CN106893909A - 一种铝合金板材及其制作方法 - Google Patents

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吕正风
程仁策
张华�
孟凡林
孙学明
罗杰
陶志民
黄同瑊
于芳
张帆
徐崇义
史春丽
戴菡
潘荣凯
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Shandong Nanshan Aluminium Co Ltd
Yantai Nanshan University
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Shandong Nanshan Aluminium Co Ltd
Yantai Nanshan University
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    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • C22F1/053—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon of alloys with zinc as the next major constituent

Abstract

本发明提供一种铝合金板材及其制作方法，属于铝合金制备技术领域。按照重量百分比计，铝合金板材包括以下组分：2－2.6％的Cu、1.9‑2.6％的Mg、5.7‑6.7％的Zn、0‑0.06％的Ti、0.08‑0.15％的Zr、0‑0.12％的Si、0‑0.15％的Fe、0‑0.1％的Mn、0‑0.04％的Cr、0‑0.0002％的Be，余量的Al，Zn和Mg的重量比为(2.5‑3)：1。铝合金板材的制作方法包括将铝合金原料熔炼成熔体，通过多级联合熔体净化步骤对熔体进行净化处理，并将净化后的熔体浇注成铝合金铸锭。本发明的铝合金板材强度高、韧性好、抗腐蚀性好、残余应力少。

Description

一种铝合金板材及其制作方法
技术领域
本发明涉及铝合金加工技术领域，具体而言，涉及一种铝合金板材及其制作方法，尤其涉及7XXX系铝合金板材及其制作方法。
背景技术
高7XXX系铝合金厚板被广泛地应用于航空航天工业，其中7050铝合金由于淬火敏感性较低、韧性好、抗疲劳性能好、抗腐蚀性能好等高的综合性能，被大量地应用于制备厚板和大型锻件。近年来，随着航空工业的飞速发展，对具备优良性能的大规格结构件有迫切的需求。由于国内在厚板研究和生产工艺方面起步较晚，与国际相比存在较大差距，其强度、耐腐蚀性均还有待进一步提高。为此，如何获得高综合性能的7050铝合金厚板已经成为亟待解决问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铝合金板材，其强度高、韧性好、抗腐蚀性好、残余应力少。
本发明的另一目的在于提供一种铝合金板材的制作方法，其能够获得强度高、韧性好、抗腐蚀性好、残余应力少的铝合金板材。
本发明的实施例是这样实现的：
一种铝合金板材，按照重量百分比计，铝合金板材包括以下组分：2－2.6％的Cu、l.9－2.6％的Mg、5.7－6.7％的Zn、0－0.06％的Ti、0.08－0.15％的Zr、0－0.12％的Si、0－0.15％的Fe、0－0.1％的Mn、0－0.04％的Cr、0－0.0002％的Be，余量的Al，Zn和Mg的重量比为(2.5－3)：1。
在本发明的较佳实施例中，上述Zn和Mg的重量比为(2.6－2.8)：1，更优选地，Zn和Mg的重量比为2.7：1。
在本发明的较佳实施例中，上述Cu占铝合金板材的重量百分比为2－－2.3％，优选地，Cu占铝合金板材的重量百分比为2％。
在本发明的较佳实施例中，上述Mg占铝合金板材的重量百分比为2.1－2.4％。
在本发明的较佳实施例中，上述Zn占铝合金板材的重量百分比为6－6.5％。
在本发明的较佳实施例中，上述Ti占铝合金板材的重量百分比为0.01－0.03％。
