CN106702234B - 一种掺杂稀土元素铒的7085铝合金的制备方法 - Google Patents

一种掺杂稀土元素铒的7085铝合金的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于铝合金技术领域，涉及一种掺杂稀土元素铒的7085铝合金及其制备方法。具体而言，该合金包含以重量百分比计的下列组分：Er 0.1％～0.4％，Zn 7％～8％，Mg 1.3％～2.0％，Cu 1.3～2.0％，Cr 0.02％～0.04％，Zr 0.08％～0.15％，Si 0.01％～0.08％，Mn 0.02％～0.05％，Fe 0.01％～0.08％，Ti 0.04％～0.08％，余量为Al，其通过下法制备：1)制备7085铝合金坯料；2)制备铝铒合金锭；3)均匀化处理；4)热轧成型；5)热处理。通过添加铒可以提高7085铝合金的综合力学性能，方法简单易行，适用于大规模生产。

Description

一种掺杂稀土元素铒的7085铝合金的制备方法
技术领域
本发明属于铝合金技术领域，涉及一种掺杂稀土元素铒(Er)的7085铝合金的制备方法。
背景技术
随着现代工业的迅猛发展，尤其是航空航天、武器装备、新能源等尖端领域的跨越式发展，人们对于材料综合性能的要求也越来越高。7085铝合金是美国铝业公司于2003年开发出的一种新型铝合金材料，属于Al-Zn-Mg-Cu系(又称为7XXX系)合金，主要合金成分及含量(以重量百分比计)如下： Zn7.0～8.0％，Mg1.2～1.8％，Cu1.3～2.0％，Zr0.08～0.15％。由于7085铝合金具有高强度、高韧性、高淬透性和高损伤容限等优异性能，因此被广泛应用于航空、国防和民用工业等领域。
目前，7085铝合金主要用于制造波音787飞机和空客A380飞机的翼梁、翼肋和起落架等重承力结构件，故而要求其必须具备优异的力学性能。对于低Cu高Zn的7085铝合金而言，亟需通过添加稀土元素并优化变形与热处理工艺来进一步提高铝合金材料的力学性能。
发明内容
针对现有技术中7085铝合金的力学性能无法满足日益提高的使用要求这一现状，本发明旨在提供一种掺杂稀土元素铒的7085铝合金的制备方法。通过将价格相对低廉的稀土元素Er以合适的用量添加到7085铝合金中，达到改善合金材料组织结构和力学性能的目的。
具体而言，本发明采用如下技术方案：
一种掺杂稀土元素铒的7085铝合金，其包含以重量百分比计的下列组分：Er0.1％～0.4％， Zn7％～8％，Mg1.3％～2.0％，Cu1.3～2.0％，Cr0.02％～0.04％，Zr0.08％～0.15％， Si0.01％～0.08％，Mn0.02％～0.05％，Fe0.01％～0.08％，Ti0.04％～0.08％，余量为Al。
在一项优选的实施方案中，上述掺杂稀土元素铒的7085铝合金包含以重量百分比计的下列组分： Er0.2％，Zn7.5％，Mg1.6％，Cu2.0％，Cr0.04％，Zr0.12％，Si0.06％，Mn0.04％，Fe0.08％， Ti0.06％，余量为Al。
上述掺杂稀土元素铒的7085铝合金的制备方法，其包括下列步骤：
1)制备7085铝合金坯料：
将铝锭置于熔炼炉中，加热至760～780℃并保持温度恒定，待铝锭完全熔化后，将炉温升至800～820℃并保持温度恒定；在搅拌条件下，向熔液中添加铜屑，直至铜的重量占目标合金总重量的1.3％～2.0％(优选2.0％)，待铜屑完全熔化后，静置10～15分钟；在搅拌条件下，向熔液中添加锌锭，直至锌的重量占目标合金总重量的7％～8％(7.5％)，待锌锭完全熔化后，静置10～15分钟；在搅拌条件下，向熔液中依次添加镁锭、铝锰中间合金、铝硅中间合金、铁粉、锆粉、铬粉和钛粉，直至镁、锰、硅、铁、锆、铬和钛的重量分别占目标合金总重量的1.3％～2.0％ (优选1.6％)、0.02％～0.05％(优选0.04％)、0.01～0.08％(优选0.06％)、0.01％～0.08％ (优选0.08％)、0.08％～0.15％(优选0.12％)、0.02％～0.04％(优选0.04％)和 0.04％～0.08％(优选0.06％)，待上述物料完全熔化后，将炉温降至760～780℃并保持温度恒定；在搅拌条件下，向熔液中添加除杂除气剂，进行除杂除气处理，除杂除气完毕后，将熔液静置5～10分钟，然后倒入坩埚中并冷却至室温，制得 7085铝合金坯料；
