CN112626400B

CN112626400B - 一种高韧性铝合金及其制备方法

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Publication number: CN112626400B
Application number: CN202011455006.XA
Authority: CN
Inventors: 王荣; 宋运坤; 徐英; 曹召勋; 王军; 任政; 徐永东; 朱秀荣; 邵志文
Original assignee: China Weapon Science Academy Ningbo Branch
Current assignee: China Weapon Science Academy Ningbo Branch
Priority date: 2020-12-10
Filing date: 2020-12-10
Publication date: 2022-04-15
Anticipated expiration: 2040-12-10
Also published as: CN112626400A

Abstract

本发明公开了一种高韧性铝合金，其特征在于：该铝合金的质量百分比组成为Zn：5.0％～7.0％，Mg：1.8％～2.8％，Cu：1.4％～2.0％，Mn：0.2％～0.6％，Y：0.1％～1.2％，Cr：0.1％～0.25％，Fe≤0.5％，Si≤0.5％，Ti≤0.1％，余量为Al和不可避免的杂质。本发明在铝合金基础上添加了稀土元素Y，有利于增加晶粒的数量，使得铸态晶粒尺寸减小。Y元素化学活性强，容易与以上杂质相形成新相，其呈颗粒状，少量新相随熔渣排除，提高铝合金的纯净度，而残留的针状含Fe、含Si化合物含量降低，减少了材料的内部应力，在受力时裂纹扩展源减少，有利于铝合金韧性的提高。

Description

一种高韧性铝合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及铝合金材料技术领域，具体涉及一种高韧性铝合金及其制备方法。

背景技术

Al-Zn-Mg-Cu系铝合金具有密度小、强度高、韧性和耐腐蚀性能良好、加工性能及焊接性能优良等特点，是飞行器、车辆、工具等轻量化设计和综合性能提升的重要结构材料，广泛用于交通运输、电子、桥梁、装饰等行业，用途用量居有色金属材料之首。此外，由于铝合金在航空航天、船舶、核工业以及兵器工业都有着广阔的应用前景及不可替代的地位，因而高强度铝合金技术被列为国防科技关键技术以及重点发展的基础技术。Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的抗拉强度普遍高于500MPa，其中7A04铝合金是Al-Zn-Mg-Cu系铝合金中相当成熟、使用较久和较广的一个合金，具有强度高、热处理强化效果好、退火和新淬火状态下塑性中等等优点。

随着飞机、车辆等结构件的损伤容限设计技术的发展，对高强度铝合金材料的冲击韧性、断裂韧性和疲劳裂纹扩展速率的要求不断提高，改善材料韧性的途径主要有两种：热处理技术和高纯化技术。

稀土元素具有很高的化学活性，可与Fe、Si等杂质元素形成化合物熔渣，将其从熔体中排除。王庆良人等对含0.19％Fe、0.11％Si的工业纯铝加入Ce、La等稀土元素进行细化处理，发现原始的工业纯铝中只含FeAl₃、Al₈Fe₂Si合金相，而加入Ce、La后生成了Ce₅Si₃、Ce₃Al₁₁、La₅Si₃以及La₃Al₁₁相，Al₈Fe₂Si合金相不再存在。高建卫等人在铝液中同时添加La和B，形成了稳定的LaB₆化合物，在铁含量约为0.8％时，该化合物能够固溶少量的杂质Fe原子，但是不能起到明显的除Fe效果；在低Fe含量(约0.1％)时，LaB6不能固溶Fe原子。此外，稀土元素还具有显著的强化作用，如添加Sc与Al结合形成初生和次生Al₃Sc第二相粒子，可细化晶粒、弥散强化和抑制再结晶。每添加0.1％Sc(ω(Sc)≤0.4％)，合金强度可提高约50MPa，强化作用大大超过了目前工业铝合金所用的传统合金元素。当合金中同时存在Zr时，Zr可以代替部分Sc原子，从而形成Al₃ScZr粒子。这种粒子的热稳定性比Al₃Sc和Al₃Zr粒子的热稳定性更高，改善铝合金性能的效果更明显。

