CN110629081B - 新型耐热高强度高塑性耐腐蚀Al-Cu-Mg-Zn-Ti系铝合金及其制备方法 - Google Patents

新型耐热高强度高塑性耐腐蚀Al-Cu-Mg-Zn-Ti系铝合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种新型耐热高强度高塑性耐腐蚀Al‑Cu‑Mg‑Zn‑Ti系铝合金及其制备方法，该合金主要由铝（Al）、铜（Cu）、镁（Mg）、锌（Zn）、锶（Sr）、锆（Zr）、钛(Ti)组成，制备依次包括：熔铸；均质化退火(450℃×24h)；冷挤压；固溶处理（480℃×2h）和时效处理(120℃×12h)。本发明合金晶粒细小，合金耐热应力峰值可达302.46MPa～326.66MPa，按国标GB/T 7998‑2005其晶间腐蚀深度为95.19～146.3μm，室温拉伸强度为475.91～490.43MPa，硬度为155.63～160.80MPa，断后伸长率为16.67%～20.3%。

Description

新型耐热高强度高塑性耐腐蚀Al-Cu-Mg-Zn-Ti系铝合金及其 制备方法
技术领域
本发明涉及一种铝合金材料，尤其是新型耐热高强度高塑性耐腐蚀Al-Cu-Mg-Zn-Ti系铝合金及其制备方法。
背景技术
2000系高强铝合金具有比强度高、制造成本低、工艺性能好等一系列特点，诞生了2219、2014、2017、2124、2618等代表的合金，满足了不同历史时期航空航天、武器装备以及民用工业领域的发展需求。
耐热高强度高塑性耐腐蚀铝合金是在高温使用环境下具有组织稳定和优良力学、物理、化学性能的铝合金，普遍应用于航空航天等特殊场合中。
锶（Sr）元素是铝合金中的一种很有效的长效变质剂，不仅可以有效细化铝合金中的Si相，而且可以有效细化合金中的FeSiAl5等化合物相。锆（Zr）元素是一种与Al亲和力强的3d过渡族元素，加入到铝合金中，在合金凝固过程中锆（Zr）元素与Al形成A13Zr（熔点1580℃）等高熔点物相，对合金的后续凝固起到非均质形核作用，不仅细化合金铸态基体组织，而且促进细小等轴晶形成，提高液态合金的流动性和元素分布均匀性。钛（Ti）元素是铝合金中常用的添加元素，主要作用是细化铸造组织，减小开裂倾向，提高材料力学性能。钛（Ti）加入铝中形成Al3Ti，与熔体发生包晶反应而形成非自发核心，起细化作用。尤其Zr、Ti复合微合金化形成Al3（Zrx，Ti1-x）具有比Al3Zr、Al3Ti与Al基体间更接近的晶格匹配，能更有效地强化铝合金，具有比单一Zr、单一Ti更佳的微合金化效果。因此，Zr、Sr复合微合金化和Ti合金化可以在不降低合金铸造性能的同时，大幅提高合金的塑性和韧性。
到目前为止，我国尚未有一种具有自主知识产权的新型耐热高强度高塑性耐腐蚀的Al-Cu-Mg-Zn-Ti系铝合金可供使用，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现有的2000系铝合金存在的不足，通过成分设计和制备技术设计，发明一种新型耐热高强度高塑性耐腐蚀Al-Cu-Mg-Zn-Ti系铝合金及其制备方法，解决了2000系铝合金普遍存在的耐热与高强度高塑性及抗腐蚀很难兼顾的问题。
本发明的技术方案之一是：
一种耐热高强度高塑性耐腐蚀Al-Cu-Mg-Zn-Ti系铝合金，其特征在于：它主要由铝（Al）、铜（Cu）、镁（Mg）、锌（Zn）、锶（Sr）、锆（Zr）和钛（Ti）组成，其中铜（Cu）的质量百分比为2.84%～2.92%，镁（Mg）的质量百分比为3.81%～3.84%，锌（Zn）的质量百分比为2.89%～2.95%，锶（Sr）的质量百分比为0.1%～0.11%，锆（Zr）的质量百分比为0.18%～0.21%，钛（Ti）的质量百分比为0.47%～0.89%，余量为铝和少量杂质元素，各组份之和为100%。
所述的Cu以Al-Cu中间合金中的形式加入，所述的Zr以Al-Zr中间合金的形式加入，所述的Ti以Al-Ti-B中间合金中的形式加入。
本发明的技术方案之二是：
一种耐热高强度高塑性耐腐蚀Al-Cu-Mg-Zn-Ti系铝合金的制备方法，其特征是它依次包括：（1）熔铸；（2）均质化退火；（3）冷挤压；（4）固溶处理；（5）时效处理；
所述的熔铸：其过程为将纯Al熔化后依次加入Al-Cu中间合金、Al-Ti-B中间合金、Al-Sr中间合金、Al-Zr中间合金加入石墨坩埚并放置在真空电阻丝熔炼炉中，设定熔炼温度为900±10°C，待所有材料均融化之后再保温一小时，将温度降低至750±10°C后，搅拌后分两次加入纯Mg、纯Zn、六氯乙烷除气剂并分别保温10分钟，最后在预热过的模具中浇铸成铸锭；
