CN104711465A - 一种Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金材料及其制备方法,所述铝合金成分及其重量百分比含量为:Zn:8.5~9.5wt%,Mg:1.5~2.0wt%,Cu:1.4~2.0wt%,Zr:0.10~0.14wt%,余量为Al。所述的高强铝合金材料中还可加入Ti:≤0.05wt%、Fe:≤0.05wt%、Si:≤0.05wt%和/或Mn:≤0.05wt%。将高纯铝完全溶化后,先后加入铝铜中间合金、铝锆中间合金、纯锌、纯镁,待所加原料充分溶解后对熔体进行搅拌;之后加入精炼剂对熔体进行精炼,消除熔体内的气体及非金属夹杂物,使熔体净化;扒渣后加入细化剂Al-Ti-B,静置后进行浇注,制备出铸锭;该合金具有较高的强度,较好的抗应力腐蚀能力和导热性能,可运用于航空航天、汽车结构件、大型压力容器等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金材料及其制备方法,属于有色金属技术领域。
背景技术
Al-Zn-Mg-Cu系高强铝合金具有密度低、比强度高、热加工性能好等优点,是广泛应用于航空航天领域的结构材料。作为飞机机翼、蒙皮的主要结构材料,现有的Al-Zn-Mg-Cu合金能够满足当前大型机翼结构的性能要求。随着飞机上复合材料和钛合金用量增加,铝合金的用量相对减少,然而高强高韧铝合金的用量却在增加。同时,为了提高汽车承载能力、降低汽车自重并延长汽车使用寿命,高强铝合金在汽车结构件、大型压力容器等方面代替钢的趋势日渐明显,这将会对铝合金的性能提出更高的要求。
20世纪60年代,美国在7075合金的基础上,提高Cu/Mg值并增加Zn、Cu含量进一步提高了合金强度,并用Zr替代了7075合金中的Cr来降低淬火敏感性并细化晶粒尺寸,开发出了具有较高强度、断裂韧性和抗应力腐蚀性能的7050合金(宋仁国.高强度铝合金的研究进展[J].材料导报,2000,14(1):20-21)。1970年前苏联进一步减少Fe、Si杂志含量,并减少主合金元素含量,开发出塑性较好而强度略低的B96μ-3合金(杨守杰,戴圣龙.航空铝合金的发展回顾与展望[J].材料导报,2005,19(2):76-78)。1975年,加拿大铝业公司开发出7010合金,相比于7050合金,由于其较低的Cu含量形成的Al2CuMg相较少,使得韧性有所提高(Robinson J S.Influence of retrogression and reaging on fracturetoughness of 7010 aluminum alloy[J].Materials Science and Technology,2003,19:1697-1704)。1978年,美国调整主合金成分并减少了杂质相数量,继续开发出了改良型的7150合金,主要用于制造空壳A301、波音757和麦道MD-11等型号飞机的结构件。
80年代初,国内开始研制Al-Zn-Mg-Cu系高强铝合金,主要包括7075、7050、7175等合金,用于制造各种航空结构件(甘卫平,范洪涛,许可勤等.Al-Zn-Mg-Cu系高强铝合金研究进展[J].铝加工,2003,3:6-12)。90中期,北京航空材料研究所使用常规半连续铸造法成功试制出7A55合金,后又开发出强度更高的7A60合金(张勤,崔建忠,陆贵民等.CREM7075铝合金的微观组织[J].材料导报,2002,16(1):61-63)。近年来,我国Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金的研究水平逐渐追上世界水平,有些研究甚至达到了世界先进水平,并且具备了量产的能力。
由于高强铝合金的合金元素含量高,容易在晶界富集形成高密度析出相,导致合金开裂现象显著,断裂韧性和抗应力腐蚀性显著降低,因而应用潜力和使用寿命受到很大制约。所以如何解决强韧性和耐蚀性的矛盾,获得高性能指标的高强铝合金是目前急需解决的问题。提高高强铝合金综合性能的方法主要有:第一,通过合金涉及,目前主要通过调整合金中主合金元素含量,降低杂质含量,并尝试添加新的微量元素来改善析出相分布和晶界组织;第二,通过改进热处理工艺,选择最佳的固溶、淬火和时效的工艺参数,达到基体沉淀相、晶界沉淀相和无析出带宽度的组织参数之间的良好匹配;第三,改善制备工艺,利用铸造时施加电磁场或超声波等外场代替传统铸锭制备技术,并开发新型喷射成型工艺,提高铸锭组织的质量。
