CN104878262B - 一种高强度铝合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度铝合金及其制备方法，其成分及质量百分比为：Zn 14.1~17.6%，Mg 3.9~6.5%，Cu 3.5~5.7%，Li 2.1~3.6%，W 1.4~2.8%，其余为Al。所述高强度铝合金的制备方法由以下步骤组成：制备铝合金液，将铝合金液雾化成粉，对铝合金粉进行筛选，将铝合金粉与钨粉混合，将混合冷等静压成预制坯，真空脱气，加热，将预制坯热挤压成铝合金，固溶和时效，得到高强度铝合金。本发明由于Zn、Mg、Cu主合金化元素的总含量控制在21.5~29.8%，并添加了适当的Li和W元素，使本发明的高强度铝合金具有优异的拉伸力学性能，其抗拉强度为929.4~957.1MPa，屈服强度为857.2~878.5MPa，伸长率为10.1~12.7%，可以满足飞机机翼、高速列车车厢等大型结构件整体制造的要求。

Description

一种高强度铝合金及其制备方法

技术领域

本发明属于铝合金材料制备领域，具体涉及一种高强度铝合金及其制备方法。

背景技术

Al-Zn-Mg-Cu系铝合金属于高强度的变形铝合金，作为重要的轻量化结构材料，广泛用于航天航空和轨道交通等领域。随着我国大飞机、高速列车的发展，特别是飞机机翼、列车车厢等大型结构件整体制造技术的发展，对铝合金材料的强度也要求越高越高。

采用传统的铸锭法制备Al-Zn-Mg-Cu系铝合金时，由于合金冷却凝固速度一般不超过10℃/秒，当主合金元素含量超过一定界限时，铝合金铸锭中元素固溶度会受到很大的限制，容易形成粗大的析出相，恶化铝合金的性能。另外，随着主合金元素含量的提高，铝合金的结晶温度范围也越宽，铸锭容易出现成分宏观偏析和热裂，进而会严重影响铝合金铸锭的后续塑性加工性能。因此，采用传统铸锭方法制备Al-Zn-Mg-Cu系铝合金时，Zn、Mg、Cu主合金化元素的总含量一般不超过13%，这也直接导致这类铝合金的抗拉强度长期徘徊在500~600MPa。

近年来随着快速凝固技术的发展，由于合金冷却凝固速度的加快，可以增加合金化元素的固溶度和细化晶粒组织，使Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的主合金元素含量突破了13%的限制，铝合金的性能也得到大幅度提高，抗拉强度提高到了600MPa以上。

王少卿等人发表了“粉末热挤压Al-Zn-Mg-Cu系合金的热处理工艺”(《材料热处理学报》2009,30(6),98-102)，采用粉末热挤压方法制备了Al-10Zn-3.2Mg-2.3Cu-0.2Zr铝合金，抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到731MPa、670MPa和6.2%。

侯小虎等人发表了“喷射成形Al-Zn-Mg-Cu合金热处理工艺与力学性能”(《稀有金属材料与工程》,2007,3(增3),320-323)，采用喷射沉积方法制备了Al-12Zn-2.4Mg-1.1Cu-0.2Zr-0.1Ce铝合金，抗拉强度和伸长率分别达到749.6MPa和10.9%。

中国专利CN100415918C公开了一种高Zn含量超高强高韧高损伤容限铝合金材料及制备方法，其技术方案是采用喷射沉积+热挤压方法制备Zn 9.5~11%、Mg 2.7~3.2%、Cu1.7~2.2%、Zr 0.1~0.2%、Ni 0.1~0.2%的超高强铝合金材料，极限抗拉强度达到750MPa以上。

中国专利CN102002615B公开了一种超高强度铝合金材料及用于制备分离机内筒的管坯的制备方法，其技术方案是采用喷射沉积+等温锻造+热挤压方法制备Zn 10.5~13%、Mg 2.3~3.2%、Cu 1.2~1.8%、Mn 0.2~0.3%、Cr 0.2~0.3%、Zr 0.1~0.2%、Sc 0.1~0.2%的超高强铝合金材料，抗拉强度为750~850MPa，屈服强度为700~780MPa，伸长率为5~15%。

