CN111270114A

CN111270114A - 一种高强度7150铝合金中厚板的制备工艺

Info

Publication number: CN111270114A
Application number: CN202010238976.8A
Authority: CN
Inventors: 玄宝; 祖立成; 赵俊才; 葛浩龙; 付彦军; 景子毅; 杜凤彪
Original assignee: Tianjin Zhongwang Aluminium Industry Co ltd
Current assignee: Tianjin Zhongwang Aluminium Industry Co ltd
Priority date: 2020-03-30
Filing date: 2020-03-30
Publication date: 2020-06-12

Abstract

本发明属于铝合金制造技术领域，涉及一种高强度7150铝合金中厚板的制备工艺，原料成分为：Si≤0.50％、Fe≤0.50％、Cu：2.10～2.20％、Mn≤0.01％、Mg：2.15～2.35％、Cr≤0.02％、Zn≤6.65％、Ti≤0.03％、Zr：0.10～0.12％、单个杂质≤0.01％，合计≤0.15％，余量为Al，通过优化产品配方及铸造工艺，改良均匀化制度，提高开轧温度，采取大压下量轧制，优化固溶工艺，严格控制淬火延迟时间，提高淬火速率，严格控制与拉伸延迟时间，选取最优拉伸量，改良时效工艺最终获得性能优良的7150中厚板材。

Description

一种高强度7150铝合金中厚板的制备工艺

技术领域

本发明属于铝合金制造技术领域，涉及一种高强度7150铝合金中厚板的制备工艺。

背景技术

铝合金比重低于钢铁材料，且7系铝合金具有强度高、耐热性能好的特性，一直广泛用作飞机、航天器和车辆的结构材料。随着双通道飞机的广泛采用，对飞机整体加工性能的要求越来越高，航空结构件逐渐向厚型材甚至超厚型材的方向发展。

7150铝合金以镁、锌、铜为主要合金元素，可以热处理强化，具有强度高、刚度高、抗疲劳破坏能力强、高可靠性和生存力，主要应用于航空结构件中，其厚型材产品对断裂韧性、疲劳性能、耐腐蚀性能等性能，尤其是型材厚度方向性能均匀性提出较高的要求。

然而，为了满足增加7150铝合金强度的需求，使用常规的生产方法来增加铝合金强度会产生断裂韧性和抗应力腐蚀开裂能力降低的问题。低断裂韧性和低抗应力腐蚀开裂能力作为结构材料是不利的，但是如果断裂韧性和抗应力腐蚀开裂能力得到改善，则强度通常会降低。因此，采用传统的生产方法，难以生产同时具有高强度、高断裂韧性以及高抗应力腐蚀的7150铝合金型材。

鉴于上述情况，本发明提供一种Al-Zn-Mg-Cu构7150铝合金型材及其制造方法，该铝合金板材具有优异的强度、优异的断裂韧性和抗应力腐蚀开裂能力以及更小的面内各向异性。

发明内容

有鉴于此，本发明为了解决现有7系铝合金型材高强度、高断裂韧性以及高抗应力腐蚀不能兼得，影响其应用范围的问题，提供一种高强度7150铝合金中厚板的制备工艺。

为达到上述目的，本发明提供一种高强度7150铝合金中厚板的制备工艺，包括以下步骤：

A、配料：将7150铝合金中厚板的原料按照重量百分比进行配料，即：Si≤0.50％、Fe≤0.50％、Cu：2.10～2.20％、Mn≤0.01％、Mg：2.15～2.35％、Cr≤0.02％、Zn≤6.65％、Ti≤0.03％、Zr：0.10～0.12％、单个杂质≤0.01％，合计≤0.15％，余量为Al；

B、熔铸：将配制好的铝合金原料加入到熔炼炉中均匀混合后熔炼为液态铝合金，将液态铝合金熔铸为铝合金铸锭，熔炼温度为745～765℃，保温时间为30min，采用氯氩混合气对熔体进行精炼、在线除氢、在线除渣处理后在680～710℃进行浇铸；

C、去应力退火：将熔铸后的铝合金铸锭在2h内去应力退火，去应力退火工艺为360～390℃保温4h，升温速率为20～35℃/h，保温结束后随炉冷却；

D、双级均匀化：将去应力退火后铝合金铸锭进行双级均匀化处理，均匀化工艺为第一级430～450℃保温12h，第二级470～480℃保温24h，升温速率小于30℃/h；