发明内容
技术问题:本发明的目的是提供一种Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金材料及其制备方法,该合金具有较高的强度,较好的抗应力腐蚀能力和导热性能,可运用于航空航天、汽车结构件、大型压力容器等领域。
技术方案:本发明的一种Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金材料中各成分的重量百分比为:
Zn:8.5~9.5wt%,
Mg:1.5~2.0wt%,
Cu:1.4~2.0wt%,
Zr:0.10~0.14wt%,
余量为Al。
所述的高强铝合金材料中还加入了Ti:≤0.05wt%、Fe:≤0.05wt%、Si:≤0.05wt%和/或Mn:≤0.05wt%。
本发明的Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金材料的制备方法包括以下步骤:
1)按合金成分的重量百分比进行配料,其中Al、Zn、Mg、Cu、Zr分别是选取高纯铝、纯锌、纯镁、铝铜中间合金、铝锆中间合金作为原料;
2)将高纯铝完全溶化后,先后加入铝铜中间合金、铝锆中间合金、纯锌、纯镁,待所加原料充分溶解后对熔体进行搅拌;之后加入精炼剂对熔体进行精炼,消除熔体内的气体及非金属夹杂物,使熔体净化;扒渣后加入细化剂Al-Ti-B,静置后进行浇注,制备出铸锭;
3)对铸锭进行均匀化热处理;
4)铸锭去表皮后,进行合金的轧制变形处理,获得半成品;
5)将步骤4)获得的半成品进行固溶处理、时效热处理,获取高强铝合金材料。
其中:
所述的步骤2)中,熔体温度控制在750~780℃,浇注温度为710~730℃。
所述的步骤3)中,均匀化热处理为在420~460℃下的双极均匀化工艺,均匀化时间为24~48h。
所述的步骤4)中,所述轧制变形处理包含热轧和冷轧两个步骤。热轧初始条件为:初轧温度450℃,终轧温度320℃,铸锭保温2~3h,轧制速度为0.4~1.2m/s,道次分配率由小到大;随后热轧板坯在400℃保温2h中间退火后进行冷轧,冷轧每道次压下0.5mm左右,终轧厚度控制在2~2.5mm。
所述的步骤5)中,固溶处理温度为470℃,处理时间为1h,且固溶至室温水淬转移时间为10秒。
所述的步骤5)中,所述半成品的时效热处理工艺为T77工艺。
有益效果:根据本发明的Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金,具有良好的强韧性和耐蚀性,可应用于航空航天、汽车、大型压力容器等领域。
附图说明
图1拉伸试样的尺寸规格,单位为mm。
图2铸态合金室温下抗拉强度和电导率的结果。
具体实施实例
本发明中的Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金的合金成分包括:Zn、Mg、Cu、Zr、Ti、Al以及生产过程中附带的杂质Fe、Si,各合金成分的重量百分比为:Zn:8.5~9.5wt%,Mg:1.5~2.0wt%,Cu:1.4~2.0wt%,Zr:0.10~0.14wt%,Ti:0~0.05wt%,Fe:0~0.05wt%,Si:0~0.05wt%,Mn:0~0.05wt%,余量为Al。
实施例1
本实施例中Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金的合金成分的重量百分比为:Zn:5.1wt%,Mg:2.7wt%,Cu:1.9wt%,Zr:0.09wt%,Fe:0.12wt%,Si:0.04wt%,Ti:0.04wt%,Mn:0.02wt%,余量为Al。
在后的编号为1。
实施例2
本实施例中Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金的合金成分的重量百分比为:Zn:6.7wt%,Mg:2.3wt%,Cu:1.6wt%,Zr:0.09wt%,Fe:0.12wt%,Si:0.04wt%,Ti:0.04wt%,Mn:0.02wt%,余量为Al。
在后的编号为2。
实施例3
