CN112553512B

CN112553512B - 高热稳定性、焊接性和耐蚀性的铝-镁合金板材及其用途

Info

Publication number: CN112553512B
Application number: CN202011402548.0A
Authority: CN
Inventors: 吴浩; 赵丕植; 郑志凯; 任思蒙; 李书磊; 王苗苗
Original assignee: Chinalco Materials Application Research Institute Co Ltd
Current assignee: Chinalco Materials Application Research Institute Co Ltd
Priority date: 2020-12-02
Filing date: 2020-12-02
Publication date: 2022-07-26
Anticipated expiration: 2040-12-02
Also published as: CN112553512A

Abstract

本发明公开了一种高热稳定性、焊接性和耐蚀性的铝‑镁合金板材，该合金板材厚度为1.0～4.0mm，组分及其重量百分比为：Mg 4.0％～4.9％、Zr 0.05％～0.12％、Er 0.05％～0.26％、Zn 0.01％～0.15％、不可避免杂质＜0.5％、余量为Al。本发明的合金板材形变组织具有较高热稳定性，完全再结晶温度高达325～500℃以上；同时具备较优异焊接性能和耐晶间腐蚀性能，其中FSW焊接(搅拌摩擦焊)＞85％，焊接接头耐晶间腐蚀1级以上、MIG焊接(熔化极惰性气体保护焊)＞75％，焊接接头耐晶间腐蚀2级以上。本发明Al‑Mg合金板材综合性能突出，强度高、耐蚀性好、焊接性优，可用于海洋工程、舰船制造等领域。

Description

高热稳定性、焊接性和耐蚀性的铝-镁合金板材及其用途

技术领域

本发明属于有色金属铝合金材料领域，具体涉及一种高热稳定性、焊接性和耐蚀性的铝-镁合金板材及其用途。

背景技术

Al-Mg合金密度小、耐蚀性、焊接性相对较优异，常用于海洋工程等领域，特别在腐蚀环境恶劣的船舶结构材料上应用尤为突出，包括大型船舶上层建筑、甲板、壁板，小型全铝舰艇，以及油箱、液化石油气船(LNG)储罐等等。

Al-Mg合金船用板材由于要求合金强度高，具有优异的耐腐蚀性和良好的焊接性。合金板材的使用厚度一般是由船舶规格、结构和部位等决定，从船体轻量化等角度考虑，一般采用薄板，结合其服役环境及在服役时间内板材的腐蚀深度，通常使用的Al-Mg合金板材采用1.6mm以上。同时船舶建造主要以焊接为主，如“欧洲野牛”登陆舰的船体由Al-Mg合金整体焊接而成，其焊接主要采用TIG焊或MIG焊。再如大型液化石油气船(LNG)储罐，主要以焊接制造为主，对材料的耐蚀性、焊接性以及稳定性具有较高要求。因此Al-Mg合金，尤其是板材，在海洋工程、舰船等领域的应用，对合金的综合性能，尤其是高强度、优异耐蚀性和良好可焊性提出了更高的要求。

此外，Al-Mg合金板材主要强化方式为形变强化和固溶强化，对于中高Mg合金，其冷轧态强度并不稳定，在室温长期使用会发生软化，需通过稳定化退火稳定性能，但合金的形变强化会随退火温度升高发生回复或再结晶而逐渐损失。传统的Al-Mg合金冷轧板材热稳定性相对较差，发生完全再结晶温度约300℃，合金形变强化贡献完全散失。因此，对Al-Mg合金来说，其形变组织的热稳定性也是非常重要的性能指标。

发明内容

本发明的目的在于开发一种兼高热稳定性、焊接性和耐蚀性的Al-Mg合金板材，该合金板材形变组织热稳定性能突出，能够保证较高的强度，同时具备优异耐蚀性能和良好的焊接性能。

本发明采用以下技术方案：

一种高热稳定性、焊接性和耐蚀性的铝-镁合金板材，其特征在于，所述合金板材的组分及其重量百分比为：Mg 4.0％～4.9％、Zr 0.05％～0.12％、Er 0.05％～0.26％、Zn0.01％～0.15％、不可避免杂质＜0.5％、余量为Al。

