CN105838945B - 一种抗再结晶的超强高韧耐蚀铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种抗再结晶的超强高韧耐蚀铝合金及其制备方法，该铝合金制品的成分以重量百分比成分：Zn 6.0～10.0％，Mg 1.8～2.5％，Cu 0.6～2.2％，Zr 0.1～0.2％，Fe 0.02～0.15％，Si 0.001～0.10％,Cr 0.01～0.05％,Ti 0.01～0.05％，RE0.02～0.10％(RE为Yb、Er与Y元素)，其余为Al。所述的铝合金材料成分满足0.25Zr≤Cr+Si≤0.5Zr且0.5Si≤Cr≤Si，0.7≤Fe/Si≤1.5,0.5Zr≤RE+Ti≤0.75Zr，本发明组分配比合理，通过对微合金化元素的优化选择，严格控制微合金化元素之间的匹配，形成多元共格弥散相，可完全抑制合金基体的再结晶，比已有的同类超强铝合金具有更高的强度、韧性与耐腐蚀性能，克服了现有Al‑Zn‑Mg‑Cu超强铝合金存在的强度与韧性和耐腐蚀性不能兼顾的问题。本发明操作简单，适于工业化生产。

Description

一种抗再结晶的超强高韧耐蚀铝合金及其制备方法
技术领域
本发明公开了一种抗再结晶的超强高韧耐蚀铝合金及其制备方法，通过对Al-Zn-Mg-Cu系铝合金成分中微合金化元素配比的设计，提高其强度、韧性和抗腐蚀性能，属于金属材料制备技术领域。
背景技术
Al-Zn-Mg-Cu超高强铝合金具有密度低、强度高、易加工等性能优点，是飞机、火箭、轨道交通以及武器装备等工业中的重要结构材料，在经济社会发展以及国防现代化建设中具有极其重要的作用。然而Al-Zn-Mg-Cu超高强铝合金存在由高密度时效析出相在晶界聚集而引发的应力腐蚀断裂问题，制约了合金潜力的发挥。虽然自20世纪80年代以后，人们相继开发了RRA和T77回归再时效热处理制度，以缓解超强铝合金强度与耐蚀性及韧性之间上述尖锐矛盾，但仅通过Al-Zn-Mg-Cu系合金时效热处理制度的优化，解决合金强度性能与耐蚀性及韧性之间的矛盾有很大的局限性，耐蚀性和韧性仍是制约超强铝合金发展和应用的瓶颈。随着大飞机、重型火箭、高速列车的发展，对超强高韧耐蚀铝合金的需求非常迫切，对Al-Zn-Mg-Cu超强高铝合金性能方面提出了更高的要求，不仅要提高Al-Zn-Mg-Cu超高强铝合金的强度，而且需协同改善合金的韧性和抗应力腐蚀性能，使合金具备更为优良的综合性能。随着超强铝合金强度进一步提高，时效析出相数量增加，在晶界的富集更为显著，沿晶断裂和腐蚀更为突出，需要寻求新的发展途径。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种组分配比合理的抗再结晶的超强高韧耐蚀铝合金及其制备方法，本发明采用多元微合金化手段，通过对多元微合金化元素的优化选择，严格控制多元微合金化元素之间的匹配，形成多元共格弥散相完全抑制再结晶，实现高强度、高韧性与良好的耐腐蚀性能铝合金的制备，克服现有Al-Zn-Mg-Cu超强铝合金存在的强度与韧性和耐腐蚀性不能兼顾的问题。
