CN107119215B - 一种超强铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种超强铝合金，该铝合金的组成成分及重量百分比为：Zn为10.4～12.0％，Mg为1.9～2.7％，Cu为1.9～2.8％，Zr为0.07～0.15％，Cr为0.08～0.15％，Mn为0.25～0.40％，Ti为0.08～0.15％，余量为Al及杂质，且所述杂质的总含量不超过0.08％，单个杂质的含量不超过0.04％。该超强铝合金的制备方法，包括以下步骤：(1)熔炼；(2)浇铸、切头、铣面(3)挤压；(4)固溶处理、淬火；(5)时效处理。本发明制备得到的铝合金的室温抗拉伸强度超过750MPa。

Description

一种超强铝合金及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料工程领域，尤其涉及一种铝合金及其制备方法。
背景技术
Al-Zn-Mg-Cu超硬系列(7000系)铝合金是可热处理强化的合金，具有密度小、加工性能好及焊接性能优良等特点，是航空航天、船舶、桥梁、大型容器、管道、车辆等领域中最重要的轻质结构材料之一。目前用铸锭冶金方法制备的7000系铝合金注册牌号合金强度超过700MPa的很少，为了适应未来新型战机、民用大飞机发展对高强度、低密度铝合金结构材料的需求，研发新型更高强度的铝合金具有重要战略意义。提高铝合金的强度的手段通常有成分优化与热处理工艺优化，优化强度超过750MPa超高强铝合金的成分及其制备方法的优化已成为铝合金研究开发的重点方向和急迫任务。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种具有超高强度的铝合金，并相应提供其制备方法。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种超强铝合金，该铝合金的组成成分及重量百分比为：Zn为10.4～12.0％，Mg为1.9～2.7％，Cu为1.9～2.8％，Zr为0.07～0.15％，Cr为0.08～0.15％，Mn为0.25～0.40％，Ti为0.08～0.15％，余量为Al及杂质，且所述杂质的总含量不超过0.08％，单个杂质的含量不超过0.04％。
上述超强铝合金中，常见的杂质为Fe、Si等物质。
作为一个总的技术构思，本发明还提供一种超强铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铝、锌、铜源、锆源、铬源、锰源与钛源按配比加入熔炼炉中熔炼，完全熔化后经除气处理，再加入镁，完全熔化后再次除气处理得到熔融合金，静置1小时；
(2)将步骤(1)中静置后的熔融合金浇铸得到铸锭A，切除铸锭A的头部，并对铸锭A的表面进行铣面加工3～5mm后得到铸锭B；
(3)将步骤(2)中得到的铸锭B预热，并保温后进行挤压处理得到挤压合金；
(4)将步骤(3)中得到的挤压合金进行三级固溶处理后再淬火；
(5)将步骤(4)中经淬火后的合金进行时效处理。
上述制备方法中，优选的，所述铝为铝含量99.95％的高纯铝，所述锌为纯锌，所述铜源为铝铜中间合金，且铝铜中间合金中杂质总含量低于0.12％，所述锆源为铝锆中间合金，所述铬源为铝铬中间合金，所述锰源为铝锰中间合金，所述钛源为铝钛中间合金，所述镁为工业纯镁。更优选的，所述铜源为铜含量50％的铝铜中间合金，所述锆源为锆含量3％的铝锆中间合金，所述铬源为铬含量5％的铝铬中间合金，所述锰源为锰含量10％的铝锰中间合金，所述钛源为钛含量3％的铝钛中间合金。采用中间合金可以显著降低熔炼温度，缩短熔炼时间，如铜熔点太高，但铝铜中间合金的熔点略低于纯铝，使用铝铜中间合金有利于缩短熔炼时间，同时还可使铜在铝中分布更加均匀。
上述制备方法中，优选的，所述熔炼温度为760～780℃，所述浇铸温度为710～730℃，所述熔炼时一直加覆盖剂，所述覆盖剂为NaCl∶KCl∶NaAlF6＝4∶4∶2的混合物。熔炼时加入覆盖剂可以防止熔融合金吸气、被氧化。
上述制备方法中，优选的，所述步骤(3)中的铸锭B在375～385℃下预热并保温3～5小时后进行挤压，并保持挤压速度为0.4～0.6m/min，挤压比为15～20。
