CN109161742A - 一种掺杂Sc的7085铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了在7085超硬铝合金中掺杂稀土Sc以增强其性能方法。具体为一种掺杂Sc的7085铝合金及其制备方法。本发明具体成分及其质量百分比为：Sc0.1～0.4％，Zn7.0～8.0％，Mg1.2～1.6％，Cu1.3～2.0％，Zr0～0.12％，Cr0～0.04％，Si0～0.04％，Mn0～0.04％，Fe0～0.04％，Al余量。所述制备方法将各元素的重量百分比配好，经粗熔炼、铸预制坯、重熔精炼、浇模，热轧成铝合金板材，经热处理后得到性能较好的铝合金板材。本发明制备的含稀土超高强7085铝合金由于添加了稀土元素Sc，达到了细化晶粒的作用，通过合适的热处理工艺，显著提高铝合金的抗拉强度、延伸率。

Description

一种掺杂Sc的7085铝合金及其制备方法
技术领域
本发明属于铝合金及其制备领域，具体涉及一种掺杂Sc的7085铝合金及其制备方法。
背景技术
7085铝合金属于Al-Zn-Mg-Cu系铝合金，具有高强度、低密度、高比模量等优点，被广泛应用于航空、国防和民用工业等领域。随着现代化工业的迅猛发展，尤其是航空航天、武器装备、新能源等尖端领域的跨越发展，对材料综合性能的要求越来越高。
7085铝合金主要用于波音787飞机和空客A380飞机的翼梁、翼肋和起落架等重承力结构件，要求其必须具有优异的力学性能。因此，对于低Cu高Zn的7085铝合金来说，如何通过添加稀土元素、优化变形与热处理工艺、提高合金的力学性能是实际应用中需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于利用稀土元素Sc，通过添加合适的量到7085铝合金中，改善合金的组织结构和力学性能。
为了实现上述目的，本发明将通过以下技术方案：
一种稀土Sc元素增强7085铝合金按质量百分比包括以下步骤：
Sc0.1-0.4％，Zn7.0-8.0％，Mg1.2-1.8％，Cu1.3-2.0％，Zr0.08-0.15％，Cr0～0.04％，Si0～0.06％，Mn0～0.04％，Fe0～0.08％，Al余量。优选Sc0.1～0.4％，Zn7.5％，Mg1,6％，Cu2.0％，Zr0.12％，Cr0.04％，Si0.04％，Mn0.04％，Fe0.04％，Al余量。
所述的7085铝合金中Zr、Fe、Cr以粉末的形式加入，Si、Mn以Al-20Si、Al-15Mn的形式加入，Mg、Zn以镁锭、锌锭的形式加入，控制杂质Si、Fe小于0.1％，其他杂质小于0.3％。
所述的稀土Sc元素增强7085铝合金性能的制备方法，其特征在于包括以下步骤:
粗炼：将预先切好的纯铝锭放入中频感应炉中，将炉中的纯铝锭完全熔化后，将炉温升至800℃，机械搅拌后加入铜屑并静置15min，随后打开炉盖搅拌并加入锌锭、静置15min，随后按顺序加入Al-15Mn、Al-20Si、Fe粉、Zr粉、Cr粉，待全部合金元素熔化后，打开炉盖搅拌，静置10min；待炉温降至760℃～780℃，将预先准备好的镁锭加入炉中，等其熔化后进行充分搅拌，静置10min；加入六氯乙烷除杂剂，扒渣，静置5-10min，将铝合金溶液倒入坩埚中，冷却至室温得到粗炼坯。
精炼：将坩埚置于小型熔炼炉中预热500℃保温30min，然后将粗炼坯置于坩埚中并升温至750℃，将预先准备好的Al-3Sc中间合金进行预热，温度为240℃，待预制的粗炼坯熔化后，加入Al-3Sc中间合金使得Sc在合金中的总含量达到0.1～0.4％，充分搅拌后加入六氯乙烷除杂剂进行精炼处理，扒渣，静置5-10min，待温度降至720℃～730℃，将合金溶液浇入金属模具成铸坯。将合金溶液浇入铸模(预热250℃)成铸坯。
热处理：将铸坯均匀化处理后进行热轧变形，最后进行固溶时效处理。
步骤⑴中铜屑、锌锭、镁锭均事先置于干燥箱中于70℃干燥1h。
步骤⑵中所述金属模具的预热温度为200～250℃。
步骤⑶中所述的均匀化工艺为450～470℃，保温20～24h。
步骤⑶中所述的热轧温度为430～450℃变形量为60～80％，每道次下压量为1.5～2mm。
步骤⑶中所述的固溶时效处理的固溶温度为470～480℃，固溶时间为2～3h；时效温度为120～140℃，时效时间为20～24h。