根据上述的高热稳定性、焊接性和耐蚀性的铝-镁合金板材，其特征在于，所述合金板材的组分及其重量百分比为：Mg 4.2％～4.7％、Zr 0.07％～0.1％、Er 0.15％～0.25％、Zn 0.05％～0.1％、不可避免杂质＜0.5％、余量为Al。

根据上述的高热稳定性、焊接性和耐蚀性的铝-镁合金板材，其特征在于，所述合金板材的厚度为1.0mm～4.0mm，所述合金板材是冷轧态、O态或稳定化态板材。

根据上述的高热稳定性、焊接性和耐蚀性的铝-镁合金板材，其特征在于，所述合金板材的完全再结晶温度为325℃～500℃。

根据上述的高热稳定性、焊接性和耐蚀性的铝-镁合金板材，其特征在于，所述合金板材的完全再结晶温度为450℃～500℃。

根据上述的高热稳定性、焊接性和耐蚀性的铝-镁合金板材，其特征在于，所述合金板材经200℃～230℃、1h～10h稳定化退火后，板材耐晶间腐蚀为1级，搅拌摩擦焊＞85％，焊接接头耐晶间腐蚀1级、熔化极惰性气体保护焊＞75％，焊接接头耐晶间腐蚀1级或2级。

一种基于上述的高热稳定性、焊接性和耐蚀性的铝-镁合金板材的用途，其特征在于，所述合金板材用于制成海洋工程用部件。

根据上述的高热稳定性、焊接性和耐蚀性的铝-镁合金板材的用途，其特征在于，所述合金板材用于制成船用板材。

本发明的有益技术效果：本发明的Al-Mg合金板材形变组织具有较高热稳定性，完全再结晶温度高达325～500℃以上；同时具备较优异焊接性能和耐晶间腐蚀性能，其中FSW焊接(搅拌摩擦焊)＞85％，焊接接头耐晶间腐蚀1级以上、MIG焊接(熔化极惰性气体保护焊)＞75％，焊接接头耐晶间腐蚀2级以上。相比传统Al-Mg合金板材，本发明的Al-Mg合金板材，完全再结晶温度、焊接系数等大幅度提升，保证了合金板材强度，同时具备良好的耐蚀性能，显著提高板材的使用寿命。本发明Al-Mg合金板材综合性能突出，强度高、耐蚀性好、焊接性优，可应用于海洋工程、舰船制造等领域。

附图说明

图1为实施例和对比例中1#～6#合金板材的退火温度-硬度曲线；

图2为对比例1和对比例2中1#和2#合金板材不同退火态的金相组织；

图3为实施例和对比例中3#～6#合金板材不同退火态的金相组织；

图4为实施例和对比例中1#～6#合金板材FSW焊接接头的金相组织；

图5为实施例和对比例中1#～6#合金板材MIG焊接接头的金相组织；

图6为实施例和对比例中3#～6#合金板材SEM组织图。

具体实施方式

本发明的一种高热稳定性、焊接性和耐蚀性的铝-镁合金板材，组分及其重量百分比为：Mg 4.0％～4.9％、Zr 0.05％～0.12％、Er 0.05％～0.26％、Zn 0.01％～0.15％、Fe、Si等不可避免杂质＜0.5％、余量为Al；合金板材形变组织具有较高热稳定性，其完全再结晶温度高达325℃～500℃以上。优选的，合金板材的组分及其重量百分比为：Mg4.2％～4.7％、Zr 0.07％～0.1％、Er 0.15％～0.25％、Zn 0.05％～0.1％、Fe、Si等不可避免杂质＜0.5％、余量为Al；该合金板材的完全再结晶温度高达450℃～500℃以上。合金板材的厚度为1.0mm～4.0mm，所述合金板材是冷轧态、O态或稳定化态板材。

本发明的高热稳定性、焊接性和耐蚀性的铝-镁合金板材，具备较优异焊接性能和耐晶间腐蚀性能，经200℃～230℃、1h～10h稳定化退火后，板材耐晶间腐蚀为1级以上，其中FSW焊接(搅拌摩擦焊)＞85％，焊接接头耐晶间腐蚀为1级以上、MIG焊接(熔化极惰性气体保护焊)＞75％，焊接接头耐晶间腐蚀为2级以上。

