CN111926226B - 一种高强塑性铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属材料及其加工技术领域，公开了一种高强塑性铝合金及其制备方法，该铝合金成分含量为：Cu的质量分数为5％～6％，Mg的质量分数为0.2％～1.0％，Ag的质量分数为0.2～0.5％，Mn的质量分数为0.2～0.4％，且合金元素的质量分数≤10％，余量为Al。通过合理控制该铝合金中Cu、Mg、Ag和Mn的含量，使该铝合金兼具高强度和高塑性。制备方法：一、熔炼和铸造得到铝合金铸锭；二、均匀化处理；三、挤压变形得到高强韧铝合金。其变形态的强度、塑韧性等机械性能优于传统的商用变形铝合金2D70，铸态综合机械性能优于传统的商用铸造铝合金2024，适用于航空航天材料。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料及其加工技术领域，具体涉及一种高强塑性铝合金及其制备方法。
背景技术
铝及铝合金，由于其低密度、高比强度、储量丰富易回收等优异性能，被誉为“21世纪绿色环保工程材料”，在实现交通工具轻量化、器件轻薄小型化、节能减排绿色发展等方面具有巨大发展前景。
腹鳍是安装在飞机腹部的气动部件，相当于飞机垂尾，其主要作用是增加飞机的航向稳定性与操纵稳定性，特别是在大迎角飞行中，能有效减缓飞机的飘摆，因而该部件对高机动飞机不可缺少。飞机腹鳍结构通常分为两种:一种是固定式腹鳍，另一种是单片可折叠活动式大腹鳍。随着飞机的大量使用，曾多次出现腹鳍部位断裂，最长裂纹达100mm，严重危及飞行安全，影响任务的完成，同时也大大增加了保障人员的工作量和装备维修费用。因此，开发低成本高强韧铝合金对于拓展铝合金的应用在航空航天材料具有重要意义。
发明内容
基于以上问题，本发明提供一种高强塑性铝合金及其制备方法，本发明设计的铝合金中仅含微量Cu、Mg、Ag和Mn常规合金元素，不含任何稀土元素及贵重元素，原料储量丰富，铝合金经过一次挤压成型，加工工艺简单价格低廉；此外，合金元素总含量低于10wt.％，成本低，保持了铝合金的低密度优势的同时，还具有高强度和一定的韧性，其室温屈服强度高达486～570MPa，抗拉强度达584～630MPa，延伸率为9.0％以上，力学性能高于部分高强Al-RE系合金和铝合金，适用于航空航天材料。
为实现上述技术效果，本发明提供了一种高强塑性铝合金，包括Cu、Mg、Ag、Mn元素，各元素在铝合金中的质量百分含量为：Cu为5％～6％、Mg为0.2％～1.0％，Ag为0.2～0.5％，Mn为0.2～0.4％，余量为Al。
为实现上述技术效果，本发明还提供了一种高强塑性铝合金的制备方法，包括如下步骤：
S1、合金熔炼与浇铸：按照铝合金中Cu为5％～6％、Mg为0.2％～1.0％、Ag为0.2～0.5％、Mn为0.2～0.4％、余量为Al，称取适量纯Al、纯Mg及Al-20wt％Cu、Al-20wt％Ag和Al-10wt％Mn中间合金；先将纯Al、纯Mg、Al-20wt％Cu、Al-20wt％Ag和Al-10wt％Mn中间合金分开在160℃下预热15-30分钟；在电阻炉中加热纯铝，在680-760℃保温使母料全部熔化，然后加入预热过的纯Mg、Al-20wt％Cu、Al-20wt％Ag和Al-10wt％Mn中间合金，升温至680～760℃后保温15～30分钟，待合金化元素完全熔解形成金属液，搅拌均匀，静置保温15～30分钟后降温到700℃，浇铸成铝合金铸锭，冷却至室温；
S2、均匀化处理：将合金锭置于电阻加热炉中进行均匀化处理，得到均匀化处理后合金锭；
S3、热挤压变形：分别先对均匀化处理后合金和挤压模具进行预热处理，得到预热处理合金和预热处理挤压模具，然后将预热处理合金放入预热处理挤压模具中进行挤压变形，得到低合金高强韧铝合金型材。
进一步地，将熔融的金属液浇注到预热至200～300℃的铁铸模中。
进一步地，均化处理过程为双级均匀化处理，具体操作方法为：先将合金锭在310～330℃下保温10～15h，然后升温至560～590℃下保温4～8h。
