CN108559894B - 一种高强高韧铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强高韧铝合金及其制备方法，该铝合金由以下成分及含量熔炼而成：Cu 1.3‑2.3wt%、Zn 6.5‑10.0wt%、Mg 2.2‑2.9wt%、Zr 0.05‑0.12wt%、Mn 0.4‑0.8wt%、Ti 0.3‑1.3 wt%、Sr 0.8‑1.1wt%、Ta 0.06‑0.20wt%、Co 0.4‑1.0wt%，余量为Al。本发明是在现有高强铝合金元素基础上，辅助以其它元素，在提高强度的基础上，仍然使铝合金的韧性保持在一个较高水平；在配方基础上采用两级均匀化处理和形变强化等过程，简化了处理步骤。

Description

一种高强高韧铝合金及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，具体涉及一种用于力学性能优异的铝合金及其制备方法。
背景技术
铝合金是以铝为基的合金的总称，主要合金元素包括铜、硅、镁、锌、锰，次要元素含有镍、铁、钛、锂等，具有密度低、比强度高、韧性好和耐腐蚀等优点，长期以来在航空航天领域广泛使用，而在材料的选用上，高强铝合金都占据着重要的地位，例如民用飞机上铝合金结构材料重量百分比达到70-80％。高强度铝合金主要是以Al-Zn-Mg-Cu系为主的合金，并开发出数十种铝合金牌号，但是上述牌号的铝合金强度为496-648MPa、伸长率5-13％，为了进一步提高该类铝合金的力学性能，技术人员在现有高强铝合金基础上开发了其它强度更高的合金，例如专利CN105543593A《高硬、高强、高韧性铝合金及其制备及同步器齿环的制法》公开的铝合金包括7.36-10.21％的Zn，2.18-3.56％的Mg，1.9-2.8％的Cu，0.15-0.40％的Zr，0.12-0.36％的Fe，0.05-0.45％的Si,0.01-0.03的Er/La/Ce。该铝合金的伸长率可以达到10.3％以上，但是抗拉强度低于700MPa。专利CN106399776A《一种800MPa超高强铝合金及其制备方法》，该铝合金包含9-11％的Zn，2.7-3.4％的Mg，2.0-2.6％的Cu，0.10-0.25％的Ce，0.05-0.15％的Er，0.10-0.20％的Zr，该铝合金的抗拉强度达到724MPa以上，但是伸长率却不超过10％。专利CN10772358A《特高强度铝合金及其制备方法》公开的铝合金强度可以达到915-945MPa，但是伸长率低于4.5％。
发明内容
本发明的目的是针对现有铝合金强度与伸长率不能兼顾的缺陷，提供一种兼具高强高韧的铝合金配方及其制备方法。
为了实现本发明的目的，通过大量试验研究并不懈努力，最终获得如下技术方案：一种高强高韧铝合金，由以下成分及含量熔炼而成：Cu 1.3-2.3wt％、Zn 6.5-10.0wt％、Mg2.2-2.9wt％、Zr 0.05-0.12wt％、Mn 0.4-0.8wt％、Ti 0.3-1.3wt％、Sr 0.8-1.1wt％、Ta0.06-0.20wt％、Co 0.4-1.0wt％，余量为Al。
优选地，如上所述高强高韧铝合金，由以下成分及含量熔炼而成：Cu 1.6-2.0wt％、Zn 7.5-9.0wt％、Mg 2.4-2.7wt％、Zr 0.07-0.09wt％、Mn 0.5-0.6wt％、Ti 0.6-0.95wt％、Sr 0.9-1.0wt％、Ta 0.10-0.16wt％、Co 0.6-0.8wt％，余量为Al。
优选地，如上所述高强高韧铝合金，其中杂质总含量≤0.01wt％。。
另外，本发明还提供上述高强高韧铝合金的制备方法，包括以下步骤(1)准备原料，(2)合金熔炼，(3)精炼处理，(4)均匀化处理，(5)挤压变形，(6)固溶处理，(7)时效处理；
其中(1)准备原料：称取铝钛中间体、铝锰中间体、纯锌、阴极铜、纯镁，纯铝、铝锆中间合金、铝锶中间合金、纯钽、铝钴中间合金，上述金属及其合金中杂质总量控制在0.01wt％以下；
(2)合金熔炼：将铝锰中间体、纯锌、阴极铜、纯镁，纯铝铝锆中间合金、铝锶中间合金、置于熔炼炉中进行熔炼，真空度低于10-2Pa，熔炼温度为680-710℃，熔炼过程中进行搅拌使原料充分混合均匀，熔炼2-4h后转入保温炉，在保温炉中加入铝钛中间体、铝钴中间合金；
(3)精炼处理：在720-750℃下进行精炼处理，精炼时间20-30min，精炼后静置15-20min，之后通过泡沫陶瓷过滤板进行在线过滤除渣，除渣后将合金溶液浇注入模具中，得到铸锭；
(4)均匀化处理：均匀化处理分为两个阶段，第一阶段在300-360℃下保温8-15h，第二阶段在460-510℃保温20-32h。
优选地，如上所述高强高韧铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(3)在浇注前对模具进行预热，预热温度400-450℃。
优选地，如上所述高强高韧铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(5)挤压温度400-420℃，变形系数15-20。
优选地，如上所述高强高韧铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(6)固溶处理温度440-460℃，时间2-3h，室温水冷。
优选地，如上所述高强高韧铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(7)时效处理温度130-160℃，时效时间15-20h，室温空冷。
本发明相对于现有技术，具有如下技术效果：
(1)在现有高强铝合金元素基础上，辅助以其它元素，在提高强度的基础上，仍然使铝合金的韧性保持在一个较高水平，铝合金抗拉强度达到824-938MPa，伸长率为8.6-12.3％；
(2)在配方基础上采用两级均匀化处理和形变强化等过程，简化了处理步骤。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的保护范围。另外，实施例中未注明具体技术操作步骤或条件者，均按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1
铝合金材料具体制备过程如下所示：
(1)准备配料：按照表1的配方量，称取铝钛中间体、铝锰中间体、纯锌、阴极铜、纯镁，纯铝、铝锆中间合金、铝锶中间合金、纯钽、铝钴中间合金，上述金属及其合金中杂质总量控制在0.01wt％以下；
(2)合金熔炼：将铝锰中间体、纯锌、阴极铜、纯镁，纯铝铝锆中间合金、铝锶中间合金、置于熔炼炉中进行熔炼，真空度为10-2Pa，熔炼温度为700℃，熔炼过程中进行磁搅拌使原料充分混合均匀，熔炼3h后转入保温炉，在保温炉中加入铝钛中间体、铝钴中间合金；
(3)精炼处理：在740℃下进行精炼处理，精炼时间24min，精炼后静置18min，之后通过泡沫陶瓷过滤板进行在线过滤除渣，除渣后将合金溶液浇注入模具中，得到铸锭，模具浇注前进行预热，预热温度420℃；
(4)均匀化处理：对得到的铸锭进行均匀化处理，第一阶段在330℃下保温10h，第二阶段在480℃保温29h；
(5)挤压变形：挤压温度400℃，变形系数17；
(6)固溶处理：固溶处理温度450℃，时间2.5h，室温水冷；
(7)时效处理：时效处理温度160℃，时效时间15h，室温空冷，得到变形铝合金。
表1铝合金试验合金设计成分表(wt％)
对制备得到的铝合金材料进行性能检测，力学性能测试方法是按照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第一部分：室温试验方法》，试验设备为日本岛津AG-50kNE万能材料试验机，结果如表2所示。
表2实施例1中不同合金的力学及腐蚀性能比较
由表2可知实施例1中序号2-5的铝合金延伸率显著高于其它组，且抗拉强度和屈服强度都较高。
对比例1
实施例1体现了在本发明配方元素下，各元素含量对材料性能影响，在此基础上，以实施例1序号3的成分及其制备过程为基础，当改变元素种类时(仅仅考察单独一种元素被替换情况)，材料性能变化，结果如表3所示。
表3成分元素改变时率合金材料性能
由表3及表2中序号3的性能比较可知，Ta、Co、Sr与其它元素共同作用下，才能达到高抗拉强度、高伸长率的要求，采用其它元素替换，则铝合金的强度和韧性都会有所降低。
对比例2
在实施例1序号3组别基础上，在步骤3精炼处理过程结束后，向金属液中添加Al-Ti-C晶粒细化剂进行晶粒细化处理，添加速度为120cm/min，规格为Φ9.5mm的线杆，晶粒细化处理后在进行后续处理，对最终得到的合金进行性能检测发现，其抗拉强度为857MPa、屈服强度786MPa、伸长率为9.7％。

