CN110656268B - 一种高强度抗疲劳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度抗疲劳铝合金及其制备方法,合金的成分按质量百分比包括:Cu:3.6‑4.1%、Mg:0.6‑1.1%、Mn:0.57‑0.69%、Ti+La:0.35‑0.72%、Ni:0.15‑0.31%、Fe:0.41‑0.53%、Si:0.11‑0.27%、Zr:0.04‑0.13%、Ce:0.12‑0.26%、W:0.1‑0.18%、Y:0.12‑0.19%、Ge:0.32‑0.46%、Sn:0.03‑0.12%、Pr+Nd+Er:0.16‑0.29%、V:0.05‑0.09%、余量为Al。本发明提出的铝合金的制备方法过程简单,得到的铝合金强度高、韧性好、热稳定性和抗疲劳性优异。
Description
技术领域
本发明涉及铝材技术领域,具体涉及一种高强度抗疲劳铝合金及其制备方法。
背景技术
铝合金是以铝为基体元素的合金总称,其作为工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料,具有密度小、强度高、塑性好、易加工、耐腐蚀、导电、导热和抗蚀性优良、易表面着色、可回收再生等优点,目前已被广泛应用于航空、航天、汽车、建筑包装、舰船及化学工业等领域。随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展,对材料的性能提出了新的要求,铝合金型材正面临前所未有的挑战,尽管我国在铝合金研究方面确实取得了很多成果,目前市场上的铝合金种类繁多,但是与国外仍有一定的差距。现有铝合金型材的某些性能仍不是很理想,例如强度、抗疲劳性和耐热性,使铝合金构件在实际应用中易失效,使其应用范围受到了一定限制。
发明内容
为了解决背景技术中存在的技术问题,本发明提出了一种高强度抗疲劳铝合金及其制备方法,所述制备方法过程简单,得到的铝合金强度高、韧性好、热稳定性和抗疲劳性能优异,使用寿命长。
本发明提出的一种高强度抗疲劳铝合金,其成分按质量百分比包括:Cu:3.6-4.1%、Mg:0.6-1.1%、Mn:0.57-0.69%、Ti+La:0.35-0.72%、Ni:0.15-0.31%、Fe:0.41-0.53%、Si:0.11-0.27%、Zr:0.04-0.13%、Ce:0.12-0.26%、W:0.1-0.18%、Y:0.12-0.19%、Ge:0.32-0.46%、Sn:0.03-0.12%、Pr+Nd+Er:0.16-0.29%、V:0.05-0.09%、余量为Al。
优选地,其成分中,Cu、Mg、Ce、W的质量百分比满足以下关系式:Cu/Mg=3.9-4.6,且0.31%≤Ce+W≤0.38%。
优选地,其成分中,Ti与La的质量百分比满足以下关系式:3×La≤Ti。
优选地,其成分中,Pr、Nd、Er的质量百分比满足以下关系式:Er≥2.2×(Pr+Nd)。
优选地,所述高强度抗疲劳铝合金,其成分按质量百分比包括:Cu:3.9%、Mg:1%、Mn:0.59%、Ti:0.49%、La:0.16%、Ni:0.22%、Fe:0.47%、Si:0.19%、Zr:0.09%、Ce:0.21%、W:0.12%、Y:0.17%、Ge:0.38%、Sn:0.08%、Pr:0.03%、Nd:0.06%、Er:0.2%、V:0.06%、余量为Al。
本发明还提出的一种所述高强度抗疲劳铝合金的制备方法,包括以下步骤:
S1、以Al-Cu中间合金、纯镁、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金、Al-La中间合金、Al-Ni中间合金、Al-Fe中间合金、Al-Si中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Ce中间合金、Al-W中间合金、Al-Y中间合金、纯锗、Al-Sn中间合金、Al-Pr中间合金、Al-Nd中间合金、Al-Er中间合金、Al-V中间合金和高纯铝为原料,将各原料进行熔炼,浇铸后得到合金铸锭;