进一步地，先将铝合金铸锭和挤压模具在400～450℃预热2～4h，然后在挤压比为10～15:1，挤压速度为2～4m/min条件下进行正向挤压。
进一步地，冷却的方式为空冷。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明设计的高强塑性铝合金中仅含微量Cu、Mg、Ag和Mn常规合金元素，不含任何稀土元素及贵重元素，原料储量丰富，价格低廉；此外，合金元素总含量低于10wt.％，成本低、密度低；
2)本发明设计的高强塑性铝合金中低合金化效果显著，合金元素总含量≤10wt.％，保持了铝合金的低密度优势的同时，还具有高强度和一定的韧性，其室温屈服强度高达486～540MPa，抗拉强度达584～630MPa，延伸率为9.0％以上，力学性能高于部分高强Al-RE系合金和铝合金，适用于航空航天材料。
3)本发明设计的高强塑性铝合金经过一次挤压成型，即可得到表面质量优良的高强韧铝合金挤压棒材，加工工艺简单。
附图说明
图1为实施例2中的方法制得的高强塑性铝合金的显微组织图。
图2为实施例3中的方法制得的高强塑性铝合金的显微组织图。
图3为实施例4中的方法制得的高强塑性铝合金的显微组织图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
一种高强塑性铝合金，包括Cu、Mg、Ag、Mn元素，各元素在铝合金中的质量百分含量为：Cu为5％～6％、Mg为0.2％～1.0％，Ag为0.2～0.5％，Mn为0.2～0.4％，余量为Al。
本实施例中的高强塑性铝合金具体是按以下步骤完成的：
S1、合金熔炼与浇铸：按照铝合金中Cu为5％～6％、Mg为0.2％～1.0％、Ag为0.2～0.5％、Mn为0.2～0.4％、余量为Al，称取适量纯Al、纯Mg及Al-20wt％Cu、Al-20wt％Ag和Al-10wt％Mn中间合金；先将纯Al、纯Mg、Al-20wt％Cu、Al-20wt％Ag和Al-10wt％Mn中间合金分开在160℃下预热15-30分钟；在电阻炉中加热纯铝，在680-760℃保温使母料全部熔化，然后加入预热过的纯Mg、Al-20wt％Cu、Al-20wt％Ag和Al-10wt％Mn中间合金，升温至680～760℃后保温15～30分钟，待合金化元素完全熔解形成金属液，搅拌均匀，静置保温15～30分钟后降温到700℃，浇铸成铝合金铸锭，冷却至室温；
S2、均匀化处理：将合金锭置于电阻加热炉中进行双级均匀化处理，得到均匀化处理后合金锭；
S3、热挤压变形：分别先对均匀化处理后合金锭和挤压模具进行预热处理，得到预热处理合金和预热处理挤压模具，然后将预热处理合金放入预热处理挤压模具中进行挤压变形，得到低合金高强韧铝合金型材，适用于航空航天材料。
在本实施例中，Al-Cu系合金具有较高的综合力学性能，在保证铝合金低密度特性的前提下，能够实现低成本和高强目标。Mg在铝合金中具有固溶强化和沉淀析出强化的作用，且Mg的价格低廉，Mg合金化可显著降低合金的制造成本；在Al-Cu系合金中加入Mg可抑制低熔点相Mg17Al12相的生成，而生成热稳定性高的Al2Cu相和(Mg,Al)2Cu相，显著改善Al-Cu系合金的硬度、抗拉强度以及抗蠕变性能；此外，Mg还可以在熔炼中生成致密的MgO薄膜，起到阻燃的作用，还可以细化晶粒，进一步提高合金的力学性能。Mn本身对于合金耐蚀性的影响并不大，但其可以很好地抑制Fe等杂质元素的不利影响，提高合金的耐蚀性；此外，生成的高熔点Al-Mn相可显著提升合金热稳定性和抗蠕变性能；但随着Mn元素的增多，细小的Al-Mn相会成长为粗大相，消耗更多的Al元素，且难以固溶，不利于纳米第二相的析出，因此添加量不宜过多。
