CN106906387A - 一种高比强高比模铝合金材料、其制备方法及由该材料加工的构件 - Google Patents

一种高比强高比模铝合金材料、其制备方法及由该材料加工的构件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高比强高比模铝合金材料、其制备方法及由该材料加工的构件。该铝合金的成分组成为：Mg 0.60-1.70wt％，Si 0.85-1.80wt％，Li 0.80-2.40wt％，Mn≤0.50wt％，Cu≤0.50wt％，Zn≤0.50wt％，Fe≤0.50wt％，Cr≤0.50wt％，Ti≤0.25wt％，Zr≤0.25wt％，其他元素的含量分别≤0.05wt％，且其他元素的总含量≤0.15wt％，余量为Al。其制备方法包括：制造合金铸锭，对合金铸锭进行均匀化热处理，对经均匀化热处理的铸锭进行变形加工得到所需规格的合金材料，对合金材料进行固溶热处理，并迅速冷却到室温，对合金材料进行时效热处理以获得良好的性能匹配。本发明的铝合金材料表现出优异的比强度和比模量性能，是现代制造业结构件轻量化的一种理想选材。

Description

一种高比强高比模铝合金材料、其制备方法及由该材料加工的构件
技术领域
本发明涉及一种高比强高比模铝合金材料、其制备方法及由该材料加工的构件，属于铝合金材料及其制备加工技术领域。
背景技术
铝合金作为仅次于钢铁的第二大金属结构材料，比重仅为钢的1/3，同时具有质轻、耐磨、耐腐蚀、比强度高，抗冲击性能好、易表面着色、易加工、制造成本低、综合性能良好、原材料资源量大、并且80％以上的铝材可以回收再利用等特点，长期以来在结构件制造领域有着广泛的应用，是各种先进装备发展中不可缺少的重要支柱材料之一。随着现代工业的迅猛发展，特别是在航空航天、交通运输、电子器件等领域，除对材料的服役性能提出了更为严苛的要求，对其结构件制造减重的需求也愈加迫切，急需发展高比强度、高比模量的铝合金材料，即在继续提升铝合金材料高比强度的同时进一步提高其弹性模量，以最大程度的满足航空航天、交通运输、电子器件等现代制造业轻量化的需求。
在所有商用铝合金材料中，Al-Zn-Mg-Cu系(7xxx系)、Al-Cu系(2xxx系)及部分Al-Mg-Si系(6xxx系)铝合金等属高强铝合金范畴，其中，Al-Zn-Mg-Cu系(7xxx系)铝合金具有最高的强度级别，Al-Cu系(2xxx系)铝合金具有高强度及良好的耐损伤容限性，二者的强度级别均优于Al-Mg-Si系(6xxx系)铝合金，但Al-Mg-Si系铝合金具有相对低的密度、优异的耐腐蚀性能、焊接性能、成形性及经济性，应用范围更为广阔，在国际铝业协会注册的Al-Mg-Si系(6xxx系)铝合金牌号目前已有97种之多。现有的7xxx系、2xxx系以及部分6xxx系铝合金在比强度方面已达到了较好的水平，但在比弹性模量方面仍未取得明显提升；在2xxx系等铝合金中添加一定量的Li元素获得的铝锂合金在弹性模量方面实现了一定的提升，但因2xxx铝合金系列本身具有的密度偏高属性，导致其比模量的提高有限。因此，迫切需要提升或开发现有铝合金材料在比强度、特别是比模量的性能水平。
近年来，铝合金材料工作者对此虽开展了不少探索研究工作，但仍未获得相应的理想材料，难以满足当前及未来航空航天、交通运输、电子器件等现代制造业轻量化发展对铝合金高比强度、高比模量的严苛要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有6xxx系铝合金材料性能(特别是比模量和比强度)的不足，在现有常规铝合金材料的基础上，通过成分及制备加工工艺的优化设计，为航空航天、交通运输、电子制造等领域提供一种高比强高比模铝合金材料，作为现代制造业结构件轻量化的一种理想选材。
本发明的另一目的在于提供一种所述高比强高比模铝合金材料的制备方法。
本发明的再一个目的在于提供由所述高比强高比模铝合金材料加工而成的构件。
本发明通过大量研究和实践发现，在现有Al-Mg-Si系(6xxx系)铝合金中，调整Mg和Si含量及其配比、以主合金元素的形式添加适量的Li，并辅以适宜的制备加工工艺对合金沉淀析出行为及多层次组织进行精确控制、实现了多时效析出序列共同强化，利于合金材料在获得低密度、高弹性模量的同时，最大程度地提升其强度水平，可使合金材料在基本保持Al-Mg-Si系铝合金优良综合性能的同时，获得了高的比强度和比模量性能。本发明还发现，通过添加多种合金元素，配合制备加工工艺的优化，可实现合金多相组织的调控，有利于进一步提升合金的比强度性能。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高比强高比模铝合金材料，铝合金的成分组成为：Mg 0.60-1.70wt％，Si 0.85-1.80wt％，Li 0.80-2.40wt％，Mn≤0.50wt％，Cu≤0.50wt％，Zn≤0.50wt％，Fe≤0.50wt％，Cr≤0.50wt％，Ti≤0.25wt％，Zr≤0.25wt％，其他元素的含量分别≤0.05wt％，且其他元素的总含量≤0.15wt％，余量为A1。