S2、将合金铸锭依次进行均匀化处理、热轧、中间退火、冷轧、固溶处理、淬火和人工时效处理得到所述高强度抗疲劳铝合金。
优选地,在S2中,所述均匀化处理的工艺包括:以1-3℃/min的升温速率升温至230-270℃保温3.5-5h,然后以2-4℃/min的升温速率升温至420-450℃保温5.5-8.5h,然后以5-7℃/min的升温速率升温至525-533℃保温12-18h。
优选地,在S2中,所述热轧的温度为455-475℃;所述冷轧的变形量为63-72%。
优选地,在S2中,固溶处理的温度为540-555℃,时间为22-35min。
优选地,在S2中,所述人工时效处理的温度为180-190℃,时间为60-120min。
优选地,在S1中,所述高纯铝的纯度≥99.9%;所述纯镁的纯度≥99.99%。
优选地,在S2中,所述淬火为冷水淬火,所用冷水的温度为20-25℃。
优选地,在S2中,所述中间退火的温度为375-395℃,时间为50-120min。
本发明所述高强度抗疲劳铝合金,其添加了Cu、Mg、Mn、Ti、La、Ni、Fe、Si、Zr、Ce、W、Y、Ge、Sn、Pr、Nd、Er、V多种元素,并优化了合金的含量,调整了制备的工艺条件,使各元素发挥协同作用,使所得铝合金强度高、韧性好、耐热性和抗疲劳性能优异;具体的,控制了Cu、Mg的含量以及两者的比例,并加入了Ce、W、Y进行微合金化,且使Ce、W的质量含量满足0.31%≤Ce+W≤0.38%,调节了基体中S(Al2CuMg)相、θ(Al2Cu)、θ′(Al2Cu)的含量,并形成了细小弥散的Alx(Ce,W)、CeAl4以及Al8Cu4等,改善了合金的显微组织,抑制了基体变形、晶界的移动以及晶粒的长大,防止了Al的挥发,使所得铝合金在高温下具有较高的强度,赋予铝合金优异的耐热性和强度;V与Sn配合加入体系中,两者具有协同作用,提高了合金的断裂韧性和抗疲劳能力;Ge、La加入体系中,与Si配合,促进了基体中S相的析出,同时降低了晶粒的长大速度,提高了合金的硬度和抗拉强度;Pr、Nd、Er加入体系中,并调节使三者的质量含量满足Er≥2.2×(Pr+Nd),三者具有协同作用,进一步提高了合金的强度;Zr、Ti加入体系中,同时使Ti、La的质量含量满足3×La≤Ti,使Zr、Ti、La三者具有协同作用,细化了组织,调节了合金的再结晶温度,使所得铝合金强度和韧性好;在铝合金的制备方法中,控制了均匀化处理的工艺,消除了合金中的枝晶偏析,同时能使合金中因Er等的加入产生的较粗大的第二相颗粒溶解,提高了合金的疲劳裂纹扩展阻力,同时提高了合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率;具体选择455-475℃为热轧的温度,同时选择在540-555℃下固溶处理22-35min的固溶工艺,使合金发生动态再结晶,形成较多具有一定取向的再结晶织构,降低了合金的疲劳裂纹扩展速率,有效提高了合金的抗疲劳性能;具体控制了冷轧变形量为63-72%,产生了大量的交互作用强的位错,形成更加细小的晶粒,阻碍疲劳裂纹的扩展,进一步提高了基体的疲劳性能;在180-190℃下进行人工时效处理60-120min,在合金中形成了细小弥散并与合金基体呈共格界面特征的析出相,阻碍位错运动,在不降低疲劳性的条件下提高了合金的屈服强度。
具体实施方式
下面,通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
一种高强度抗疲劳铝合金,其成分按质量百分比包括:Cu:4.1%、Mg:0.6%、Mn:0.69%、Ti:0.5%、La:0.1%、Ni:0.15%、Fe:0.46%、Si:0.11%、Zr:0.1%、Ce:0.12%、W:0.13%、Y:0.12%、Ge:0.37%、Sn:0.03%、Pr+Nd+Er:0.22%、V:0.05%、余量为Al。
实施例2