以上研究基本上是针对铝合金强度的改善，而对于提高韧性的改善现有技术很少，而铝合金在添加稀土后，虽然一部分Fe、Si与稀土形成化合物作为熔渣排出，但铝合金中因Fe、Si杂质的存在，会在铝合金基体中形成大量的针状含Fe、含Si相，在力加载过程中，沿针状相会形成大量的裂纹源，降低材料的韧性，从而导致后续使用开裂。

因此，针对现有的铝合金韧性需要进一步改进。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是针对现有技术现状提供一种保持高强度的同时韧性得到大幅度提高的高韧性铝合金。

本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种高韧性铝合金，其特征在于：该铝合金的质量百分比组成为Zn：5.0％～7.0％，Mg：1.8％～2.8％，Cu：1.4％～2.0％，Mn：0.2％～0.6％，Y：0.1％～1.2％，Cr：0.1％～0.25％，Fe≤0.5％，Si≤0.5％，Ti≤0.1％，余量为Al和不可避免的杂质。

作为优选，该铝合金铸态组织中针状相面积分数控制在15％以下，颗粒状相的尺寸控制在10μm以下。针状相包括θ(FeAl₃)、α(Al-Fe-Si)、β(Al-Fe-Si)，将铸态组织中针状相面积含量控制在15％以下，有利于后期铝合金韧性的大幅度提升。颗粒状相包括含Y的θ(FeAl₃)、α(Al-Fe-Si)、β(Al-Fe-Si)，将铸态组织中颗粒状相的尺寸控制在10μm以下，有利于颗粒状相在铝合金基体中均匀分布，降低应力集中，减少裂纹源，提高韧性的同时减小铝合金韧性的波动。

作为优选，该铝合金中冲击韧性在10J/cm²以上。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种高韧性铝合金的制备方法。

本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为一种高韧性铝合金的制备方法，其特征在于包括以下制备步骤：

1)铝合金熔炼；

2)铸造：

3)均匀化热处理；

4)热反向挤压；

5)固溶、时效处理。

作为优选，所述步骤1)中铜采用铝铜中间合金添加、锰采用铝锰中间合金添加、铬采用铝铬中间合金添加，钇采用镁钇中间合金添加；待铝锭熔化后加入铝铜中间合金、铝锰中间合金和铝铬中间合金，升温至750℃～800℃，再加入镁钇中间合金；降温至720℃～740℃，加入镁锭；在720℃～740℃进行铝合金熔体精炼，打渣后静置15～30min。

作为优选，所添加的铝锰中间合金中Mn质量含量不超过10％，所添加的铝铜中间合金中Cu质量含量不超过50％，所添加的铝铬中间合金中Cr质量含量不超过5％，所添加的镁钇中间合金中Y质量含量不超过30％。

作为优选，所述步骤1)中铝合金熔体在打渣后，将磁场线圈接通，在700℃～750℃进行低频电磁半连续铸锭；铝合金的半连续铸锭工艺设定为：合金浇铸温度：700℃～750℃；铸造速度：100mm/min～200mm/min；冷却水流量：100L/min～200L/min；施加磁场频率为10Hz～50Hz，电流强度分别为30A～100A。

常规半连续铸造铝合金时，铸锭截面上的合金元素分布往往很不均匀，边部的合金元素含量明显高于合金中部，这会严重降低半连铸铸锭的成材率和最终产品各项力学性能。通过引入电磁场加强对熔体搅拌，不仅对液-固界面凝固结晶前沿的枝晶长大产生冲刷和熔解作用，细化合金的枝晶组织，而且可以降低了液穴中心与边部的熔体的温度梯度，使中心与边部熔体过冷度降低，晶粒长大均衡化，有利于微观组织均匀。这些作用的效果也与组织的宏观偏析相关，即涡流减小了主合金元素的分布不均的程度。铝合金成分的均匀，有利于减小铝合金韧性的波动。

