CN107460382B - 各向同性超强耐蚀铝合金轧制板材及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种各向同性超强耐蚀铝合金轧制板材及制备方法，其特征是所述的合金主要由质量分数为12.18~12.51%的锌、2.85~3.31%的镁、1.43~2.83%的铜、0.18~0.20%的锆和0.0435~0.0598%的锶（Sr）组成，余量为铝和少量杂质元素。合金制备方法依次包括：（1）熔铸；（2）均质化退火；（3）挤压加工（挤压比12）；（4）轧制加工；（5）固溶处理；（6）时效处理。本发明制得的合金晶粒细小，X、Y、Z方向上均低于10μm，并且三个方向上平均晶粒尺寸相近，分别为8.2μm、8.7μm、9.5μm，另外X、Y方向上的抗拉强度也很接近，分别为745Mpa和760Mpa，表现出一定的各向同性，在121℃×5 h+133℃×16h时效处理下最高强度可达809.2Mpa。晶间腐蚀深度109.2μm，剥落腐蚀等级EA，具有较好的抗晶间腐蚀和抗剥落腐蚀性能。

Description

各向同性超强耐蚀铝合金轧制板材及制备方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金材料，尤其是一种7000系铝合金轧制板材的制备方法，具体地说是一种各向同性超强耐蚀铝合金轧制板材及制备方法。

背景技术

高强铝合金具有低密度、高强度、高韧性、耐腐蚀、易加工、低成本、易回收、环境友好等特点，是飞机的主要结构材料。长期以来，研制强度级别更高的铝合金一直备受关注。Al-Zn-Mg-Cu系铝合金目前已被广泛应用于航空、航天及交通运输领域，为适应相关行业的发展需要，必须要研发性能更为优异的该类合金。

为了保证7000系铝合金具有超高强度，合金的锌（Zn）、镁（Mg）、铜（Cu）等合金化元素的含量必须高。以7000系铝合金为基础，为尽可能提升合金强度，合金设计时在保证高的Zn/Mg比的条件下，提升了Zn、Mg元素含量。此外，该合金设计过程中添加了微量的Zr、Sr元素，Zr元素可以通过形成共格弥散相的方式抑制再结晶，进而提升合金综合性能；Sr元素可以使得合金熔体更加纯净。通过各成分金属的优化设计和合理调配，结合后续变形加工与热处理，制备出抗拉强度超过750MPa，且各项性能均较为优异的Al-Zn-Mg-Cu系超强铝合金，是当前研究急需解决的问题。除合金的成分外，制备技术也非常关键。铸态铝合金往往存在气孔、夹渣、疏松等不足。轧制加工作为一种大规模工业化应用的金属塑性变形加工技术，可以有效地消除或减弱这些缺陷的影响。预回复退处理可以在合金晶粒没有明显长大的基础上，使合金组织发生回复，减小合金在固溶时的再结晶驱动力，便于合金固溶后保留小角度晶界，显著提高合金的强度，对于调控材料组织及性能具有重要作用。

目前为止，尚未有一种具有自主知识产权的强度达到750Mpa以上的各向同性耐蚀超强耐蚀铝合金轧制板材的制备方法可供使用，这一定程度上制约了我国航空航天、武器装备等工业的发展。

发明内容

本发明的目的是针对超高强Al-Zn-Mg-Cu系铝合金综合性能尚不够理想，各向同性、强度和抗腐蚀性能难以兼顾的问题，发明一种各向同性超强耐蚀铝合金轧制板材及制备方法。

本发明的技术方案之一是：

一种各向同性超强耐蚀铝合金轧制板材，其特征在于：它主要由铝（Al）、锌（Zn）、镁（Mg）、铜（Cu）、锆（Zr）和锶（Sr）组成，其中，锌（Zn）的质量百分比为12.18~12.51%，镁（Mg）的质量百分比为2.85~3.31%，铜（Cu）的质量百分比为1.43~2.83%，锆（Zr）的质量百分比为0.18~0.20%，锶（Sr）的质量百分比为0.0435~0.0598%，余量为铝和少量杂质元素，各组份的质量百分比之和为100%；所述的锌（Zn）、镁（Mg）、铜（Cu）其总质量百分比含量为16.92~18.19%。