作为本发明的第一个优选技术方案，所述铝合金的成分组成为：Mg0.70-1.50wt％，Si 0.85-1.70wt％，Li 0.90-2.20wt％，Mn≤0.50wt％，Cu≤0.50wt％，Zn≤0.50wt％，Fe≤0.50wt％，Cr≤0.50wt％，Ti≤0.25wt％，Zr≤0.25wt％，其他元素的含量分别≤0.05wt％，且其他元素的总含量≤0.15wt％，余量为A1。
作为本发明的第二个优选技术方案，所述铝合金的成分组成为：Mg0.80-1.40wt％，Si 0.90-1.50wt％，Li 1.10-1.90wt％，Mn≤0.50wt％，Cu≤0.50wt％，Zn≤0.50wt％，Fe≤0.50wt％，Cr≤0.50wt％，Ti≤0.25wt％，Zr≤0.25wt％，其他元素的含量分别≤0.05wt％，且其他元素的总含量≤0.15wt％，余量为A1。
基于以上技术方案，优选地，所述铝合金中含有：Fe≤0.25wt％，Cr≤0.25wt％。优选地，Mn≤0.25wt％，Ti≤0.10wt％。
优选地，所述铝合金中含有：Zn 0.10-0.25wt％。
优选地，所述铝合金中含有：Zr 0.05-0.15wt％。
一种所述高比强高比模铝合金材料的制备方法，其制备流程为：合金配制及熔炼→铸造制备铸锭→铸锭的均匀化热处理→变形加工(挤压、轧制、锻造、拉拔)得到变形加工材→固溶处理及预变形处理→时效处理→成品，具体包括以下步骤：
(1)按照铝合金的成分组成制造合金铸锭；
(2)对所得合金铸锭进行均匀化热处理；
(3)对经均匀化热处理的铸锭进行变形加工，得到所需规格的合金材料；
(4)对合金材料进行固溶热处理，并将完成处理的合金材料迅速冷却到室温；
(5)对合金材料进行时效热处理以获得良好的性能匹配。
其中，在步骤(1)中，采用真空或气氛保护进行熔炼，经除气和除夹杂处理，以半连续铸造的方式制备得到铸锭；在熔炼过程中，以Li为核心来精确控制元素含量，通过在线成分检测分析，进行合金元素含量的快速调整。
在步骤(2)中，所述均匀化热处理为：在400-555℃范围内，进行总时间为12-64h的单级或多级均匀化热处理。
在步骤(3)中，所述变形加工包括热变形和冷变形，采用选自轧制、挤压、拉拔、锻造及其组合的方式进行，热变形加工的预热温度为420-490℃。
在步骤(4)中，所述固溶热处理为：在465-560℃范围内对制品进行总时间为0.05-8h的单级或多级固溶热处理；使用选自冷却介质喷淋式淬火、强风冷却、浸没式淬火及其组合的方式将合金材料迅速冷却至室温。
在步骤(5)中，对合金材料采用自然时效与人工时效相结合的方式进行，自然时效温度≤60℃，保温0.1-720h；之后在60-240℃的温度范围内进行人工时效处理，总时间为0.5-192h。
在步骤(4)和(5)之间，还可以包括以下步骤：对经冷却的合金制品进行变形总量在1.0-6.0％范围内的预拉伸或预压缩冷变形处理，并配合矫直处理，以有效消减材料中的残余内应力和控制材料的尺寸精度，同时获得强度性能的提升。
一种由所述铝合金材料加工而成的构件，可以通过选自机械加工、化学加工、激光加工、电火花加工、表面处理及其组合的方式加工。
作为所述构件，可以为飞行器部件、车辆部件、船舶部件或电子产品部件。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明通过添加Li、对Al-Mg-Si系铝合金进行成分优化设计，并辅以相匹配的制备方法，实现了多时效析出序列共同强化，有利于该材料在获得低密度、高弹性模量的同时，最大程度地提升了其强度水平，使该材料在基本保持Al-Mg-Si系铝合金优良综合性能匹配的同时，获得了高的比强度和比模量性能，是现代制造业结构件轻量化的一种理想选材，能较好地满足对铝合金材料高比强度、高比模量提出的苛刻要求。
(2)本发明在无需改变铝加工厂现有生产设备及规范的情况下进一步发掘出了铝合金性能潜力，且材料性能优越、价格适中，制备方法实用可行，易于产业化推广，市场前景可观。
附图说明
图1为实施例3中本发明合金板材的比强度-比模量性能匹配情况与其它几种参照合金的对比图。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明做进一步详细描述，但发明的实施方式不仅限于此。
