CN109423563A - 一种高强高韧抗应力腐蚀铝合金材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强高韧抗应力腐蚀铝合金材料的制备方法，该铝合金材料按照以下质量百分数的合金元素进行配料：Zn 9.6%‑10.8%、Mg 2.7%‑3.6%、Cu 2.4%‑3.3%、Ag0.2%‑0.3%、Zr 0.15%‑0.25%、Mn 0.1%‑0.2%、V 0.04%‑0.08%、Sc 0.02‑0.05%、Be 0.01%‑0.02%、Fe≤0.01%、Si≤0.02%，余量为Al；其中Zn/Mg比为3.1‑3.6，Cu/Mg比为0.7‑0.9，Zn+Mg+Cu＞15%；再经熔炼、浇铸、固溶处理、淬火、时效处理等步骤制得。本发明制得的铝合金材料不仅具有高的机械强度、还具有较高的韧性和较好的抗应力腐蚀性，耐久且经济，易于加工，可以广泛应用于航空、航天领域的结构材料。

Description

一种高强高韧抗应力腐蚀铝合金材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种高强高韧抗应力腐蚀铝合金材料的制备方法，属于铝合金铸造技术领域。
背景技术
铝合金材料具有密度小、强度高、加工性能好及焊接性能优良等特点,是重要的轻质高强结构材料，广泛应用于航空、航天领域,并成为这个领域最重要的结构材料之一。近年来，随着航空航天技术的快速发展，对结构件用铝合金材料提出了更高的要求，不仅要求具有高的机械强度,还要求保持较高的韧性和较好的抗应力腐蚀性。为此，本发明开发了一种高强高韧抗应力腐蚀铝合金材料的制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集机械强度高、韧性高、抗应力腐蚀性好为一体的铝合金材料的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种高强高韧抗应力腐蚀铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）按照以下质量百分数的合金元素进行配料：Zn 9.6%-10.8%、Mg 2.7%-3.6%、Cu2.4%-3.3%、Ag0.2%-0.3%、Zr 0.15%-0.25%、Mn 0.1%-0.2%、V 0.04%-0.08%、Sc 0.02-0.05%、Be 0.01%-0.02%、Fe≤0.01%、Si≤0.02%，余量为Al；其中Zn/Mg比为3.1-3.6，Cu/Mg比为0.7-0.9，Zn+Mg+Cu＞15%；
（2）将配好的炉料加入熔化炉中加热熔化，熔炼温度为720-740℃，待炉料全部熔化后调整温度至730-750℃，加入相当于合金液质量20-30%的熔剂覆盖造渣，双频微波交替振荡处理20-30min，扒渣后静置15-20min；然后调整温度至745-755℃，加入相当于合金液质量0.5-0.8%的六氯乙烷除气精炼，双频超声波交替振荡处理15-25min，扒渣后静置10-15min；最后取样进行炉前快速分析，分析结果符合合金成分要求即可出炉浇铸；
（3）浇铸前将金属型模预热到200-250℃，然后在690-710℃的温度下浇铸成锭；
（4）将得到的铸锭进行固溶处理：首先在真空度为0.002-0.004Pa的真空下加热至510-530℃，保温2-4h；然后在磁场强度为20-30kA/m、旋转速率为60-80min-1的旋转磁场下冷却至320-340℃；最后在真空度为0.001-0.003Pa的真空下加热至525-545℃，保温1-3h；
（5）将步骤（4）固溶处理的铸锭放入温度为20℃、质量分数为5%的盐水溶液中进行淬火处理，淬火转移时间为2-3s，淬火停放时间为3-4h；淬火处理完成后进行时效处理：首先在120-140℃下保温10-15h；然后在170-190℃下保温3-5h；最后在80-100℃下保温15-20h，空冷至室温即可。
所述双频微波交替振荡处理中双频微波交替频率为800-900MHz/2400-2500MHz，双频微波交替工作时间为5-10s，微波功率为400-500W。
所述双频超声波交替振荡处理中双频超声波交替频率为70-80KHz/30-40KHz，双频超声波交替工作时间为4-8s，超声波功率为300-400W。
所述熔剂由以下质量百分比的原料组成：光卤石50%-70%、冰晶石 10%-20%、萤石20%-30%。
本发明的有益效果：
本发明通过降低Fe、Si杂质元素的含量，保证了铝合金具有较高的塑性和断裂韧性，同时又加入少量的Mn元素，可以减少Fe、Si的有害作用，提高铝合金的抗应力腐蚀性；本发明还通过控制Zn/Mg比值，Cu/Mg比值以及Zn+Mg+Cu之和，可保证铝合金在具有较高的机械强度的基础上仍保持较高的断裂韧性和较好的抗应力腐蚀性；本发明还添加了Ag、Zr 、V、Sc等过渡族元素，这些元素可以形成弥散铝化物质点,这些质点一旦析出,很难继续溶解或聚集,有较大的弥散强化作用，此外,弥散质点能够有效阻止再结晶的形核和长大,故能细化晶粒并保证热加工及热处理后保持未再结晶或部分再结晶显微组织,使强度相应提高,抗应力腐蚀性改善。本发明分别采用双频微波交替振荡处理辅助熔剂进行覆盖扒渣和双频超声波交替振荡处理辅助六氯乙烷除气精炼，可以使铸锭具有细小的晶粒尺寸和均匀的显微结构,从而显著提高其铸态及热处理态的力学性能并获得较好的固溶和时效处理效果。本发明采用真空结合旋转磁场进行固溶处理较传统的固溶处理，可以显著提高铝合金的固溶程度，减少粗大未熔结晶相，对于提高时效析出程度和改善铝合金的机械强度、断裂韧性和抗应力腐蚀性具有显著的效果。