本发明的技术方案之二是：

一种各向同性超强耐蚀铝合金轧制板材的制备方法，其特征是它依次包括：（1）熔铸：所述的熔铸是指将纯Al完全熔化后一次性加入Al-Cu中间合金、Al-Sr中间合金、Al-Zr中间合金，待这些合金全部熔化后依次加入纯Zn和纯Mg；待纯Mg全部熔化后再加入六氯乙烷精炼除气直至没有气体逸出，将金属液在720℃（±10℃）下静置保温5~10 min后去渣并浇铸成锭，所述的Al-Cu中间合金中Cu的质量百分比为50.12%，Al-Sr中间合金中Sr的质量百分比为9.89%，Al-Zr中间合金中Zr的质量百分比为4.11%；

（2）均质化退火：所述的均质化退火是指将熔铸所得的合金依次经过温度分别为400±5℃×6±0.5h，420±5℃×6±0.5h，440±5℃×6±0.5h和460±5℃×12±1h的四次退火，随炉冷却至200±5℃后取出，在空气中冷却至室温；需要说明的是本发明所指的温度400±5℃是指395-405之间的任意温度值，6±0.5h是指5.5-6.5小时之间的任意值，下同。

（3）挤压加工：所述的挤压加工是指将经过均质化处理的铸锭车削至圆棒，挤压前对合金进行480±5℃×8±0.5 h的保温处理，从炉中取出后立即进行挤压比不小于12的挤压加工；

（4）轧制加工：所述的轧制加工是指将挤压加工得到的棒材切取一段，沿轴线均分为二作为轧制试样，经过420±5℃×2±0.5h的保温处理后进行至少7道次轧制加工；

（5）固溶处理：所述的固溶处理是指将经过轧制加工的合金进行450±5℃×2±0.5h、460±5℃×2±0.5h和470±5℃×2±0.5h保温处理，然后在室温下进行水淬；

（6）时效处理：所述的时效处理是指将经过固溶处理的合金进行121±5℃×24±1h或121±5℃×5±0.5 h+133±5℃×16±1h的时效处理。

所述的均质化退火的四次退火的最佳温度分别为400℃，420℃，440℃和460℃；所述的热挤压最佳温度为480℃；所述的固溶处理最佳温度分别为450℃、460℃和470℃；所述的时效处理最佳温度分别为121℃和121℃+133℃。

此外，为了进一步提高各向同性，还可在固溶处理之前对轧制板材进行250±5℃×24 h、300±5℃×6 h、350±5℃×6 h和400±5℃×6 h的预回复退火处理。

本发明的有益效果：

（1）本发明通过合金成分的优化设计和合理调配，获得了一种强度高达750Mpa以上的各向同性超强耐蚀铝合金轧制板材，并公开了此合金的成分及其制备方法，一定程度上打破了国外对高性能铝合金的技术封锁，可满足我国航空航天、武器装备等领域的需求。

（2）本发明制得的合金晶粒细小，X、Y、Z方向上均低于10μm，并且三个方向上平均晶粒尺寸相近，分别为8.2μm、8.7μm、9.5μm，另外X、Y方向上的抗拉强度也很接近，分别为745Mpa和760Mpa，表现出一定的各向同性，在121℃×5 h+133℃×16h时效处理下最高强度可达809.2Mpa。晶间腐蚀深度109.2μm，剥落腐蚀等级EA，具有较好的抗晶间腐蚀和抗剥落腐蚀性能。