作为优选，本发明铝合金铸态晶粒尺寸控制在100μm以下。

作为优选，所述步骤3)中均匀化温度为460℃～480℃，保温时间为3h～12h，完毕后空冷。

作为优选，将模具和步骤3)得到的坯料预热到350～380℃，进行热反向挤压，挤压比≥10，挤压速度为10mm/min～200mm/min。

采用反向挤压变形方式，实现了高强铝合金材料的较低温度塑性变形。反向挤压变形时，铝合金金属的流动较正向挤压变形缓和，因此变形所需的力也较小，在同等变形力下，可以降低铝合金的变形温度，而变形温度的降低，可以明显减小铝合金的动态再结晶晶粒的长大驱动力，容易获得了细晶组织，对铝合金的强度和韧性极为有利。

作为优选，所述步骤5)中固溶温度为460℃～480℃，保温时间为1h～3h，淬火后4h以内或48h以后进行人工时效，时效温度为110℃～130℃，时效时间为20～30h，完毕后空冷。

与现有技术相比，本发明的优点在于：在铝合金基础上添加了稀土元素Y，少量的Y与合金中的铝反应，生成Al₂Y高熔点相，这些高熔点相在铝合金凝固过程中可以作为晶粒形核基点，有利于增加晶粒的数量，使得铸态晶粒尺寸减小。铝合金中Fe和Si会生成针状θ(FeAl₃)、α(Al-Fe-Si)、β(Al-Fe-Si)等杂质相，Y元素化学活性强，容易与以上杂质相形成新相，其呈颗粒状，少量新相随熔渣排除，提高铝合金的纯净度，而残留的针状含Fe、含Si化合物含量降低，减少了材料的内部应力，在受力时裂纹扩展源减少，有利于铝合金韧性的提高。

附图说明

图1为本发明实施例1的铸态组织的SEM图。

图2为图1中“图谱1”处析出相的能谱图。

图3为本发明实施例2的铸态组织的SEM图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1至实施例3为采用本发明成分和方法制备。

实施例1：

本实施例铝合金的质量百分比组成为：Zn 6.2％，Mg 2.2％，Cu 1.9％，Mn 0.4％，Y0.52％，Cr 0.15％，Fe 0.38％，Si 0.46％，Ti 0.05％，余量为Al和不可避免的杂质。

包括以下制备步骤：

1)铝合金熔炼；

按照铝合金的合金成分计算所需的铝锭、锌锭、镁锭、铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝铬中间合金和镁钇中间合金的各自重量并备料。电阻坩埚炉升温，在坩埚内壁涂覆ZnO涂料，烘干后放入铝锭，将电阻坩埚炉加热；待铝锭熔化后加入铝铜中间合金、铝锰中间合金和铝铬中间合金，升温至750℃，加入镁钇中间合金；降温至730℃，加入镁锭，使其混合均匀；在730℃进行铝合金熔体精炼，打渣后静置30min。

其中，铝锰中间合金中Mn含量为10％，铝铜中间合金中Cu含量为50％，铝铬中间合金中Cr含量为5％，镁钇中间合金中Y的含量为20％。

2)铸造；精炼的铝合金熔体在打渣后，将磁场线圈接通，在730℃进行低频电磁半连续铸锭。铝合金的半连续铸锭工艺设定为：合金浇铸温度：730℃；铸造速度：150mm/min；冷却水流量：150L/min～200L/min；施加磁场频率为30Hz，电流强度分别为60A。

3)均匀化热处理；铸锭锯切至合适尺寸，然后进行均匀化热处理。均匀化处理的温度465℃，保温时间为3h，保温完毕后空冷。热处理完毕后用车床将铸锭外表车光待用。

4)热反向挤压；将模具和步骤3)得到的坯料预热到380℃，进行热反向挤压，挤压比10，挤压速度为10mm/min。

5)固溶、时效处理。固溶温度为470℃，保温时间为2h，淬火后4h以内进行人工时效，时效温度为115℃，时效时间为25h，完毕后空冷。

从附图1中可以看出由于Y的添加，晶粒的数量增加，使得铸态晶粒尺寸减小，晶粒尺寸在50μm～100μm，析出相中存在少量的针状相，大部分的含Fe、Si析出相以块状、颗粒状存在，在后续的处理工艺中，析出相会被挤碎、元素重新固溶、析出，从而析出细小的颗粒状析出相。图谱1处为颗粒状的析出相，从图2中的能谱图以及表2中可以得出，析出相中存在Y、Fe、Si等元素，说明Y与含Fe、Si析出相结合并形成了颗粒状的析出相。