2)制备铝铒合金锭：
将坩埚置于熔炼炉中，于500℃预热30～60分钟，然后将步骤1)中得到的 7085铝合金坯料置于预热的坩埚中，加热至750～760℃并保持温度恒定；在搅拌条件下，向完全熔化的7085铝合金坯料中加入铝铒中间合金，直至铒的重量占目标合金总重量的0.1％～0.4％(优选0.2％)，待铝铒中间合金完全熔化后，向熔液中添加除杂除气剂，进行除杂除气处理，除杂除气完毕后，将炉温降至720～730℃并保持温度恒定，将熔液静置5～10分钟，然后浇注到预热的金属模具中，制得铝铒合金锭；
3)均匀化处理：将步骤2)中得到的铝铒合金锭置于均匀化处理设备中，于465℃保温24小时，进行均匀化处理，制得均匀化处理的铝铒合金锭；
4)热轧成型：对步骤3)中得到的均匀化处理的铝铒合金锭进行热轧成型处理，得到铝铒合金型材；其中：热轧保温温度为430℃，保温时间为1小时，道次间的保温时间为8～12分钟，每道次的压下量为4％～6％，总变形量为80％；
5)热处理：首先将步骤4)中得到的铝铒合金型材于450～470℃保温2～3 小时，进行固溶处理，然后于120～180℃保温16～48.5小时，进行时效处理，即可制得掺杂稀土元素铒的7085铝合金。
在上述制备方法中，步骤1)中所述熔炼炉为中频熔炼炉。
在上述制备方法中，步骤1)中所述铜屑、锌锭和镁锭在使用前预先在干燥箱中于70℃干燥1小时。
在上述制备方法中，步骤1)中所述铝锰中间合金为Al-15Mn合金。
在上述制备方法中，步骤1)中所述铝硅中间合金为Al-20Si合金。
在上述制备方法中，步骤1)中所述除杂除气剂为六氯乙烷。
在上述制备方法中，步骤2)中所述铝铒中间合金为Al-12Er合金。
在上述制备方法中，步骤2)中所述金属模具的预热温度为250℃。
在上述制备方法中，步骤3)中所述均匀化处理设备为箱式炉。
与现有技术相比，采用上述技术方案的本发明具有下列有益效果：通过向 7085铝合金中添加稀土元素Er，可以达到细化晶粒、提高综合力学性能的效果。添加的稀土元素Er易形成Al3Er相，Al3Er相在热处理过程中对位错与亚晶界具有钉扎作用，能够有效地阻碍位错运动和亚晶界迁移，而且热稳定性较高，不易聚集粗化。另外，本发明的制备方法简单易行，原料成本低，适用于大规模生产。
附图说明
图1为对比例所制备的7085铝合金的微观组织照片。
图2为实施例1所制备的铒掺杂7085铝合金的微观组织照片。
图3为实施例2所制备的铒掺杂7085铝合金的微观组织照片。
图4为实施例3所制备的铒掺杂7085铝合金的微观组织照片。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。除非另有说明，下列实施例中所使用的仪器、材料、试剂等均可通过常规商业手段获得。
对比例：无掺杂铒7085铝合金的制备。
将铝锭置于中频熔炼炉中，于780℃熔炼并保持温度恒定，待铝锭完全熔化后，升温至800℃并保持温度恒定。在机械搅拌条件下，向熔液中添加铜屑(预先在干燥箱中于70℃干燥1小时)，直至铜的重量占目标合金总重量的2.0％，完全熔化后静置10～15分钟。在机械搅拌条件下，向熔液中添加锌锭(预先在干燥箱中于70℃干燥1小时)，直至锌的重量占目标合金总重量的7.5％，完全熔化后静置15分钟。在机械搅拌条件下，向熔液中依次添加镁锭(预先在干燥箱中于 70℃干燥1小时)、Al-15Mn合金、Al-20Si合金、Fe粉、Zr粉、Cr粉和Ti粉，直至镁、锰、硅、铁、锆、铬和钛的重量分别占目标合金总重量的1.6％、0.04％、0.06％、0.08％、0.12％、0.04％和0.06％，完全熔化后，将炉温降至760℃～780℃并保持温度恒定。在机械搅拌条件下，向熔液中添加六氯乙烷除杂除气剂，扒渣，静置10分钟后倒入坩埚中并冷却至室温，制得7085铝合金坯料。