附图说明

图1是本发明实施例一合金不同方向的EBSD图 :（a）X方向；（b）Y方向；（c）Z方向。

图2是本发明实施例一合金不同方向的晶粒尺寸分布图。

图3是本发明实施例一合金不同方向的晶界角度分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一

一种各向同性超强耐蚀铝合金轧制板材的制备方法：

按28kg铝合金配制为例。

先将20.9 kg A00等级纯Al（成分：99.79%Al, 0.14%Fe, 0.04%Si，本发明所有组份均采用质量百分比表示，下同，凡组份相加不足100%的部分均为杂质）熔化后一次性加入0.85 kgAl-Cu(49.62%Al, 50.12%Cu,0.15%Fe, 0.11%Si )中间合金(Cu的损失率约为6.25%)、0.49 kg Al-Sr(89.86%Al, 9.89%Sr,0.15%Fe, 0.10%Si )中间合金(Sr的损失率约为75%)、1.48 kg Al-Zr（95.69%Al, 4.11%Zr,0.20%Fe, 0.10%Si ）中间合金（Zr的损失率约为8%），所述的中间合金可直接从市场上购置，也可采用常规方法自行配制。待这些合金完全熔化后依次加入3.71kg纯Zn(Zn的损失率约为8%)、1.16kg纯Mg(Mg的损失率约为20%)，由于Mg的密度较小且易燃，熔铸过程中需防止其浮于表面烧损。待纯Mg全部熔化后加入六氯乙烷精炼直至没有气体溢出(加入量为56 g)，静置保温5~10 min并去渣后浇铸成锭；对熔铸成锭的合金依次进行400±5℃×6±0.5h+420±5℃×6±0.5h+440±5℃×6±0.5h+460±5℃×12±1h的均质化退火、480±5℃保温8±1h后进行挤压比为12（或12以上的任意值）的挤压；从挤压加工得到的棒材切取一段并沿轴线均分为二，经过420±5℃×2±0.5h保温后进行轧制加工；之后对得到的轧制板材经过450±5℃×2±0.5h+460±5℃×2±0.5h+470±5℃×2±0.5h保温，并在室温下进行水淬固溶处理；然后进行121±5℃×24±1h的时效处理。之后对其抗拉强度进行测量，并进行XRD、EBSD分析，和晶间腐蚀、剥落腐蚀实验，以得到其各方面的性能指标。

本实施例的铝合金经光谱实际测量成分为：12.18%Zn, 3.31%Mg, 1.43%Cu,0.2％Zr, 0.0435%Sr,, 余量为铝和杂质元素。

本实施例的铝合金晶粒尺寸细小，X、Y、Z方向上均低于10μm，并且三个方向上平均晶粒尺寸相近，分别为8.2μm、8.7μm、9.5μm，另外 X方向和Y方向抗拉强度也很接近，分别为745Mpa和760Mpa，表现出一定的各向同性，晶间腐蚀深度为109.3μm，剥落腐蚀等级EA。

实施例二

一种各向同性超强耐蚀铝合金轧制板材的制备方法：

按28kg铝合金配制为例。

先将20.12 kg A00等级纯Al（成分：99.79%Al, 0.14%Fe, 0.04%Si）熔化后一次性加入1.69kgAl-Cu(49.62%Al, 50.12%Cu,0.15%Fe, 0.11%Si )中间合金(Cu的损失率约为6.25%)、0.68 kg Al-Sr(89.86%Al, 9.89%Sr,0.15%Fe, 0.10%Si )中间合金(Sr的损失率约为75%)、1.33 kg Al-Zr（95.69%Al, 4.11%Zr,0.20%Fe, 0.10%Si ）中间合金 (Zr的损失率约为8%)，所述的中间合金可直接从市场上购置，也可采用常规方法自行配制。待这些合金全部熔化后依次加入 3.81 kg纯Zn(Zn的损失率约为8%)、1 kg纯Mg(Mg的损失率约为20%)，由于Mg的密度较小且易燃，熔铸过程中需防止其浮于表面烧损，待纯Mg全部熔化后加入六氯乙烷精炼直至没有气体溢出(加入量为56 g)，静置保温5~10 min并去渣后浇铸成锭；对熔铸成锭的合金依次进行400℃×6h+420℃×6h+440℃×6h+460℃×12h的均质化退火、480℃保温8h后进行挤压比为12的挤压；从挤压加工得到的棒材切取一段并沿轴线均分为二，经过420℃×2 h保温后进行7道次轧制加工；之后对得到的轧制板材经过450℃×2h+460℃×2h+470℃×2h保温，并在室温下进行水淬固溶处理；然后进行121℃×24h的时效处理。之后对其抗拉强度进行测量，并进行XRD、EBSD分析，和晶间腐蚀、剥落腐蚀实验，以得到其各方面的性能指标。

