CN106609329A - 一种耐损伤铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种耐损伤铝合金及其制备方法，铝合金包括以质量百分比计的下述组分：Cu：3.6～4.3％，Mg：1.0～1.6％，Mn：0.3～0.8％，Zr：0.1～0.15％，Er：0.1～0.2％，余量为Al以及微量杂质元素，所述杂质元素的总含量小于0.1％；通过调整主合金元素的含量和添加新的合金元素，获得了抗疲劳裂纹扩展能力高、力学性能优良的铝合金，解决现有耐损伤铝合金型材综合性能难于提高的问题；采用水雾化蒸汽加热的方式进行均匀化处理，缩短了均匀化时间，减少了第二相粒子尺寸，对提高材料断裂韧性有显著效果；本发明制备高耐损伤铝合金型材，工艺简单、成本较低，易于实现大规模工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝合金及其制备方法，具体涉及一种耐损伤铝合金及其制备方法。
背景技术
铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，其密度低，比强度高，同时具备优良的导热性、耐蚀性、焊接及加工等性能，广发应用于机械工程、航空航天等领域。
随着新一代飞机耐久性/损伤容限设计思想的发展，对飞机机体主要结构的可靠性、使用寿命、安全性以及可维修性等耐损伤性能要求日益提高，迫切需要采用具有高的断裂韧性、抗疲劳性能和低的疲劳裂纹扩展速率的新型耐损伤材料，尤其在机翼下壁板长桁、中央翼梁下缘条等部位对耐损伤铝合金型材需求迫切，现有材料很难满足要求，主要原因是提高综合性能难度很大，如片面追求提高材料强度，其断裂韧性或抗疲劳性能会显著下降。
CN103981410A中披露了一种高耐损伤铝合金及其制备方法，但所开发的合金及其制备方法仅针对薄板，不包括型材。
CN103710652A公开了一种高耐损伤铝合金型材的制备方法，添加了Li、Sc等合金化元素，由于Li合金元素极易氧化，需要在真空中进行熔炼，需专用设备，而其，Sc价格昂贵，显著增加了制造成本。此外，在实施例中，所得的铝合金型材的主要性能近包含拉伸力学性能，无耐损伤性能指标。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐损伤铝合金及其制备方法，通过调整主合金元素的含量和添加新的合金元素，获得了抗疲劳裂纹扩展能力高、力学性能优良的铝合金，解决现有耐损伤铝合金型材综合性能难于提高的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种耐损伤铝合金，以质量百分比计包括下述组分：Cu：3.6～4.3％，Mg：1.0～1.6％，Mn：0.3～0.8％，Zr：0.1～0.15％，Er：0.1～0.2％，余量为Al以及微量杂质元素，所述杂质元素的总含量小于0.1％。
所述的一种耐损伤铝合金的第一优选方案，所述铝合金以质量百分比计包括下述组分：Cu：3.6％，Mg：1.0％，Mn：0.5％，Zr：0.11％，Er：0.15％，余量为Al以及微量杂质元素，所述杂质元素的总含量小于0.1％。
所述的一种耐损伤铝合金的第二优选方案，所述铝合金以质量百分比计包括下述组分：Cu：3.8％，Mg：1.1％，Mn：0.5％，Zr：0.12％，Er：0.15％，余量为Al以及微量杂质元素，所述杂质元素的总含量小于0.1％。
所述的一种耐损伤铝合金的第三优选方案，所述铝合金以质量百分比计包括下述组分：Cu：4.0％，Mg：1.1％，Mn：0.5％，Zr：0.13％，Er：0.13％，余量为Al以及微量杂质元素，所述杂质元素的总含量小于0.1％。
所述的一种耐损伤铝合金的第四优选方案，所述铝合金以质量百分比计包括下述组分：Cu：4.2％，Mg：1.0％，Mn：0.5％，Zr：0.13％，Er：0.15％，余量为Al以及微量杂质元素，所述杂质元素的总含量小于0.1％。
一种所述的高耐损伤铝合金制备方法，方法包括以下步骤：
(1)按设计的组分分别配取纯铝、纯镁，Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Er中间合金，去除表面的杂质再烘干，所述纯铝纯度≥99.99％，所述纯镁纯度≥99.99％：
(2)将金属铝升温至793℃±5℃，当炉料开始软化下榻时加入覆盖剂形成表面有覆盖剂的铝熔体，其加入量为金属总重量的0.5％～0.6％；