本发明制得的铝合金材料不仅具有高的机械强度、还具有较高的韧性和较好的抗应力腐蚀性，耐久且经济，易于加工，可以广泛应用于航空、航天领域的结构材料。
具体实施方式
实施例1
一种高强高韧抗应力腐蚀铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）按照以下质量百分数的合金元素进行配料：Zn 9.8%、Mg 2.9%、Cu 2.5%、Ag0.2%、Zr0.15%、Mn 0.1%、V 0.04%、Sc 0.02、Be 0.01%、Fe≤0.01%、Si≤0.02%，余量为Al；
（2）将配好的炉料加入熔化炉中加热熔化，熔炼温度为720℃，待炉料全部熔化后调整温度至730℃，加入相当于合金液质量20%的熔剂覆盖造渣，在双频微波交替频率为800MHz/2400MHz，双频微波交替工作时间为5s，微波功率为400W的条件下双频微波交替振荡处理30min，扒渣后静置15min；然后调整温度至745℃，加入相当于合金液质量0.5%的六氯乙烷除气精炼，在双频超声波交替频率为70KHz/30KHz，双频超声波交替工作时间为4s，超声波功率为300W的条件下双频超声波交替振荡处理25min，扒渣后静置10min；最后取样进行炉前快速分析，分析结果符合合金成分要求即可出炉浇铸；其中，所述熔剂由以下质量百分比的原料组成：光卤石50%、冰晶石 20%、萤石30%。
（3）浇铸前将金属型模预热到200℃，然后在690℃的温度下浇铸成锭；
（4）将得到的铸锭进行固溶处理：首先在真空度为0.002Pa的真空下加热至510℃，保温4h；然后在磁场强度为20kA/m、旋转速率为60min-1的旋转磁场下冷却至320℃；最后在真空度为0.001Pa的真空下加热至525℃，保温3h；
（5）将步骤（4）固溶处理的铸锭放入温度为20℃、质量分数为5%的盐水溶液中进行淬火处理，淬火转移时间为2s，淬火停放时间为3h；淬火处理完成后进行时效处理：首先在120℃下保温15h；然后在170℃下保温5h；最后在80℃下保温20h，空冷至室温即可。
上述实施例制得的铝合金主要性能如下：σb=712MPa，σ0.2=691MPa，δ=14.2%，KIC=38.3MPa·m1/2，在75%σ0.2条件下拉伸应力腐蚀寿命＞30天。
实施例2
一种高强高韧抗应力腐蚀铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）按照以下质量百分数的合金元素进行配料：Zn 10.2%、Mg3.2%、Cu 2.8%、Ag0.25%、Zr 0.2%、Mn 0.15%、V 0.06%、Sc 0.03%、Be 0.015%、Fe≤0.01%、Si≤0.02%，余量为Al；
（2）将配好的炉料加入熔化炉中加热熔化，熔炼温度为730℃，待炉料全部熔化后调整温度至740℃，加入相当于合金液质量25%的熔剂覆盖造渣，在双频微波交替频率为850MHz/2450MHz，双频微波交替工作时间为8s，微波功率为450W的条件下双频微波交替振荡处理25min，扒渣后静置18min；然后调整温度至750℃，加入相当于合金液质量0.7%的六氯乙烷除气精炼，在双频超声波交替频率为75KHz/35KHz，双频超声波交替工作时间为6s，超声波功率为350W的条件下双频超声波交替振荡处理20min，扒渣后静置12min；最后取样进行炉前快速分析，分析结果符合合金成分要求即可出炉浇铸；其中，所述熔剂由以下质量百分比的原料组成：光卤石60%、冰晶石 15%、萤石25%；
（3）浇铸前将金属型模预热到220℃，然后在700℃的温度下浇铸成锭；
（4）将得到的铸锭进行固溶处理：首先在真空度为0.003Pa的真空下加热至520℃，保温3h；然后在磁场强度为25kA/m、旋转速率为70min-1的旋转磁场下冷却至330℃；最后在真空度为0.002Pa的真空下加热至535℃，保温2h；
（5）将步骤（4）固溶处理的铸锭放入温度为20℃、质量分数为5%的盐水溶液中进行淬火处理，淬火转移时间为2s，淬火停放时间为3h；淬火处理完成后进行时效处理：首先在130℃下保温12h；然后在180℃下保温4h；最后在90℃下保温18h，空冷至室温即可。
上述实施例制得的铝合金主要性能如下：σb=723MPa，σ0.2=705MPa，δ=15.1%，KIC=44.7MPa·m1/2，在75%σ0.2条件下拉伸应力腐蚀寿命＞30天。
实施例3
