CN112853177B - 一种纳米晶铝合金及其制备方法与应用 - Google Patents

一种纳米晶铝合金及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种纳米晶铝合金及其制备方法与应用，以质量百分数计，所述纳米晶铝合金的原料组成包括：0.7‑0.8wt%的Mg，0.7‑0.8wt%的Si，0.15‑0.2wt%的Mn，0.1‑0.2wt%的Cr，0.15‑0.2wt%的Cu，0.1‑0.2wt%的Zn，0.1‑0.2wt%的Sn，0.3‑0.4wt%的Fe，余量为Al以及不可避免的杂质。所述制备方法工艺简单，且能够得到抗拉强度≥500MPa，屈服强度≥450MPa，伸长率≥15%且疲劳周次≥2×107的纳米晶铝合金。

Description

一种纳米晶铝合金及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于材料技术领域，涉及一种铝合金材料，尤其涉及一种纳米晶铝合金及其制备方法与应用。
背景技术
铝及铝合金作为仅次于钢铁的一类量大面广的传统金属材料，在国民经济和国防建设最好能够具有十分重要甚至不可替代的作用。由于铝合金密度小，比强度高于铜合金、铁球及碳素钢，因而在交通运输机械、化工机械、建筑材料、体育器械及家用电器、器具等方面获得了广泛的应用，尤其在航空、航天等高新技术的发展，对铝合金性能提出了愈来愈高的要求。
6000系Al-Mg-Si合金由于综合性能优良，比强度高，成型性、耐蚀性良好，被广泛应用。
CN 107354411A公开了一种纳米晶铝合金板材的制备方法，所述制备方法包括深冷轧制和退火。以质量百分含量计，所述纳米晶铝合金板包括：Si 0.4-0.8%，Mg 0.8-1.2%，Cu 0.15-0.4%，Mn 0.05-0.25%，Cr 0.04-0.35，Zn 0.25%以及Ti 0.15%。所述制备方法通过将铝合金在液氮的低温环境中冷却并多道次累计轧制变形，冷轧的总累计压下率为40-80%，每道次的压下率为5-10%，制得深冷轧制铝合金板。但所述制备方法需要借助液氮进行处理，处理成本较高。
CN 110029297A公开了一种铝合金及其淬火后处理方法，所述处理方法包括：将淬火处理后的铝合金板材进行深冷处理，处理后立即进行第一次深冷轧制；将第一次深冷轧制后的板材进行急热处理，处理后立即进行第一次急热轧制；将第一次急热轧制后的板材进行深冷处理，处理后立即进行第二次深冷轧制；将第二次深冷轧制后的板材进行急热处理，处理后立即进行第二次急热轧制；将第二次急热轧制后的板材依次再进行深冷处理、及热处理以及降温时效处理。所述处理方法能够提高所得铝合金的强度，但制备过程复杂，对急热与急热的操作要求较高，难以进行工业化应用。
CN 112048685A公开了一种可提升铝合金耐磨疲劳性能的后处理方法，所述后处理方法包括如下步骤：A，将淬火处理后的铝合金板材装进冷库中，在2-3h内，缓慢将板材的中心温度从室温降至-30℃至-25℃，然后保温3-5h，在此温度下进行轧制；B，在3-5h内，缓慢地将板材的中心温度降低至-50℃，保温2-3h，在此温度下进行轧制；C，在5-8h内，缓慢地将板材的中心温度降低至最低-65℃，保温18-24h，然后在此温度下进行轧制；D，在20-30min内快速地将板材的中心温度升高至150-180℃，并保温3-5h；E，进行降温时效处理，保存3-5h，完成铝合金耐磨疲劳性能的提升。但后处理方法需要的温度较低，难以进行工业化应用。
因此，需要提供一种制备方法简单，且能够得到抗拉强度≥700MPa，屈服强度≥650MPa，残余应力消除效果90%以上的纳米晶铝合金。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种纳米晶铝合金及其制备方法与应用，所述纳米晶铝合金的制备方法简单，通过控制冷轧变形量以及退火处理，使所得纳米晶铝合金的抗拉强度≥500MPa，屈服强度≥450MPa，伸长率>15%且疲劳周次>2×107。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种纳米晶铝合金，以质量百分数计，所述纳米晶铝合金的原料组成包括：0.7-0.8wt%的Mg，0.7-0.8wt%的Si，0.15-0.2wt%的Mn，0.1-0.2wt%的Cr，0.15-0.2wt%的Cu，0.1-0.2wt%的Zn，0.1-0.2wt%的Sn，0.3-0.4wt%的Fe，余量为Al以及不可避免的杂质。
本发明提供的纳米晶铝合金通过调控元素的组成以及各元素的含量，使多种元素相互协同，提高了所得纳米晶铝合金的综合力学性能，使其抗拉强度≥500MPa，屈服强度≥450MPa，伸长率>15%且疲劳周次>2×107。
具体的，Cu元素的添加形成的CuAl2相有利于提高所得纳米晶铝合金的时效强化效果，而且，Cu能够与Al、Zn以及Mg配合，共同提高所得纳米晶铝合金的抗拉强度与屈服强度。但过多的Cu不仅会提高所得纳米晶铝合金的生产成本，还会降低其抗蚀性能，使所得纳米晶铝合金的疲劳寿命缩短；而过少的Cu则不能实现与特定组成的Al、Zn以及Mg的配合，所得纳米晶铝合金的力学性能降低。对此，为了使Cu元素能够与其它元素相互配合，纳米晶铝合金的原料中Cu为0.15-0.2wt%，例如可以是0.15wt%、0.16wt%、0.17wt%、0.18wt%、0.19wt%或0.2wt%，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用；优选为0.16-0.18wt%。
