CN105441759A

CN105441759A - 含Sc的高强度Al-Cu-Mg-Mn-Zr合金及其制备方法

Info

Publication number: CN105441759A
Application number: CN201510854938.4A
Authority: CN
Inventors: 赵乃勤; 郭宇航; 何春年; 刘恩佐; 师春生
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2015-11-27
Filing date: 2015-11-27
Publication date: 2016-03-30

Abstract

本发明公开了一种含Sc的Al-Cu-Mg-Zr-Mn合金及其制备方法。该合金由常用工业铝合金Al-Cu-Mg系添加Sc稀土元素以及Zr、Mn元素组成，制备过程包括：铸造过程采用真空气氛电磁感应熔炼完成，熔炼温度控制在680-720℃附近，铸锭在箱式炉中温度为490-500℃下进行16-24h的均匀化处理后以热轧+中间退火+冷轧方式完成轧制加工处理，在500℃/1.5h的固溶处理完成之后立即进行淬火处理，淬火时间在5-10s，然后施加10％-40％的冷变形实验并在190℃下进行1-24h的人工时效处理，得到含Sc的高强度Al-Cu-Mg-Zr-Mn合金。该方法能够较好综合性能的合金，且制备方法简单，具有广阔的工业应用前景。

Description

含Sc的高强度Al-Cu-Mg-Mn-Zr合金及其制备方法

技术领域

本发明属于有色金属材料技术领域，尤其涉及一种含Sc的Al-Cu-Mg-Mn-Zr合金及其制备方法。

背景技术

Al-Cu-Mg系合金具有高强度、抗疲劳、易加工等诸多优点，作为结构材料被广泛应用于航空航天、交通运输等工业领域。Al-Cu-Mg合金以Cu、Mg为主要合金元素，通过改变铜和镁的成分配比及控制其他微量元素和杂质元素而形成一系列硬铝合金，而时效析出强化是其主要的强化方法。随着高新技术的不断发展，各工业领域对于传统铝合金性能要求越来越高，为了进一步提高Al-Cu-Mg合金力学性能，稀土微合金化的优化研究逐渐受到金属材料工作者的关注。

钪位于元素周期表中的过渡区，化学性质与铝相似，具有两性性质。钪密度只比铝高了11％，但钪是目前为止人们发现的对铝合金最为有效的合金化元素，它对铝合金的合金化作用非常显著，只要加人千分之几的钪就能对铝合金起强烈的变质作用，使合金的结构和性能发生明显变化。微量钪加人到铝合金中不仅能显著细化铝合金晶粒，抑制合金再结晶，而且可显著提高合金的强度、塑性、高温性能、抗蚀性能及焊接性能，甚至能增强抗中子辐照损伤性能。但是Sc较高的价格成本限制了其在铝合金中的广泛应用，因此合金中引入亦具有细化晶粒和强化作用效果的Zr元素，而Mn元素的添加有助于抑制合金的再结晶行为。

20世纪70年代以来，前苏联和俄罗斯在含钪铝合金方面做了大量基础研究，在世界该领域处于领先地位，而国内研究较多的机构则是中南大学和东北大学。

Jiang(J.Cent.SouthUniv.Technol.(2010)17:19-23)等研究表明微量Sc和Zr在2524铝合金板材中主要以次生的Al₃(Sc,Zr)粒子形式存在,，这种粒子与基体共格，钉扎位错和亚晶界，高温固溶处理过程中仍然能够部分抑制合金的再结晶。王华(轻合金加工技术.(2008)36:30-33)等研究了添加Sc、Zr对于2024铝合金组织及性能的影响，当分别加入0.05wt％Sc和0.06wt％Zr时，合金屈服强度提高18MPa，而延伸率依然维持在2024铝合金水平。

综合阅读该研究领域的相关文献发现，Al-Cu-Mg合金的抗拉强度和屈服强度一般在350-400MPa左右，因为有必要性能更高的Al-Cu-Mg合金以满足现代化工业生产的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含Sc的高强度Al-Cu-Mg-Mn-Zr合金及其制备方法。本发明制备方法能够获得较好综合性能的合金，且制备方法简单，具有广阔的工业应用前景。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种含Sc的高强度Al-Cu-Mg-Mn-Zr合金，由下列合金元素及其质量百分含量组成：铜为3.7％-4.0％，镁为1.4％-1.6％，钪为0.2％-0.3％，锆为0.2％-0.3％，锰为0.3％-0.5％，余量为铝；合金T6状态下室温抗拉强度为450-520MPa，屈服强度为370-450MPa，延伸率为6.5％-11.5％。

制备上述含Sc的高强度Al-Cu-Mg-Mn-Zr合金的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、以质量分数大于99.7wt.％的铝锭、质量分数大于99.8wt.％的镁锭、质量分数大于99.8wt.％锰锭，质量分数大于99.8wt.％的电解铜以及Al-2wt.％Sc中间合金锭和Al-5wt.％Zr中间合金锭为熔炼原料，按铝锭、镁锭、锰锭、电解铜、Al-2wt.％Sc中间合金锭和Al-5wt.％Zr中间合金锭的质量比为(0.66-0.75)：(0.03-0.06)：(0.005-0.015)：(0.14-0.19)：(0.015-0.035)：(0.04-0.07)，采用真空气氛电磁感应熔炼方法熔炼合金，熔炼温度控制在680-720℃，浇铸于预热至200℃的模具中，自然空冷成尺寸为200mm×100mm×20mm的合金铸锭；

步骤二、将步骤一所得到的合金铸锭放置于箱式电阻炉内在490-500℃下进行16-24h的均匀化处理；

步骤三、将步骤二均匀化后的合金铸锭以热轧+中间退火+冷轧方式完成轧制加工处理，合金热轧后厚度至6.0mm，冷轧后厚度至2.8mm，且在热轧前先在430℃下预热1h；