所述的均质化退火：为450±10℃×24h；
所述的冷挤压：为室温下挤压比为6-8的冷挤压；
所述的固溶处理：为480±10℃×2h，水淬。
所述的时效处理：为120±10℃×12h。
即可获得耐热应力峰值302.46MPa～326.66MPa，晶间腐蚀深度为95.19～146.31μm，室温拉伸强度为475.91～490.43MPa，硬度为155.63～160.80MPa，断后伸长率为16.67%～20.3%的新型耐热高强度高塑性耐腐蚀Al-Cu-Mg-Zn-Ti系铝合金。
所述的Al-Cu中间合金中Cu的质量百分比为50.12%，Al-Zr中间合金中Zr的质量百分比为4.11%，Al-Ti-B中间合金中Ti的质量百分比为5.11%。Al-Sr中间合金中Sr的质量百分比为9.89%。
本发明的有益效果是：
（1）本发明获得了新型耐热高强度高塑性耐腐蚀Al-Cu-Mg-Zn-Ti系铝合金，在2219系铝合金成分设计的基础上，通过调整各个元素含量(尤其是Ti元素的含量），实现Zr、Ti复合微合金化形成Al3（Zrx，Ti1-x）具有比Al3Zr、Al3Ti与Al基体间更接近的晶格匹配，能更有效地强化铝合金，具有比单一Zr、单一Ti更佳的微合金化效果，同时改善热处理工艺，大幅提高了合金的耐热性。因此，Zr、Sr复合微合金化和Ti合金化可以在不降低合金铸造性能的同时，大幅提高合金的塑性和韧性。
（2）本发明的新型耐热高强度高塑性耐腐蚀Al-Cu-Mg-Zn-Ti系铝合金的合金耐热应力峰值达到了326.66MPa，按国标GB/T 7998-2005（铝合金晶间腐蚀测定方法）其晶间腐蚀深度为95.19μm，室温拉伸强度达到490.43MPa，硬度达到160.80MPa，断后伸长率达到20.3%。
（3）本发明公开了新型耐热高强度高塑性耐腐蚀Al-Cu-Mg-Zn-Ti系铝合金及其制备方法，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。
（4）本发明通过大量的试验获得了理想的制备方法，尤其是通过采用按次序加入各中间合金及纯金属的方法来控制各组份含量，按本发明的工艺能容易地得到符合要求的铝合金材料。
附图说明
图1是本发明实施例一的Ti合金化的Al-Cu-Mg-Zn系铝合金的腐蚀试样金相表面扫描电子显微镜照片。
图2是本发明实施例二的Ti合金化的Al-Cu-Mg-Zn系铝合金的腐蚀试样金相表面扫描电子显微镜照片。
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
如图1所示。
一种新型耐热耐腐蚀高强度高塑性Al-Cu-Mg-Zn-Ti系铝合金，它由以下步骤制备而成：
先将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）熔化后依次加入Al-Cu中间合金(49.62%Al, 50.12%Cu,0.15%Fe, 0.11%Si )、Al-Ti-B中间合金(5.11%Ti)、Al-Zr中间合金(95.69%Al, 4.11%Zr,0.20%Fe, 0.10%Si )、Al-Sr中间合金（90%Al，9.89%Sr，011%Si）。再加入纯Zn(Zn的损失率约为8%)，纯Mg(Mg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，熔化过程中等前一种中间合金或金属熔化后加入后一种中间合金或金属，待全部依次熔化到铝溶液中后加入六氯乙烷精炼直至没有气体溢出，静置保温10 min并去渣后浇铸成锭；对熔铸成锭的合金进行450±10℃×24h的均质化退火、冷却至室温后再进行挤压比为6-8（最佳为7）的冷挤压、480±10℃×2h保温后室温水淬完成固溶处理，然后再进行120±10℃×12h的时效处理；即获得耐热高强度高塑性耐腐蚀Al-Cu-Mg-Zn-Ti系铝合金及其制备方法。
本实施例的铝合金耐热应力峰值为302.46Mpa；按国标GB/T 7998-2005其晶间最大腐蚀深度为 95.19μm，如图1所示，室温拉伸强度达到475.91MPa，硬度达到155.63MPa，断后伸长率达到20.3%。
本实施例的铝合金经EDS实际测量成分为：2.84%Cu, 3.83%Mg, 2.95%Zn, 0.10%Sr，0.18％Zr，0.47％Ti余量为铝和杂质元素。