(3)依次加入Al-Zr中间合金，Al-Cu中间合金，Al-Mn中间合金搅拌熔化后，加入Al-Er中间合金，当加入的Al-Er中间合金完全熔化后，搅拌均匀静置10min，冷却至713±5℃，加入纯镁，熔化后搅拌均匀保温8min。
(4)加入精炼剂对铝合金熔体进行精炼处理，并扒出表面浮渣后，即可将熔体输入到静置炉，于730℃±5℃，保温10min，然后通入氩气，然后按照15-18Kg每吨铝合金熔体加入除钠剂，保温10min，浇注，得到铝合金铸坯。
一种耐损伤铝合金制备方法的第一优选方案，所述的覆盖剂是由以下重量份组分组成：30～35％的Al2O3、5～8％的CaO、32-35％的木炭、10～20％的KCl、5～10％的NaCl，其余为Na3AlF6。
一种耐损伤铝合金制备方法的第二优选方案，所述的精炼剂以下重量份组分组成：氯化钠5～10％，氯化钾10～15％，氟化钙20-～25％，六氯乙烷20～30％，其余为草木灰。
一种耐损伤铝合金制备方法的第三优选方案，所述的除钠剂由以下重量份组分组成：氯化钾30-40％，活性炭酸钙粉15-20％，氯化镁20～25％，其余为六氯二碳。
一种耐损伤铝合金制备方法的第四优选方案，采用水雾化蒸汽加热的方式对得到的铝合金铸锭坯料进行均匀化处理，温度为470-480℃，3-5小时，然后升温至490～500℃保温5-8小时。
一种耐损伤铝合金制备方法的第五优选方案，将均匀化处理的铝合金圆铸棒加热至510～515℃，利用挤压机模具挤压成形，挤压模具温度270～280℃，挤压速度3-6米/分钟得到的型材快速放入水中进行冷却处理。
一种耐损伤铝合金制备方法的第六优选方案，对铝合金型材拉直校形后，进行淬火处理，淬火温度为490～495℃，保温时间30-40min，采用水雾淬火；淬火后15min内进行拉直校形，拉伸变形量为2～3％。
一种耐损伤铝合金制备方法的第七优选方案，将铝合金型材进行人工时效，所述的人工时效温度为50～80℃，时间为8-16h。
与最接近的现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、通过调整合金元素Cu含量以及加入Er合金元素，有效抑制了易在晶界生成的粗大的富Cu相，降低了裂纹萌生的可能
2、通过本发明制备的耐损伤铝合金型材可以有效降低材料中的Fe、Si等杂质元素，有效抑制的含Fe、含Si的第二相粒子的生成，降低了裂纹萌生的可能；
3、通过采用水雾化蒸汽加热的方式进行均匀化处理，缩短了均匀化时间，减少了第二相粒子尺寸，对提高材料断裂韧性有显著效果；
4、通过本发明制备高耐损伤铝合金型材，工艺简单、成本较低，易于实现大规模工业化生产。
具体实施方式
下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术入员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
(1)合金成分为：Cu：3.6％，Mg：1.0％，Mn：0.5％，Zr：0.11％，Er：0.15％余量为Al以及微量杂质元素，所述杂质元素的总含量小于0.1％。
(2)按设计的组分分别配取纯铝、纯镁，Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Er中间合金，去除表面的杂质再烘干，所述纯铝纯度≥99.99％，所述纯镁纯度≥99.99％。
(2)将金属铝升温至793℃±5℃，当炉料开始软化下榻时，然后加入覆盖剂，加入量为金属总重量的0.55％，形成表面有覆盖剂的铝熔体。覆盖剂是由以下重量份组分组成：33％的Al2O3、7％的CaO、35％的木炭、12％的KCl、8％的NaCl，5％的Na3AlF6。
(3)依次加入Al-Zr中间合金，Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金搅拌熔化后，加入Al-Er中间合金，当加入的Al-Er中间合金完全熔化后，搅拌均匀静置10min，冷却至713±5℃，加入纯镁，熔化后搅拌均匀保温8min。
(4)加入精炼剂对铝合金熔体进行精炼处理，精炼剂由以下重量份组分组成：氯化钠8％、氯化钾12％、氟化钙25％、六氯乙烷30％，25％的草木灰，扒出表面浮渣后，即可将熔体输入到静置炉，铝合金熔体进入静置炉后升温至730℃±5℃，保温10min，然后通入氩气，然后按照16Kg每吨铝合金熔体加入除钠剂，除钠剂由以下重量份组分组成：氯化钾35％、活性炭酸钙粉15％、氯化镁25％，六氯二碳25％，保温10min，浇注，得到铝合金铸坯。