本实施例的铝合金经光谱实际测量成分为：12.51%Zn, 2.85%Mg, 2.83%Cu,0.18Zr％, 0.0598%Sr余量为铝和杂质元素。

本实施例的铝合金晶粒尺寸细小，X、Y、Z方向上均低于10μm，并且三个方向上平均晶粒尺寸相近，分别为5.7μm、5.7μm、6.4μm，另外 X方向和Y方向抗拉强度分别为710.2Mpa和632.2Mpa，表现出一定的各向同性，晶间腐蚀深度为91.5μm，剥落腐蚀等级EA。

实施例三

一种各向同性超强耐蚀铝合金轧制板材的制备方法：

按28kg铝合金配制为例。

先将20.51 kg A00等级纯Al（成分：99.79%Al, 0.14%Fe, 0.04%Si）熔化后一次性加入1.27kgAl-Cu(49.62%Al, 50.12%Cu,0.15%Fe, 0.11%Si )中间合金(Cu的损失率约为6.25%)、0.585 kg Al-Sr(89.86%Al, 9.89%Sr,0.15%Fe, 0.10%Si )中间合金(Sr的损失率约为75%)、1.405 kg Al-Zr（95.69%Al, 4.11%Zr,0.20%Fe, 0.10%Si ）中间合金 (Zr的损失率约为8%)，所述的中间合金可直接从市场上购置，也可采用常规方法自行配制。待这些合金全部熔化后依次加入 3.76kg纯Zn(Zn的损失率约为8%)、1 .08kg纯Mg(Mg的损失率约为20%)，由于Mg的密度较小且易燃，熔铸过程中需防止其浮于表面烧损，待纯Mg全部熔化后加入六氯乙烷精炼直至没有气体溢出(加入量为56 g)，静置保温5~10 min并去渣后浇铸成锭；对熔铸成锭的合金依次进行400℃×6h+420℃×6h+440℃×6h+460℃×12h的均质化退火、480℃保温8h后进行挤压比为12的挤压；从挤压加工得到的棒材切取一段并沿轴线均分为二，经过420℃×2 h保温后进行7道次轧制加工；之后对得到的轧制板材经过450℃×2h+460℃×2h+470℃×2h保温，并在室温下进行水淬固溶处理；然后进行121±5℃×5±0.5 h+133±5℃×16±1h的时效处理。之后对其抗拉强度进行测量，并进行XRD、EBSD分析，和晶间腐蚀、剥落腐蚀实验，以得到其各方面的性能指标。

本实施例的铝合金经光谱实际测量成分为：12.345%Zn, 3.08%Mg, 2.13%Cu,0.19Zr％, 0.0517%Sr余量为铝和杂质元素。

本实施例的铝合金晶粒尺寸细小，X、Y、Z方向上均低于10μm，并且三个方向上平均晶粒尺寸相近，分别为5.6μm、5.6μm、6.3μm，另外 X方向和Y方向抗拉强度分别为708.2Mpa和630.2Mpa，表现出一定的各向同性，晶间腐蚀深度为93.5μm，剥落腐蚀等级EA。

实施例四。

本实施例与实施例一类同，不同之处在于时效处理工艺改为121℃×5h+133℃×16h。

本实施例的铝合金的实测强度为785Mpa，晶间腐蚀深度为122.5μm，剥落腐蚀等级EB。

实施例五。

本实施例与实施例二类同，不同之处在于时效处理工艺改为121℃×5h+133℃×16h。

本实施例的铝合金的实测强度为673.8 Mpa，，晶间腐蚀深度60μm，剥落腐蚀等级EB。

实施例六。

本实施例与实施例一类同，不同之处在于固溶处理之前对轧制板材进行250±5℃×24 h、300±5 ℃×6 h、350±5 ℃×6 h和400±5 ℃×6 h的预回复退火处理。

本实施例的铝合金在X方向和Y方向上实测强度分别为767.6 Mpa和793.4Mpa，晶间腐蚀深度131.3μm，剥落腐蚀等级EA。

实施例七。

本实施例与实施例二类同，不同之处在于固溶处理之前对轧制板材进行250±5℃×24 h、300±5 ℃×6 h、350±5 ℃×6 h和400±5 ℃×6 h的预回复退火处理

