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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