E、锯切铣面：将均匀化热处理后的铝合金铸锭在冷却室冷却后切去头尾并铣去铝合金铸锭表面凝壳层；

F、铸锭加热：将锯切铣面后的铝合金铸锭置于加热炉中加热，加热炉温度不小于400℃，保温时间不大于5小时；

G、热轧：加热保温后的铝合金铸锭出炉进行热轧，开轧温度不低于400℃，终轧温度不低于360℃，采取首尾道次小压下量，中间道次大压下量；

H、固溶淬火：固溶处理工艺为第一级460～470℃保温1.5小时，第二级475-480℃保温2-6小时，固溶淬火后铝合金板材温度不高于70℃；

I、拉伸矫直：将固溶处理后铝合金板材在2小时内进行预拉伸，拉伸量为2～3％；

J、三级时效：拉伸矫直后铝合金板材进行三级时效处理，第一级为110～130℃保温24小时，第二级为170～190℃保温1～4小时，升温速率1.0～1.5℃/min，降温速率1.5～2.0℃/min，第三级为110～130℃保温24小时；

K、检验：将三级时效后铝合金板材进行表面质量、尺寸低倍、高倍组织、力学性能检验，对满足客户要求的产品锯切为成品尺寸进行包装。

进一步，步骤A杂质含量中：氢含量≤0.1ml/100g，钒和镍含量之和≤0.01％，钠含量≤1ppm，碱金属钙、钾、锂含量之和≤0.005％。

进一步，步骤B氯氩混合气精炼时间为20～30min，精炼温度在710℃以上，静置时间为25～35min，在线除氢温度为710～720℃，采用双级过滤进行在线除渣，在线除渣温度为710～720℃。

进一步，步骤B浇铸过程中使用铝钛碳洗化剂，铸造过程中进行测氢、测渣以保证氢含量与渣含量，铸造所使用冷却水流量50-100m³/h，拉锭速度在40～60mm/min，在合金熔炼铸造过程中，严格控制铁元素及其它杂质元素的混入。

进一步，步骤D铣面后铝合金铸锭粗糙度≤8μm。

进一步，步骤H采用辊底式淬火炉对铝合金板材进行固溶淬火，铝合金板材各个部位的温度差不大于1℃。

本发明的有益效果在于：

1、本发明所公开的高强度7150铝合金中厚板的制备工艺，通过优化配方中合金元素的含量及严格控制铸造过程中杂质元素的含量来获得高质量的合金铸锭。7150铝合金中Zn、Mg是合金的主要强化元素，主要强化相是MgZn₂，具有很强的时效强化效果。在固溶极限范围内，提高Zn、Mg含量可提高强度，但会降低断裂韧性和抗应力腐蚀开裂性能。Cu可提高沉淀相的弥散度，改善晶间结构，改善沿晶腐蚀性，提高合金的抗应力腐蚀能力，但会影响断裂韧性。而M(Zn)/M(Mg)的比值能够改善Cu对断裂韧性的影响。较高的M(Zn)/M(Mg)和M(Cu)/M(Mg)是铝合金板材良好综合性能的基础。Zr可以细化晶粒，提高淬透性。因此，7150合金的配方配比尤为重要。提高Zn、Mg、Cu元素含量来提高板材强度及抗应力腐蚀性能，选取较大M(Zn)/M(Mg)比来降低Cu元素对断裂韧性的影响，选择合适的M(Cu)/M(Mg)比来获得良好的综合性能。严格控制氢等杂质元素含量来避免氢裂现象，加入适量的Zr元素来细化晶粒并提高产品淬透性，通过合理的合金添加顺序及添加温度避免了氧化物夹杂的产生及材料的烧损，从而获得高质量无裂纹大铸锭，为后续获得优异性能的7150铝合金中厚板材做好充分的准备。

2、本发明所公开的高强度7150铝合金中厚板的制备工艺，通过多级均匀化工艺，在避免铝合金铸锭过烧的前提下消除共晶组织，调控熔铸过程中产生的一次相，通过长程扩散使铸锭中合金元素分布趋于均匀，通过控制均匀化过程中加热速率及降温速率实现对

粒子分布的控制。

通过采取中间道次大压下量的轧制方式使晶粒完全破碎细化，提高终轧温度从而提高板材强度及断裂韧性，提高开轧温度来降低板材再结晶程度从而提高板材抗剥落腐蚀性能。

通过采取多级固溶处理，先低温固溶，使部分可溶的AlZnMgCu相溶解，增加溶质原子浓度，同时发生强烈的回复，降低进一步再结晶的驱动力。然后高温固溶，使Cu相更多的溶解，而再结晶程度基本不变。

通过控制固溶处理到预拉伸时间间隔及预拉伸变形率，减小固溶处理到预拉伸时间间隔可有效增加预拉伸变形率，而大的预拉伸变形率可使板材发生塑性变形，使板材内部应力重新分布，从而达到消除板材内应力提高板材性能的效果。