在本发明的较佳实施例中，上述Zr占铝合金板材的重量百分比为0.1－0.13％。
一种上述铝合金板材的制作方法，包括将铝合金原料在720－750℃的条件下熔炼成熔体，通过多级联合熔体净化步骤对熔体进行净化处理，并将净化后的熔体在温度为700－710℃的条件下浇注成铝合金铸锭。
在本发明的较佳实施例中，上述制作方法还包括双级均匀化处理、热轧处理和双级固溶处理；其中，
双级均匀化处理包括将铝合金铸锭以30－50℃/h的速率升温至465－470℃，保温6－20h，再以3－6℃/h的速率升温至475－480℃，保温6－24h；
热轧处理包括将铝合金铸锭通过多道次轧制；
双级固溶处理包括在465－470℃下保温0.1－4h的第一次固溶保温以及在475－480℃下保温0.1－4h的第二次固溶保温。
在本发明的较佳实施例中，上述制作方法还包括在双级固溶处理后的淬火处理，在淬火处理后3.5－4.5h内或者在淬火后46－50h后进行1.8－2％的预拉伸处理。
本发明实施例的有益效果是：
本发明提供的铝合金板材通过对Cu含量和Zn/Mg比值的优化和精确控制，实现对热处理时晶粒内部和晶界处析出的，进而实现对晶相(Al2Cu)及第二相(Al2CuMg)的形态和数量的控制，从而使本发明提供的铝合金板材具有更高的强度。此外，本发明提供的铝合金板材具有更高的韧性和更好的抗腐蚀性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例1的边部的金相组织结构图；
图2为本发明实施例1的心部的金相组织结构图；
图3为本发明实施例4的边部的金相组织结构图；
图4为本发明实施例4的心部的金相组织结构图；
图5为本发明实施例1不同厚度位置的金相组织结构图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明实施例的一个方面提供了一种铝合金板材，按照重量百分比计，制备铝合金板材的原料包括：2－2.6％的Cu、l.9－2.6％的Mg、5.7－6.7％的Zn、0－0.06％的Ti、0.08－0.15％的Zr、0－0.12％的Si、0－0.15％的Fe、0－0.1％的Mn、0－0.04％的Cr、0－0.0002％的Be，余量的Al，Zn和Mg的重量比为(2.5－3)：1。
优选地，上述Zn和Mg的重量比为(2.6－2.8)：1。
更优选地，上述Zn和Mg的重量比为2.7：1。
优选地，上述Cu占铝合金板材的重量百分比为2.l－2.3％。
更优选地，上述Cu占铝合金板材的重量百分比为2％。
优选地，上述Mg占铝合金板材的重量百分比为2.1－2.4％。
优选地，上述Zn占铝合金板材的重量百分比为6－6.5％。
优选地，上述Ti占铝合金板材的重量百分比为0.01－0.03％。
优选地，上述Zr占铝合金板材的重量百分比为0.1－0.13％。
本发明实施例的铝合金板材按照上述原料配比，通过对Cu含量和Zn/Mg比值的优化和精确控制，实现对热处理时晶粒内部和晶界处析出的，进而实现对晶相(Al2Cu)及第二相(Al2CuMg)的形态和数量的控制，从而使本发明提供的铝合金板材具有更高的强度、更好的韧性和抗腐蚀性能。
本发明实施例的另一个方面提供了一种铝合金板材的制作方法，其包括以下步骤：
步骤1：熔炼、铸造
按照上述原料的成分和配比准备原材料，在温度为720－750℃的条件下熔炼，开启电磁搅拌，当铝合金原材料全部熔化后，加入成分添加剂，并进行扒渣、调整成分、转移熔体到保温炉，进行炉侧Ar+Cl2混合气精炼，待成分合格及铸造准备充分后，将熔体静置适当时间，在熔体温度700～710℃条件下经在线处理，浇注成620×1680×8650mm铝合金铸锭。
成分添加剂是一种取代铝中间合金的新型产品。它是用纯金属粉末和具有一定特性的助熔剂按一定比例均匀混合后压制而成的块状物品。用成分添加剂取代中间合金可简化铝合金熔炼工艺，节约能源和原材料，降低生产成本，利于精确控制合金成份，提高产品质量。本发明实施例的成分添加剂