本实施例的铝合金在X方向和Y方向上实测强度分别为689.1 Mpa和637.1Mpa，晶间腐蚀深度64.4μm，剥落腐蚀等级EC。

以上仅列出了几个常见配比的铝合金的配比及制造方法，本领域的技术人员可以根据上述实例适当地调整各组份的配比并严格按上述步骤进行制造即可获得理想的各向同性超强耐蚀铝合金轧制板材及其制备方法

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (4)

1.一种各向同性超强耐蚀铝合金轧制板材，其特征在于：它主要由铝（Al）、锌（Zn）、镁（Mg）、铜（Cu）、锆（Zr）和锶（Sr）组成，其中，锌（Zn）的质量百分比为12.18~12.51%，镁（Mg）的质量百分比为2.85~3.31%，铜（Cu）的质量百分比为1.43~2.83%，锆（Zr）的质量百分比为0.18~0.20%，锶（Sr）的质量百分比为0.0435~0.0598%，余量为铝和少量杂质元素，各组份的质量百分比之和为100%；所述的锌（Zn）、镁（Mg）、铜（Cu）其总质量百分比含量为16.92~18.19%；所述各向同性超强耐蚀铝合金轧制板材晶粒细小，X、Y、Z方向上均低于10μm，并且三个方向上平均晶粒尺寸相近，分别为8.2μm、8.7μm、9.5μm，另外X、Y方向上的抗拉强度也很接近，分别为745Mpa和760Mpa，表现出理想的各向同性，在121℃×5 h+133℃×16h时效处理下最高强度达809.2Mpa；晶间腐蚀深度109.2μm，剥落腐蚀等级EA，具有较好的抗晶间腐蚀和抗剥落腐蚀性能。

2.一种权利要求1所述的各向同性超强耐蚀铝合金轧制板材的制备方法，其特征是它依次包括：

（1）熔铸： 所述的熔铸是指将纯Al完全熔化后一次性加入Al-Cu中间合金、Al-Sr中间合金、Al-Zr中间合金，待这些合金全部熔化后依次加入纯Zn和纯Mg；待纯Mg全部熔化后再加入六氯乙烷精炼除气直至没有气体逸出，将金属液在720℃±10℃下静置保温5~10 min后去渣并浇铸成锭，所述的Al-Cu中间合金中Cu的质量百分比为50.12%，Al-Sr中间合金中Sr的质量百分比为9.89%，Al-Zr中间合金中Zr的质量百分比为4.11%；

（2）均质化退火：所述的均质化退火是指将熔铸所得的合金依次经过温度分别为400±5℃×6±0.5h，420±5℃×6±0.5h，440±5℃×6±0.5h和460±5℃×12±1h的四次退火，随炉冷却至200±5℃后取出，在空气中冷却至室温；

（3）挤压加工：所述的挤压加工是指将经过均质化处理的铸锭车削至圆棒，挤压前对合金进行480±5℃×8±0.5 h的保温处理，从炉中取出后立即进行挤压比不小于12的挤压加工；

（4）轧制加工：所述的轧制加工是指将挤压加工得到的棒材切取一段，沿轴线均分为二作为轧制试样，经过420±5℃×2±0.5h的保温处理后进行至少7道次轧制加工；

（5）固溶处理：所述的固溶处理是指将经过轧制加工的合金进行450±5℃×2±0.5h、460±5℃×2±0.5h和470±5℃×2±0.5h保温处理，然后在室温下进行水淬；

（6）时效处理：所述的时效处理是指将经过固溶处理的合金进行121±5℃×24±1 h或121±5℃×5±0.5 h+133±5℃×16±1h的时效处理。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征是所述的均质化退火的四次退火温度分别为400℃，420℃，440℃和460℃；所述的挤压温度为480℃；所述的固溶处理温度分别为450℃、460℃和470℃；所述的时效处理温度分别为121℃和121℃+133℃。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征是在固溶处理之前对轧制板材进行250±5 ℃×24 h、300±5 ℃×6 h、350±5 ℃×6 h和400±5 ℃×6 h的预回复退火处理。