本发明通过在7085铝合金中添加稀土Sc元素可以达到细化晶粒、提高综合力学性能的效果。添加的微量元素Sc的添加形成了Al3Sc相，通过热处理Al3Sc相对位错和亚晶界有强烈针扎作用，可以稳定变形组织的亚结构，阻碍合金的再结晶。
本发明制备工艺简单易操作，原料成本低，可广泛用于大规模生产，且由本发明的方法和工艺能够有效地提高合金的综合性能。
附图说明
图1为7085铝合金微观组织照片。
图2为本发明实施例1所制备合金的微观组织。
图3为本发明实施例2所制备合金的微观组织。
图4为本发明实施例3所制备合金的微观组织。
图5为本发明实施例4所制备合金的微观组织。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步说明：
对比例
7085铝合金制备
7085铝合金按照以下质量份准备原料Zn：8.0％、Mg：1.8％、Cu：2.0％、Zr：0.15％、Mn：0.04％、Si：0.06％、Fe：0.08％、Cr：0.04％、余量为Al。
将预先切好的纯铝锭放入中频感应炉中，将炉中的纯铝锭完全熔化后，将炉温升至800℃，机械搅拌后加入铜屑并静置15min，随后打开炉盖搅拌并加入锌锭、静置15min，随后按顺序加入Al-15Mn、Al-20Si、Fe粉、Zr粉、Cr粉，待全部合金元素熔化后，打开炉盖搅拌，静置10min；待炉温降至780℃，将预先准备好的镁锭加入炉中，等其熔化后进行充分搅拌，静置10min；加入六氯乙烷除杂剂，扒渣，静置10min，将铝合金溶液倒入坩埚中，冷却至室温得到粗炼坯；将坩埚置于小型熔炼炉中预热500℃保温30min，然后将粗炼坯置于坩埚中并升温至750℃，将预先准备好的Al-3Sc中间合金进行预热，温度为240℃，待预制的粗炼坯熔化后，加入六氯乙烷除杂剂进行精炼处理，扒渣，静置10min，待温度降至730℃，将合金溶液浇入金属模具成铸坯。将合金溶液浇入铸模(预热250℃)成铸坯；将铸坯均匀化处理，均匀化时间为465℃，保温24h，将均匀化处理后的7085铝合金进行热轧制，热轧温度为430℃变形量为80％，每道次下压量为2mm，每道次保温时间为10min；随后进行固溶处理时效处理，固溶时效处理的固溶温度为480℃，固溶时间为3h；时效温度为120℃，时效时间为24h。
采用上述方法制得的厚度为2mm的拉伸样，在室温下测其力学性能：抗拉强度587MPa，延伸率为11％。
实施例1
Sc掺杂的7085铝合金按照以下质量份准备原料Sc：0.1％、Zn：8.0％、Mg：1.8％、Cu：2.0％、Zr：0.15％、Mn：0.04％、Si：0.06％、Fe：0.08％、Cr：0.04％、余量为Al。
将预先切好的纯铝锭放入中频感应炉中，将炉中的纯铝锭完全熔化后，将炉温升至800℃，机械搅拌后加入铜屑并静置15min，随后打开炉盖搅拌并加入锌锭、静置15min，随后按顺序加入Al-15Mn、Al-20Si、Fe粉、Zr粉、Cr粉，待全部合金元素熔化后，打开炉盖搅拌，静置10min；待炉温降至760℃，将预先准备好的镁锭加入炉中，等其熔化后进行充分搅拌，静置10min；加入六氯乙烷除杂剂，扒渣，静置5min，将铝合金溶液倒入坩埚中，冷却至室温得到粗炼坯；将坩埚置于小型熔炼炉中预热500℃保温30min，然后将粗炼坯置于坩埚中并升温至750℃，将预先准备好的Al-3Sc中间合金进行预热，温度为240℃，待预制的粗炼坯熔化后，加入Al-3Sc中间合金使得Sc在合金中的总含量达到0.1％，充分搅拌后加入六氯乙烷除杂剂进行精炼处理，扒渣，静置5min，待温度降至720℃，将合金溶液浇入金属模具成铸坯。将合金溶液浇入铸模(预热250℃)成铸坯；将铸坯均匀化处理，均匀化时间为465℃，保温24h，将均匀化处理后的Sc掺杂7085铝合金进行热轧制，热轧温度为430℃变形量为80％，每道次下压量为1.5mm，每道次保温时间为10min；随后进行固溶处理时效处理，固溶时效处理的固溶温度为480℃，固溶时间为3h；时效温度为120℃，时效时间为24h。
采用上述方法制得的厚度为2mm的拉伸样，在室温下测其力学性能：抗拉强度728MPa，延伸率19％。
实施例2
Sc掺杂的7085铝合金按照以下质量份准备原料Sc：0.2％、Zn：7.0％、Mg：1.2％、Cu：1.3％、Zr：0.08％、Mn：0.04％、Si：0.06％、Fe：0.08％、Cr：0.04％、余量为Al。
