CN104928543B - 一种稀土改性铝合金材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种稀土改性铝合金材料的制备方法，通过熔化Al单质，完全熔化温度达850℃，再加Cu，熔化完后加入中间合金，中间合金包括Mn、Ni、Cr、Ti、Zr、Er、Yb单质，最后依次加Mg、Zn单质；完全熔化后再除气除渣，静置，当溶液温度达750℃时即浇铸铸锭；将铸锭去表层1～2毫米，然后放入均匀化炉中，在410℃下保温24小时，再降温至120度以下，出炉空冷，得到均匀化铸锭；将均匀化铸锭在450℃下进行热轧和热挤压，控制总变形量不小于60％，得到变形铸锭；将变形铸锭在470℃下保温4小时立即水淬，然后在120℃下时效24小时后空冷，得到稀土改性铝合金材料。本发明具有低成本、高强度以及优良的冲击韧性，综合性能有显著提高。

Description

一种稀土改性铝合金材料

技术领域

本发明属于金属合金领域，尤其涉及一种稀土改性铝合金材料及其制备方法。

背景技术

高强铝合金具有强度高，塑性好，可焊性好，耐腐蚀性能优良等特点，被广泛应用于各种飞机的结构件和其他强度要求高的高应力耐蚀结构件，是目前许多军用和民用飞机，交通运输工具中不可缺少的重要结构材料。随着航天航空技术发展对材料要求的日益提高，研究人员正着力开发强度更高，综合性能优良的高强度高韧铝合金。目前，为提高铆接用的高强铝合金的综合性能，主要是在追求材料高强度的同时，降低由于强度提高对抗应力腐蚀性能、断裂韧性和疲劳强度等造成不良影响。同时，各行业对高强铝合金的要求日益提高，并提出了高载荷、轻质化、高强、高韧、高模量、良好的耐蚀性能及焊接性能等一系列要求，而现有的高强铝合金因断裂韧性差或强度低造成零件尺寸较厚，无法满足高载荷，轻质化，低成本要求，迫切需要新型轻质高强铝合金进行更新换代。

国际上高强铝合金研制基本上是沿着高强度、低韧性→高强度、高韧性→高强度、高韧性、耐腐蚀方向发展。前苏联与美国先后发现往高强铝合金中添加Sc元素可减少由于添加Cu元素造成合金焊接过程中的热裂纹倾向，明显改善合金的强度和焊接性能，为此相继开发出含Sc的高强铝合金。

近年来，俄罗斯采取向Al‐Zn‐Mg合金中添加Sc和Zr的方法，开发出抗疲劳性能、焊接性能和韧性好的高强铝合金1975、1970等。国内的高强铝合金发展历程与国外相同，目前国内也开展了可焊高强铝合金的实验室试制。但是，我国在研究高强高韧铝合金时追求高强度高韧性却忽视了降低材料的生产成本，同时我国现有的高强高韧铝合金所能达到的水平还远远落后于国外水平，所以迫切需要研究出更多成本低廉和韧性优良的新型高强铝合金。

发明内容

本发明的目的在于提供一种稀土改性铝合金材料及其制备方法，旨在解决现存铝合金因断裂韧性差或强度低造成零件尺寸较厚，无法满足高载荷和轻质化要求，且生产成本高的问题。

本发明是这样实现的，一种稀土改性铝合金材料，所述铝合金材料包括以下按重量百分比计各元素：Zn：6％，Mg：2％，Cu：2％，Mn：0.2％，Ni：0.1％，Cr：0.1％，Ti：0.08％，Zr：0.15％，Er：0.2％，Yb：0.3％，单个杂质量不大于0.05％，杂质总量不大于0.15％，余量为Al。

本发明进一步提供了上述稀土改性铝合金材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

(1)按重量百分比称取以下元素单质：Zn、Mg、Cu、Mn、Ni、Cr、Ti、Zr、Er、Yb以及Al；

(2)熔制

先熔化Al单质，完全熔化温度达850℃，再加Cu，熔化完后加入中间合金，中间合金包括Mn、Ni、Cr、Ti、Zr、Er、Yb单质，最后依次加Mg、Zn单质；完全熔化后再除气除渣，静置，当溶液温度达750℃时即浇铸铸锭；