将坩埚置于小型熔炼炉中，于500℃预热30～60分钟，然后将上述7085铝合金坯料置于预热的坩埚中，加热至750℃并保持温度恒定。在机械搅拌条件下，向完全熔化的7085铝合金坯料中加入六氯乙烷除杂除气剂，扒渣，将炉温降至 720～730℃并保持温度恒定，将熔液静置10分钟后浇注到已预热至250℃的金属模具中，制得铝铒合金锭。
将无掺杂铒7085铝合金锭置于箱式炉中，于465℃保温24小时，进行均匀化处理，然后进行热轧变形，热轧保温温度为430℃，保温时间为1小时，道次间的保温时间为10分钟，每道次的压下量为5％，总变形量为80％，然后于450℃保温2小时，进行固溶处理，于120℃保温24小时，进行时效处理，即可制得无掺杂7085铝合金(如图1所示)。
采用上述方法制备厚度为2.5mm的拉伸样，在室温下测定相关力学性能，其结果如下：抗拉强度为525MPa，屈服强度为470MPa，延伸率为12％。
实施例1：铒掺杂7085铝合金的制备。
将铝锭置于中频熔炼炉中，于780℃熔炼并保持温度恒定，待铝锭完全熔化后，升温至800℃并保持温度恒定。在机械搅拌条件下，向熔液中添加铜屑(预先在干燥箱中于70℃干燥1小时)，直至铜的重量占目标合金总重量的2.0％，完全熔化后静置15分钟。在机械搅拌条件下，向熔液中添加锌锭(预先在干燥箱中于70℃干燥1小时)，直至锌的重量占目标合金总重量的7.5％，完全熔化后静置15分钟。在机械搅拌条件下，向熔液中依次添加镁锭(预先在干燥箱中于70℃干燥1小时)、Al-15Mn合金、Al-20Si合金、Fe粉、Zr粉、Cr粉和Ti粉，直至镁、锰、硅、铁、锆、铬和钛的重量分别占目标合金总重量的1.6％、0.04％、0.06％、0.08％、0.12％、0.04％和0.06％，完全熔化后，将炉温降至760～780℃并保持温度恒定。在机械搅拌条件下，向熔液中添加六氯乙烷除杂除气剂，扒渣，静置 5～10分钟后倒入坩埚中并冷却至室温，制得7085铝合金坯料。
将坩埚置于小型熔炼炉中，于500℃预热30～60分钟，然后将上述7085铝合金坯料置于预热的坩埚中，加热至750℃并保持温度恒定。在机械搅拌条件下，向完全熔化的7085铝合金坯料中加入Al-12Er合金，直至铒的重量占目标合金总重量的0.4％，完全熔化后，向熔液中加入六氯乙烷除杂除气剂，扒渣，将炉温降至720～730℃并保持温度恒定，将熔液静置5～10分钟后浇注到已预热至250℃的金属模具中，制得铝铒合金锭。
将上述铝铒合金锭置于箱式炉中，于465℃保温24小时，进行均匀化处理，然后进行热轧变形，热轧保温温度为430℃，保温时间为1小时，道次间的保温时间为10分钟，每道次的压下量为6％，总变形量为80％，然后于450℃保温2 小时，进行固溶处理，于120℃保温24小时，进行时效处理，即可制得铒掺杂 7085铝合金(如图2所示)。
采用上述方法制备厚度为2.5mm的拉伸样，在室温下测定相关力学性能，其结果如下：抗拉强度为582.5MPa，屈服强度为542MPa，延伸率为14.8％。
实施例2：铒掺杂7085铝合金的制备。
将铝锭置于中频熔炼炉中，于780℃熔炼并保持温度恒定，待铝锭完全熔化后，升温至800℃并保持温度恒定。在机械搅拌条件下，向熔液中添加铜屑(预先在干燥箱中于70℃干燥1小时)，直至铜的重量占目标合金总重量的1.8％，完全熔化后静置15分钟。在机械搅拌条件下，向熔液中添加锌锭(预先在干燥箱中于70℃干燥1小时)，直至锌的重量占目标合金总重量的7％，完全熔化后静置15分钟。在机械搅拌条件下，向熔液中依次添加镁锭(预先在干燥箱中于70℃干燥1小时)、Al-15Mn合金、Al-20Si合金、Fe粉、Zr粉、Cr粉和Ti粉，直至镁、锰、硅、铁、锆、铬和钛的重量分别占目标合金总重量的1.8％、0.06％、0.04％、0.08％、0.1％、0.05％和0.04％，完全熔化后，将炉温降至780℃并保持温度恒定。在机械搅拌条件下，向熔液中添加六氯乙烷除杂除气剂，扒渣，静置10分钟后倒入坩埚中并冷却至室温，制得7085铝合金坯料。