将预先切好的纯铝锭放入中频感应炉中，将炉中的纯铝锭完全熔化后，将炉温升至800℃，机械搅拌后加入铜屑并静置15min，随后打开炉盖搅拌并加入锌锭、静置15min，随后按顺序加入Al-15Mn、Al-20Si、Fe粉、Zr粉、Cr粉，待全部合金元素熔化后，打开炉盖搅拌，静置10min；待炉温降至760℃，将预先准备好的镁锭加入炉中，等其熔化后进行充分搅拌，静置10min；加入六氯乙烷除杂剂，扒渣，静置5min，将铝合金溶液倒入坩埚中，冷却至室温得到粗炼坯；将坩埚置于小型熔炼炉中预热500℃保温30min，然后将粗炼坯置于坩埚中并升温至750℃，将预先准备好的Al-3Sc中间合金进行预热，温度为240℃，待预制的粗炼坯熔化后，加入Al-3Sc中间合金使得Sc在合金中的总含量达到0.2％，充分搅拌后加入六氯乙烷除杂剂进行精炼处理，扒渣，静置5-10min，待温度降至720℃，将合金溶液浇入金属模具成铸坯。将合金溶液浇入铸模(预热250℃)成铸坯；将铸坯均匀化处理，均匀化时间为465℃，保温24h，将均匀化处理后的Sc掺杂7085铝合金进行热轧制，热轧温度为430℃变形量为80％，每道次下压量为1.5，每道次保温时间为10min；随后进行固溶处理时效处理，固溶时效处理的固溶温度为480℃，固溶时间为3h；时效温度为120℃，时效时间为24h。
采用上述方法制得的厚度为2mm的拉伸样，在室温下测其力学性能：抗拉强度627MPa，延伸率为18％。
实施例3
Sc掺杂的7085铝合金按照以下质量份准备原料Sc：0.3％、Zn：7.0～8.0％、Mg：1.2～1.8％、Cu：1.3～2.0％、Zr：0.08～0.15％、Mn：0～0.04％、Si：0～0.06％、Fe：0～0.08％、Cr：0～0.04％、余量为Al。
将预先切好的纯铝锭放入中频感应炉中，将炉中的纯铝锭完全熔化后，将炉温升至800℃，机械搅拌后加入铜屑并静置15min，随后打开炉盖搅拌并加入锌锭、静置15min，随后按顺序加入Al-15Mn、Al-20Si、Fe粉、Zr粉、Cr粉，待全部合金元素熔化后，打开炉盖搅拌，静置10min；待炉温降至760℃，将预先准备好的镁锭加入炉中，等其熔化后进行充分搅拌，静置10min；加入六氯乙烷除杂剂，扒渣，静置5，将铝合金溶液倒入坩埚中，冷却至室温得到粗炼坯；将坩埚置于小型熔炼炉中预热500℃保温30min，然后将粗炼坯置于坩埚中并升温至750℃，将预先准备好的Al-3Sc中间合金进行预热，温度为240℃，待预制的粗炼坯熔化后，加入Al-3Sc中间合金使得Sc在合金中的总含量达到0.3％，充分搅拌后加入六氯乙烷除杂剂进行精炼处理，扒渣，静置5，待温度降至720℃，将合金溶液浇入金属模具成铸坯。将合金溶液浇入铸模(预热250℃)成铸坯；将铸坯均匀化处理，均匀化时间为465℃，保温24h，将均匀化处理后的Sc掺杂7085铝合金进行热轧制，热轧温度为430℃变形量为80％，每道次下压量为2mm，每道次保温时间为10min；随后进行固溶处理时效处理，固溶时效处理的固溶温度为480℃，固溶时间为3h；时效温度为120℃，时效时间为24h。
采用上述方法制得的厚度为2mm的拉伸样，在室温下测其力学性能：抗拉强度619MPa，延伸率为22％。
实施例4
Sc掺杂的7085铝合金按照以下质量份准备原料Sc：0.4％、Zn：8.0％、Mg：1.8％、Cu：1.3％、Zr：0.08～0.15％、Mn：0.04％、Si：0.06％、Fe：0.08％、Cr：0.04％、余量为Al。
将预先切好的纯铝锭放入中频感应炉中，将炉中的纯铝锭完全熔化后，将炉温升至800℃，机械搅拌后加入铜屑并静置15min，随后打开炉盖搅拌并加入锌锭、静置15min，随后按顺序加入Al-15Mn、Al-20Si、Fe粉、Zr粉、Cr粉，待全部合金元素熔化后，打开炉盖搅拌，静置10min；待炉温降至760℃，将预先准备好的镁锭加入炉中，等其熔化后进行充分搅拌，静置10min；加入六氯乙烷除杂剂，扒渣，静置5min，将铝合金溶液倒入坩埚中，冷却至室温得到粗炼坯；将坩埚置于小型熔炼炉中预热500℃保温30min，然后将粗炼坯置于坩埚中并升温至750℃，将预先准备好的Al-3Sc中间合金进行预热，温度为240℃，待预制的粗炼坯熔化后，加入Al-3Sc中间合金使得Sc在合金中的总含量达到0.4％，充分搅拌后加入六氯乙烷除杂剂进行精炼处理，扒渣，静置5min，待温度降至720℃，将合金溶液浇入金属模具成铸坯。将合金溶液浇入铸模(预热250℃)成铸坯；将铸坯均匀化处理，均匀化时间为465℃，保温24h，将均匀化处理后的Sc掺杂7085铝合金进行热轧制，热轧温度为430℃变形量为80％，每道次下压量为2mm，每道次保温时间为10min；随后进行固溶处理时效处理，固溶时效处理的固溶温度为480℃，固溶时间为3h；时效温度为120℃，时效时间为24h。
