工艺的调控难度。与单独添加Li相比，复合添加Mg、Li可以使合金加工性能相对更好，后续轧制时不易开裂。
本发明的第二个关键点在于：合金中添加了Cr、Ti、Zr、Sc、Hf、La、Ce、Pr、Nd、Ag中的一种或多种元素，可使合金晶粒得到细化，抑制热轧与固溶过程中的再结晶，有利于保证合金的强度与耐蚀性能。其中Cr、Ti、Ag可细化合金晶粒；Zr、Sc、Hf可抑制合金热加工过程中及固溶时的再结晶；La、Ce、Pr、Nd可在合金熔铸过程中净化熔体、细化晶粒。
本发明的第三个关键点在于：均匀化采用三级均匀化，使铸锭中非平衡共晶相回溶，减少合金内部粗大相，同时难溶相球化，为后续纳米析出相的合理分布奠定基础，有利于合金的加工及产品性能的保证；热轧过程中轧制温度不低于350℃，单道次轧制压下量不大于30％，有利于合金轧制过程中的应力释放，降低了轧制过程中的裂纹产生与扩散的机率。
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，所得材料的性能会有差异，但材料总体特征为：
(1)抗拉强度σb≥550Mpa、伸长率δ≥7％，合金强度较5XXX铝合金提高了至少25％。
(2)密度≤2.70g/cm3，优选的成分密度≤2.65g/cm3。
(3)板材轧制过程中不需要转向轧制。
附图说明
列举材料制备过程中的部分图片进行说明，图片不限于此。
图1：实施例4合金板材轧制效果图，板材轧制第三道次时分层裂开；
图2：实施例5板材轧制效果图，板材最后一道横向断裂，裂纹较多、较大；
图3：实施例10板材轧制效果图，板型良好。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明进行详细的说明。
各实施例中合金化学成分重量百分比控制为：Mg＝3.0～8.0％；Zn＝2.1～5.0％；Li＜2.0％；Cu<2.0％；Mn<1.2％；Fe<0.3％；Si<0.3％；加入Cr、Ti、Zr、Sc、Hf、La、Ce、Pr、Nd、Ag中的一种或多种元素，单种元素加入量小于0.5％；不可避免的还存在其它杂质元素，其它杂质单种元素不超过0.05％，杂质总量不超过0.2％，余量为Al。为体现材料性能的优越性，进一步的将实施例中合金化学成分控制在优选范围内。
材料制备流程为：熔铸—均匀化—锯铣—加热—轧制—固溶—淬火—时效。为进一步说明本发明的优越性，对制备方法中采用对比例与实施例说明。制备方法如下：
A：对比例一(一级均匀化)
a.熔铸：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；熔铸温度控制为730～750℃，对熔体进行搅拌、除气、扒渣处理，在710～720℃温度范围下将熔体浇铸成长×宽×厚＝150×120×45mm的板材。
b.均匀化：对板材铸锭进行450～470℃/24～28h均匀化处理。
c.锯铣：对均匀化处理后的铸锭进行锯切、铣面长×宽×高＝110×100×40mm。
d.加热：将铣面后的铸锭进行400～430℃/1～2h加热处理。
e.轧制：单道次轧制压下量不大于30％，经多道次将板材轧制6mm厚，轧制温度控制在350～430℃范围内，轧制过程中根据板材温度进行中间退火，中间退火制度控制为400～430℃/30～120min。
f.固溶：进行470℃～480℃/1～2h固溶。
g.淬火：固溶后将板材立刻进行水淬，材料从炉子到水中的转移时间小于5s。
h.时效：对淬火后的板材进行120～150℃/24～28h时效。
B：对比例二(轧制温度低于350℃)
a.熔铸：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；熔铸温度控制为730～750℃，对熔体进行搅拌、除气、扒渣处理，在710～720℃温度范围下将熔体浇铸成长×宽×高＝150×120×45mm的板材。
b.均匀化：对板材铸锭进行380～400℃/4～6h+440～450℃/20～24h+460～470℃/10～12h h均匀化处理。
c.锯铣：对均匀化处理后的铸锭进行锯铣成长×宽×高＝110×100×40mm。
d.加热：将铣面后的铸锭进行320～340℃/1～2h加热处理。
e.轧制：单道次轧制压下量不大于30％，经多道次将板材轧制6mm厚，轧制温度控制在280～340℃范围内。
f.固溶：进行470℃～480℃/1～2h固溶。
g.淬火：固溶后将板材立刻进行水淬，材料从炉子到水中的转移时间小于5s。
h.时效：对淬火后的板材进行120～150℃/24～28h时效。
C：实施例(本发明方法)
a.熔铸：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；熔铸温度控制为730～750℃，对熔体进行搅拌、除气、扒渣处理，在710～720℃温度范围下将熔体浇铸成长×宽×高＝150×120×45mm的板材。
b.均匀化：对板材铸锭进行380～400℃/4～6h+440～450℃/20～24h+460～470℃/10～12h均匀化处理。
c.锯铣：对均匀化处理后的铸锭进行锯铣成长×宽×高＝110×100×40mm。