(5)采用水雾化蒸汽加热的方式对得到的铝合金铸锭坯料进行均匀化处理，温度为475℃，4小时，然后升温至495℃保温7小时。
(6)将均匀化处理的铝合金圆铸棒加热至512℃，利用挤压机模具挤压成形，挤压模具温度275℃，挤压速度3-6米/分钟。将挤压后获得的型材快速放入水中进行冷却处理。
(7)对铝合金型材拉直校形后，进行淬火处理，淬火温度为495℃，保温时间35min，采用水雾淬火。淬火后15min内进行拉直校形，拉伸变形量为2～3％。
(8)将淬火后铝合金型材进行人工时效，所述的人工时效温度为60℃，时间为10h。
(9)所得高耐损伤铝合金型材室温屈服强度为422MPa，抗拉强度为565MPa，延伸率为19.1％，断裂韧度60.2MPa·m1/2，疲劳裂纹扩展速率为1.34×10-3mm/cycle(ΔK＝30MPa·m1/2)。
实施例2：
(1)合金成分为：Cu：3.8％，Mg：1.1％，Mn：0.5％，Zr：0.12％，Er：0.15％，余量为Al以及微量杂质元素，所述杂质元素的总含量小于0.1％。
(2)按设计的组分分别配取纯铝、纯镁，Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Er中间合金，去除表面的杂质再烘干，所述纯铝纯度≥99.99％，所述纯镁纯度≥99.99％。
(2)将金属铝升温至793℃±5℃，当炉料开始软化下榻时，然后加入覆盖剂，加入量为金属总重量的0.55％，形成表面有覆盖剂的铝熔体。覆盖剂是由以下重量份组分组成：33％的Al2O3、7％的CaO、35％的木炭、12％的KCl、8％的NaCl，5％的Na3AlF6。
(3)依次加入Al-Zr中间合金，Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金搅拌熔化后，加入Al-Er中间合金，当加入的Al-Er中间合金完全熔化后，搅拌均匀静置10min，冷却至713±5℃，加入纯镁，熔化后搅拌均匀保温8min。
(4)加入精炼剂对铝合金熔体进行精炼处理，精炼剂由以下重量份组分组成：氯化钠8％、氯化钾12％、氟化钙25％、六氯乙烷30％，25％的草木灰，扒出表面浮渣后，即可将熔体输入到静置炉，铝合金熔体进入静置炉后升温至730℃±5℃，保温10min，然后通入氩气，然后按照16Kg每吨铝合金熔体加入除钠剂，除钠剂由以下重量份组分组成：氯化钾35％、活性炭酸钙粉15％、氯化镁25％，六氯二碳25％，保温10min，浇注，得到铝合金铸坯。
(5)采用水雾化蒸汽加热的方式对得到的铝合金铸锭坯料进行均匀化处理，温度为475℃，4小时，然后升温至495℃保温7小时。
(6)将均匀化处理的铝合金圆铸棒加热至512℃，利用挤压机模具挤压成形，挤压模具温度275℃，挤压速度3-6米/分钟。将挤压后获得的型材快速放入水中进行冷却处理。
(7)对铝合金型材拉直校形后，进行淬火处理，淬火温度为495℃，保温时间35min，采用水雾淬火。淬火后15min内进行拉直校形，拉伸变形量为2～3％。
(8)将淬火后铝合金型材进行人工时效，所述的人工时效温度为60℃，时间为10h。
(9)所得高耐损伤铝合金型材室温屈服强度为432MPa，抗拉强度为571MPa，延伸率为17.1％，断裂韧度58.2MPa·m1/2，疲劳裂纹扩展速率为1.28×10-3mm/cycle(ΔK＝30MPa·m1/2)。
实施例3：
(1)合金成分为：Cu：4.0％，Mg：1.1％，Mn：0.5％，Zr：0.13％，Er：0.13％，余量为Al以及微量杂质元素，所述杂质元素的总含量小于0.1％。
(2)按设计的组分分别配取纯铝、纯镁，Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Er中间合金，去除表面的杂质再烘干，所述纯铝纯度≥99.99％，所述纯镁纯度≥99.99％。
(2)将金属铝升温至793℃±5℃，当炉料开始软化下榻时，然后加入覆盖剂，加入量为金属总重量的0.55％，形成表面有覆盖剂的铝熔体。覆盖剂是由以下重量份组分组成：33％的Al2O3、7％的CaO、35％的木炭、12％的KCl、8％的NaCl、5％的Na3AlF6。