(3)均匀化

将铸锭去表层1～2毫米，然后放入均匀化炉中，在410℃下保温24小时，再降温至120度以下，出炉空冷，得到均匀化铸锭；

(4)热塑性变形

将均匀化铸锭在450℃下进行热轧和热挤压，控制总变形量不小于60％，得到变形铸锭；

(5)热强化处理‐固溶时效

将变形铸锭在470℃下保温4小时立即水淬，然后在120℃下时效24小时后空冷，得到稀土改性铝合金材料。

针对现有技术的缺点和不足，本发明提供了一种稀土改性铝合金材料及其制备方法。一种微合金化元素在一定范围内会有效提高合金的综合性能，在本发明中，通过添加微量的Er、Zr及Yb等微合金化元素，有效地改善了铝合金的组织结构，细化了晶粒，提高了综合性能，尤其是力学强度及生产成本的平衡，满足了高载荷和轻质化要求。Er有强烈的变质作用，初生相Al₃Er和Al₃Sc相类似，作为非均质形核核心，大大提高形核率，细小的Al₃Er颗粒对位错和亚晶界具有钉扎作用，阻碍位错重组和亚晶界的迁移，从而延缓亚晶的形核和长大，显著细化再结晶晶粒。金属Er成本远低于金属Sc，从而大大降低了合金的生产成本，利于此合金的推广与使用。与单独加入Zr，形成Al₃Er弥散相相比，组合添加Zr、Yb后形成的Al₃(Zr，Yb)弥散相数量远远多于Al‐Zr合金中析出的Al₃Zr弥散相，Al₃(Zr，Yb)弥散相析出密度更大、细小且均匀。Al₃(Zr，Yb)弥散相显著提高再结晶能力，在挤压变形后，基本保持纤维状组织，抑制了基体再结晶。同时，这些粒子可与位错和亚晶界具有强烈的交互作用，具有强烈的应力场，形成共格强化。这些弥散粒子钉扎住位错与晶界，合金在受到外力时，位错大量增殖，位错间交割形成大量不可动位错，从而使合金基体的强度提高，形成位错强化。位错大量留在基体内，也减少了其在晶界、亚晶界塞积，使合金不易在晶界处形累积，造成裂纹源，从而提高了合金的整体强度。

相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：本发明通过向铝合金中复合添加微量的Er、Zr及Yb等微合金化元素(Yb既可以提高铝合金的强度又可以提高其断裂韧性，Er是取代Sc的理想元素，有效降低生产成本)，并通过优化的强化固溶处理，得到的稀土改性铝合金材料，具有低成本、高强度以及优良的冲击韧性(强度和冲击韧性皆有所提高，其极限抗拉强度可达710MPa以上，屈服强度可达到650MPa以上，材料伸长率高于8％)，综合性能有显著提高，解决了现有高强铝合金因强度低造成零件尺寸较厚，无法满足高载荷、轻质化要求，以及由于生产成本高，不利于推广和使用的问题，可用广泛于航空航天、核工业、交通运输、机械电子、兵器等领域的结构元件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

稀土改性铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)按以下按重量百分比配比各材料：

配料a:按重量百分比计称取以下元素单质Zn：6％，Mg：2％，Cu：2％。

配料b:包括中间合金和Al；其中，中间合金加入Mn：0.2％(即Al‐2％Mn合金的1％称取)，Ni：0.1％(即Al‐10％Ni合金的1％称取)，Cr：0.1％(即Al‐10％Cr合金的1％称取)，Ti：0.08％(即钛剂0.25％称取)，Zr0.15％(即Al‐10％Zr合金的1％称取)，Er：0.2％(即Al‐20％Er合金的1％称取)，Yb：0.3％(即Al‐20％Yb合金的1.5％称取)；余量为Al；