本发明的高热稳定性、焊接性和耐蚀性的铝-镁合金板材可应用于海洋工程、舰船制造等领域，用于制成海洋工程用部件，特别是船用板材。

以下结合附图与具体实施例对本发明作进一步描述，但本发明的保护范围并不限于以下实施例。

分别制备出6组(1#、2#、3#、4#、5#、6#)不同成分的Al-Mg合金冷轧板材，其合金成分如表1所示。

表1冷轧态的Al-Mg合金板材化学成分及其含量(％)

合金	Mg	Zr	Er	Zn
					1#(对比例1)	4.28	0	0	0
2#(对比例2)	4.32	0.086	0	0.041
					3#(实施例1)	4.28	0.096	0.077	0.052
4#(实施例2)	4.27	0.094	0.16	0.069
					5#(实施例3)	4.38	0.10	0.25	0.062
6#(对比例3)	4.26	0.092	0.34	0.059

对6组板材冷轧板进行再结晶退火测试，退火温度为100℃～550℃、梯度25℃，测试退火温度下样品的维氏硬度，再结晶退火温度-硬度变化曲线如图1所示。

对6组合金冷轧板材进行220℃/2h稳定化处理，测得6组合金冷轧板材和稳定化板材强度如表2所示。

表2冷轧态Al-Mg合金板材和220℃/2h稳定化态板材强度

对6组成分的稳定化态合金板材的进行FSW焊接(焊接参数800rpm-300mm/min)和MIG焊接(焊接参数80A-0.7m/min)，对焊接后板材进行强度测试，测试结果如表3所示。

表3稳定化态Al-Mg合金板材FSW焊和MIG焊接头强度和焊接系数

参照铝合金晶间腐蚀标准《铝合金晶间腐蚀测定方法(GB/T 7998-2005)》，对FSW焊和MIG焊焊接接头进行晶间腐蚀实验，评估焊接接头不同位置处的晶间腐蚀程度。

实施例1

Al-Mg合金板材的组分及其重量百分比为：Mg 4.28％、Zr 0.096％、Er 0.077％、Zn 0.052％、Fe及Si等不可避免杂质含量＜0.5％、余量为Al。合金冷轧板材形变组织热稳定提高，再结晶结束温度(T_f)提高至325℃(如图1和图3)，随着退火温度的升高，板材晶粒尺寸长大相对缓慢且分布均匀，当退火温度为500℃时，板材平均晶粒尺寸仅40μm左右，明显优于对比例1和对比例2的合金；此外板材强度比对比例1和对比例2合金提升10～20MPa，其中冷轧板力学性能为353MPa、380MPa和6.9％，稳定化态力学性能为218MPa、269MPa和13.5％(见表2)；板材焊接系数进一步提高，FSW焊和MIG焊焊接系数分别为86.3％和76.0％(见表3)，对应的焊接接头热影响区再结晶宽度进一步降低，分别约为1.05mm和2.58mm(见图4和图5)，晶间腐蚀分别为1级和2级。

实施例2

Al-Mg合金板材的组分及其重量百分比为：Mg 4.27％、Zr 0.094％，Er 0.16％、Zn0.069％、Fe及Si等不可避免杂质含量＜0.5％、余量为Al。合金冷轧板材再结晶结束温度(T_f)提高至400℃(如图1和图3)，明显高于对比例1和对比例2的合金100℃左右；此外板材强度比对比例1和对比例2合金提升10～30MPa，其中冷轧板力学性能为357MPa、383MPa和7.3％，稳定化态力学性能为226MPa、276MPa和13.9％(见表2)；板材焊接系数进一步提高，FSW焊和MIG焊焊接系数分别为86.8％和80.2％(见表3)，对应的焊接接头热影响区再结晶宽度进一步降低，其中FSW热影响区基本以回复组织为主，MIG再结晶区域宽度约为2.18mm(见图4和图5)，晶间腐蚀分别为1级和2级。