实施例2：

本实施例铝合金的质量百分比组成为：Zn 6.8％，Mg 2.8％，Cu 1.6％，Mn0.22％，Y 1.15％，Cr 0.19％，Fe 0.35％，Si 0.41％，Ti 0.07％，余量为Al和不可避免的杂质。

包括以下制备步骤：

1)铝合金熔炼：

按照铝合金的合金成分计算所需的铝锭、锌锭、镁锭、铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝铬中间合金和镁钇中间合金的各自重量并备料。电阻坩埚炉升温，在坩埚内壁涂覆ZnO涂料，烘干后放入铝锭，将电阻坩埚炉加热；待铝锭熔化后加入铝铜中间合金、铝锰中间合金和铝铬中间合金，升温至790℃，加入镁钇中间合金；降温至730℃，加入镁锭，使其混合均匀；在735℃进行铝合金熔体精炼，打渣后静置20min。

其中，铝锰中间合金中Mn含量为10％，所述铝铜中间合金中Cu含量为50％，铝铬中间合金中Cr含量为5％，镁钇中间合金中Y的含量为30％。

2)铸造；精炼的铝合金熔体在打渣后，将磁场线圈接通，在750℃进行低频电磁半连续铸锭。铝合金的半连续铸锭工艺设定为：合金浇铸温度：750℃；铸造速度：100mm/min；冷却水流量：150L/min～200L/min；施加磁场频率为40Hz，电流强度分别为100A。

3)均匀化热处理；铸锭锯切至合适尺寸，然后进行均匀化热处理。均匀化处理的温度470℃，保温时间为12h，保温完毕后空冷。热处理完毕后用车床将铸锭外表车光待用。

4)热反向挤压；将模具和步骤3)得到的坯料预热到350℃，进行热反向挤压，挤压比15，挤压速度为100mm/min。

5)固溶、时效处理。固溶温度为460℃，保温时间为2h，淬火后4h以内进行人工时效，时效温度为120℃，时效时间为24h，完毕后空冷。

对图3中“图谱95”处颗粒状的析出相进行能谱分析，具体结果见表3。从表3中可以得出，析出相中存在Y、Fe、Si等元素，说明Y与含Fe、Si析出相结合并形成了颗粒状的析出相。

实施例3：

本实施例的铝合金的质量百分比组成为：Zn 5.1％，Mg 1.8％，Cu 1.4％，Mn0.56％，Y 0.1％，Cr 0.19％，Fe 0.35％，Si 0.41％，Ti 0.07％，余量为Al和不可避免的杂质。

铝合金材料的制备步骤为：

1)铝合金熔炼；

按照铝合金的合金成分计算所需的铝锭、锌锭、镁锭、铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝铬中间合金和镁钇中间合金的各自重量并备料。电阻坩埚炉升温，在坩埚内壁涂覆ZnO涂料，烘干后放入铝锭，将电阻坩埚炉加热；待铝锭熔化后加入铝铜中间合金、铝锰中间合金和铝铬中间合金，升温至750℃，加入镁钇中间合金；降温至735℃，加入镁锭，使其混合均匀；在730℃进行铝合金熔体精炼，打渣后静置15min。

其中，铝锰中间合金中Mn含量为10％，所述铝铜中间合金中Cu含量为50％，铝铬中间合金中Cr含量为5％，镁钇中间合金中Y的含量为20％。

2)铸造；精炼的铝合金熔体在打渣后，将磁场线圈接通，在700℃进行低频电磁半连续铸锭。铝合金的半连续铸锭工艺设定为：合金浇铸温度：700℃；铸造速度：200mm/min；冷却水流量：100L/min～150L/min；施加磁场频率为30Hz，电流强度分别为30A。