将坩埚置于小型熔炼炉中，于500℃预热30～60分钟，然后将上述7085铝合金坯料置于预热的坩埚中，加热至750℃并保持温度恒定。在机械搅拌条件下，向完全熔化的7085铝合金坯料中加入Al-12Er合金，直至铒的重量占目标合金总重量的0.1％，完全熔化后，向熔液中加入六氯乙烷除杂除气剂，扒渣，将炉温降至720～730℃并保持温度恒定，将熔液静置10分钟后浇注到已预热至250℃的金属模具中，制得铝铒合金锭。
将上述铝铒合金锭置于箱式炉中，于465℃保温24小时，进行均匀化处理，然后进行热轧变形，热轧保温温度为430℃，保温时间为1小时，道次间的保温时间为8分钟，每道次的压下量为4％，总变形量为85％，然后于450℃保温2 小时，再于470℃保温1小时，进行固溶处理，于120℃保温24小时，进行时效处理，即可制得铒掺杂7085铝合金(如图3所示)。
采用上述方法制备厚度为2.5mm的拉伸样，在室温下测定相关力学性能，其结果如下：抗拉强度为578MPa，屈服强度为523MPa，延伸率为14.1％。
实施例3：铒掺杂7085铝合金的制备。
将铝锭置于中频熔炼炉中，于780℃熔炼并保持温度恒定，待铝锭完全熔化后，升温至800℃并保持温度恒定。在机械搅拌条件下，向熔液中添加铜屑(预先在干燥箱中于70℃干燥1小时)，直至铜的重量占目标合金总重量的2.0％，完全熔化后静置15分钟。在机械搅拌条件下，向熔液中添加锌锭(预先在干燥箱中于70℃干燥1小时)，直至锌的重量占目标合金总重量的7.5％，完全熔化后静置15分钟。在机械搅拌条件下，向熔液中依次添加镁锭(预先在干燥箱中于70℃干燥1小时)、Al-15Mn合金、Al-20Si合金、Fe粉、Zr粉、Cr粉和Ti粉，直至镁、锰、硅、铁、锆、铬和钛的重量分别占目标合金总重量的1.2％、0.06％、0.06％、0.1％、0.15％、0.02％和0.04％，完全熔化后，将炉温降至780℃并保持温度恒定。在机械搅拌条件下，向熔液中添加六氯乙烷除杂除气剂，扒渣，静置10分钟后倒入坩埚中并冷却至室温，制得7085铝合金坯料。
将坩埚置于小型熔炼炉中，于500℃预热30分钟，然后将上述7085铝合金坯料置于预热的坩埚中，加热至750℃并保持温度恒定。在机械搅拌条件下，向完全熔化的7085铝合金坯料中加入Al-12Er合金，直至铒的重量占目标合金总重量的0.2％，完全熔化后，向熔液中加入六氯乙烷，扒渣，将炉温降至720～730℃并保持温度恒定，将熔液静置10分钟后浇注到已预热至250℃的金属模具中，制得铝铒合金锭。
将上述铝铒合金锭置于箱式炉中，于465℃保温24小时，进行均匀化处理，然后进行热轧变形，热轧保温温度为430℃，保温时间为1小时，道次间的保温时间为12分钟，每道次的压下量为5％，总变形量为80％，然后于450℃保温2 小时，再于470℃保温1小时，进行固溶处理，于120℃保温24小时，于180℃保温0.5小时，再于120℃保温24小时，进行时效处理，即可制得铒掺杂7085 铝合金(如图4所示)。
采用上述方法制备厚度为2.5mm的拉伸样，在室温下测定相关力学性能，其结果如下：抗拉强度为587MPa，屈服强度为542MPa，延伸率为14.5％。
由图1～4可以看出，向7085铝合金中添加稀土元素Er(掺入量为0.1％～0.4％，优选0.2％)能够使目标合金的微观组织得到改善，图1中无掺杂7085铝合金的时效态组织粗大，而图2至图4中铒掺杂7085铝合金的时效态组织得到明显的细化。另外，稀土元素Er的掺入还使得目标合金的抗拉强度和延伸率都得到提高，并且经过合适的热处理工艺，材料的抗拉强度和伸长率最大值分别达到 587MPa和14.8％。与无掺杂7085铝合金相比，分别提高了11.8％和23.3％。

Claims (9)

1.一种掺杂稀土元素铒的7085铝合金的制备方法，按照重量百分比包含以下组分：