在Al-Cu-Mg三元相图中通过改变合金成分中的Cu/Al比，可以控制合金凝固路径，生成不同的初生相。但随着合金元素总含量的增加，初生粗大脆性第二相数量显著增加，通常会导致合金的延伸率显著降低。因此，为了保证合金的高强度和一定的韧性，以及较低的合金成本，本实施例设计的高强韧铝合金中合金元素(合金元素由Al、Cu和Mg)的总含量低于10wt.％。在本实施例设计的高强韧铝合金中，Ag、Mn元素的微合金化，不仅阻碍了低熔点相Mg17Al12的生成，更有利于生成热稳定相(Al2Cu、(Mg,Al)2Cu、Al-Mn相)，显著提高合金的强度、韧性和抗蠕变性能，Mn元素有利于消耗合金中的杂质Fe，提高合金的耐蚀性。而铸态合金经挤压变形后，能消除铸造缺陷，使Al基体发生动态再结晶，形成由细小的再结晶晶粒和粗大的未再结晶区组成的双峰晶粒组织，实现细晶强化和织构强化；此外，挤压变形过程中形成的动态纳米析出相Al2Cu、(Mg,Al)2Cu相，弥散分布于再结晶晶粒和未再结晶区中，显著提高合金强度。
本实施例中合金锭的浇铸方法为：将熔融的金属液浇注到预热至200～300℃的铁铸模中。均化处理过程为双级均匀化处理，具体操作方法为：先将合金锭在310～330℃下保温10～15h，然后升温至560～590℃下保温4～8h。热挤压具体为：先将铝合金铸锭和挤压模具在400～450℃预热2～4h，然后在挤压比为10～15:1，挤压速度为2～4m/min条件下进行正向挤压。
实施例2：
本实施例按照如下步骤制备高强塑性铝合金并进行性能测试：
一、铸造：按照铝合金中Cu的质量分数为5％，Mg的质量分数为0.2％，Ag的质量分数为0.2％，Mn的质量分数为0.2％，余量为Al。称取适量纯Al、纯Mg及Al-20wt％Cu、Al-20wt％Ag和Al-10wt％Mn中间合金；先将纯Al置于坩埚中，升温至760℃，在温度为760℃保温纯Al完全熔化，然后依次加入纯Mg和Al-Cu中间合金、Al-Ag中间合金、Al-Mn中间合金，在温度为760℃，机械搅拌15min，然后降温至700℃静置15min，得到合金熔体，浇铸到300℃的铁铸模中，得到铝合金铸锭，空冷至室温。
二、均匀化处理：将铝合金铸锭置于电阻加热炉中，310℃下保温15h，然后升温至560℃下保温8h，得到均匀化处理后合金；
三、挤压变形：在挤压变形温度下分别先对均匀化处理后合金和挤压模具进行预处理，挤压变形温度为420℃，得到预热处理合金和预热处理挤压模具，然后将预热处理合金放入预热处理挤压模具中进行挤压变形，挤压变形参数为：挤压变形温度为420℃，挤压速度为2m/min，挤压比为12:1，得到高强韧铝合金，其显微组织图如图1所示。
经室温拉伸测试，可知实施例2得到的高强韧铝合金的抗拉强度为615MPa，屈服强度为522MPa，延伸率为9.8％。
实施例3：
本实施例按照如下步骤制备高强塑性铝合金并进行性能测试：
一、铸造：按照铝合金中Cu的质量分数为5.5％，Mg的质量分数为0.6％，Ag的质量分数为0.3％，Mn的质量分数为0.3％，余量为Al。称取适量纯Al、纯Mg及Al-20wt％Cu、Al-20wt％Ag和Al-10wt％Mn中间合金；先将纯Al置于坩埚中，升温至760℃，在温度为760℃保温纯Al完全熔化，然后依次加入纯Mg和Al-Cu中间合金、Al-Ag中间合金、Al-Mn中间合金，在温度为760℃，机械搅拌15min，然后降温至700℃静置15min，得到合金熔体，浇铸到300℃的铁铸模中，得到铝合金铸锭，空冷至室温。
二、均匀化处理：将铝合金铸锭置于电阻加热炉中，320℃下保温12h，然后升温至580℃下保温6h，得到均匀化处理后合金；
三、挤压变形：在挤压变形温度下分别先对均匀化处理后合金和挤压模具进行预热处理，挤压变形温度为425℃，得到预热处理合金和预热处理挤压模具，然后将预热处理合金放入预热处理挤压模具中进行挤压变形，挤压变形参数为：挤压变形温度为425℃，挤压速率为3m/min，挤压比为12:1，得到高强韧铝合金，其显微组织图如图2所示。
经室温拉伸测试，可知实施例3得到的高强韧铝合金的抗拉强度为638MPa，屈服强度为559MPa，延伸率为9.3％。
实施例4：
本实施例按照如下步骤制备高强塑性铝合金并进行性能测试：