通过采用回归再时效处理，先将产品进行接近峰时效的预时效处理，然后进行稍高温度的回归处理使晶内GP区回溶，晶界析出相继续长大粗化，最后在较低温度下保温进行再时效处理，使晶内相重新析出达到峰时效状态，而晶界粗化为不连续分布状态，从而在提高产品强度的同时提高产品抗应力腐蚀性能。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明铝合金板材测试再结晶程度时的取样位置示意图；

图2为本发明铝合金板材不同取样位置的金相图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

7150高强度铝合金的工艺路径及工艺控制是产品生产及性能保证的难点。

1、7150铝合金合金化程度高，纯度高，大铸锭成形难，易开裂，熔铸过程中加入金属的温度不当，合金化过程中的搅拌不当，溶剂加入时、吹入气体时、浇注过程中以及流槽中熔体的翻动都可能产生氧化物夹杂。

2、铸锭的均匀化与产品固溶处理相辅相成，好的均匀化处理可以部分抵消不良固溶处理带来的负面影响。在合金允许的固溶处理时间及温度范围内，尽量做好均匀化以获得最佳的性能组合。

3、在热轧过程中产生的厚度方向上组织的不均匀、开轧温度对固溶后再结晶程度的影响以及终轧温度对产品强度及断裂韧性的影响，都是影响产品最终性能的重要因素。

4、固溶温度的选择和淬火速率可以影响粗大化合物的生成、组织的不均匀性以及再结晶，从而减少中厚板高向性能差，提高中厚板的断裂韧性及疲劳性能。

5、预拉伸工艺是7150合金中厚板残余应力调控的重要手段，合理的预拉伸延迟时间(固溶结束到预拉伸的时间)以及拉伸量是保证板形、提高性能的有效工艺。

6、合理的时效工艺可有效保证产品的断裂韧性、电导率以及强度，提高产品抗应力腐蚀开裂能力。7150常用到T77处理，而T77处理最难实现的是第二阶段的处理，合理的保温温度与保温时间的选择可以使板材在较短时间内达到温度分布均匀，从而达到相转变的均匀，以获得最佳的性能。

因此寻求一种高强度7150铝合金中厚板的完整制备工艺具有重要意义。

一种高强度7150铝合金中厚板的制备工艺，包括以下步骤：

A、配料：按照如下重量份数比配制铝合金原料：

元素	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Zn	Ti	Zr	杂质	Al
												含量	0.03	0.06	2.2	0.001	2.34	0.02	6.48	0.03	0.09	0.1	余量

杂质含量中：氢含量≤0.1ml/100g，钒和镍含量之和≤0.01％，钠含量≤1ppm，碱金属钙、钾、锂含量之和≤0.005％；

B、熔铸：将配制好的铝合金原料加入到熔炼炉中均匀混合后熔炼为液态铝合金，将液态铝合金熔铸为铝合金铸锭，结晶器规格为450mm×1680mm，熔炼温度为745～765℃，保温时间为30min，采用氯氩混合气对熔体进行精炼、在线除氢、在线除渣处理后在680～710℃进行浇铸；

其中洗炉和清炉后将铝合金板材各元素配料放入熔炼炉中熔炼，其中铝锆中间合金随炉料加入，当炉料软化下榻后，在炉内均匀加入纯金属锌开启电磁搅拌，搅拌两次，每次5～15min，间隔不超过30min，然后进行除渣，除渣温度为700～730℃，温度达到730～750℃时加入铝铜、铝锰中间合金，待其全部熔化，温度达到710～730℃加入纯镁，使用镁笼搅拌，然后取样、调整成分，温度达到740～770℃进行转炉。转至保温炉后，使用STAS装置进行精炼，使用氯氩混合气精炼20～30min，精炼温度在710℃以上，静置25～35min。使用SNIF设备(氯氩混合气)进行在线除氢处理，金属温度设定为710～720℃。使用双级过滤进行在线除渣，金属温度设定为710～720℃。在680～710℃进行浇铸，浇铸过程中使用铝钛碳洗化剂。铸造过程中进行测氢、测渣以保证氢含量与渣含量。铸造所使用冷却水流量50～100m³/h，拉锭速度在40～60mm/min。在合金熔炼铸造过程中，严格控制铁元素及其它杂质元素的混入。

C、去应力退火：将熔铸后的铝合金铸锭在2h内去应力退火，去应力退火工艺为380℃保温4h，升温速率为20～35℃/h，保温结束后随炉冷却；

D、双级均匀化：将去应力退火后铝合金铸锭进行双级均匀化处理，均匀化工艺为第一级440℃保温12h，第二级477℃保温24h，升温速率小于30℃/h，保温结束后快速冷却至260℃以下后自然冷却至室温；