4)热反向挤压；将模具和步骤3)得到的坯料预热到360℃，进行热反向挤压，挤压比20，挤压速度为200mm/min。

5)固溶、时效处理。固溶温度为460℃，保温时间为2h，淬火后48h以后进行人工时效，时效温度为125℃，时效时间为20h，完毕后空冷。

对比例1采用市场上销售的7A04铝合金，具体成分为Zn：6.0％，Mg：2.3％，Cu：1.7％，Mn：0.4％，Cr：0.2％，Fe≤0.5％，Si≤0.5％，Ti≤0.1％，余量为Al和不可避免的杂质。

对实施例1和对比例进行冲击韧性检测，根据《GB/T 229-2007》做的是金属夏比缺口冲击试验。

表1实施例与对比例的性能

表2谱图1处析出相成分组成及含量

元素	重量百分比	原子百分比
			Mg	14.83	24.24
Al	26.22	38.62
			Si	0.83	1.17
Mn	33.35	24.12
			Fe	2.27	1.61
Cu	0.00	0.00
			Zn	1.10	0.67
Y	21.40	9.56
			总量	100.00	100.00

表3谱图95处析出相成分组成及含量

元素	重量百分比	原子百分比
			Mg	5.73	10.54
Al	22.74	37.71
			Si	3.43	5.46
Mn	31.00	25.25
			Fe	7.96	6.38
Cu	0.00	0.00
			Zn	0.00	0.00
Y	29.13	14.66
			总量	100.00	100.00

Claims

1.一种高韧性铝合金的制备方法，其特征在于包括以下制备步骤：

1)铝合金熔炼；

2)铸造；铝合金熔体在打渣后，将磁场线圈接通，在700℃～750℃进行低频电磁半连续铸锭；铝合金的半连续铸锭工艺设定为：合金浇铸温度：700℃～750℃；铸造速度：100mm/min～200mm/min；冷却水流量：100L/min～200L/min；施加磁场频率为10Hz～50Hz，电流强度分别为30A～100A；该铝合金铸态组织中针状相面积分数控制在15％以下，颗粒状相的尺寸控制在10μm以下；

3)均匀化热处理；

4)热反向挤压；

5)固溶、时效处理；

该铝合金的质量百分比组成为Zn：5.0％～7.0％，Mg：1.8％～2.8％，Cu：1.4％～2.0％，Mn：0.2％～0.6％，Y：0.1％～1.2％，Cr：0.1％～0.25％，Fe≤0.5％，Si≤0.5％，Ti≤0.1％，余量为Al和不可避免的杂质；该铝合金中冲击韧性在10J/cm²以上。

2.根据权利要求1所述的高韧性铝合金的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中铜采用铝铜中间合金添加、锰采用铝锰中间合金添加、铬采用铝铬中间合金添加，钇采用镁钇中间合金添加；待铝锭熔化后加入铝铜中间合金、铝锰中间合金和铝铬中间合金，升温至750℃～800℃，再加入镁钇中间合金；降温至720℃～740℃，加入镁锭；在720℃～740℃进行铝合金熔体精炼，打渣后静置15～30min。

3.根据权利要求1所述的高韧性铝合金的制备方法，其特征在于：所添加的铝锰中间合金中Mn质量含量不超过10％，所添加的铝铜中间合金中Cu质量含量不超过50％，所添加的铝铬中间合金中Cr质量含量不超过5％，所添加的镁钇中间合金中Y质量含量不超过30％。

4.根据权利要求1所述的高韧性铝合金的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中均匀化温度为460℃～480℃，保温时间为3h～12h，完毕后空冷。

5.根据权利要求1所述的高韧性铝合金的制备方法，其特征在于：将模具和步骤3)得到的坯料预热到350～380℃，进行热反向挤压，挤压比≥10，挤压速度为10mm/min～200mm/min。

6.根据权利要求1所述的高韧性铝合金的制备方法，其特征在于：所述步骤5)中固溶温度为460℃～480℃，保温时间为1h～3h，淬火后4h以内或48h以后进行人工时效，时效温度为110℃～130℃，时效时间为20～30h，完毕后空冷。