d.加热：将铣面后的铸锭进行400～430℃/1～2h加热处理。
e.轧制：单道次轧制压下量不大于30％，经多道次将板材轧制6mm厚，轧制温度控制在350～430℃范围内，轧制过程中根据板材温度进行中间退火，中间退火制度控制为400～430℃/30～120min。
f.固溶：进行470℃～480℃/1～2h固溶。
g.淬火：固溶后将板材立刻进行水淬，材料从炉子到水中的转移时间小于5s。
h.时效：对淬火后的板材进行120～150℃/24～28h时效。
对制备的5mm厚板材进行性能检测。在合金板材性能测试中，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能材料力学拉伸机上进行，拉伸速度为2mm/min。密度测试采用对照国际铝合金标准成分中的密度，根据相对值测试，密度误差控制在0.2％以内。
试验结果分析：序号1、4为采用一级均匀化的，序号1轧制板型良好，但序号4出现分层断裂，这是部分板材一级均匀化不足以使合金非平衡相充分回溶，粗大第二相处容易产生裂纹源并发生扩展，导致板材轧制时断裂，对比之下三级均匀化效果更好，但一级均匀化只是存在较大的轧裂风险，不代表一定会轧裂。
序号2、5为制备过程中轧制温度较低，都轧裂了，这两组板材裂纹相对较少的地方取试样进行拉伸检测，发现合金强度与延伸率明显较低，说明板型良好处也存在微裂纹，温度过低不利于板材制备。
序号3、6～14采用本发明方法制备，合金具有高强、轻质特征，且板型良好。
表2实施例实测性能表
序号 制备方法 抗拉强度(MPa) 延伸率(％) 密度(g/cm3) 板型
1 A 570 8.7 2.567 良好
2 B 512 5.3 2.606 横向断裂
3 C 564 9.4 2.567 良好
4 A -- -- 2.551 分层断裂
5 B 481 4.9 2.575 横向断裂
6 C 569 9.0 2.554 良好
7 C 562 9.5 2.631 良好
8 C 573 8.3 2.542 良好
9 C 567 9.3 2.619 良好
10 C 578 8.0 2.596 良好
11 C 568 9.2 2.574 良好
12 C 575 8.2 2.560 良好
13 C 568 9.2 2.631 良好
14 C 571 8.6 2.614 良好

Claims (10)

1.一种Al-Mg-Zn-Li铝合金，其特征在于合金成分重量比为：Mg=3.0~8.0%；Zn=2.1~5.0%；Li＜2.0%；Cu<2.0%；Mn<1.2%；Fe<0.3%；Si<0.3%；Cr、Ti、Zr、Sc、Hf、La、Ce、Pr、Nd、Ag中的至少一种元素，单种元素加入量小于0.5%；不可避免的还存在其它杂质元素，其它杂质单种元素不超过0.05%，杂质总量不超过0.2%，余量为Al；
该合金经包括均匀化、加热处理、轧制、固溶、淬火和时效处理的步骤制备而成；所述均匀化工艺采用三级均匀化制度：380~400℃/4~6h+440~450℃/20~24h+460~470℃/10~12h；所述轧制，单道次轧制压下量不超过30%，温度不低于350℃。
2.根据权利要求1所述的Al-Mg-Zn-Li合金，其特征在于：Mg=5.0~7.0%；Zn=2.5~3.5%；Li=0.5~1.5。
3.根据权利要求1或2所述的Al-Mg-Zn-Li合金，其特征在于：Cu<1.5%；Mn<0.5%；Fe<0.15%；Si<0.1%。
4.根据权利要求1所述的Al-Mg-Zn-Li合金，其特征在于：至少加入Cr、Ti、Ag中的一种元素，单种元素加入量＜0.3%；至少加入Zr、Sc、Hf中的一种元素，单种元素加入量＜0.3%；至少加入La、Ce、Pr、Nd中的一种元素，单种元素加入量＜0.3%。
5.一种权利要求1~4之一所述Al-Mg-Zn-Li合金板材的制备方法，其特征在于包括下述步骤：熔铸、均匀化、加热处理、轧制、固溶、淬火和时效处理；所述均匀化工艺采用三级均匀化制度：380~400℃/4~6h+440~450℃/20~24h+460~470℃/10~12h；所述轧制，单道次轧制压下量不超过30%，温度不低于350℃。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于加热制度采用420~450℃/1~2h。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于轧制采用热轧，温度控制在350~430℃范围内。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于热轧过程中进行中间退火，中间退火制度控制为400~430℃/30~120min。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于固溶制度采用470~480℃/2h。
10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于时效制度采用120~150℃/24~28h。
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