现有超强铝合金中一般添加微合金化元素Zr，铸锭凝固时固溶于Al基体，在后续热处理中形成Al3Zr弥散相，阻碍基体再结晶，提高沿晶断裂和腐蚀抗力。但Zr添加量超过0.2％，铸锭凝固时形成粗大Al3Zr初晶相，对阻碍再结晶不起作用，对合金韧性不利，即Al3Zr弥散相的数量和作用受到限制。申请者研究表明，通过形成多元共格弥散相完全抑制再结晶，钉扎亚晶界，成倍增加亚晶界数量，降低晶界(亚晶界)析出相富集使其在晶界处不连续分布，可从根本上抑制高合金化超强铝合金的沿晶断裂和腐蚀开裂，且亚晶界具有附加强化作用，可同步提高超强铝合金强度、韧性和耐蚀性。申请者研究发现，在添加微合金化元素Zr的基础上，复合添加少量的Cr、Si、Ti、RE(Yb，Er，Y),使Cr和Si部分取代Al3Zr弥散相中的Al，Ti和RE(Yb，Er，Y)部分取代Al3Zr弥散相中的Zr，可形成尺度显著低于Al3Zr弥散相且数量成倍增加的细小均匀的(Al,Cr,Si)3(Zr,Ti,RE)多元共格弥散相，有效钉扎晶界与亚晶界、完全抑制基体再结晶，显著提高合金的强韧耐蚀性能，其效果远远好于单独添加微合金化元素Zr形成的Al3Zr弥散相。同时发现，上述微量元素添加量太少，作用不能有效发挥即存在一定下限。例如，在现有Al-Zn-Mg-Cu超强铝合金中，Cr、Si一般当做杂质元素控制，认为含量越少越好；而申请人研究发现，添加一定数量和比例的Cr、Si，使Cr和Si部分取代Al3Zr弥散相中的Al，对超强铝合金抑制基体再结晶、提高合金的强韧耐蚀性能具有非常重要的作用，Cr、Si并不是越少越好。申请人研究还发现，上述微量元素添加量太高，对合金强韧耐蚀性及工艺性能有害，即存在一定上限。Cr含量偏高(如0.1wt.％以上)，形成非共格的尺寸为50～100nm的Al12Mg2Cr相，显著降低合金的断裂韧性和淬透性；Si含量偏高形成Mg2Si降低合金的强度和韧性，且在Fe<0.15％的限制下(Fe过高，形成粗大脆性Al7Cu2Fe严重降低断裂韧性)，过低的Fe/Si导致铸锭凝固温区扩大，铸锭易开裂；RE(Yb,Er,Y)稀土元素含量偏高，形成粗大的W相(Al8Cu4RE)，显著降低合金断裂韧性及塑性；Ti含量偏高，过多的Ti进入Al3Zr，破坏Al3Zr与基体的共格性，并形成粗大的Al3Ti初晶相，降低合金的断裂韧性。研究表明，在Al-Zn-Mg-Cu超强铝合金中添加0.1～0.2％Zr的同时，添加其他微量元素并满足0.25Zr≤Cr+Si≤0.5Zr且0.5Si≤Cr≤Si，0.7≤Fe/Si≤1.5(Fe≤0.15％)；0.2Zr≤RE+Ti≤0.75Zr，将完全抑制合金基体的再结晶，比已有的同类超强铝合金具有更高的强度、显著提升的韧性与耐蚀性。
基于以上研究，本发明一种抗再结晶的超强高韧耐蚀铝合金，所述铝合金包括下述组分按重量百分比组成：
Zn 6.0～10.0％，Mg 1.8～2.5％，Cu 0.6～2.2％，Zr 0.1～0.2％，Cr 0.01～0.05％，Ti 0.01～0.05％，RE0.02～0.10％，Fe 0.02～0.15％，Si 0.001～0.10％，其余为Al；其组分中的微合金化元素满足：
(1)0.25Zr≤Cr+Si≤0.5Zr且0.5Si≤Cr≤Si；
(2)0.7≤Fe/Si≤1.5；
(3)0.5Zr≤RE+Ti≤0.75Zr。
本发明包括下述制备步骤：
(1)按设计的合金组分配比，分别取各组分，先将铝锭熔化后，陆续加入合金元素；对熔体进行精炼除气、除渣后，浇注；
(2)对铸锭依次进行均匀化热处理、热塑性变形、固溶-淬火、时效热处理。
本发明一种抗再结晶的超强高韧耐蚀铝合金的制备方法，所述均匀化热处理为两级保温后空冷处理，具体工艺为：先在410～450℃的温度下保温4～20h，然后升温到460～480℃保温20～40h后空冷。
本发明一种抗再结晶的超强高韧耐蚀铝合金的制备方法，进行挤压或轧制或锻造塑性成形，变形量为80％以上。
本发明一种抗再结晶的超强高韧耐蚀铝合金的制备方法，固溶-淬火处理工艺参数为：固溶采用高温短时固溶，固溶温度475～480℃，保温时间2～20h，水淬。