一种高强高韧抗应力腐蚀铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）按照以下质量百分数的合金元素进行配料：Zn 10.8%、Mg 3.4%、Cu 3.0%、Ag0.3%、Zr 0.25%、Mn0.2%、V 0.08%、Sc 0.05%、Be 0.02%、Fe≤0.01%、Si≤0.02%，余量为Al；
（2）将配好的炉料加入熔化炉中加热熔化，熔炼温度为740℃，待炉料全部熔化后调整温度至750℃，加入相当于合金液质量30%的熔剂覆盖造渣，在双频微波交替频率为900MHz/2500MHz，双频微波交替工作时间为10s，微波功率为500W的条件下双频微波交替振荡处理20min，扒渣后静置20min；然后调整温度至755℃，加入相当于合金液质量0.8%的六氯乙烷除气精炼，在双频超声波交替频率为80KHz/40KHz，双频超声波交替工作时间为8s，超声波功率为400W的条件下双频超声波交替振荡处理25min，扒渣后静置15min；最后取样进行炉前快速分析，分析结果符合合金成分要求即可出炉浇铸；其中，所述熔剂由以下质量百分比的原料组成：光卤石70%、冰晶石 10%、萤石20%；
（3）浇铸前将金属型模预热到250℃，然后在710℃的温度下浇铸成锭；
（4）将得到的铸锭进行固溶处理：首先在真空度为0.004Pa的真空下加热至530℃，保温2h；然后在磁场强度为30kA/m、旋转速率为80min-1的旋转磁场下冷却至340℃；最后在真空度为0.003Pa的真空下加热至545℃，保温1h；
（5）将步骤（4）固溶处理的铸锭放入温度为20℃、质量分数为5%的盐水溶液中进行淬火处理，淬火转移时间为3s，淬火停放时间为4h；淬火处理完成后进行时效处理：首先在140℃下保温10h；然后在190℃下保温3h；最后在100℃下保温15h，空冷至室温即可。
上述实施例制得的铝合金主要性能如下：σb=719MPa，σ0.2=697MPa，δ=14.6%，KIC=41.1MPa·m1/2，在75%σ0.2条件下拉伸应力腐蚀寿命＞30天。

Claims (4)

1.一种高强高韧抗应力腐蚀铝合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）按照以下质量百分数的合金元素进行配料：Zn 9.6%-10.8%、Mg 2.7%-3.6%、Cu2.4%-3.3%、Ag0.2%-0.3%、Zr 0.15%-0.25%、Mn 0.1%-0.2%、V 0.04%-0.08%、Sc 0.02-0.05%、Be 0.01%-0.02%、Fe≤0.01%、Si≤0.02%，余量为Al；其中Zn/Mg比为3.1-3.6，Cu/Mg比为0.7-0.9，Zn+Mg+Cu＞15%；
（2）将配好的炉料加入熔化炉中加热熔化，熔炼温度为720-740℃，待炉料全部熔化后调整温度至730-750℃，加入相当于合金液质量20-30%的熔剂覆盖造渣，双频微波交替振荡处理20-30min，扒渣后静置15-20min；然后调整温度至745-755℃，加入相当于合金液质量0.5-0.8%的六氯乙烷除气精炼，双频超声波交替振荡处理15-25min，扒渣后静置10-15min；最后取样进行炉前快速分析，分析结果符合合金成分要求即可出炉浇铸；
（3）浇铸前将金属型模预热到200-250℃，然后在690-710℃的温度下浇铸成锭；
（4）将得到的铸锭进行固溶处理：首先在真空度为0.002-0.004Pa的真空下加热至510-530℃，保温2-4h；然后在磁场强度为20-30kA/m、旋转速率为60-80min-1的旋转磁场下冷却至320-340℃；最后在真空度为0.001-0.003Pa的真空下加热至525-545℃，保温1-3h；
（5）将步骤（4）固溶处理的铸锭放入温度为20℃、质量分数为5%的盐水溶液中进行淬火处理，淬火转移时间为2-3s，淬火停放时间为3-4h；淬火处理完成后进行时效处理：首先在120-140℃下保温10-15h；然后在170-190℃下保温3-5h；最后在80-100℃下保温15-20h，空冷至室温即可。
2.根据权利要求1所述的一种高强高韧抗应力腐蚀铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述双频微波交替振荡处理中双频微波交替频率为800-900MHz/2400-2500MHz，双频微波交替工作时间为5-10s，微波功率为400-500W。
3.根据权利要求1所述的一种高强高韧抗应力腐蚀铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述双频超声波交替振荡处理中双频超声波交替频率为70-80KHz/30-40KHz，双频超声波交替工作时间为4-8s，超声波功率为300-400W。
4.根据权利要求1所述的一种高强高韧抗应力腐蚀铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述熔剂由以下质量百分比的原料组成：光卤石50%-70%、冰晶石 10%-20%、萤石20%-30%。
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