采用上述方法制得的厚度为2mm的拉伸样，在室温下测其力学性能：抗拉强度586MPa，延伸率为20％。
按中华人民共和国国家标准GB/T16865-2013，将实施例1-4及对比例的铝合金产品加工成标准拉伸试样，在DNS200型电子拉伸试验机上进行室温拉伸，拉伸速率为2mm/min，拉伸力学性能如表1所示。
表1：铝硅合金的拉伸力学性能
序号 抗拉强度/Mpa 延伸率％
对比例1 587 11.0
实施例1 728 19.0
实施例2 627 18.0
实施例3 619 22.0
实施例4 586 20.0
由表1可以看出，添加0.2％Sc的7085铝合金，微观组织得到改善，抗拉强度和延伸率都有所提高，通过合适的热处理工艺(即：固溶工艺为480℃×3h，时效工艺为120℃×24h)后，材料的抗拉强度和伸长率分别达到了728MPa，延伸率达到19％，其抗拉强度提升了24％，延伸率提高了72％。具有高强度、高塑性、高抗磨损性能、高抗疲劳性能、高抗应力腐蚀性能与剥落性能的优点，适用于大厚度的结构件，在新一代大飞机结构结构件中具有广泛的应用前景。

Claims (7)

1.一种掺杂Sc的7085铝合金，其特征在于，按质量百分比包括以下组分：Sc0.1-0.4％，Zn7.0-8.0％，Mg1.2-1.8％，Cu1.3-2.0％，Zr0.08-0.15％，Cr0～0.04％，Si0～0.06％，Mn0～0.04％，Fe0～0.08％，Al余量。
2.一种权利要求1所述的掺杂Sc的7085铝合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，
⑴粗炼：将纯铝锭放入感应炉中，待纯铝锭完全熔化后，将炉温升至750-800℃，搅拌后加入铜并静置，后搅拌并加入锌锭后静置，随后按顺序加入Al-15Mn(15％Mn)中间合金、Al-20Si(20wt.％Si)中间合金、Fe粉、Zr粉、Cr粉，待全部合金元素熔化后，打开炉盖搅拌后静置；待炉温降至760℃～780℃，将镁加入炉中，搅拌后静置；加入六氯乙烷除杂剂，扒渣，静置5-10min，冷却得到粗炼坯；
⑵精炼：将粗炼坯置于熔炼炉中在450-500℃下预热，然后将粗炼坯升温至750-800℃，将准备好的Al-3Sc中间合金进行预热干燥，温度为200～240℃，待粗炼坯熔化后，加入Al-3Sc(3％Sc)中间合金使得Sc在合金中的总含量达到0.1～0.4wt.％，后加入六氯乙烷除杂剂，扒渣，静置5-10min，待温度降至720℃-730℃，将合金溶液浇入金属模具成铸坯；
⑶热处理：将铸坯进行均匀化处理后进行热轧变形，后进行固溶时效处理。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤⑴中所述铜屑、锌锭和镁锭在置于干燥箱中于70-120℃干燥0.5-1.5h。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤⑵中所述金属模具的预热温度为200～250℃。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤⑶中，所述的均匀化处理为450～470℃保温20～24h。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤⑶中，所述的热轧温度为430～450℃变形量为60～80％，每道次下压量为1.5～2mm。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤⑶中，所述的固溶时效处理的固溶温度为470～480℃，固溶时间为2～3h；时效温度为120～140℃，时效时间为20～24h。
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