一、铸造：按照铝合金中Cu的质量分数为6％，Mg的质量分数为1％，Ag的质量分数为0.5％，Mn的质量分数为0.4％，余量为Al。称取适量纯Al、纯Mg及Al-20wt％Cu、Al-20wt％Ag和Al-10wt％Mn中间合金；先将纯Al置于坩埚中，升温至760℃，在温度为760℃保温纯Al完全熔化，然后依次加入纯Mg和Al-20wt％Cu、Al-20wt％Ag和Al-10wt％Mn中间合金，在温度为760℃，机械搅拌15min，然后降温至700℃静置15min，得到合金熔体，再采用金属模水冷凝固工艺将合金熔体制成铸锭，得到铝合金铸锭；Cu的质量分数为6％，Mg的质量分数为1％，Ag的质量分数为0.5％，Mn的质量分数为0.4％，余量为Al。
二、均匀化处理：将铝合金铸锭置于电阻加热炉中，在330℃下保温8h，然后升温至590℃下保温4h，得到均匀化处理后合金；
三、挤压变形：在挤压变形温度下分别先对均匀化处理后合金和挤压模具进行预热处理，挤压变形温度为450℃，得到预热处理合金和预热处理挤压模具，然后将预热处理合金放入预热处理挤压模具中进行挤压变形，挤压变形参数为：挤压变形温度为450℃，挤压速度为4m/min，挤压比为12:1，得到高强韧铝合金，其显微组织图如图3所示。
经室温拉伸测试，可知实施例4得到的高强韧铝合金的屈服强度为548MPa，抗拉强度为621MPa，延伸率为9.7％。
根据国标GB228-2002的标准，将实施例1至实施例3中制备的合金加工成标准拉伸试样，试样为圆棒状，圆棒的轴线方向和挤压方向一致，进行室温拉伸试验，测试各样品的力学性能，测试结果见表1。
表1各样品力学性能测试结果
| 合金 | 抗拉强度/MPa | 屈服强度/MPa | 延伸率/％ |
| 实施例2 | 615 | 522 | 9.8 |
| 实施例3 | 638 | 559 | 9.3 |
| 实施例4 | 621 | 548 | 9.7 |
| 2D70 | 460 | 415 | 7 |
| 2024 | 455 | 380 | 5 |
如上即为本发明的实施例。上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种高强塑性铝合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、合金熔炼与浇铸：按照铝合金中Cu为5％～6％、Mg为0.2％～1.0％、Ag为0.2～0.5％、Mn为0.2～0.4%、余量为Al，称取适量纯Al、纯Mg及Al-20wt％Cu、Al-20wt％Ag和Al-10wt％Mn中间合金；先将纯Al、纯Mg、Al-20wt％Cu、Al-20wt％Ag和Al-10wt％Mn中间合金分开在160℃下预热15-30分钟；在电阻炉中加热纯铝，在680-760℃保温使母料全部熔化，然后加入预热过的纯Mg、Al-20wt％Cu、Al-20wt％Ag和Al-10wt％Mn中间合金，升温至680～760℃后保温15～30分钟，待合金化元素完全熔解形成金属液，搅拌均匀，静置保温15～30分钟后降温到700℃，浇铸成铝合金铸锭，冷却至室温；
S2、均匀化处理：将合金锭置于电阻加热炉中进行均匀化处理，得到均匀化处理后合金锭，所述均化处理过程为双级均匀化处理，具体操作方法为：先将合金锭在310～330℃下保温10～15h，然后升温至560～590℃下保温4～8h；
S3、热挤压变形：分别先对均匀化处理后合金和挤压模具进行预热处理，得到预热处理合金和预热处理挤压模具，然后将预热处理合金放入预热处理挤压模具中进行挤压变形，得到低合金高强韧铝合金型材，所述热挤压具体为：先将所述铝合金铸锭和挤压模具在400～450℃预热2～4h，然后在挤压比为10～15:1，挤压速度为2～4m/min条件下进行正向挤压。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，合金锭的浇铸方法为：将熔融的金属液浇注到预热至200～300℃的铁铸模中。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述冷却的方式为空冷。
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