上述制备方法中，优选的，所述除气处理时通入的气体为六氯乙烷或惰性气体。
上述制备方法中，优选的，所述三级固溶处理为将挤压合金在270±5℃下保温2～2.5小时进行第一级固溶处理，然后在370±5℃下保温1～1.5小时进行第二级固溶处理，再在463～465℃下保温1～1.5小时进行第三级固溶处理。
上述制备方法中，优选的，所述加入镁时多加入镁添加量的2～4％。多加入镁添加量的2～4％是充分考虑了熔炼过程中镁的烧损量，根据熔炼炉的炉型及大小在实际操作中通常多加2～4％的镁。
上述制备方法中，优选的，所述时效处理的工艺为在130±2℃下保温12～15小时，空冷。
上述制备方法中，优选的，所述制备方法中，所述步骤(2)与步骤(3)之间不进行均匀化处理。
上述制备方法中，优选的，所述淬火为在室温水中淬火，所述三级固溶处理在盐浴炉中进行。采用盐浴炉操作，合金在出炉时表面粘附一层盐膜，能有效防止合金被氧化。
上述制备方法中，由于镁加入后熔体更容易吸气和氧化，所以本发明合金熔炼时先加入铝、锌、铜源、锆源、铬源、锰源与钛源后再加入镁。上述制备方法中，除气处理主要是为了除去氢气。由于铝合金中添加的Cr、Mn与Ti能细化铸锭组织，保持其成分的均匀性，铸锭不用进行均匀化处理就可直接进行挤压处理，可以克服传统加工方法中的均匀化处理需要的加热保温时间长、能耗大、加热速度与加热方式需要严格控制等缺陷。上述制备方法中，三级固溶处理中的第一级低温固溶处理主要是让挤压变形的合金回复，释放能量，从而在较高温度处理时合金基体也很难再结晶软化，保持了合金基体较高的强度；第二级中温固溶处理这个温度非常有利于合金基体中均匀析出含cr、Mn和/或Ti的弥散析出粒子，这些粒子自身具有强化合金基体的作用，更为重要的是，这些粒子有利于后续第三级高温固溶处理时阻碍合金基体再结晶、保留亚结构、以及为后续主要析出相的析出奠定基础；第三级高温固溶处理主要是为了获得高过饱和度，为后续时效处理时析出相的数量、大小、均匀分布奠定良好的基础，从而有利于获得高强度。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.本发明与已注册的各种7000系Al-Zn-Mg-Cu合金不同，本发明设计了新的铝合金成分配方，制备得到的铝合金的强度非常高。
2.本发明在制备铝合金时不进行均匀化处理直接进行挤压加工，克服了传统加工方法中的均匀化处理需要的加热保温时间长、能耗大、加热速度与加热方式需要严格控制等缺陷。
3.本发明在制备铝合金时改进了固溶处理工艺，采用三级固溶处理，并优化固溶处理参数，制备得到的铝合金的室温抗拉伸强度超过750MPa。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1：
一种超强铝合金，该铝合金的组成成分及重量百分比为：Zn为11.2％，Mg为2.2％，Cu为2.25％，Zr为0.12％，Cr为0.11％，Mn为0.35％，Ti为0.09％，Fe为0.037％，Si为0.035％，余量为Al及含量少于0.05％的其他杂质。
上述超强铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铝、锌、铜源、锆源、铬源、锰源与钛源按配比依次加入熔炼炉中在770℃下进行熔炼，完全熔化后经氩气除气处理，再加入镁(包括烧损量，烧损量为镁添加量的3％)，完全熔化后再次经氩气除气处理得到熔融合金，静置1小时；其中，铝为铝含量99.95％的高纯铝，锌为纯锌，铜源为铜含量50％的铝铜中间合金，且铝铜中间合金中杂质总含量低于0.12％，锆源为锆含量3％的铝锆中间合金，铬源为铬含量5％的铝铬中间合金，锰源为锰含量10％的铝锰中间合金，钛源为钛含量3％的铝钛中间合金，镁为工业纯镁，熔炼炉以石墨坩埚或高纯氧化镁砖涂粘土石墨涂料做炉膛内衬材料，熔炼过程一直加NaCl∶KCl∶NaAlF6＝4∶4∶2的混合物做覆盖剂；
(2)将步骤(1)中静置后的熔融合金浇铸得到铸锭A，保持浇铸温度为720℃，切除铸锭A的头部，并对铸锭A的表面进行铣面加工3～5mm后得到铸锭B；
(3)将步骤(2)中得到的铸锭B在空气电阻炉中，380℃下预热，并保温3小时后进行挤压，并保持挤压速度为0.5m/min，挤压比为16；