本实施例中Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金的合金成分的重量百分比为:Zn:8.9wt%,Mg:1.6wt%,Cu:1.4wt%,Zr:0.12wt%,Fe:0.04wt%,Si:0.04wt%,Ti:0.04wt%,Mn:0.02wt%,余量为Al。
在后的编号为3。
实施例4
本实施例中Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金的合金成分的重量百分比为:Zn:9.1wt%,Mg:1.9wt%,Cu:1.6wt%,Zr:0.12wt%,Fe:0.04wt%,Si:0.04wt%,Ti:0.04wt%,Mn:0.02wt%,余量为Al。
在后的编号为4。
上述实施例中的Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金的制备方法包括以下步骤:
步骤一、按合金成分:Zn:8.5~9.5wt%,Mg:1.5~2.0wt%,Cu:1.4~2.0wt%,Zr:0.10~0.14wt%,Ti:0~0.05wt%,Fe:0~0.05wt%,Si:0~0.05wt%,Mn:0~0.05wt%,余量为Al,进行配料,其中Al、Zn、Mg、Cu、Zr分别是选取高纯铝、纯锌、纯镁、铝铜中间合金、铝锆中间合金作为原料
所述的高纯铝为纯度大于99.99%的高纯Al、纯锌为工业纯Zn、纯镁为工业纯Mg。
步骤二、将高纯铝完全溶化后,先后加入铝铜中间合金、铝锆中间合金、纯锌、纯镁,待所加原料充分溶解后对熔体进行搅拌;之后加入精炼剂对熔体进行精炼,消除熔体内的气体及非金属夹杂物,使熔体净化;扒渣后加入细化剂Al-Ti-B,静置后进行浇注,制备出铸锭。其中,熔体温度控制在750~780℃,浇注温度为710~730℃。
步骤三、对铸锭进行均匀化热处理。该步骤中的均匀化热处理为在420~460℃下的双极均匀化工艺,均匀化时间为24~48h。
步骤四、铸锭去表皮后,进行合金的轧制变形处理,获得半成品。轧制变形处理包含热轧和冷轧两个步骤。热轧初始条件为:初轧温度450℃,终轧温度320℃,铸锭保温2~3h,轧制速度为0.4~1.2m/s,道次分配率由小到大。随后热轧板坯在400℃保温2h中间退火后进行冷轧,冷轧每道次压下0.5mm左右,终轧厚度控制在2~2.5mm。
步骤五、将获得的半成品进行固溶处理、时效热处理,获取高强铝合金材料。其中固溶处理温度为470℃,处理时间为1h,且固溶至室温水淬转移时间为10秒;时效热处理工艺为T77工艺。
拉伸实验使用的设备为Shimadacu AG-100KNA万能材料试验机,实验拉伸速率为0.5mm/min,在室温下测试。实验所用的拉伸样品形状和尺寸见图1。每个实验点测试三个拉伸试样,取测量的平均值。实验前先用砂纸打磨试样,防止试样表面缺陷等影响实验结果。电导率测试使用的是QJ36单双臂两用电桥测量仪,将试样断面车平,开启仪器开关,校准仪器零点,测试试样并记录数据。
图2展示了这四种合金铸态时在室温下测量的抗拉强度和电导率的结果。合金1具有最低的抗拉强度,但是电导率最高。随着Zn含量增加,Mg、Cu含量有所降低,合金2的抗拉强度从118MPa增加到124MPa,电导率由26.7%IACS下降到24.5%IACS。说明较高的Zn/Mg值有利于提高合金强度,但是相应的抗应力腐蚀性能会有所下降。当Zn含量继续增加并进一步提高Zn/Mg值时,合金的力学性能显著提高。合金3强度提高的同时,电导率显著降低至21.2%IACS,一方面由于Zn含量显著增加,使得晶界处元素偏析严重,影响合金晶界组织;另一方面由于Cu含量下降,使得不利于降低晶界和晶内的电位差,造成合金的抗应力腐蚀性能有所下降。合金4与合金3相比,在提高Zn含量的同时,Mg、Cu含量也略有增加,此时强度和电导率都有所上升。合金4的强度为168MPa达到最高值,此时电导率为22.5%IACS。这说明在高Zn成分条件下,适当提高Mg、Cu含量有利于提高合金的力学性能和抗应力腐蚀性能。
表1 回归再时效处理态合金的室温力学性能及电导率