本实施例中采用Ar和Cl2混合气进行精炼，其中，活性气体氯气不溶于压铸铝合金液，但能和铝及溶于压铸铝合金液中的氢发生强烈的化学反应，生成不溶于压铸铝合金液的HCl和AlCl3气体。由于反应生成的这些气体和未参加反应的Cl2这这都能起吸附氢气和氧化夹杂物的作用，所以其精炼效果比使用单一气体氩气或者氮气要好得多。一般在通氯气进行简练处理时，压铸铝合金液的温度一般控制在690－720℃，但通氯气时间则依不同的合金系而有所不同。虽然通氯气精炼的效果较好，但整套设备比较复杂，并且氯气有毒性，对人体有害和对设备、环境有腐蚀作用，因此本实施例中，将Cl2和Ar混合使用，与通氯气精炼相比，通混合气体精炼的精炼时间节省一半，并且由于使用了氩气，减轻了氯气对人体及设备的腐蚀作用，从而使工作条件也得到较大改善。
步骤2：双级均匀化处理
将步骤1得到的铝合金铸锭以30－50℃/h的速率升温至465－470℃，保温6－20h，再以3－6℃/h的速率升温至475－480℃，保温6－24h。然后，出炉空冷。优选地，铝合金铸锭以35－45℃/h的速率升温至465－470℃，保温6－20h，再以4.5－5.5℃/h的速率升温至475－480℃，保温6－24h。更优选地，铝合金铸锭以40℃/h的速率升温至465－470℃，保温6－20h，再以5℃/h的速率升温至475－480℃，保温6－24h。
经过上述双级均匀化处理之后的铝合金铸锭，通过次级保温，有利于原始晶粒晶界附近低Zr区域Al3Zr弥散析出，晶界附近的无Al3Zr析出带宽度变小，晶粒中央的Al3Zr粒子分布更加细小弥散、粒子尺寸分布均匀，从而有利于获得高强度的铝合金板材。而且由于细小弥散的Al3Zr粒子能够显著抑制再结晶，从而有利于改善铝合金性能，例如获得更高的硬度。
步骤3：铣面
将经步骤2处理后的铝合金铸锭切头切尾后进行铣面。通过铣面使得铝合金铸锭的表面更光滑，进而提升铝合金铸锭的质量。
步骤4：热轧
将步骤3处理后的铝合金铸锭在台车炉中加热到410～430℃，保温3－4h，然后在4100mm的热粗轧机组上轧至厚度为13mm－207mm的中间板材，终轧温度为350－450℃。
步骤5：双级固溶处理
双级固溶处理包括在465－470℃下保温0.1－4h的第一次固溶处理以及在475－480℃下保温0.1－4h的第二次固溶处理。
步骤6：淬火
经过步骤5处理后，在室温下水淬，并且冷却至20－60℃。
步骤7：预拉伸处理
在淬火后3.5－4.5h内或者在淬火后46－50h后进行1.8－2％的预拉伸处理，使得铝合金板材发生永久性变形，从而降低铝合金板材中的残余应力。优选地，在淬火后的4h内或48h后在80MN钳式拉伸机上进行1.8～2％预拉伸。进一步地，通过边部水泵流量的矫正，进一步降低铝合金板材中的残余应力。
步骤8：时效
将经步骤7处理后的铝合金板材在时效炉内分别进行两次时效处理。第一次时效处理是在115－125℃的条件下保温5－7h，第二次时效处理是在160－165℃的条件下保温20－25h。优选地，第一次时效处理是在121℃的条件下保温6h，第二次时效处理是在163℃的条件下保温20－25h。
下面结合实施例对本发明进一步说明。
实施例
一、7050铝合金板材的成分及配比优化实验
表1为各实施例与对比例1的成分及重量百分比，其中对比例1－1和对比例1－2为现有的两种7050铝合金化学成分及配比参考。
表1各实施例提供的铝合金板材的化学成分及重量百分比
实施例1－1
本实施例的铝合金板材是按照如下步骤制备而成的。
步骤1：熔炼、铸造
按照表1中实施例1－1的原料的成分和配比准备原材料，在温度为720℃的条件下熔炼，开启电磁搅拌，当铝合金原材料全部熔化后，加入成分添加剂，并进行扒渣、调整成分、转移熔体到保温炉，进行炉侧Ar+Cl2混合气精炼，待成分合格及铸造准备充分后，将熔体静置适当时间，在熔体温度700℃条件下经在线处理，浇注成620×1680×8650mm铝合金铸锭。
步骤2：双级均匀化处理
将步骤1得到的铝合金铸锭以30℃/h的速率升温至465℃，保温20h，再以4℃/h的速率升温至475℃，保温8h。然后，出炉空冷。
步骤3：铣面
将经步骤2处理后的铝合金铸锭切头切尾后进行铣面。
步骤4：热轧