(4)将步骤(3)中经挤压后的合金在盐浴炉中进行三级固溶处理后再在室温水中淬火，其中，三级固溶处理为将经挤压后的合金在270℃下保温2小时进行第一级固溶处理，然后在370℃下保温1小时进行第二级固溶处理，再在463℃下保温1小时进行第三级固溶处理；
(5)将淬火后的合金在恒温电阻炉中进行人工峰值时效处理，其工艺为：在130℃下加热12小时，空冷。
实施例2-3：
实施例2与3中的超强铝合金的成分组成及制备方法均与实施例1相同，但组成成分中各成分的重量份不同，具体数据见表1。
表1：实施例中铝合金组成成分的重量份(重量百分比wt％)
Zn Mg Cu Zr Cr Mn Ti Fe Si 其它 Al
实施例1 11.12 2.20 2.25 0.12 0.11 0.35 0.09 0.037 0.035 ≤0.05 余量
实施例2 10.95 2.31 2.37 0.14 0.10 0.32 0.11 0.032 0.038 ≤0.05 余量
实施例3 11.25 2.24 2.18 0.12 0.12 0.33 0.12 0.036 0.034 ≤0.05 余量
实施例1-3中制备得到的超强铝合金在室温下按标准GB/T3880.2-2006检测其力学性能，结果如表2所示。
表2：实施例制备得到的铝合金的室温力学性能

Claims (7)

1.一种超强铝合金的制备方法，该铝合金的组成成分及重量百分比为：Zn为10.4～12.0％，Mg为1.9～2.7％，Cu为1.9～2.8％，Zr为0.07～0.15％，Cr为0.08～0.15％，Mn为0.25～0.40％，Ti为0.08～0.15％，余量为Al及杂质，且所述杂质的总含量不超过0.08％，单个杂质的含量不超过0.04％，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将铝、锌、铜源、锆源、铬源、锰源与钛源按配比加入熔炼炉中熔炼，完全熔化后经除气处理，再加入镁，完全熔化后再次除气处理得到熔融合金，静置；
(2)将步骤(1)中静置后的熔融合金浇铸得到铸锭A，切除铸锭A的头部，并对铸锭A的表面进行铣面加工3～5mm后得到铸锭B；
(3)将步骤(2)中得到的铸锭B预热，并保温后进行挤压处理得到挤压合金；
(4)将步骤(3)中得到的挤压合金进行三级固溶处理后再淬火；
(5)将步骤(4)中经淬火后的合金进行时效处理；
其中，所述步骤(2)与步骤(3)之间不进行均匀化处理；所述三级固溶处理为将挤压合金在270±5℃下保温2～2.5小时进行第一级固溶处理，然后在370±5℃下保温1～1.5小时进行第二级固溶处理，再在463～465℃下保温1～1.5小时进行第三级固溶处理。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铝为铝含量99.95％的高纯铝，所述锌为纯锌，所述铜源为铝铜中间合金，且铝铜中间合金中杂质总含量低于0.12％，所述锆源为铝锆中间合金，所述铬源为铝铬中间合金，所述锰源为铝锰中间合金，所述钛源为铝钛中间合金，所述镁为工业纯镁。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述熔炼温度为760～780℃，所述浇铸温度为710～730℃，所述熔炼时一直加覆盖剂，所述覆盖剂为NaCl:KCl:NaAlF6＝4:4:2的混合物。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中的铸锭B在375～385℃下预热并保温3～5小时后进行挤压，并保持挤压速度为0.4～0.6m/min，挤压比为15～20。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述除气处理时通入的气体为六氯乙烷或惰性气体。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述加入镁时多加入镁添加量的2～4％。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述时效处理的工艺为在130±2℃下保温12～15小时，空冷。
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