通过文献资料检索发现，Al-Zn-Mg-Cu系高强度铝合金主要通过添加Zr、Sc、Ni、Cr等合金元素和稀土元素来提高铝合金的强度，而Zn、Mg、Cu主合金元素总含量仍低于20%，铝合金的抗拉强度低于900MPa，仍然难以满足飞机机翼、高速列车车厢等大型结构件整体制造的要求。

发明内容

针对现有技术存在的问题与不足，本发明的目的是提供了一种抗拉强度，屈服强度和伸长率高的高强度铝合金。

本发明的另一个目的是提供了一种所述高强度铝合金的制备方法。

本发明的高强度铝合金成分和质量百分比为：Zn 14.1~17.6%，Mg 3.9~6.5%，Cu3.5~5.7%，Li 2.1~3.6%，W 1.4~2.8%，其余为Al。

优选的高强度铝合金成分和质量百分比为：Zn 15.3%，Mg 5.6%，Cu 5.1%，Li2.8%，W 2.1%，其余为Al。

本发明所述高强度铝合金的制备方法由以下步骤组成：

第一步：加热熔化工业纯铝锭并升温至770~780℃，然后加入工业纯Zn、纯Mg、纯Li和Al-Cu中间合金，精炼除渣后得到铝合金液；

第二步：在氮气保护下将铝合金液雾化成粉，铝合金液的雾化温度为770~780℃，雾化氮气压力为3~4MPa；

第三步：筛选铝合金粉，得到粒径≤80微米的铝合金粉；

第四步：按质量百分比将上述铝合金粉与粒径≤3微米的钨粉混合；

第五步：将铝合金粉与钨粉的混合粉冷等静压成预制坯，冷等静压压力为190~200MPa，保压时间为20分钟；

第六步：将预制坯装入铝管内抽真空脱气，真空度为10^-3Pa，脱气时间为10~15分钟，然后将铝管密封；

第七步：加热密封铝管，加热温度为470~480℃，加热时间为3小时；

第八步：取出预制坯挤压成铝合金，挤压温度为470~480℃，挤压比为60~90，挤压速度为0.7~0.8米/秒；

第九步：对铝合金在490~495℃固溶1.5小时，水淬后，在130~135℃人工时效16小时，冷却后得到本发明所述的高强度铝合金。

本发明高强度铝合金的成分选择依据和范围限定理由如下：

Zn、Mg、Cu是高强度铝合金的主要合金化元素，Zn、Mg、Cu在铝合金中有固溶强化作用，经时效处理后，Zn和Mg还会析出MgZn₂强化相，Cu与Al还会析出CuAl₂强化相，对铝合金产生沉淀强化作用，增强铝合金强度。Zn、Mg、Cu主合金化元素含量越高，固溶强化效果也明显，时效处理过程中形成的MgZn₂强化相和CuAl₂强化相的数量也越多，铝合金的强度也越高，因此，选择14.1~17.6%的Zn，3.9~6.5%的Mg，3.5~5.7%的Cu。

金属Li具有密度小的显著特点，在铝合金中加入Li后，由于Li与空位具有较高的结合能因而优先析出Al₃Li强化相，可以提高铝合金的强度，还可以提高铝合金的刚性，使铝合金同时具有高强度和高刚性的特点。在综合考虑满足飞机机翼和高速列车车厢对铝合金材料强度和刚性的要求情况下，选择2.1~3.6%的Li。

金属W具有熔点高、化学性质稳定的特性，将W均匀加入到铝合金中，利用W的耐高温特性，可以起到弥散强化作用，对晶界和亚晶界的滑移起到钉扎作用，提高铝合金强度，并提高铝合金的耐热性能。由于W的密度较大，必须加入较高质量百分比含量的W才能起到增强作用。但W含量过高也会降低铝合金的塑形，因此W的含量选择在1.4~2.8%比较适宜。