实施例3

Al-Mg合金板材的组分及其重量百分比为：Mg 4.38％、Zr 0.10％、Er 0.25％、Zn0.062％、Fe及Si等不可避免杂质含量＜0.5％、余量为Al。合金冷轧板材再结晶结束温度(T_f)提高至450℃(如图1和图3)，高于对比例1和对比例2的合金150℃左右；此外板材强度比对比例1和对比例2合金提升20～35MPa，其中冷轧板力学性能为360MPa、392MPa和7.8％，稳定化态力学性能为237MPa、281MPa和14.4％(见表2)；FSW焊和MIG焊焊接系数分别为85.7％和80％(见表3)，对应的FSW焊接接头热影响区以回复组织为主，MIG焊焊接接头热影响区再结晶组织宽度约为0.91mm(见图4和图5)，晶间腐蚀分别为1级和2级。

对比例1

Al-Mg合金板材的组分及其重量百分比为：Mg 4.28％，Er、Zr和Zn元素含量为零，Fe及Si等不可避免杂质含量＜0.5％，余量为Al。合金冷轧板材再结晶结束温度(T_f)为300℃(如图1和图2)，对应合金板材平均晶粒尺寸为36.4μm，当退火温度为450℃时，板材晶粒尺寸急剧长大至几百微米；冷轧板力学性能为344MPa、364MPa和5.8％，稳定化态力学性能为201MPa、237MPa和14.4％(见表2)；板材FSW焊和MIG焊焊接系数分别为81.1％和70.2％(见表3)，对应的焊接接头热影响区再结晶较宽，分别约为2.1mm和3.26mm(见图4和图5)，晶间腐蚀分别为2级和4级。

对比例2

Al-Mg合金板材的组分及其重量百分比为：Mg 4.32％、Zr 0.086％、Zn 0.041％、Er元素含量为零、Fe及Si等不可避免杂质含量＜0.5％、余量为Al。合金冷轧板材再结晶结束温度(T_f)为300℃(如图1和2)，对应板材平均晶粒尺寸为27.8μm，相比对比例1合金晶粒尺寸有所降低，但当退火温度为450℃时，板材晶粒不均匀长大，尺寸分布不均匀，部分晶粒长大至几百微米；冷轧板力学性能为342MPa、362MPa和5.9％，稳定化态力学性能为203MPa、247MPa和14.9％(见表2)；板材焊接系数相比对比例1有所提高，FSW焊和MIG焊焊接系数分别为84.1％和71.1％(见表3)，对应的焊接接头热影响区再结晶宽度有所降低，分别约为1.6mm和3.03mm(见图4和图5)，晶间腐蚀分别为2级和4级。

对比例3

Al-Mg合金板材的组分及其重量百分比为：Mg 4.26％、Zr 0.092％、Er 0.34％、Zn0.059％、Fe及Si等不可避免杂质含量＜0.5％、余量为Al。虽然合金冷轧板材形变组织稳定性较高，再结晶结束温度高，焊接接头热影响区以回复组织为主，但无论是冷轧态还是退火态板材强度相比实施例3没有提高，基本相近，且FSW和MIG焊接系数没有得到进一步提高。此外由于合金中的Er元素含量相对过高，造成合金基体组织中出现大量的AlMgEr化合物残留相，远高于实施例1～3合金(见图6)，说明Er元素过量难以回溶Al基体，这不仅不利于合金综合性能的提高，而且会造成稀土Er浪费，增加合金原材料的成本。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和优化，这些改进和优化也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种高热稳定性、焊接性和耐蚀性的铝-镁合金板材，其特征在于，所述合金板材的组分及其重量百分比为：Mg 4.2%~4.7％、Zr 0.07%~0.1%、Er 0.15%~0.25％、Zn 0.05%~0.1%、不可避免杂质＜0.5％、余量为Al；

所述合金板材的完全再结晶温度为450℃~500℃；

所述合金板材经200℃~230℃、1h~10h稳定化退火后，板材耐晶间腐蚀为1级，搅拌摩擦焊的焊接系数＞85%、焊接接头耐晶间腐蚀1级，熔化极惰性气体保护焊的焊接系数＞75%、焊接接头耐晶间腐蚀1级或2级；

所述合金板材的厚度为1.0mm~4.0mm，所述合金板材是稳定化态板材。

2.一种基于权利要求1所述的高热稳定性、焊接性和耐蚀性的铝-镁合金板材的用途，其特征在于，所述合金板材用于制成海洋工程用部件。

3.根据权利要求2所述的高热稳定性、焊接性和耐蚀性的铝-镁合金板材的用途，其特征在于，所述合金板材用于制成船用板材。