本发明一种抗再结晶的超强高韧耐蚀铝合金的制备方法，时效热处理采用一级时效、二级时效或三级时效，第一级时效温度为100～120℃保温10～24h，第二级时效温度为150～200℃保温0～20h，第三级时效时效温度为100～120℃，保温0～24h。
本发明组分配比合理，通过对微合金化元素的优化选择，严格控制微合金化元素之间的匹配，形成多元共格弥散相，可完全抑制合金基体的再结晶，比已有的同类超强铝合金具有更高的强度、韧性与耐腐蚀性能，克服了现有Al-Zn-Mg-Cu超强铝合金存在的强度与韧性和耐腐蚀性不能兼顾的问题。本发明操作简单，适于工业化生产。
附图说明
附图1为本发明实施例中1#合金的固溶时效态组织。
附图2为本发明对比例中10#合金的固溶时效态组织。
从附图1中可以看出：1#合金的固溶时效态组织为完全未再结晶组织。
从附图2中可以看出：10#合金的固溶时效态组织发生了部分再结晶。
具体实施方式
本发明实施例提供8个合金试样，编号依次为1#至8#，对比例提供4个合金试样，编号依次为9#至12#。
本发明实施例、对比例中所涉及的铝合金成分及其重量百分比为(具体成分见表1)：Zn 6.0～10.0％，Mg 1.8～2.5％，Cu 0.6～2.2％，Zr 0.1～0.2％，Cr 0.01～0.05％,Ti 0.01～0.05％，RE0.02～0.10％，Fe 0.02～0.15％，Si 0.001～0.10％,(RE为Yb、Er与Y元素)，其余为Al。其中成分满足：(a)0.25Zr≤Cr+Si≤0.5Zr且0.5Si≤Cr≤Si；(b)0.7≤Fe/Si≤1.5,(c)0.5Zr≤RE+Ti≤0.75Zr。
上述的一种抗再结晶的超强高韧耐蚀铝合金，其RE为Yb，Er、Y中至少一种稀土元素，需满足：所述稀土元素的含量复合0.5Zr≤RE(Yb，Er、Y中的至少一种复配后的总质量)+Ti≤0.75Zr
本发明涉及的一种抗再结晶的超强高韧耐蚀铝合金，其制备方法为：
(1)将配置好的纯铝锭装入熔化炉中，待铝锭熔化后，陆续加入合金；并对熔体进行精炼除气、除渣等过程，并进行半连续浇注；
(2)对铸锭进行均匀化热处理，铸锭采用强化均匀化工艺，即先在410～450℃的温度下保温4～20h，然后升温到460～480℃保温20～40h，然后空冷。
(3)将铸锭扒皮，进行热塑性加工，形成相应的半成品；
(4)将该半成品进行固溶-淬火-时效热处理。固溶采用高温短时固溶，即在475～480℃固溶保温2～20h，立即淬火到室温的水中。第一级时效温度为100～120℃保温10～24h，第二级时效温度为150～200℃保温0～20h，第三级时效时效温度为100～120℃，保温0～24h。
实施例
在实验室规模上制备合金，以证明本发明的原理。合金的成分组成如表1所示。通过合金容量、除气、除渣。以及半连续铸造的方法制备φ150mm的圆形铸锭。将铸锭进行(420土3℃/10h)+(460土3℃/24h)均匀化热处理，将铸锭进行扒皮并切成φ120mm×400mm的挤压坯料，在420℃预热4h进行热挤压加工，挤压成φ30mm的棒材。随后进行480土3℃/60min保温，水淬，进行时效(120±1℃/24h)+(180±1℃/0.5h)+(120±3℃/24h)。
表1 Al-Zn-Mg-Cu合金成分(质量百分数，wt.％)
表2合金挤压棒材性能测试结果
表2中：(1)UTS是指极限抗拉强度，YTS是指屈服强度，EL是指延伸率，SCC应力是否是指C环应力腐蚀试验；(2)EA—ED表示剥落腐蚀逐渐变严重；(3)C环应力腐蚀试验的应力为500Mpa。
