CN106399776A - 一种800MPa级超高强铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明所述一种800MPa级超高强铝合金及其制备方法，各组份及其质量百分比为：Zn含量为9‑11％，Mg含量为2.7‑3.4％，Cu含量为2.0‑2.6％，Ce含量为0.10‑0.25％，Er含量0.05‑0.15％，Zr含量为0.10‑0.20％，杂质元素Si含量≤0.1％，Fe含量≤0.15％，其它杂质元素总的含量≤0.15％，余量为Al。本发明合理提高合金中Zn与Mg元素含量，优化Zn/Mg值，Cu/Mg值，显著提高合金有效强化相含量，进而提高合金的强度；优化Zn/Mg值，Cu/Mg值，显著降低合金S相，严格控制合金中Fe、Si元素含量，降低合金中粗大第二相，从而提高合金的断裂韧性。
Description
技术领域
本发明属于有色金属材料领域，涉及一种超高强铝合金材料，尤其是一种Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金及其制备工艺。
背景技术
Al-Zn-Mg-Cu系超高强度铝合金具有高的比强度和硬度、较好的耐腐蚀性能和较高的韧性、优良的加工性能及焊接性能，广泛应用于航空和航天领域，并成为该领域中重要的结构材料之一。
美铝公司(Alcoa)1991年研制成功了号称“王牌铝合金”的7055合金，已经用于制造波音777上翼蒙皮、龙骨架和空客A380上翼蒙皮。最近十年来，欧美国家陆续研发了抗拉强度超过650MPa的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金，如7168、7136和7056等，其中7056-T7951合金将替代7449铝合金，用于制造A380-800F飞机上翼面板。然而，航空航天、交通运输和兵器工业等技术的快速发展对Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金的性能和成本提出了更高的要求。
因此，有必要开发性能更高(800MPa)的、成本更低的Al-Zn-Mg-Cu系超高强度铝合金。本发明是一种800MPa级且成本相对较低的Al-Zn-Mg-Cu系超高强度铝合金。
发明内容
本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种800MPa级超高强铝合金及其制备方法，其抗拉强度达800MPa，而且成本相对较低。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种800MPa级超高强铝合金，各组份及其质量百分比为：Zn含量为9-11％，Mg含量为2.7-3.4％，Cu含量为2.0-2.6％，Ce含量为0.10-0.25％，Er含量0.05-0.15％，Zr含量为0.10-0.20％，杂质元素Si含量≤0.1％，Fe含量≤0.15％，其它杂质元素总的含量≤0.15％，余量为Al。
一种800MPa级超高强铝合金，其特征在于，Zn与Mg的重量百分比为3∶
1～5∶1，Cu与Mg的重量百分比为0.6∶1～1∶1。
一种800MPa级超高强铝合金的制备方法，其包括以下步骤：
(1)按照配比进行配料，准备熔炼；
(2)真空气氛保护熔炼炉抽真空，通入氦气气氛，当温度达到730℃时，先后加入Al、Zn、Mg及Al-Cu中间合金；
(3)温度升至750℃时，加入Al-2.46％Er、Al-30％Ce、Mg-31％Zr中间合金，充分熔化；
(4)对完全熔化的金属液进行精炼，精炼时金属温度维持在740℃的范围内，精炼后应进行充分静置，静置时间不低于25分钟；
(5)当温度降至720℃，充分静置后将合金溶液浇入预热420℃金属模具内，即可获得合金铸锭。
(6)对合金铸坯进行三级均匀化，第一阶段在320～380℃下保温3～15h，第二阶段在400～450℃下保温15～35h，第三阶段在450～480℃下保温15～35h；
(7)对均匀化后的合金进行挤压变形处理，挤压温度为430℃，变形系数为9；
(8)对挤压后合金在460～480℃进行固溶，固溶时间1～4h，室温水淬；
(9)对固溶淬火后的板材立即进行时效处理。
其中，步骤(9)中时效处理采用峰值时效热处理工艺为：在100℃～160℃加热10～64小时。
其中，步骤(9)中时效处理采用双极时效热处理工艺为：第一级时效温度100～140℃，时效时间为4～20h，第二级时效温度为150～180℃，时效时间为4～20h。
其中，步骤(9)中时效处理采用三级时效热处理工艺为：第一级时效温度100～130℃，时效时间为4～20h，第二级时效温度为150～180℃，时效时间为0.5～2h，第三级时效温度100～130℃，时效时间为4～20h。
其中，中间合金为99.98％铝，99.94％锌，99.9％镁，Al-48％Cu、Al-2.46％Er、Al-30％Ce、Mg-31％Zr中间合金。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明合理提高合金中Zn与Mg元素含量，优化Zn/Mg值，Cu/Mg值，显著提高合金有效强化相含量，进而提高合金的强度；
优化Zn/Mg值，Cu/Mg值，显著降低合金S相，严格控制合金中Fe、Si元素含量，降低合金中粗大第二相，从而提高合金的断裂韧性；
充分利用Ce、Er、Zr元素复合细化作用，纯净合金熔体的质量及细化的铸态组织，提高合金强度与断裂韧性。
采用多级均匀化热处理工艺，使合金含Ce、Er及Zr的第二相颗粒在组织中均匀弥散析出，在热挤压及固溶过程中最大程度地阻碍再结晶的作用，进一步提高合金强度与断裂韧性；
利用Ce、Er替代Sc元素，获得高强高韧等综合性能，同时降低了合金制备成本。
上述合金成分设计与制备工艺的实施，保证了本合金具有优良的力学性能。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
表1给出了本发明所提出的新型超高强铝合金化学成分及重量百分比实施例。