本发明将Zn、Mg、Cu主合金化元素总含量控制在21.5~29.8%，并添加适量的Li元素和W元素，确保铝合金获得高强度，并增强铝合金的刚性和耐热性能，使高强度铝合金既有高强度，又有较好的刚性和耐热性能。

本发明采用雾化法先将铝合金液雾化成粉，将铝合金粉与钨粉混合后再热挤压成铝合金，首先解决在铝合金难以均匀加入钨的技术难题，使钨均匀分布在铝合金中，增强铝合金的耐热性能。其实，由于雾化制粉是一种快速凝固工艺，铝合金液在高压氮气的喷射作用下先雾化成细小的微液滴，微液滴在飞行过程中冷却速度可高达10³~10⁵K/s，快速冷却可抑制微液滴内合金元素Zn、Mg、Cu、Li的成分偏析和第二相MgZn₂、CuAl₂、Al₃Li的长大，当微液滴冷却凝固成粉，再热挤压成铝合金后，可获得成分均匀和的晶粒细小铝合金，而成分均匀和晶粒细小可进一步提高铝合金的强度。

本发明的高强度铝合金具有优异的拉伸力学性能，其抗拉强度为929.4~957.1MPa，屈服强度为857.2~878.5MPa，伸长率为10.1~12.7%，可以满足飞机机翼、高速列车车厢等大型结构件整体制造的要求。

附图说明

图1为实施例1的高强度铝合金放大1500倍的扫描电镜显微组织图。

具体实施方式

实施例1

本实施例的高强度铝合金成分和质量百分比为：Zn 15.3%，Mg 5.6%，Cu 5.1%，Li2.8%，W 2.1%，其余为Al。

制备方法如下：

第一步：在中频感应熔铝炉内加热熔化工业纯铝锭并升温至770℃，然后按成分组成和质量百分比加入工业纯Zn、纯Mg、纯Li和Al-Cu中间合金，搅拌熔化后，用六氯乙烷进行精炼，除渣后，得到铝合金液；

第二步：将铝合金液转移至气体雾化制粉机内，在氮气保护下将铝合金液雾化成粉，铝合金液的雾化温度为770℃，雾化氮气压力为3MPa；

第三步：用190目的震动筛选机对铝合金粉进行筛选，得到粒径≤80微米的铝合金粉；

第四步：将粒径≤80微米的铝合金粉与粒径≤3微米的钨粉按100:2.15的质量百分比装入滚筒混料机内混合均匀，滚筒混料机的转速为150转/分钟，混合时间为2小时；

第五步：将铝合金粉和钨粉的混合粉装入内径100毫米、壁厚10毫米的橡胶筒内，捆扎后放入冷等静压机内冷登静成预制坯，冷等静压压力为190MPa，保压时间为20分钟；

第六步：将预制坯装入内径100毫米、壁厚5毫米的铝管内抽真空脱气，真空度为10^-3Pa，脱气时间为10分钟，然后将铝管密封；

第七步：将密封铝管放入加热炉内进行加热，加热温度为480℃，加热时间为3小时；

第八步：取出预制坯，将预制坯放入内径100毫米的卧式挤压料筒内热挤压成铝合金，挤压温度为480℃，挤压比为75，挤压速度为0.7米/秒；

第九步：将铝合金放入热处理炉内，在490℃固溶1.5小时，水淬后，在130℃人工时效16小时，随炉冷却后得到高强度铝合金。

图1为本实施例的高强度铝合金放大1500倍的扫描电镜显微组织图。从图1可看到，铝合金内部晶粒细小均匀，晶粒平均直径为1.5微米。

根据中华人民共和国国家标准GB/T 16865-1997“变形铝、镁及其合金加工制品拉伸试验试样”将高强度铝合金加工成标准拉伸试样，在电子拉伸试验机上进行室温拉伸试验，本实施例的高强度铝合金的抗拉强度为948.5MPa，屈服强度为871.8MPa，伸长率为11.7%。