Claims (7)

1.一种高强高韧铝合金，其特征在于由以下成分及含量熔炼而成：Cu 1.6-2.0wt%、Zn7.5-9.0wt%、Mg 2.4-2.7wt%、Zr 0.07-0.09wt%、Mn 0.5-0.6wt%、Ti 0.6-0.95 wt%、 Sr0.9-1.0wt%、Ta 0.10-0.16wt%、Co 0.6-0.8wt%，余量为Al。
2.根据权利要求1所述高强高韧铝合金，其特征在于，所述铝合金中杂质总含量≤0.01wt%。
3.一种权利要求1或2所述高强高韧铝合金的制备方法，其特征在于包括以下步骤（1）准备原料，（2）合金熔炼，（3）精炼处理，（4）均匀化处理，（5）挤压变形，（6）固溶处理，（7）时效处理；
其中（1）准备原料：称取铝钛中间体、铝锰中间体、纯锌、阴极铜、纯镁，纯铝、铝锆中间合金、铝锶中间合金、纯钽、铝钴中间合金，上述金属及其合金中杂质总量控制在0.01wt%以下；
（2）合金熔炼：将铝锰中间体、纯锌、阴极铜、纯镁，纯铝铝锆中间合金、铝锶中间合金、置于熔炼炉中进行熔炼，真空度低于10-2Pa，熔炼温度为680-710℃，熔炼过程中进行搅拌使原料充分混合均匀，熔炼2-4h后转入保温炉，在保温炉中加入铝钛中间体、铝钴中间合金；
（3）精炼处理：在720-750℃下进行精炼处理，精炼时间20-30min，精炼后静置15-20min，之后通过泡沫陶瓷过滤板进行在线过滤除渣，除渣后将合金溶液浇注入模具中，得到铸锭；
（4）均匀化处理：均匀化处理分为两个阶段，第一阶段在300-360℃下保温8-15h，第二阶段在460-510℃保温20-32h。
4.根据权利要求3所述所述高强高韧铝合金的制备方法，其特征在于，步骤（3）在浇注前对模具进行预热，预热温度400-450℃。
5.根据权利要求3所述所述高强高韧铝合金的制备方法，特征在于，步骤（5）挤压温度400-420℃，变形系数15-20。
6.根据权利要求3所述所述高强高韧铝合金的制备方法，其特征在于，步骤（6）固溶处理温度440-460℃，时间2-3h，室温水冷。
7.根据权利要求3所述所述高强高韧铝合金的制备方法，其特征在于，步骤（7）时效处理温度130-160℃，时效时间15-20h，室温空冷。
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