一种高强度抗疲劳铝合金,其成分按质量百分比包括:Cu:3.6%、Mg:0.9%、Mn:0.57%、Ti:0.55%、La:0.17%、Ni:0.31%、Fe:0.53%、Si:0.27%、Zr:0.13%、Ce:0.26%、W:0.1%、Y:0.19%、Ge:0.46%、Sn:0.07%、Pr:0.02%、Nd:0.07%、Er:0.2%、V:0.09%、余量为Al。
本发明还提出的一种所述高强度抗疲劳铝合金的制备方法,包括以下步骤:
S1、以Al-Cu中间合金、纯镁、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金、Al-La中间合金、Al-Ni中间合金、Al-Fe中间合金、Al-Si中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Ce中间合金、Al-W中间合金、Al-Y中间合金、纯锗、Al-Sn中间合金、Al-Pr中间合金、Al-Nd中间合金、Al-Er中间合金、Al-V中间合金和高纯铝为原料,将各原料进行熔炼,浇铸后得到合金铸锭;
S2、将合金铸锭依次进行均匀化处理、热轧、中间退火、冷轧、固溶处理、淬火和人工时效处理得到所述高强度抗疲劳铝合金;其中,所述均匀化处理的工艺包括:以3℃/min的升温速率升温至270℃保温3.5h,然后以3℃/min的升温速率升温至420℃保温8.5h,然后以6℃/min的升温速率升温至525℃保温12h;所述热轧的温度为455℃;所述冷轧的变形量为72%;固溶处理的温度为540℃,时间为35min;所述人工时效处理的温度为180℃,时间为120min。
实施例3
一种高强度抗疲劳铝合金,其成分按质量百分比包括:Cu:3.8%、Mg:0.9%、Mn:0.62%、Ti:0.27%、La:0.08%、Ni:0.27%、Fe:0.41%、Si:0.19%、Zr:0.04%、Ce:0.17%、W:0.18%、Y:0.16%、Ge:0.32%、Sn:0.12%、Pr:0.03%、Nd:0.01%、Er:0.12%、V:0.06%、余量为Al。
本发明还提出的一种所述高强度抗疲劳铝合金的制备方法,包括以下步骤:
S1、以Al-Cu中间合金、纯镁、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金、Al-La中间合金、Al-Ni中间合金、Al-Fe中间合金、Al-Si中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Ce中间合金、Al-W中间合金、Al-Y中间合金、纯锗、Al-Sn中间合金、Al-Pr中间合金、Al-Nd中间合金、Al-Er中间合金、Al-V中间合金和高纯铝为原料,将各原料进行熔炼,浇铸后得到合金铸锭;
S2、将合金铸锭依次进行均匀化处理、热轧、中间退火、冷轧、固溶处理、淬火和人工时效处理得到所述高强度抗疲劳铝合金;其中,所述均匀化处理的工艺包括:以1℃/min的升温速率升温至240℃保温4h,然后以4℃/min的升温速率升温至450℃保温5.5h,然后以7℃/min的升温速率升温至533℃保温18h;所述热轧的温度为460℃;所述冷轧的变形量为65%;固溶处理的温度为555℃,时间为22min;所述人工时效处理的温度为190℃,时间为60min。
实施例4
一种高强度抗疲劳铝合金,其成分按质量百分比包括:Cu:3.6%、Mg:0.8%、Mn:0.61%、Ti:0.46%、La:0.14%、Ni:0.31%、Fe:0.53%、Si:0.19%、Zr:0.09%、Ce:0.13%、W:0.18%、Y:0.17%、Ge:0.38%、Sn:0.12%、Pr:0.07%、Nd:0.01%、Er:0.19%、V:0.06%、余量为Al。
本发明还提出的一种所述高强度抗疲劳铝合金的制备方法,包括以下步骤:
S1、以Al-Cu中间合金、纯镁、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金、Al-La中间合金、Al-Ni中间合金、Al-Fe中间合金、Al-Si中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Ce中间合金、Al-W中间合金、Al-Y中间合金、纯锗、Al-Sn中间合金、Al-Pr中间合金、Al-Nd中间合金、Al-Er中间合金、Al-V中间合金和高纯铝为原料,将各原料进行熔炼,浇铸后得到合金铸锭;
S2、将合金铸锭依次进行均匀化处理、热轧、中间退火、冷轧、固溶处理、淬火和人工时效处理得到所述高强度抗疲劳铝合金;其中,所述均匀化处理的工艺包括:以2℃/min的升温速率升温至230℃保温5h,然后以2℃/min的升温速率升温至430℃保温7h,然后以5℃/min的升温速率升温至530℃保温14h;所述热轧的温度为475℃;所述冷轧的变形量为63%;固溶处理的温度为545℃,时间为28min;所述人工时效处理的温度为185℃,时间为110min。
实施例5
一种高强度抗疲劳铝合金,其成分按质量百分比包括:Cu:4.1%、Mg:1.05%、Mn:0.57%、Ti:0.3%、La:0.05%、Ni:0.17%、Fe:0.47%、Si:0.11%、Zr:0.07%、Ce:0.21%、W:0.17%、Y:0.13%、Ge:0.41%、Sn:0.05%、Pr:0.01%、Nd:0.01%、Er:0.23%、V:0.08%、余量为Al。
本发明还提出的一种所述高强度抗疲劳铝合金的制备方法,包括以下步骤:
S1、以Al-Cu中间合金、纯镁、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金、Al-La中间合金、Al-Ni中间合金、Al-Fe中间合金、Al-Si中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Ce中间合金、Al-W中间合金、Al-Y中间合金、纯锗、Al-Sn中间合金、Al-Pr中间合金、Al-Nd中间合金、Al-Er中间合金、Al-V中间合金和高纯铝为原料,将各原料进行熔炼,浇铸后得到合金铸锭;
S2、将合金铸锭依次进行均匀化处理、热轧、中间退火、冷轧、固溶处理、淬火和人工时效处理得到所述高强度抗疲劳铝合金;其中,所述均匀化处理的工艺包括:以2.5℃/min的升温速率升温至260℃保温4.5h,然后以3.5℃/min的升温速率升温至430℃保温6h,然后以6℃/min的升温速率升温至525℃保温17h;所述热轧的温度为460℃;所述冷轧的变形量为65%;固溶处理的温度为548℃,时间为25min;所述人工时效处理的温度为182℃,时间为115min。
实施例6
一种高强度抗疲劳铝合金,其成分按质量百分比包括:Cu:3.9%、Mg:1%、Mn:0.59%、Ti:0.49%、La:0.16%、Ni:0.22%、Fe:0.47%、Si:0.19%、Zr:0.09%、Ce:0.21%、W:0.12%、Y:0.17%、Ge:0.38%、Sn:0.08%、Pr:0.03%、Nd:0.06%、Er:0.2%、V:0.06%、余量为Al。
本发明还提出的一种所述高强度抗疲劳铝合金的制备方法,包括以下步骤:
S1、以Al-Cu中间合金、纯镁、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金、Al-La中间合金、Al-Ni中间合金、Al-Fe中间合金、Al-Si中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Ce中间合金、Al-W中间合金、Al-Y中间合金、纯锗、Al-Sn中间合金、Al-Pr中间合金、Al-Nd中间合金、Al-Er中间合金、Al-V中间合金和高纯铝为原料,将各原料进行熔炼,浇铸后得到合金铸锭;
S2、将合金铸锭依次进行均匀化处理、热轧、中间退火、冷轧、固溶处理、淬火和人工时效处理得到所述高强度抗疲劳铝合金;其中,所述均匀化处理的工艺包括:以2℃/min的升温速率升温至255℃保温4h,然后以3℃/min的升温速率升温至428℃保温8h,然后以6℃/min的升温速率升温至530℃保温16h;所述热轧的温度为470℃;所述冷轧的变形量为70%;固溶处理的温度为543℃,时间为32min;所述人工时效处理的温度为188℃,时间为70min。