实施例2

本实施例的高强度铝合金成分和质量百分比为：Zn 16.5%，Mg 4.3%，Cu 4.0%，Li3.4%，W 2.8%，其余为Al。

制备方法如下：

第一步：在中频感应熔铝炉内加热熔化工业纯铝锭并升温至780℃，然后按成分组成和质量百分比加入工业纯Zn、纯Mg、纯Li和Al-Cu中间合金，搅拌熔化后，用六氯乙烷进行精炼，除渣后，得到铝合金液；

第二步：将铝合金液转移至气体雾化制粉机内，在氮气保护下将铝合金液雾化成粉，铝合金液的雾化温度为780℃，雾化氮气压力为3.5MPa；

第三步：用190目的震动筛选机对铝合金粉进行筛选，得到粒径≤80微米的铝合金粉；

第四步：将粒径≤80微米的铝合金粉与粒径≤3微米的钨粉按100:2.88的质量百分比装入滚筒混料机内混合均匀，滚筒混料机的转速为150转/分钟，混合时间为2小时；

第五步：将铝合金粉和钨粉的混合粉装入内径100毫米、壁厚10毫米的橡胶筒内，捆扎后放入冷等静压机内冷登静成预制坯，冷等静压压力为195MPa，保压时间为20分钟；

第六步：将预制坯装入内径100毫米、壁厚5毫米的铝管内抽真空脱气，真空度为10^-3Pa，脱气时间为15分钟，然后将铝管密封；

第七步：将密封铝管放入加热炉内进行加热，加热温度为475℃，加热时间为3小时；

第八步：取出预制坯，将预制坯放入内径100毫米的卧式挤压料筒内热挤压成铝合金，挤压温度为475℃，挤压比为60，挤压速度为0.8米/秒；

第九步：将铝合金放入热处理炉内，在495℃固溶1.5小时，水淬后，在135℃人工时效16小时，随炉冷却后得到高强度铝合金。

经拉伸试验检测，本实施例的高强度铝合金的抗拉强度为931.7MPa，屈服强度为862.1MPa，伸长率为10.9%。

实施例3

本实施例的高强度铝合金成分和质量百分比为：Zn 14.1%，Mg 3.9%，Cu 3.5%，Li2.1%，W1.4%，其余为Al。

制备方法如下：

第一步：在中频感应熔铝炉内加热熔化工业纯铝锭并升温至770℃，然后按成分组成和质量百分比加入工业纯Zn、纯Mg、纯Li和Al-Cu中间合金，搅拌熔化后，用六氯乙烷进行精炼，除渣后，得到铝合金液；

第二步：将铝合金液转移至气体雾化制粉机内，在氮气保护下将铝合金液雾化成粉，铝合金液的雾化温度为770℃，雾化氮气压力为4MPa；

第三步：用190目的震动筛选机对铝合金粉进行筛选，得到粒径≤80微米的铝合金粉；

第四步：将粒径≤80微米的铝合金粉与粒径≤3微米的钨粉按100:1.42的质量百分比装入滚筒混料机内混合均匀，滚筒混料机的转速为150转/分钟，混合时间为2小时；

第五步：将铝合金粉和钨粉的混合粉装入内径100毫米、壁厚10毫米的橡胶筒内，捆扎后放入冷等静压机内冷登静成预制坯，冷等静压压力为200MPa，保压时间为20分钟；

第六步：将预制坯装入内径100毫米、壁厚5毫米的铝管内抽真空脱气，真空度为10^-3Pa，脱气时间为10分钟，然后将铝管密封；

第七步：将密封铝管放入加热炉内进行加热，加热温度为470℃，加热时间为3小时；

第八步：取出预制坯，将预制坯放入内径100毫米的卧式挤压料筒内热挤压成铝合金，挤压温度为470℃，挤压比为90，挤压速度为0.8米/秒；

第九步：将铝合金放入热处理炉内，在490℃固溶1.5小时，水淬后，在130℃人工时效16小时，随炉冷却后得到高强度铝合金。

经拉伸试验检测，本实施例的高强度铝合金的抗拉强度为929.4MPa，屈服强度为857.2MPa，伸长率为12.7%。

实施例4

本实施例的高强度铝合金成分和质量百分比为：Zn 17.6%，Mg 6.5%，Cu 5.7%，Li3.6%，W2.8%，其余为Al。

制备方法如下：

第一步：在中频感应熔铝炉内加热熔化工业纯铝锭并升温至780℃，然后按成分组成和质量百分比加入工业纯Zn、纯Mg、纯Li和Al-Cu中间合金，搅拌熔化后，用六氯乙烷进行精炼，除渣后，得到铝合金液；