实施例1
在实验室规模上制备合金，合金的成分组成如表1所示。通过业内所周知的合金熔炼、除气、除夹杂、并模拟半连续铸造条件制备70×250×360mm的小型方锭，铸锭的均匀化退火制度选择为520-535℃/12-24h，在盐浴槽中进行，随后在空气中缓冷。经剥皮、锯切后得到50×220×300mm的热轧坯料，将热轧坯料在480±10℃下预热6h，随后轧制变形加工为成截面为2.5mm×250mm规格的薄板。对这些合金薄板定尺裁剪后，进行(470±5℃/0.1h)+(500±5℃/1h)+(535±5℃/0.2h)的固溶热处理，两级间升温速率不超过60℃/h；完成固溶处理后立即水淬，并在4h内进行拉伸和弯矫处理，变形量控制在1.0-2.0％之间；完成拉矫处理，对板带进行时长为48h的自然时效处理，随后根据合金成分的不同分别采用适宜的时效工艺(170±5℃/12-24h)对合金薄板进行时效处理，缓冷。依照GB/T 228.1-2010、GB/T 22315-2008、GB/T 1423-1996测试标准，分别对合金的室温拉伸性能、弹性模量及材料密度进行测试，结果如表2所示。
表1实验合金成分
表2合金薄板的性能测试结果
从表2中可以看出，本发明合金1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#的薄板表现出轻质、高弹性模量的特点，获得了高的比强度和比模量，数值分别达到120和28.5以上，同时在相同热处理条件下，合金的比强度-比模量匹配性明显优于11#、12#、13#、14#、15#、16#、17#合金(其中，11#合金、16#合金、17#合金成分分别与AA6061、AA2197、AA2024的成分相符)，且具有较高的延伸率，这是由于在本发明合金中通过成分设计并辅以相匹配的制备方法，实现了多相组织的调控，使合金在获得低密度、高弹性模量的同时显著提升了其强度水平，本发明合金材料表现出更为优异的高比强高比模性能。
实施例2
在实验室制备铝合金挤压棒材，实验合金成分组成如表3所示。通过业内所周知的合金熔炼、除气、除夹杂、并模拟半连续铸造条件制备Φ200mm的圆型铸锭，铸锭在马弗炉中进行(420±10℃/12h)+(500±5℃/8h)+(530±5℃/12h)的均匀化退火处理，风冷，经剥皮、铣面、锯切后得到Φ160mm的坯料。将坯料在445±10℃下预热4h，随后在600吨挤压机上挤压成截面为Φ20mm规格的挤压棒材。随后，在盐浴槽中对棒材进行温度(550±5℃/0.5h)的单级固溶热处理，水淬后立即进行拉伸变形与矫直处理，变形量控制在1.25-2.50％以内；完成拉矫处理后，完成拉矫处理后，对合金挤压棒材进行168h的自然时效处理，随后在170-180℃范围内采用适宜的时效工艺对合金棒材进行时效处理，空冷。依照GB/T 228.1-2010、GB/T 22315-2008、GB/T 1423-1996测试标准，分别对合金的室温拉伸性能、弹性模量及材料密度进行测试，结果如表4所示。
表3实验合金成分
表4合金挤压棒材的性能测试结果
从表4中可以看出，本发明的18#合金在具有高比强的同时，表现出优良的高比模性能。
实施例3
选择本发明合金6#和对比的常用合金11#、16#、17#，利用中试条件制备合金。通过合金熔炼、精炼、除气除杂、半连续铸造制备160mm厚度规格的扁锭，经525±10℃/18h均匀化热处理后，剥皮和锯切后得到120mm厚度规格的轧制变形坯料，将坯料在480±10℃下预热4-8h，初轧温度为450℃，经7-13道次最终获得约18mm厚度的板材，终轧温度375℃。随后，在辊底淬火炉中进行温度(505±5℃/1h)+(540±5℃/0.5h)的双级固溶热处理，喷淋淬火后立即进行1.5-2.0％拉伸变形处理，对板带进行48h的自然时效处理，随后在170-180℃范围内采用适宜的时效工艺对合金板材进行时效处理，空冷。依照GB/T228.1-2010、GB/T 22315-2008、GB/T 1423-1996测试标准，分别对合金的室温拉伸性能、弹性模量及材料密度进行测试，结果如表5所示。
表5合金板材的性能测试结果
根据表5所列合金6#(本发明合金)、合金11#(与AA6061成分相符)、合金16#(与AA2197成分相符)、合金17#(与AA2024成分相符)的性能测试结果，图1给出了本发明合金板材的比强度-比模量性能匹配情况与其它3种参照合金的对比。由图1可以看出，与经相同条件制备的现有典型的AA6061、AA2197、AA2024铝合金相比，本发明合金材料显示出了在高比强度-高比模量性能匹配方面的优势。