对本发明实施例中的高强度抗疲劳铝合金进行性能检测,其抗拉强度为567-588MPa,屈服强度为457-471MPa,延伸率为21-24%;在200℃下热暴露500h后的室温拉伸强度为469-487MPa,屈服强度为385-396MPa,延伸率为13-16%;在250℃的抗拉强度可以达到303MPa以上,300℃的抗拉强度可以达到197MPa以上;当ΔK=30MPa·m1/2时,裂纹扩展速率为1×10-3-1.3×10-3mm/cycle。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高强度抗疲劳铝合金,其特征在于,其成分按质量百分比包括:Cu:3.8-4.1%、Mg:1-1.1%、Mn:0.57-0.69%、Ti+La:0.35-0.72%、Ni:0.15-0.31%、Fe:0.41-0.53%、Si:0.11-0.27%、Zr:0.04-0.13%、Ce:0.12-0.26%、W:0.1-0.18%、Y:0.12-0.19%、Ge:0.32-0.46%、Sn:0.03-0.12%、Pr+Nd+Er:0.16-0.29%、V:0.05-0.09%、余量为Al;
其成分中,Cu、Mg、Ce、W的质量百分比满足以下关系式:Cu/Mg=3.9-4.1,且0.31%≤Ce+W≤0.38%;
其成分中,Ti与La的质量百分比满足以下关系式:3×La≤Ti;
其成分中,Pr、Nd、Er的质量百分比满足以下关系式:Er≥2.2×(Pr+Nd)。
2.根据权利要求1所述高强度抗疲劳铝合金,其特征在于,其成分按质量百分比包括:Cu:3.9%、Mg:1%、Mn:0.59%、Ti:0.49%、La:0.16%、Ni:0.22%、Fe:0.47%、Si:0.19%、Zr:0.09%、Ce:0.21%、W:0.12%、Y:0.17%、Ge:0.38%、Sn:0.08%、Pr:0.03%、Nd:0.06%、Er:0.2%、V:0.06%、余量为Al。
3.一种如权利要求1或2所述高强度抗疲劳铝合金的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、以Al-Cu中间合金、纯镁、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金、Al-La中间合金、Al-Ni中间合金、Al-Fe中间合金、Al-Si中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Ce中间合金、Al-W中间合金、Al-Y中间合金、纯锗、Al-Sn中间合金、Al-Pr中间合金、Al-Nd中间合金、Al-Er中间合金、Al-V中间合金和高纯铝为原料,将各原料进行熔炼,浇铸后得到合金铸锭;
S2、将合金铸锭依次进行均匀化处理、热轧、中间退火、冷轧、固溶处理、淬火和人工时效处理得到所述高强度抗疲劳铝合金。
4.根据权利要求3所述高强度抗疲劳铝合金的制备方法,其特征在于,在S2中,所述均匀化处理的工艺包括:以1-3℃/min的升温速率升温至230-270℃保温3.5-5h,然后以2-4℃/min的升温速率升温至420-450℃保温5.5-8.5h,然后以5-7℃/min的升温速率升温至525-533℃保温12-18h。
5.根据权利要求3所述高强度抗疲劳铝合金的制备方法,其特征在于,在S2中,所述热轧的温度为455-475℃;所述冷轧的变形量为63-72%。
6.根据权利要求3所述高强度抗疲劳铝合金的制备方法,其特征在于,在S2中,固溶处理的温度为540-555℃,时间为22-35min。
7.根据权利要求3-6中任一项所述高强度抗疲劳铝合金的制备方法,其特征在于,在S2中,所述人工时效处理的温度为180-190℃,时间为60-120min。
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