Er0.1％～0.4％，Zn7％～8％，Mg1.3％～2.0％，Cu1.3～2.0％，Cr0.02％～0.04％，Zr0.08％～0.15％，Si0.01％～0.08％，Mn0.02％～0.05％，Fe0.01％～0.08％，Ti0.04％～0.08％，余量为Al，其特征在于，其包括下列步骤：
(1)制备7085铝合金坯料：
将铝锭置于熔炼炉中，加热至760～780℃并保持温度恒定，待铝锭完全熔化后，将炉温升至800～820℃并保持温度恒定；在搅拌条件下，向熔液中添加铜屑，直至铜的重量占目标合金总重量的1.3％～2.0％，待铜屑完全熔化后，静置10～15分钟；在搅拌条件下，向熔液中添加锌锭，直至锌的重量占目标合金总重量的7％～8％，待锌锭完全熔化后，静置10～15分钟；在搅拌条件下，向熔液中依次添加镁锭、铝锰中间合金、铝硅中间合金、铁粉、锆粉、铬粉和钛粉，直至镁、锰、硅、铁、锆、铬和钛的重量分别占目标合金总重量的1.3％～2.0％、0.02％～0.05％、0.01～0.08％、0.01％～0.08％、0.08％～0.15％、0.02％～0.04％和0.04％～0.08％，待上述物料完全熔化后，将炉温降至760～780℃并保持温度恒定；在搅拌条件下，向熔液中添加除杂除气剂，进行除杂除气处理，除杂除气完毕后，将熔液静置5～10分钟，然后倒入坩埚中并冷却至室温，制得7085铝合金坯料；
(2)制备铝铒合金锭：
将坩埚置于熔炼炉中，于500℃预热30～60分钟，然后将步骤1)中得到的7085铝合金坯料置于预热的坩埚中，加热至750～760℃并保持温度恒定；在搅拌条件下，向完全熔化的7085铝合金坯料中加入铝铒中间合金，直至铒的重量占目标合金总重量的0.1％～0.4％，待铝铒中间合金完全熔化后，向熔液中添加除杂除气剂，进行除杂除气处理，除杂除气完毕后，将炉温降至720～730℃并保持温度恒定，将熔液静置5～10分钟，然后浇注到预热的金属模具中，制得铝铒合金锭；
(3)均匀化处理：将步骤(2)中得到的铝铒合金锭置于均匀化处理设备中，于465℃保温24小时，进行均匀化处理，制得均匀化处理的铝铒合金锭；
(4)热轧成型：对步骤(3)中得到的均匀化处理的铝铒合金锭进行热轧成型处理，得到铝铒合金型材；其中：热轧保温温度为430℃，保温时间为1小时，道次间的保温时间为8～12分钟，每道次的压下量为4％～6％，总变形量为80％；
(5)热处理：首先将步骤(4)中得到的铝铒合金型材于450～470℃保温2～3小时，进行固溶处理，然后于120～180℃保温16～48.5小时，进行时效处理，即可制得掺杂稀土元素铒的7085铝合金。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
步骤(1)中所述熔炼炉为中频熔炼炉。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
步骤(1)中所述铜屑、锌锭和镁锭在使用前预先在干燥箱中于70℃干燥1小时。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
步骤(1)中所述铝锰中间合金为Al-15Mn合金。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
步骤(1)中所述铝硅中间合金为Al-20Si合金。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
步骤(1)中所述除杂除气剂为六氯乙烷。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
步骤(2)中所述铝铒中间合金为Al-12Er合金。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
步骤(2)中所述金属模具的预热温度为250℃。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
步骤(3)中所述均匀化处理设备为箱式炉。
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