将步骤3处理后的铝合金铸锭在台车炉中加热到420℃，保温3.5h，然后在4100mm的热粗轧机组上轧至厚度为100mm的中间板材，终轧温度为350℃。
优选地，本发明实施例在热轧过程中进行五道次轧制。
步骤5：双级固溶处理
在465℃下保温3h以进行第一次固溶保温，以及在475℃下保温3h以进行第二次固溶保温。
步骤6：淬火
经过步骤5处理后，在室温下水淬，并且冷却至40℃。
步骤7：预拉伸处理
在淬火后4h内进行2％的预拉伸处理，使得铝合金板材发生永久性变形，从而降低铝合金板材中的残余应力。进一步地，通过边部水泵流量的矫正，进一步降低铝合金板材中的残余应力。
步骤8：时效
将经步骤7处理后的铝合金板材在时效炉内分别进行两次时效处理。第一次时效处理是在115℃的条件下保温7h，第二次时效处理是在160℃的条件下保温25h。
实施例1－2至实施例1－8
实施例1－2至实施例1－8的制备方法与实施例1－1相同，区别在于化学成分及配比，详见表1。因此，对实施例1－2至实施例1－8的制备过程，此处不再赘述。
按照表1所提供的实施例铝合金板材的化学成分及其重量百分比进行配料，并按照实施例1－1的制作方法分别制备出实施例1－1至实施例1－8以及对比例1－1以及对比例1－2的铝合金板材。对制得的10个铝合金板材进行屈服强度、抗拉强度、延伸率、纵向腐蚀深度以及横向腐蚀深度检测，检测结果见表2：
表2各实施例提供的铝合金板材的性能检测结果
从表2可以看出，本发明实施例1－1至实施例1－8的铝合金板材在LT方向和L方向的屈服强度和抗拉强度均高于对比例1－1和对比例1－2。同时，本发明实施例1－1至实施例1－8的延伸率也相较于对比例1－1和对比例1－2也有所提高。
将本发明实施例1－1至实施例1－8的铝合金板材分别置于腐蚀液中浸泡24h后的表面腐蚀形貌以及腐蚀后形成的纵向腐蚀深度和横向腐蚀深度来判断本发明实施例的抗腐蚀性。本发明实施例1－1至实施例1－8的铝合金板材经过24h腐蚀液腐蚀后，其表面出现少量腐蚀斑点，表面出现剥落面积小，而对比例1－1和对比例1－2均在表面形成大量腐蚀斑点，同时剥落面积远大于本发明实施例1－1至实施例1－8。并且通过对实施例1－1至实施例1－8以及对比例1－1和对比例1－2的腐蚀深度测试，发现实施例1－1至实施例1－8的纵向腐蚀深度和横向腐蚀深度均远小于对比例1－1和对比例1－2，如表2所示。
本发明通过对铝合金化学成分及其配比的精确控制，提供了一个有利于提高7XXX系铝合金板材综合性能的原料配比，为制备高性能的7XXX系铝合金板材提供了参考依据，具有广阔的市场前景和经济价值。
在上述实验的基础上，本发明人对铝合金中Zn和Mg的重量比、Cu、Mg、Zn、Zr的重量百分比的进一步优化。经过实验发现，在其他化学成分相同的情况下，将Zn和Mg的重量比控制在(2.6－2.8)：1的范围内，铝合金板材的强度、延伸率以及抗腐蚀性表现更加优异，最优比例为2.7：1。同样地，在其他化学成分及及其配比相同的情况下，Cu的重量百分比控制在2－2.3％的范围内，铝合金板材的强度、延伸率以及抗腐蚀性表现更加优异，最优重量百分比为2％。Mg的重量百分比控制在2.1－2.4％的范围内，铝合金板材的强度、延伸率以及抗腐蚀性表现更加优异。Zn的重量百分比控制在6－6.5％的范围内，铝合金板材的强度、延伸率以及抗腐蚀性表现更加优异。Zr的重量百分比控制在0.1－0.13％的范围内，铝合金板材的强度、延伸率以及抗腐蚀性表现更加优异。
并且进一步发现，添加有Mn、Ti、Be的铝合金板材其强度、延伸率以及抗腐蚀性，相对于未添加的铝合金板材表现更加优异。
二、7050铝合金板材的工艺条件优化实验
实施例2－1至实施例2－8均采用实施例1－1的化学成分及配比，其制备方法与实施例1－1基本相同，区别在于个别步骤参数不同，详见表3。
表3制备各实施例的工艺条件
按照表3所提供的实施例2－1至实施例2－8的铝合金板材的工艺条件，分别制备出实施例2－1至实施例2－8以及对比例2－1的铝合金板材。其中对比例2－1采用了与实施例1－1相同的化学成分及配比，但其采用制备方法为现有的常规工艺。对制得的10个铝合金板材进行屈服强度、抗拉强度、延伸率、纵向腐蚀深度以及横向腐蚀深度检测，检测结果见表4：