(3)依次加入Al-Zr中间合金，Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金搅拌熔化后，加入Al-Er中间合金，当加入的Al-Er中间合金完全熔化后，搅拌均匀静置10min，冷却至713±5℃，加入纯镁，熔化后搅拌均匀保温8min。
(4)加入精炼剂对铝合金熔体进行精炼处理，精炼剂由以下重量份组分组成：氯化钠8％、氯化钾12％、氟化钙25％、六氯乙烷30％、25％的草木灰，扒出表面浮渣后，即可将熔体输入到静置炉，铝合金熔体进入静置炉后升温至730℃±5℃，保温10min，然后通入氩气，然后按照16Kg每吨铝合金熔体加入除钠剂，除钠剂由以下重量份组分组成：氯化钾35％、活性炭酸钙粉15％、氯化镁25％、六氯二碳25％，保温10min，浇注，得到铝合金铸坯。
(5)采用水雾化蒸汽加热的方式对得到的铝合金铸锭坯料进行均匀化处理，温度为475℃，4小时，然后升温至495℃保温7小时。
(6)将均匀化处理的铝合金圆铸棒加热至512℃，利用挤压机模具挤压成形，挤压模具温度275℃，挤压速度3-6米/分钟。将挤压后获得的型材快速放入水中进行冷却处理。
(7)对铝合金型材拉直校形后，进行淬火处理，淬火温度为495℃，保温时间35min，采用水雾淬火。淬火后15min内进行拉直校形，拉伸变形量为2～3％。
(8)将淬火后铝合金型材进行人工时效，所述的入工时效温度为60℃，时间为10h。
(9)所得高耐损伤铝合金型材室温屈服强度为428MPa，抗拉强度为565MPa，延伸率为19.5％，断裂韧度57.4MPa·m1/2，疲劳裂纹扩展速率为1.22×10-3mm/cyclc(ΔK＝30MPa·m1/2)。
实施例4：
(1)合金成分为：Cu：4.2％，Mg：1.0％，Mn：0.5％，Zr：0.13％，Er：0.15％，余量为Al以及微量杂质元素，所述杂质元素的总含量小于0.1％。
(2)按设计的组分分别配取纯铝、纯镁，Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Er中间合金，去除表面的杂质再烘干，所述纯铝纯度≥99.99％，所述纯镁纯度≥99.99％。
(2)将金属铝升温至793℃±5℃，当炉料开始软化下榻时，然后加入覆盖剂，加入量为金属总重量的0.55％，形成表面有覆盖剂的铝熔体。覆盖剂是由以下重量份组分组成：33％的Al2O3、7％的CaO、35％的木炭、12％的KCl、8％的NaCl，5％的Na3AlF6。
(3)依次加入Al-Zr中间合金，Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金搅拌熔化后，加入Al-Er中间合金，当加入的Al-Er中间合金完全熔化后，搅拌均匀静置10min，冷却至713±5℃，加入纯镁，熔化后搅拌均匀保温8min。
(4)加入精炼剂对铝合金熔体进行精炼处理，精炼剂由以下重量份组分组成：氯化钠8％、氯化钾12％、氟化钙25％、六氯乙烷30％、25％的草木灰，扒出表面浮渣后，即可将熔体输入到静置炉，铝合金熔体进入静置炉后升温至730℃±5℃，保温10min，然后通入氩气，然后按照16Kg每吨铝合金熔体加入除钠剂，除钠剂由以下重量份组分组成：氯化钾35％、活性炭酸钙粉15％、氯化镁25％，六氯二碳25％、保温10min，浇注，得到铝合金铸坯。
(5)采用水雾化蒸汽加热的方式对得到的铝合金铸锭坯料进行均匀化处理，温度为475℃，4小时，然后升温至495℃保温7小时。
(6)将均匀化处理的铝合金圆铸棒加热至512℃，利用挤压机模具挤压成形，挤压模具温度275℃，挤压速度3-6米/分钟。将挤压后获得的型材快速放入水中进行冷却处理。
(7)对铝合金型材拉直校形后，进行淬火处理，淬火温度为495℃，保温时间35min，采用水雾淬火。淬火后15min内进行拉直校形，拉伸变形量为2～3％。
(8)将淬火后铝合金型材进行人工时效，所述的人工时效温度为60℃，时间为10h。
(9)所得高耐损伤铝合金型材室温屈服强度为420MPa，抗拉强度为562MPa，延伸率为18.5％，断裂韧度58.4MPa·m1/2，疲劳裂纹扩展速率为1.05×10-3mm/cycle(ΔK＝30MFa·m1/2)。
各实施例性能汇总如下表：
