CN108754257A - 一种高强高韧铝合金锻件及其制备方法 - Google Patents

一种高强高韧铝合金锻件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种高强高韧铝合金锻件及其制备方法，属于金属材料工程领域。该高强高韧铝合金锻件含有的化学成分及其质量百分比为：Zn：9.8％～12.4％，Mg：0.3％～2.0％，Cu：1.3％～2.4％，Zr：0.04％～0.20％，Mn：0.10％～0.60％，Si≤0.08％，Fe≤0.10％，Ti≤0.10％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al；其通过熔铸、二级均匀化处理、挤压加工后，固溶、淬火、时效处理，锻造成型，再经过第二次固溶后，淬火，分级人工强制时效处理后，得到可供加工零件使用的高强高韧铝合金锻件，锻件显微组织均匀、性能稳定，极限抗拉强度高，延伸率高。该材料制品可用于航空航天、核工业、交通运输、体育用品、兵器等领域的结构元件。

Description

一种高强高韧铝合金锻件及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高强高韧铝合金锻件及其制备方法，属于金属材料工程领域。
背景技术
近年来，随着铝冶金装备技术及冶金学基础技术水平的提高，铝合金的发展趋势为制备高纯净、高性能及高合金化的铝合金，目前，已经出现了通过熔铸技术制造的600MPa级及通过粉末冶金技术制造800MPa级的铝合金。而这些铝合金断裂韧度往往不令人满意。
600MPa级铝合金已经工业化应用，目前达到工业化应用水平的超高强铝合金有美国7055(Al-8％Zn-2.0％Mg-2.2％Cu-0.10％Zr)、7068(Al-7.8％Zn-2.5％Mg-2.0％Cu-0.10％Zr)及俄罗斯B96系(Al-8.5％Zn-2.6％Mg-2.3％Cu-0.15％Zr)铝合金。国内也发展600MPa级铝合金，并已进行工业化生产，但其变形最小的方向—变形最大的方向的(T-L向)平面应变断裂韧度KⅠc仅达25MPam1/2以下。
发明内容
针对现有技术的问题，本发明提出了一种高强高韧铝合金锻件及其制备方法，该高强高韧铝合金锻件是一种新型的高饱和组分Al-Zn-Mg-Cu系高强铝合金锻件，为7000系合金。
本发明的一种高强高韧铝合金锻件，其含有的化学成分及各个成分的质量百分比为：Zn为9.8％～12.4％，Mg为0.3％～2.0％，Cu为1.3％～2.4％，Zr为0.04％～0.20％，Mn为0.10％～0.60％，Si≤0.08％，Fe≤0.10％，Ti≤0.10％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al。
本发明的一种高强高韧铝合金锻件的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：熔铸
按高强高韧铝合金锻件的化学成分配料，将原料熔化后，经炉内精炼，静置后，浇铸，得到合金铸锭；
步骤2：均匀化处理挤压加工
将合金铸锭均匀化处理后，进行挤压加工，得到横截面为矩形的坯料；
所述的均匀化处理的工艺为：第一级均匀化处理温度为410℃～430℃，保温6±1h；第二级均匀化处理温度为450℃～480℃，保温时间≥36h；
步骤3：热处理
将坯料，固溶、淬火、时效处理后，锻造成型，得到锻件；其中，所述的时效处理的工艺为：110℃～175℃保温时间≥4h；
步骤4：人工强制时效
将锻件进行第二次固溶后，淬火，进行分级人工强制时效处理后，得到可供加工零件使用的高强高韧铝合金锻件；其中，所述的分级人工强制时效处理的工艺分为两种，分别为：峰值时效处理工艺：65℃～80℃/24h+115℃～145℃/10h～30h，过时效处理工艺：65℃～80℃/≥24h+105℃～145℃/≥4h+150℃～180℃/6h～30h。
所述的步骤1中，所述的熔铸工艺，其工艺参数为7000系常规熔铸工艺，优选为7075合金常规熔铸工艺。
所述的步骤2中，所述的挤压加工的工艺为：将均匀化处理后的合金铸锭扒皮后，按照7000系合金的常规工艺进行挤压，优选为7075合金的常规工艺进行挤压，挤压比为4-8。
所述的步骤3中，所述的固溶温度为460℃～480℃，固溶时间为1～2h。
所述的步骤3中，所述的锻造成型采用的工艺按7000系合金的常规工艺进行，优选为7075合金常规工艺。
所述的步骤4中，所述的第二次固溶温度为460℃～480℃，固溶时间为1～2h。
所述的步骤4中，人工强制时效处理过程中，在65℃～80℃的长时效处理，是预析出阶段，该阶段可控制材料第二相析出的系列，从而使得强化相析出更充分。
本发明的一种高强高韧铝合金锻件，采用上述制备方法制得。
本发明的一种高强高韧铝合金锻件，其极限抗拉强度≥740MPa，延伸率≥10％，T-L向KⅠc≥29MPam1/2。
本发明的一种高强高韧铝合金锻件及其制备方法，其有益效果在于：
1、本发明制备的新型超高强高韧铝合金锻件的显微组织均匀、性能稳定，极限抗拉强度可达740MPa以上，同时延伸率高于10％、T-L向KⅠc可达29MPam1/2。该材料制品可用于航空航天、核工业、交通运输、体育用品、兵器等领域的结构元件。