E、锯切铣面：将均匀化热处理后的铝合金铸锭在冷却室冷却后切去头尾并铣去铝合金铸锭表面凝壳层，铣面后铸锭厚度为403mm；

F、铸锭加热：将锯切铣面后的铝合金铸锭置于热轧产线推进炉中加热，加热炉温度为420℃，保温时间为4小时；

G、热轧：加热保温后的铝合金铸锭出炉进行热轧变形，轧制7个道次，压下量分别为：20.8mm、41.1mm、54.1mm、64.9mm、60.5mm、54.8mm、29.4mm，热轧至77.4mm厚度下线，终轧温度为380℃，采取首尾道次小压下量，中间道次大压下量；

H、固溶淬火：热轧后的板材切边后，于辊底炉中进行固溶淬火处理，固溶处理工艺为第一级460℃保温90min，第二级477℃保温240min，保温结束后淬火出炉，固溶淬火后铝合金板材温度不高于70℃；

I、拉伸矫直：将固溶处理后立即将铝合金板材转运置于拉伸机组进行拉伸去应力处理，固溶处理后铝合金板材在2小时内进行预拉伸，拉伸量为2.3％；

J、三级时效：拉伸矫直后铝合金板材进行三级时效处理，第一级为120℃保温24小时，第二级为175℃保温3小时，第三级为120℃保温24小时；

图1为测试实施例中铝合金板材再结晶程度时的取样位置示意图，其中L、T、S分别代表轧制后板材的长度方向、横向以及厚度方向，RD代表轧制方向，S-T面为横截面、L-S面为纵截面、L-T面为表面。取样位置分别为板材厚度位置的1/10、1/4及1/2位置，在图上标记为1/10S、1/4S及1/2S，分别对每个位置所取样品横截面、纵截面和表面进行再结晶检测。测试结果见表1。不同取样位置的金相图见图2。

表1

	AMS4252	实施例
			电导率/IACS	36％	41.9％
L-T向抗拉强度/MPa	≥565	593
			L-T向屈服强度/MPa	≥517	547
L-T向延伸率/％	≥6	11.6
			L-T向断裂韧性/Mpam<sup>1/2</sup>	23.1	37.9
T-L向断裂韧性/Mpam<sup>1/2</sup>	20.9	29.9

从表一中可以看出，按照这种工艺路径生产的铝合金板材，其力学性能均有很大提高，远远超过各项标准要求。而从图2中可以看出，按照这种工艺路径生产的板材，再结晶程度明显较低，说明通过该制备工艺制备的铝合金板材抗应力腐蚀强，该铝合金板材具有优异的强度和优异的延展性以及更小的面内各向异性。解决现有7系铝合金型材高强度、高断裂韧性以及高抗应力腐蚀不能兼得，影响其应用范围的问题。

按照这种工艺路径生产的铝合金7150中厚板，通过优化产品配方及铸造工艺，改良均匀化制度，提高开轧温度，采取大压下量轧制，优化固溶工艺，严格控制淬火延迟时间，提高淬火速率，严格控制与拉伸延迟时间，选取最优拉伸量，改良时效工艺最终获得性能优良的7150中厚板材。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种高强度7150铝合金中厚板的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的高强度7150铝合金中厚板的制备工艺，其特征在于，步骤A杂质含量中：氢含量≤0.1ml/100g，钒和镍含量之和≤0.01％，钠含量≤1ppm，碱金属钙、钾、锂含量之和≤0.005％。

3.如权利要求2所述的高强度7150铝合金中厚板的制备工艺，其特征在于，步骤B氯氩混合气精炼时间为20～30min，精炼温度在710℃以上，静置时间为25～35min，在线除氢温度为710～720℃，采用双级过滤进行在线除渣，在线除渣温度为710～720℃。

4.如权利要求3所述的高强度7150铝合金中厚板的制备工艺，其特征在于，步骤B浇铸过程中使用铝钛碳洗化剂，铸造过程中进行测氢、测渣以保证氢含量与渣含量，铸造所使用冷却水流量50-100m³/h，拉锭速度在40～60mm/min，在合金熔炼铸造过程中，严格控制铁元素及其它杂质元素的混入。

5.如权利要求1所述的高强度7150铝合金中厚板的制备工艺，其特征在于，步骤D铣面后铝合金铸锭粗糙度≤8μm。

6.如权利要求1所述的高强度7150铝合金中厚板的制备工艺，其特征在于，步骤H采用辊底式淬火炉对铝合金板材进行固溶淬火，铝合金板材各个部位的温度差不大于1℃。