专利文献公开号为CN103981410A。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。
Claims (13)
1.一种耐损伤铝合金，其特征在于，所述铝合金以质量百分比计包括下述组分：Cu：3.6～4.3％，Mg：1.0～1.6％，Mn：0.3～0.8％，Zr：0.1～0.15％，Er：0.1～0.2％，余量为Al以及微量杂质元素，所述杂质元素的总含量小于0.1％。
2.根据权利要求1所述的一种耐损伤铝合金，其特征在于，所述铝合金以质量百分比计包括下述组分：Cu：3.6％，Mg：1.0％，Mn：0.5％，Zr：0.11％，Er：0.15％，余量为Al以及微量杂质元素，所述杂质元素的总含量小于0.1％。
3.根据权利要求1所述的一种耐损伤铝合金，其特征在于，所述铝合金以质量百分比计包括下述组分：Cu：3.8％，Mg：1.1％，Mn：0.5％，Zr：0.12％，Er：0.15％，余量为Al以及微量杂质元素，所述杂质元素的总含量小于0.1％。
4.根据权利要求1所述的一种耐损伤铝合金，其特征在于，所述铝合金以质量百分比计包括下述组分：Cu：4.0％，Mg：1.1％，Mn：0.5％，Zr：0.13％，Er：0.13％，余量为Al以及微量杂质元素，所述杂质元素的总含量小于0.1％。
5.根据权利要求1所述的一种耐损伤铝合金，其特征在于，所述铝合金以质量百分比计包括下述组分：Cu：4.2％，Mg：1.0％，Mn：0.5％，Zr：0.13％，Er：0.15％，余量为Al以及微量杂质元素，所述杂质元素的总含量小于0.1％。
6.一种如权利要求1-5任意一项所述的耐损伤铝合金制备方法，其特征在于，方法包括以下步骤：
(1)按设计的组分分别配取纯铝、纯镁，Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Er中间合金，去除表面的杂质再烘干，所述纯铝纯度≥99.99％，所述纯镁纯度≥99.99％；
(2)将金属铝升温至793℃±5℃，当炉料开始软化下榻时加入覆盖剂形成表面有覆盖剂的铝熔体，其加入量为金属总重量的0.5％～0.6％；
(3)依次加入Al-Zr中间合金，Al-Cu中间合金，Al-Mn中间合金搅拌熔化后，加入Al-Er中间合金，当加入的Al-Er中间合金完全熔化后，搅拌均匀静置10min，冷却至713±5℃，加入纯镁，熔化后搅拌均匀保温8min；
(4)加入精炼剂对铝合金熔体进行精炼处理，并扒出表面浮渣后，即可将熔体输入到静置炉，于730℃±5℃，保温10min，然后通入氩气，然后按照15-18Kg每吨铝合金熔体加入除钠剂，保温10min，浇注，得到铝合金铸坯。
7.根据权利要求6所述一种耐损伤铝合金制备方法，其特征在于，所述的覆盖剂是由以下重量份组分组成：30～35％的Al2O3、5～8％的CaO、32-35％的木炭、10～20％的KCl、5～10％的NaCl，其余为Na3AlF6。
8.根据权利要求6所述一种耐损伤铝合金制备方法，其特征在于，所述的精炼剂以下重量份组分组成：氯化钠5～10％，氯化钾10～15％，氟化钙20-～25％，六氯乙烷20～30％，其余为草木灰。
9.根据权利要求6所述一种耐损伤铝合金制备方法，其特征在于，所述的除钠剂由以下重量份组分组成：氯化钾30-40％，活性炭酸钙粉15-20％，氯化镁20～25％，其余为六氯二碳。
10.根据权利要求6所述一种耐损伤铝合金制备方法，其特征在于：采用水雾化蒸汽加热的方式对得到的铝合金铸锭坯料进行均匀化处理，温度为470-480℃，3-5小时，然后升温至490～500℃保温5-8小时。
11.根据权利要求10所述一种耐损伤铝合金制备方法，其特征在于：将均匀化处理的铝合金圆铸棒加热至510～515℃，利用挤压机模具挤压成形，挤压模具温度270～280℃，挤压速度3-6米/分钟得到的型材快速放入水中进行冷却处理。
12.根据权利要求11所述一种耐损伤铝合金制备方法，其特征在于：对铝合金型材拉直校形后，进行淬火处理，淬火温度为490～495℃，保温时间30-40min，采用水雾淬火；淬火后15min内进行拉直校形，拉伸变形量为2～3％。
13.根据权利要求12所述一种耐损伤铝合金制备方法，其特征在于：将铝合金型材进行人工时效，所述的人工时效温度为50～80℃，时间为8-16h。
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