Claims (16)

1.一种高比强高比模铝合金材料，其特征在于，铝合金的成分组成为：Mg 0.60-1.70wt％，Si 0.85-1.80wt％，Li 0.80-2.40wt％，Mn≤0.50wt％，Cu≤0.50wt％，Zn≤0.50wt％，Fe≤0.50wt％，Cr≤0.50wt％，Ti≤0.25wt％，Zr≤0.25wt％，其他元素的含量分别≤0.05wt％，且其他元素的总含量≤0.15wt％，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的高比强高比模铝合金材料，其特征在于，所述铝合金中含有：Mg 0.70-1.50wt％，Si 0.85-1.70wt％，Li 0.90-2.20wt％。
3.根据权利要求2所述的高比强高比模铝合金材料，其特征在于，所述铝合金中含有：Mg 0.80-1.40wt％，Si 0.90-1.50wt％，Li 1.10-1.90wt％。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的高比强高比模铝合金材料，其特征在于，所述铝合金中含有：Fe≤0.25wt％，Cr≤0.25wt％。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的高比强高比模铝合金材料，其特征在于，所述铝合金中含有：Mn≤0.25wt％，Ti≤0.10wt％。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的高比强高比模铝合金材料，其特征在于，所述铝合金中含有：Zn 0.10-0.25wt％。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的高比强高比模铝合金材料，其特征在于，所述铝合金中含有：Zr 0.05-0.15wt％。
8.一种权利要求1-7中任一项所述高比强高比模铝合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按照铝合金的成分组成制造合金铸锭；
(2)对所得合金铸锭进行均匀化热处理；
(3)对经均匀化热处理的铸锭进行变形加工，得到所需规格的合金材料；
(4)对合金材料进行固溶热处理，并将完成处理的合金材料迅速冷却到室温；
(5)对合金材料进行时效热处理以获得良好的性能匹配。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，采用真空或气氛保护进行熔炼，经除气和除夹杂处理，以半连续铸造的方式制备得到铸锭；在熔炼过程中，以Li为核心来精确控制元素含量，通过在线成分检测分析，进行合金元素含量的快速调整。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述均匀化热处理为：在400-555℃范围内，进行总时间为12-64h的单级或多级均匀化热处理。
11.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述变形加工包括热变形和冷变形，采用选白轧制、挤压、拉拔、锻造及其组合的方式进行，热变形加工的预热温度为420-490℃。
12.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述固溶热处理为：在465-560℃范围内对制品进行总时间为0.05-8h的单级或多级固溶热处理；使用选白冷却介质喷淋式淬火、强风冷却、浸没式淬火及其组合的方式将合金材料迅速冷却至室温。
13.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在步骤(5)中，对合金材料采用自然时效与人工时效相结合的方式进行，自然时效温度≤60℃，保温0.1-720h；之后在60-240℃的温度范围内进行人工时效处理，总时间为0.5-192h。
14.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在步骤(4)和(5)之间，还包括以下步骤：对经冷却的合金制品进行变形总量在1.0-6.0％范围内的预拉伸或预压缩冷变形处理，并配合矫直处理。
15.一种构件，其特征在于，由权利要求1-14中任一项所述的铝合金材料，通过选白机械加工、化学加工、激光加工、电火花加工、表面处理及其组合的方式加工而成。
16.根据权利要求15所述的构件，其特征在于，所述构件为飞行器部件、车辆部件、船舶部件或电子产品部件。
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