第二步：将铝合金液转移至气体雾化制粉机内，在氮气保护下将铝合金液雾化成粉，铝合金液的雾化温度为780℃，雾化氮气压力为4MPa；

第三步：用190目的震动筛选机对铝合金粉进行筛选，得到粒径≤80微米的铝合金粉；

第四步：将粒径≤80微米的铝合金粉与粒径≤3微米的钨粉按100:2.88的质量百分比装入滚筒混料机内混合均匀，滚筒混料机的转速为150转/分钟，混合时间为2小时；

第五步：将铝合金粉和钨粉的混合粉装入内径100毫米、壁厚10毫米的橡胶筒内，捆扎后放入冷等静压机内冷登静成预制坯，冷等静压压力为200MPa，保压时间为20分钟；

第五步：将预制坯装入内径100毫米、壁厚5毫米的铝管内抽真空脱气，真空度为10^-3Pa，脱气时间为15分钟，然后将铝管密封；

第七步：将密封铝管放入加热炉内进行加热，加热温度为480℃，加热时间为3小时；

第八步：取出预制坯，将预制坯放入内径100毫米的卧式挤压料筒内热挤压成铝合金，挤压温度为480℃，挤压比为60，挤压速度为0.7米/秒；

第九步：将铝合金放入热处理炉内，在495℃固溶1.5小时，水淬后，在135℃人工时效16小时，随炉冷却后得到高强度铝合金。

经拉伸试验检测，本实施例的高强度铝合金的抗拉强度为957.1MPa，屈服强度为878.5MPa，伸长率为10.1%。

Claims (3)

1.一种高强度铝合金，采用雾化法先将铝合金液雾化成粉，将铝合金粉与钨粉混合后再热挤压成铝合金，其特征在于由以下成分及质量百分比组成：Zn 14.1~17.6%，Mg 3.9~6.5%，Cu 3.5~5.7%，Li 2.1~3.6%，W 1.4~2.8%，其余为Al。

2.根据权利要求1所述高强度铝合金，其特征在于由以下成分及质量百分比组成：Zn15.3%，Mg 5.6%，Cu 5.1%，Li 2.8%，W 2.1%，其余为Al。

3.根据权利要求1所述的高强度铝合金的制备方法，其特征在于由以下步骤组成：

第一步：加热熔化工业纯铝锭并升温至770~780℃，然后加入工业纯Zn、纯Mg、纯Li和Al-Cu中间合金，精炼除渣后得到铝合金液；

第二步：在氮气保护下将铝合金液雾化成粉，铝合金液的雾化温度为770~780℃，雾化氮气压力为3~4MPa；

第三步：筛选铝合金粉，得到粒径≤80微米的铝合金粉；

第四步：按质量百分比将上述铝合金粉与粒径≤3微米的钨粉混合；

第五步：将铝合金粉与钨粉的混合粉冷等静压成预制坯，冷等静压压力为190~200MPa，保压时间为20分钟；

第六步：将预制坯装入铝管内抽真空脱气，真空度为10^-3Pa，脱气时间为10~15分钟，然后将铝管密封；

第七步：加热密封铝管，加热温度为470~480℃，加热时间为3小时；

第八步：取出预制坯挤压成铝合金，挤压温度为470~480℃，挤压比为60~90，挤压速度为0.7~0.8米/秒；

第九步：对铝合金在490~495℃固溶1.5小时，水淬后，在130~135℃人工时效16小时，冷却后得到所述的高强度铝合金。