步骤四、将步骤二处理完毕的2.8mm厚的轧板在500℃进行1.5h的固溶处理，然后立即进行淬火处理，淬火时间在5-10s，然后施加10％-40％的冷变形实验并在190℃下进行1-24h的人工时效处理，得到含Sc的高强度Al-Cu-Mg-Zr-Mn合金。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明合金由常用工业铝合金Al-Cu-Mg系添加Sc稀土元素以及Zr、Mn元素组成，合金制备方法简单，所得含Sc的Al-Cu-Mg-Mn-Zr合金晶粒明显得到细化，组织中不存在枝晶，抗拉强度达到450-520MPa，屈服强度达到370-450MPa，延伸率6.5％-11.5％，获得了较好的综合力学性能。

附图说明

图1为本发明实施例1所制的含Sc的Al-Cu-Mg-Mn-Zr合金铸态金相组织照片；

图2为本发明实施例1所制的含Sc的Al-Cu-Mg-Mn-Zr合金铸态第二相扫描照片；

图3为本发明实施例1所制的含Sc的Al-Cu-Mg-Mn-Zr合金时效后晶界析出相的透射照片；

图4为本发明实施例1所制的含Sc的Al-Cu-Mg-Mn-Zr合金拉伸后断口形貌扫描照片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

实施例1

步骤一、以质量分数大于99.7wt.％工业纯铝锭，质量分数大于99.8wt.％工业纯镁锭，质量分数大于99.8wt.％工业纯锰锭，质量分数大于99.8wt.％电解铜以及Al-2wt.5Sc中间合金锭和Al-5wt.Zr中间合金锭为熔炼原料，按铝锭、镁锭、锰锭、电解铜、Al-2wt.％Sc中间合金锭和Al-5wt.％Zr中间合金锭的质量比为70：5：1：17：2：5，在真空气氛电磁感应熔炼铸造质量成分为Cu为3.87％、Mg为1.51、Sc为0.22、Zr为0.21、铝余量的尺寸为200mm×100mm×20mm的合金铸锭。

(0.66-0.75)：(0.03-0.06)：(0.005-0.015)：(0.14-0.19)：(0.015-0.035)：(0.04-0.07)

步骤二、将上述合金铸锭放置于箱式电阻炉内在500℃下进行20h的均匀化处理；

步骤三、均匀化后的合金铸锭以热轧+中间退火+冷轧方式完成轧制加工处理，合金热轧后厚度至6.0mm，冷轧后厚度至2.8mm，且在热轧前先在430℃下预热1h；

步骤四、将该2.8mm厚的轧板在500℃进行1.5h的固溶处理完成后立即进行淬火处理，淬火时间为10s，然后施加20％的冷变形实验并在190℃下进行10h的人工时效处理，得到含Sc的高强度Al-Cu-Mg-Zr-Mn合金。

经电子万能试验机测试实施例1制备得到的合金的力学性能是：抗拉强度488MPa，屈服强度达到401MPa，延伸率10.4％，抗拉强度与屈服强度均在400MPa的情况下，延伸率维持在10％以上，综合力学性能较好。

图1示出了实施例1合金铸态金相组织照片；图2示出了实施例1合金铸态第二相扫描照片；图3示出了实施例1合金时效后晶界析出相的透射照片；图4是实施例1所制的含Sc的Al-Cu-Mg-Mn-Zr合金拉伸后断口形貌扫描照片。可以看出，本发明制备所得含Sc的Al-Cu-Mg-Mn-Zr合金晶粒明显得到细化，组织中不存在枝晶。

实施例2

实施例2与实施例1基本相同，其不同仅在于：步骤四中，对淬火处理后的轧板施加10％的冷变形对照实验并在190℃下进行14h的人工时效处理，得到含Sc的高强度Al-Cu-Mg-Zr-Mn合金。经电子万能试验机测试实施例2制备得到的合金的力学性能是：抗拉强度455MPa，屈服强度达到372MPa，延伸率11.4％。

实施例3

实施例2与实施例1基本相同，其不同仅在于：步骤四中，对淬火处理后的轧板施加30％的冷变形对照实验并在190℃下进行10h的人工时效处理，得到含Sc的高强度Al-Cu-Mg-Zr-Mn合金。经电子万能试验机测试实施例2制备得到的合金的力学性能是：抗拉强度507MPa，屈服强度达到420MPa，延伸率8.8％。

实施例4

实施例3与实施例1基本相同，其不同仅在于：步骤四中，对淬火处理后的轧板施加40％的冷变形对照实验并在190℃下进行8h的人工时效处理，得到含Sc的高强度Al-Cu-Mg-Zr-Mn合金。经电子万能试验机测试实施例2制备得到的合金的力学性能是：抗拉强度518MPa，屈服强度达到452MPa，延伸率6.5％。

Claims

1.一种含Sc的高强度Al-Cu-Mg-Mn-Zr合金，其特征在于，该合金由下列合金元素及其质量百分含量组成：铜为3.7％-4.0％，镁为1.4％-1.6％，钪为0.2％-0.3％，锆为0.2％-0.3％，锰为0.3％-0.5％，余量为铝；合金T6状态下室温抗拉强度为450-520MPa，屈服强度为370-450MPa，延伸率为6.5％-11.5％。

2.一种如权利要求1所述含Sc的高强度Al-Cu-Mg-Mn-Zr合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述含Sc的高强度Al-Cu-Mg-Mn-Zr合金的制备方法，其特征在于，步骤三中热轧+中间退火+冷轧的工艺条件是：热轧温度为450℃，中间退火温度为400℃，时间为2h，中间退火后自然冷却至室温进行冷轧。