实施例二
如图2所示。
一种新型耐热高强度高塑性耐腐蚀Al-Cu-Mg-Zn-Ti系铝合金，由以下步骤制备而成：
先将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）熔化后依次加入Al-Cu中间合金(49.62%Al, 50.12%Cu,0.15%Fe, 0.11%Si )、Al-Zr中间合金(95.69%Al, 4.11%Zr,0.20%Fe, 0.10%Si )、Al-Sr中间合金（90%Al，9.89%Sr，011%Si）。再加入纯Zn(Zn的损失率约为8%)，纯Mg(Mg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，熔化过程中等前一种中间合金或金属熔化后加入后一种中间合金或金属，待全部依次熔化到铝溶液中后加入六氯乙烷精炼直至没有气体溢出，静置保温10 min并去渣后浇铸成锭；对熔铸成锭的合金进行450±10℃×24h的均质化退火、冷却至室温后后进行挤压比为7的冷挤压、480±10℃×2h保温后室温水淬固溶处理、120±10℃×12h的时效处理；即获得新型耐热高强度高塑性耐腐蚀Al-Cu-Mg-Zn-Ti系铝合金。
本实施例的铝合金耐热应力峰值为326.66Mpa；按国标GB/T 7998-2005其晶间最大腐蚀深度为 146.31μm，如图2所示，室温拉伸强度达到490.43MPa，硬度达到160.80MPa，断后伸长率达到16.67%。
本实施例的铝合金经EDS实际测量成分为：2.92%Cu, 3.81%Mg, 2.91%Zn, 0.10%Sr，0.21％Zr，0.89%Ti，余量为铝和杂质元素。
实施例三。
本实施例的制备方法及效果与实施例一、二相同或相近似，所不同的是本实施例的铝合金经EDS实际测量成分为：2.88%Cu, 3.84%Mg, 2.89%Zn, 0.11%Sr，0.19％Zr，0.6%Ti，余量为铝和杂质元素。
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 (2)

1.一种耐热高强度高塑性耐腐蚀Al-Cu-Mg-Zn-Ti系铝合金，其特征在于：它主要由铝（Al）、铜（Cu）、镁（Mg）、锌（Zn）、锶（Sr）、锆（Zr）和钛（Ti）组成，其中铜（Cu）的质量百分比为2.84%～2.92%，镁（Mg）的质量百分比为3.81%～3.84%，锌（Zn）的质量百分比为2.89%～2.95%，锶（Sr）的质量百分比为0.1%～0.11%，锆（Zr）的质量百分比为0.18%～0.21%，钛（Ti）的质量百分比为0.47%～0.89%，余量为铝和少量杂质元素，各组份之和为100%；所述的Cu以Al-Cu中间合金的形式加入，所述的Zr以Al-Zr中间合金的形式加入，所述的Ti以Al-Ti-B中间合金的形式加入；Al-Cu中间合金中Cu的质量百分比为50.12%，Al-Zr中间合金中Zr的质量百分比为4.11%，Al-Ti-B中间合金中Ti的质量百分比为5.11%；Al-Sr中间合金中Sr的质量百分比为9.89%。
2.一种权利要求1所述的耐热高强度高塑性耐腐蚀Al-Cu-Mg-Zn-Ti系铝合金的制备方法，其特征是它依次包括：（1）熔铸；（2）均质化退火；（3）冷挤压；（4）固溶处理；（5）时效处理；
所述的熔铸：过程为将纯Al熔化后，再依次加入Al-Cu中间合金、Al-Ti-B中间合金、Al-Sr中间合金和Al-Zr中间合金，然后一并放入石墨坩埚中，再将石墨坩埚放置在真空电阻丝熔炼炉中，设定熔炼温度为900±10°C，待所有材料均融化之后再保温一小时，将温度降低至750±10°C后，搅拌后分两次加入纯Mg、纯Zn、六氯乙烷除气剂并分别保温10分钟，最后在预热过的模具中浇铸成铸锭；
所述的均质化退火：为450±10℃×24h；
所述的冷挤压：为室温下挤压比为6-8的冷挤压；
所述的固溶处理：为480±10℃×2h，水淬；
所述的时效处理：为120±10℃×12h；
即可获得耐热应力峰值302.46MPa～326.66MPa，晶间腐蚀深度为95.19～146.31μm，室温拉伸强度为475.91～490.43MPa，硬度为155.63～160.80MPa，断后伸长率为16.67%～20.3%的耐热高强度高塑性耐腐蚀Al-Cu-Mg-Zn-Ti系铝合金。
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