表4各实施例提供的铝合金板材的性能检测结果
从表4可以看出，本发明实施例1－1以及实施例2－1至实施例2－8的铝合金板材在LT方向和L方向的屈服强度和抗拉强度均高于对比例2－1，说明通过精确控制工艺条件使得铝合金板材的综合性能都有所提高。同时，本发明实施例2－1至实施例2－8的延伸率也相较于对比例2－1也有所提高。
三、不同轧制方式对铝合金板材组织结构的影响研究
观测实施例1－1和对比例2－1热轧后的铝合金板材的金相组织结构图。其中，对比例2－1为正常轧制道次，实施例1－1为五道次轧制。对比例2－1和实施例1－1边部和心部的组织结构见图1－图4。其中，图1和图2分别为对比例2－1的边部和心部的金相图，图3和图4为实施例1－1的边部和心部的金相图。
对比图1、图2和图3、图4可以看出，图3和图4所示的通过5道次轧制的实施例1－1，其组织晶粒成轧制方向拉长的趋势，局部晶粒呈亚晶，晶粒细小而均匀。动态结晶占主要趋势。说明采用多道次轧制的方式有利于提高力学性能。在本发明的其他实施例中，还可以采用3道次、4道次或者更多。
四、双级时效对金相组织结构的影响研究
以实施例1－1为例，研究发明实施例采用的双级时效对金相组织结构的影响。不同厚度的金相组织如图5所示。
与单级均匀化处理相比，本发明实施例的双级均匀化处理消除了铸锭晶界上的非平衡凝固共晶组织，晶界呈线条状。并且在本发明实施例的均匀化条件下处理后，其力学性能较优。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种铝合金板材，其特征在于，按照重量百分比计，所述铝合金板材包括以下组分：2－2.6％的Cu、1.9－2.6％的Mg、5.7－6.7％的Zn、0－0.06％的Ti、0.08－0.15％的Zr、0－0.12％的Si、0－0.15％的Fe、0－0.1％的Mn、0－0.04％的Cr、0－0.0002％的Be，余量的Al，所述Zn和所述Mg的重量比为(2.5－3)：1。
2.根据权利要求1所述的铝合金板材，其特征在于，所述Zn和所述Mg的重量比为(2.6－2.8)：1，优选地，所述Zn和所述Mg的重量比为2.7：1。
3.根据权利要求1所述的铝合金板材，其特征在于，所述Cu占所述铝合金板材的重量百分比为2－2.3％，优选地，所述Cu占所述铝合金板材的重量百分比为2％。
4.根据权利要求1所述的铝合金板材，其特征在于，所述Mg占所述铝合金板材的重量百分比为2.1－2.4％。
5.根据权利要求1所述的铝合金板材，其特征在于，所述Zn占所述铝合金板材的重量百分比为6－6.5％。
6.根据权利要求1所述的铝合金板材，其特征在于，所述Ti占所述铝合金板材的重量百分比为0.01－0.03％。
7.根据权利要求1所述的铝合金板材，其特征在于，所述Zr占所述铝合金板材的重量百分比为0.1－0.13％。
8.一种如权利要求1－7中任一项所述的铝合金板材的制作方法，其特征在于，包括将铝合金原料在720－750℃的条件下熔炼成熔体，通过多级联合熔体净化步骤对所述熔体进行净化处理，并将净化后的所述熔体在700－710℃的条件下浇注成铝合金铸锭。
9.根据权利要求8所述的铝合金板材的制作方法，其特征在于，所述制作方法还包括双级均匀化处理、热轧处理和双级固溶处理；其中，
所述双级均匀化处理包括将所述铝合金铸锭以30－50℃/h的速率升温至465－470℃，保温6－20h，再以3－6℃/h的速率升温至475－480℃，保温6－24h；
所述热轧处理包括将所述铝合金铸锭通过多道次轧制；
所述双级固溶处理包括在465－470℃下保温0.1－4h的第一次固溶处理以及在475－480℃下保温0.1－4h的第二次固溶处理。
10.根据权利要求9所述的铝合金板材的制作方法，其特征在于，所述制作方法还包括在所述双级固溶处理后的淬火处理，在所述淬火处理后3.5－4.5h内或者在所述淬火处理后46－50h后进行1.8－2％的预拉伸处理。
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