从表2可以看出，1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#同时具有较高的强度、抗应力腐蚀性能以及断裂韧性，9#合金的由于具有高含量的Cr(0.1％)、RE(0.18％)以及Fe(0.15％)元素，合金的应力腐蚀和断裂韧性显著降低；10#合金由于具有高含量的Cr(0.2％)和RE(0.2％)，形成粗大的Al12Mg2Cr及Al8Cu4RE相，显著降低合金的强度和应力腐蚀性能及断裂韧性。11#合金由于基本没有Cr(0.001％)及Si(0.001％)，不能形成多元共格弥散相完全抑制再结晶，显著降低合金的强度和应力腐蚀性能及断裂韧性。12#合金具有较低的强度和应力腐蚀性能及断裂韧性，其主要原因是高含量的Cr(0.15％)，形成非共格的Al12Mg2Cr，以及高的Fe/Si,不能形成多元共格弥散相完全抑制再结晶。

Claims (6)

1.一种抗再结晶的超强高韧耐蚀铝合金，所述铝合金包括下述组分按重量百分比组成：
Zn 6.0~10.0%，Mg 1.8 ~2.5 %，Cu 0.6~2.2 %，Zr 0.1~0.2%，Cr 0.01~0.05 %,Ti0.01~0.05 %，RE0.02~0.10 %，Fe 0.02~0.15%，Si 0.001~0.10 %，其余为Al；
其组分中的微合金化元素满足：
(1)0.25Zr≤Cr+Si≤0.5Zr且 0.5Si≤Cr≤Si；
(2)0.7≤Fe/Si≤1.5；
(3)0.5Zr≤RE+Ti≤0.75Zr。
2.一种抗再结晶的超强高韧耐蚀铝合金制备方法，包括下述步骤：
(1)按设计的合金组分配比，分别取各组分，先将铝锭熔化后，陆续加入合金元素；对熔体进行精炼除气、除渣后，浇注；
得到的铝合金包括下述组分按重量百分比组成：
Zn 6.0~10.0%，Mg 1.8 ~2.5 %，Cu 0.6~2.2 %，Zr 0.1~0.2%，Cr 0.01~0.05 %,Ti0.01~0.05 %，RE0.02~0.10 %，Fe 0.02~0.15%，Si 0.001~0.10 %，其余为Al；
其组分中的微合金化元素满足：
(1)0.25Zr≤Cr+Si≤0.5Zr且 0.5Si≤Cr≤Si；
(2)0.7≤Fe/Si≤1.5；
(3)0.5Zr≤RE+Ti≤0.75Zr；
(2) 对铸锭依次进行均匀化热处理、热塑性变形、固溶-淬火、时效热处理。
3. 根据权利要求2所述的一种抗再结晶的超强高韧耐蚀铝合金的制备方法，所述均匀化热处理为两级保温后空冷处理，具体工艺为：先在410~450℃的温度下保温4~20 h，然后升温到460~480℃保温20~40 h后空冷。
4.根据权利要求2所述的一种抗再结晶的超强高韧耐蚀铝合金的制备方法，进行挤压或轧制或锻造塑性成形，变形量为80%以上。
5.根据权利要求2所述的一种抗再结晶的超强高韧耐蚀铝合金的制备方法，固溶-淬火处理工艺参数为：固溶采用高温短时固溶，固溶温度475~480℃，保温时间2~20h，水淬。
6.根据权利要求2-5任意一项所述的一种抗再结晶的超强高韧耐蚀铝合金的制备方法，时效热处理采用一级时效、二级时效或三级时效，第一级时效温度为100~120℃保温10~24 h，第二级时效温度为150~200℃保温0~20h，第三级时效时效温度为100~120℃，保温0~24 h。
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