2、本发明是一种7000系高饱和合金元素铝合金，主合金元素Zn及Mg形成主要强化相，另一主合金元素Cu起辅助强化效果，同时起到提高提高合金耐应力腐蚀性能的作用，2％以上则损伤材料普通腐蚀性能，本发明通过提高Zn及Mg含量，进一步提高合金强度及韧度综合性能。研究发现，Zn含量的增加至9.0％以上，将促进合金元素Cu材料普通腐蚀性能的损伤，如保持材料较高的普通腐蚀性能，合金元素Cu加入上限介于1.9％～2.4％间，加入微量合金元素Mn，采用Mn+Zr复合微合金化技术，在于控制材料组织织构，降低各向异性，提高材料应力腐蚀性能。
3、本发明在锻件锻造成型前对挤压锻坯进行了热处理，通过固溶时效处理，使高饱和组分铝合金挤压坯料完成第二相晶内及晶界析出，可促进锻造加热的合金元素回熔，可有效降低晶间未溶物，促进锻件的强化第二相均匀析出。
4、本发明结合研究了长时时效对析出相的种类及形态的影响，研究表明：80℃以下GP(Ⅰ)区均匀充分析出，随着温度升高其尺寸亦增大，达到溶质原子与析出相的平衡；105℃以上GP(Ⅱ)区析出，且GP(Ⅰ)区快速析出，并向η’相转化，140℃以上GP(Ⅰ)区向η’相转化行为明显；170℃以上达到了GP区回溶临界温度，材料沉淀相行为以GP区转化及回溶为主。本发明依据以上强化相析出序列，提出了一种分级时效工艺，可充分的提高材料强韧化效果。
具体实施方式
以下实施例说明了该新型高强高韧铝合金锻件及其制备过程及工艺控制，从而确保合金性能的稳定，以使其在航空航天、核工业、交通运输、体育用品、兵器等领域更好的应用。
实施例
一种高强高韧铝合金锻件，其含有的化学成分及各个成分的质量百分比为：
主成分：Zn为9.8％～12.4％，Mg为0.3％～2.0％，Cu为1.3％～2.4％；
其他微合金元素：Zr为0.04％～0.20％，Mn为0.10％～0.60％，Si≤0.08％，Fe≤0.10％，Ti≤0.10％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al。
一种高强高韧铝合金锻件的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：熔铸
采用7075合金常规工艺浇铸，得到合金铸锭，合金铸锭含有的各个成分及含量见表1。
表1合金铸锭的各个成分及含量
步骤2：均匀化处理挤压加工
将合金铸锭经均匀化处理后，进行挤压，得到横截面为矩形的坯料；
其中，均匀化处理工艺为：第一级均匀化处理温度为410℃～430℃，保温6±1h；第二级均匀化处理温度为450℃～480℃，保温时间为36h。
挤压工艺为：按7075合金的挤压工艺执行；
其中，实施例1～8的挤压比为4，实施例9～15的挤压比为6，实施例15～23的挤压比为8。
步骤3：热处理
对矩形的坯料进行热处理，先固溶，固溶温度为460℃～480℃，固溶1～2h，然后经水淬后，进行时效处理：
其中，各个实施例采用的时效制度分别为：实施例1～4的时效处理工艺为：165℃/6h、实施例5～8的时效处理工艺为：110℃/30h、实施例9～12的时效处理工艺为：120℃/30h、实施例13～16的时效处理工艺为：140℃/20h、实施例17～20的时效处理工艺为：160℃/10h、实施例21～23的时效处理工艺为：170℃/4h；
将时效处理后坯料锻造成锻件，锻造工艺按7075合金执行。
步骤4：人工强制时效
实施例1～10为：将锻件淬火后，进行峰值时效处理工艺，得到可供加工零件使用的高强高韧铝合金，随后加工成所需零部件，得到高强高韧铝合金锻件；
其中，峰值时效处理工艺为：65℃～80℃/24h+115℃～145℃/10h～30h。
实施例11～23为：将锻件淬火后，进行过时效处理工艺，得到可供加工零件使用的高强高韧铝合金，随后加工成所需零部件，得到高强高韧铝合金锻件；
其中，过时效处理工艺制度为：65℃～80℃/≥24h+105℃～145℃/≥4h+150℃～180℃/6h～30h。
对比例1
一种铝合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：熔铸
采用实施例1的成分含量配料，根据7075合金常规熔铸工艺，进行熔铸，得到合金铸锭；
步骤2：均匀化处理
将合金铸锭进行均匀化处理，均匀化处理工艺为：均匀化处理温度为450℃～480℃，保温时间为36h。
步骤3：热处理
将均匀化后的铸锭，固溶、淬火、时效处理后，得到传统工艺制备的铝合金锻件。其中，固溶温度为460℃～480℃，固溶1～2h，时效制度为165℃/6h。
采用对比例1的传统工艺与本发明实施例1采用人工峰值时效制备工艺制成的高强高韧铝合金锻件性能对比见表2。
表2人工峰值时效锻件性能
注：在断裂韧性试验中的取向为L-T向；
对比例2
一种铝合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：熔铸
采用实施例11的成分含量配料，根据7075合金常规熔铸工艺，进行熔铸，得到合金铸锭；
步骤2：均匀化处理
将合金铸锭进行均匀化处理，均匀化处理工艺为：均匀化处理温度为450℃～480℃，保温时间为36h。
步骤3：热处理
将均匀化后的铸锭，固溶、淬火、时效处理后，得到传统工艺制备的铝合金锻件。其中，固溶温度为460℃～480℃，固溶1～2h，时效制度为120℃/30h。
采用对比例2中的传统工艺与本发明实施例11采用人工过时效制备工艺制成的高强高韧铝合金锻件性能对比见表3。
表3人工过时效锻件性能