(2)熔制

先熔化Al单质，完全熔化温度达850℃，再加Cu，熔化完后加入中间合金，最后依次加Mg、Zn单质；完全熔化后再除气除渣，静置，当溶液温度达750℃时即浇铸铸锭；

(3)均匀化

将铸锭去表层1～2毫米，然后放入均匀化炉中，在410℃下保温24小时，再降温至120度以下，出炉空冷，得到均匀化铸锭；

(4)热塑性变形

将均匀化铸锭在450℃下进行热轧和热挤压，控制总变形量不小于60％，得到变形铸锭；

(5)热强化处理‐固溶时效

将变形铸锭在470℃下保温4小时立即水淬，然后在120℃下时效24小时后空冷，得到稀土改性铝合金材料。

效果实施例1

Zn、Mg和Cu的纯度为99‐99.9％，Er、Zr、Yb均采用中间合金的形式加入，Er采用Al‐20％Er，Zr采用Al‐10％Zr，Yb采用Al‐20％Yb。Al为一般工业用铝及不可避免的杂质。

采用设计正交试验方式研究Er、Zr、Yb的含量，并通过上述工艺制备出铝合金锭，热挤压和轧制出不同厚度的板材，然后依照GB/T228‐2010测试，主要性能指标如下表1所示。

表1本发明的主要性能指标

效果实施例2

Zn、Mg和Cu的纯度为99‐99.9％，Er、Zr、Yb均采用中间合金的形式加入，Er采用Al‐20％Er，Zr采用Al‐10％Zr，Yb采用Al‐20％Yb。Al为一般工业用铝及不可避免的杂质。采用上述工艺制备出铝合金锭，其合金成分为：Zn(6.0％)，Mg(2.0％)，Cu(1.5％)，Mn(0.40％)，Ni(0.15％)，Cr(0.15％)，Ti(0.15％)，Er(0.1％)，Zr(0.10％)，Yb(0.2％)，Si(≤0.05％)，Fe(≤0.05％)，其它杂质单个(≤0.05％)，总量(≤0.15％)，余量为Al。热挤压和轧制出不同厚度的板材，然后依照GB/T228‐2010测试，主要性能指标如下表2所示。

表2本发明的主要性能指标

效果实施例3

Zn、Mg和Cu的纯度为99‐99.9％，Er、Zr、Yb均采用中间合金的形式加入，Er采用Al‐20％Er，Zr采用Al‐10％Zr，Yb采用Al‐20％Yb。Al为一般工业用铝及不可避免的杂质。采用上述工艺制备出铝合金锭，其合金成分为：Zn(7％)，Mg(2.5％)，Cu(2.8％)，Sc(0.2％)，Zr(0.15％)，Y(0.2％)，Si(≤0.05％)，Fe(≤0.05％)，其它杂质单个(≤0.05％)，总量(≤0.15％)，余量为Al。热挤压出不同厚度的棒材，然后依照GB/T228‐2010测试，主要性能指标如下表3所示。

表3本发明的主要性能指标

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种稀土改性铝合金材料，其特征在于，所述铝合金材料包括以下按重量百分比计各元素：Zn：6％，Mg：2％，Cu：2％，Mn：0.2％，Ni：0.1％，Cr：0.1％，Ti：0.08％，Zr：0.15％，Er：0.2％，Yb：0.3％，单个杂质量不大于0.05％，杂质总量不大于0.15％，余量为Al；

其制备方法包括以下步骤：

(1)按所述重量百分比称取以下元素单质：Zn、Mg、Cu、Mn、Ni、Cr、Ti、Zr、Er、Yb以及Al；

(2)熔制

先熔化Al单质，完全熔化温度达850℃，再加Cu，熔化完后加入中间合金，中间合金包括Mn、Ni、Cr、Ti、Zr、Er、Yb单质，最后依次加Mg、Zn单质；完全熔化后再除气除渣，静置，当溶液温度达750℃时即浇铸铸锭；

(3)均匀化

将铸锭去表层1～2毫米，然后放入均匀化炉中，在410℃下保温24小时，再降温至120度以下，出炉空冷，得到均匀化铸锭；

(4)热塑性变形

将均匀化铸锭在450℃下进行热轧和热挤压，控制总变形量不小于60％，得到变形铸锭；

(5)热强化处理‐固溶时效

将变形铸锭在470℃下保温4小时立即水淬，然后在120℃下时效24小时后空冷，得到稀土改性铝合金材料。