表1为合金1、2、3和4经过回归再时效处理后的室温力学性能和电导率。从表2可知,合金经过回归再时效处理,在获得较高抗拉强度和屈服强度的同时,还具有较高的电导率,表明合金具有良好的抗应力腐蚀性能。随着Zn+Mg含量的增加,抗拉强度和屈服强度显著增加,同时考虑到Zn/Mg影响,Zn+Mg含量从7.8%增加到10.5%时,Zn/Mg值也从1.89增加到5.56,延伸率也从8.9%不断增加到14.9%。而当Zn+Mg含量从10.5%增加到11%时,Zn/Mg值从5.56下降到了4.79,此阶段强度有所上升,延伸率有所下降。
为方便比较本发明合金的性能和目前国外典型的几种高强铝合金在性能上的差异,表2将本发明合金3和国外几种典型的高强铝合金的力学性能进行了比较。从表中可以看出,本发明合金的力学性能优异。
表2 新发明合金与国外几种典型的高强铝合金的力学性能比较
综上所述,本发明合金具有优异的强度、韧性和耐蚀性。采用该合金,可以提高飞机、汽车、压力容器等的安全性,延长使用寿命,具有较好的经济价值和社会效益。
Claims (8)
1.一种Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金材料,其特征在于所述高强铝合金材料中各成分的重量百分比为:
Zn:8.5~9.5wt%,
Mg:1.5~2.0wt%,
Cu:1.4~2.0wt%,
Zr:0.10~0.14wt%,
余量为Al。
2.根据权利要求1所述的Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金材料,其特征在于所述的高强铝合金材料中还加入了Ti:≤0.05wt%、Fe:≤0.05wt%、Si:≤0.05wt%和/或Mn:≤0.05wt%。
3.一种如权利要求1所述的Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金材料的制备方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
1)按合金成分的重量百分比进行配料,其中Al、Zn、Mg、Cu、Zr分别是选取高纯铝、纯锌、纯镁、铝铜中间合金、铝锆中间合金作为原料;
2)将高纯铝完全溶化后,先后加入铝铜中间合金、铝锆中间合金、纯锌、纯镁,待所加原料充分溶解后对熔体进行搅拌;之后加入精炼剂对熔体进行精炼,消除熔体内的气体及非金属夹杂物,使熔体净化;扒渣后加入细化剂Al-Ti-B,静置后进行浇注,制备出铸锭;
3)对铸锭进行均匀化热处理;
4)铸锭去表皮后,进行合金的轧制变形处理,获得半成品;
5)将步骤4)获得的半成品进行固溶处理、时效热处理,获取高强铝合金材料。
4.根据权利要求3所述的Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金材料的制备方法,其特征在于,所述的步骤2)中,熔体温度控制在750~780℃,浇注温度为710~730℃。
5.根据权利要求3所述的Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金材料的制备方法,其特征在于,所述的步骤3)中,均匀化热处理为在420~460℃下的双极均匀化工艺,均匀化时间为24~48h。
6.根据权利要求3所述的Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金材料的制备方法,其特征在于,所述的步骤4)中,所述轧制变形处理包含热轧和冷轧两个步骤。热轧初始条件为:初轧温度450℃,终轧温度320℃,铸锭保温2~3h,轧制速度为0.4~1.2m/s,道次分配率由小到大;随后热轧板坯在400℃保温2h中间退火后进行冷轧,冷轧每道次压下0.5mm左右,终轧厚度控制在2~2.5mm。
7.根据权利要求3所述的Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金材料的制备方法,其特征在于,所述的步骤5)中,固溶处理温度为470℃,处理时间为1h,且固溶至室温水淬转移时间为10秒。
8.根据权利要求3所述的Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金材料的制备方法,其特征在于,所述的步骤5)中,所述半成品的时效热处理工艺为T77工艺。
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