Claims (7)

1.一种高强高韧铝合金锻件，其特征在于，该高强高韧铝合金锻件含有的化学成分及各个成分的质量百分比为：Zn为9.8％～12.4％，Mg为0.3％～2.0％，Cu为1.3％～2.4％，Zr为0.04％～0.20％，Mn为0.10％～0.60％，Si≤0.08％，Fe≤0.10％，Ti≤0.10％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al。
2.权利要求1所述的高强高韧铝合金锻件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：熔铸
按高强高韧铝合金锻件的化学成分配料，将原料熔化后，经炉内精炼，静置后，浇铸，得到合金铸锭；
步骤2：均匀化处理挤压加工
将合金铸锭均匀化处理后，进行挤压加工，得到横截面为矩形的坯料；
所述的均匀化处理的工艺为：第一级均匀化处理温度为410℃～430℃，保温6±1h；第二级均匀化处理温度为450℃～480℃，保温时间≥36h；
步骤3：热处理
将坯料，固溶、淬火、时效处理后，锻造成型，得到锻件；其中，所述的时效处理的工艺为：110℃～175℃保温时间≥4h；
步骤4：人工强制时效
将锻件进行第二次固溶后，淬火，进行分级人工强制时效处理后，得到可供加工零件使用的高强高韧铝合金锻件；其中，所述的分级人工强制时效处理的工艺分为两种，分别为：峰值时效处理工艺：65℃～80℃/24h+115℃～145℃/10h～30h，过时效处理工艺：65℃～80℃/≥24h+105℃～145℃/≥4h+150℃～180℃/6h～30h。
3.如权利要求2所述的高强高韧铝合金锻件的制备方法，其特征在于，所述的步骤2中，所述的挤压加工的工艺为：将均匀化处理后的合金铸锭扒皮后，进行挤压，挤压比为4-8。
4.如权利要求2所述的高强高韧铝合金锻件的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中，所述的固溶温度为460℃～480℃，固溶时间为1～2h。
5.如权利要求2所述的高强高韧铝合金锻件的制备方法，其特征在于，所述的步骤4中，所述的第二次固溶温度为460℃～480℃，固溶时间为1～2h。
6.一种高强高韧铝合金锻件，其特征在于，采用权利要求1～5中任意一项所述的高强高韧铝合金锻件的制备方法制得。
7.如权利要求1或6所述的高强高韧铝合金锻件，其特征在于，该高强高韧铝合金锻件的极限抗拉强度≥740MPa，延伸率≥10％，T-L向KⅠc≥29MPam1/2。
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