表1：新型超高强铝合金化学成分及重量百分比
表1
| 铸锭号 | Zn | Mg | Cu | Er | Ce | Zr | Fe | Si | Al |
| 56# | 10.20 | 2.85 | 2.14 | 0.11 | 0.12 | 0.12 | <0.15 | <0.10 | 余量 |
| 57# | 10.79 | 2.74 | 2.25 | 0.12 | 0.14 | 0.10 | <0.15 | <0.10 | 余量 |
| 59# | 9.6 | 3.15 | 2.32 | 0.11 | 0.11 | 0.11 | <0.15 | <0.10 | 余量 |
| 62# | 9.5 | 2.90 | 2.70 | 0.11 | 0.12 | 0.12 | <0.15 | <0.10 | 余量 |
| 65# | 9.8 | 2.76 | 2.20 | 0.12 | 0.11 | 0.12 | <0.15 | <0.10 | 余量 |
该合金的制备工艺的步骤是：
(1)按照配比进行配料，准备熔炼；
(2)真空气氛保护熔炼炉抽真空，通入氦气气氛，当温度达到730℃时，先后加入Al、Zn、Mg及Al-Cu中间合金；
(3)温度升至750℃时，加入Al-2.46％Er、Al-30％Ce、Mg-31％Zr中间合金，充分熔化；
(4)对完全熔化的金属液进行精炼，精炼时金属温度维持在740℃的范围内，精炼后应进行充分静置，静置时间不低于25分钟；
(5)当温度降至720℃，充分静置后将合金溶液浇入预热420℃金属模具内，即可获得合金铸锭。
(6)对合金铸坯进行三级均匀化，第一阶段在320～380℃下保温3～15h，第二阶段在400～450℃下保温15～35h，第三阶段在450～480℃下保温15～35h；
(7)对均匀化后的合金进行挤压变形处理，挤压温度为430℃，变形系数为9；
(8)对挤压后后的合金在460～480℃进行固溶，固溶时间1～4h，室温水淬；
9)对固溶淬火后的合金立即进行时效处理；
步骤(9)中时效处理采用三级时效热处理工艺为：第一级时效温度100～130℃，时效时间为4～20h，第二级时效温度为150～180℃，时效时间为0.5～2h，第三级时效温度100～130℃，时效时间为4～20h。
表2为不同时效工艺的合金性能。
表2
表3为不同铸锭三级时效工艺的合金性能。
表3
从上面的结果可以看到，本发明所述的超高强铝合金在所述的制备工艺下可稳定的制备出峰值时效抗拉强度超过800MPa、屈服强度超过760MPa、延伸率超过8.0％且成本相对较低的Al-Zn-Mg-Cu超高强铝合金，因而在航空航天、交通运输和兵器工业等领域存在很大的应用潜力。
最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种800MPa级超高强铝合金，其特征在于，各组份及其质量百分比为：Zn含量为9-11％，Mg含量为2.7-3.4％，Cu含量为2.0-2.6％，Ce含量为0.10-0.25％，Er含量0.05-0.15％，Zr含量为0.10-0.20％，杂质元素Si含量≤0.1％，Fe含量≤0.15％，其它杂质元素总的含量≤0.15％，余量为Al。
2.根据权利要求1所述一种800MPa级超高强铝合金，其特征在于，Zn与Mg的重量百分比为3∶1～5∶1，Cu与Mg的重量百分比为0.6∶1～1∶1。
3.根据权利要求1所述一种800MPa级超高强铝合金的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
(1)按照配比进行配料，准备熔炼；
(2)真空气氛保护熔炼炉抽真空，通入氦气气氛，当温度达到730℃时，先后加入Al、Zn、Mg及Al-Cu中间合金；
(3)温度升至750℃时，加入Al-2.46％Er、Al-30％Ce、Mg-31％Zr中间合金，充分熔化；
(4)对完全熔化的金属液进行精炼，精炼时金属温度维持在740℃的范围内，精炼后应进行充分静置，静置时间不低于25分钟；
(5)当温度降至720℃，充分静置后将合金溶液浇入预热420℃金属模具内，即可获得合金铸锭。
(6)对合金铸坯进行三级均匀化，第一阶段在320～380℃下保温3～15h，第二阶段在400～450℃下保温15～35h，第三阶段在450～480℃下保温15～35h；
(7)对均匀化后的合金进行挤压变形处理，挤压温度为430℃，变形系数为9；
(8)对挤压后合金在460～480℃进行固溶，固溶时间1～4h，室温水淬；
(9)对固溶淬火后的板材立即进行时效处理。
4.根据权利要求3所述一种800MPa级超高强铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(9)中时效处理采用峰值时效热处理工艺为：在100℃～160℃加热10～64小时。
5.根据权利要求3所述一种800MPa级超高强铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(9)中时效处理采用双极时效热处理工艺为：第一级时效温度100～140℃，时效时间为4～20h，第二级时效温度为150～180℃，时效时间为4～20h。
6.根据权利要求3所述一种800MPa级超高强铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(9)中时效处理采用三级时效热处理工艺为：第一级时效温度100～130℃，时效时间为4～20h，第二级时效温度为150～180℃，时效时间为0.5～2h，第三级时效温度100～130℃，时效时间为4～20h。
7.根据权利要求3所述一种800MPa级超高强铝合金的制备方法，其特征在于，中间合金为99.98％铝，99.94％锌，99.9％镁，Al-48％Cu、Al-2.46％Er、Al-30％Ce、Mg-31％Zr中间合金。
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