本发明纳米晶铝合金中Si的添加能够与Mg以及Al相互协同，不仅能够改善制备纳米晶铝合金料液的流动性，还能够提高所得纳米晶铝合金的力学强度，而适量Si的添加还能发挥Al、Cu与Si之间的协同作用，进一步提高所得纳米晶铝合金的抗拉强度、屈服强度以及疲劳寿命。但过多Si的添加则容易使所得纳米晶铝合金的伸长率降低。为此，为了使Si能够与特定组成的Al、Mg、Si以及Cu相互协同，纳米晶铝合金的原料中Si为0.7-0.8wt%，例如可以是0.7wt%、0.71wt%、0.72wt%、0.73wt%、0.74wt%、0.75wt%、0.76wt%、0.77wt%、0.78wt%、0.79wt%或0.8wt%，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用；优选为0.75-0.78wt%。
本发明中Mg的添加能够显著提高纳米晶铝合金的疲劳寿命以及抗拉强度，但在Al、Cu与Si元素的存在条件下，过多的Mg会与Si形成Mg2Si相，进而使所得纳米晶铝合金的屈服强度变低，还会使所得纳米晶铝合金的疲劳寿命下降。而过少的Mg则无法实现Si、Al与Cu的相互协同。因此，纳米晶铝合金的原料中Mg为0.7-0.8wt%，例如可以是0.7wt%、0.71wt%、0.72wt%、0.73wt%、0.74wt%、0.75wt%、0.76wt%、0.77wt%、0.78wt%、0.79wt%或0.8wt%，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用；优选为0.72-0.76wt%。
本发明中Mg的添加量为0.7-0.8wt%，在此质量分数的添加量下，仍然存在热处理纳米晶铝合金时出现热裂的倾向；而降低Mg的添加则无法获得抗拉强度足够高的纳米晶铝合金。对此，本发明通过添加0.15-0.2wt%的Mn，促使Mg5Al8相的均匀沉淀，克服了Mg添加而带来的热裂倾向，在保证所得纳米晶铝合金力学性能的前提下，使所得纳米晶铝合金具有不低于2×107疲劳周次的寿命。而且，Mn的添加还能够提高所得纳米晶铝合金的延伸率，与特定含量的Cu相互配合，使退火处理后能够得到力学性能、伸长率以及疲劳寿命优良的纳米晶铝合金，因此，本发明纳米晶铝合金的原料中Mn为0.15-0.2wt%，例如可以是0.15wt%、0.16wt%、0.17wt%、0.18wt%、0.19wt%或0.2wt%，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用；优选为0.16-0.18wt%。
Zn元素的单独会降低纳米晶铝合金的疲劳寿命，而本发明通过使Zn与Mg的配合，能够提高所得纳米晶铝合金的抗拉强度与屈服强度；而特定组成的Zn与Mg、Al以及Cu配合，不仅能够保证所得纳米晶铝合金的抗拉强度与屈服强度，还能够保证所得纳米晶铝合金的伸长率与疲劳寿命。本发明所述纳米晶铝合金的原料中Zn为0.1-0.2wt%，例如可以是0.11wt%、0.12wt%、0.13wt%、0.14wt%、0.15wt%、0.16wt%、0.17wt%、0.18wt%、0.19wt%或0.2wt%，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用；优选为0.12-0.18wt%。
Fe为常见的杂质元素，而本申请通过使Fe为0.3-0.4wt%，同时控制Cr元素的含量，使Cr能够与Mn、Al以及Fe相互配合，通过形成(CrFe)Al7以及(CrMn)Al12等金属间化合物，使所得纳米晶铝合金中的晶粒分布均匀，从而显著改善所得纳米晶铝合金的力学强度、伸长率以及疲劳寿命。同时，Sn的添加能够保证纳米晶铝合金的制备过程中，热处理的顺利进行。
以质量百分数计，本发明所述纳米晶铝合金的原料中Fe为0.3-0.4wt%，例如可以是0.3wt%、0.31wt%、0.32wt%、0.33wt%、0.34wt%、0.35wt%、0.36wt%、0.37wt%、0.38wt%、0.39wt%或0.4wt%，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用；优选为0.32-0.35wt%。
以质量百分数计，本发明所述纳米晶铝合金的原料中Cr为0.1-0.2wt%，例如可以是0.11wt%、0.12wt%、0.13wt%、0.14wt%、0.15wt%、0.16wt%、0.17wt%、0.18wt%、0.19wt%或0.2wt%，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用；优选为0.12-0.16wt%。
以质量百分数计，本发明所述纳米晶铝合金的原料中Sn为0.1-0.2wt%，例如可以是0.11wt%、0.12wt%、0.13wt%、0.14wt%、0.15wt%、0.16wt%、0.17wt%、0.18wt%、0.19wt%或0.2wt%，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用；优选为0.12-0.18wt%。
优选地，以质量百分数计，所述纳米晶铝合金的原料中Mn与Cr的总质量百分数为0.3-0.32wt%。
本发明通过控制Mn与Cr的总质量分数为0.3-0.32wt%，能够使Mn与Cr辅助Mg、Si、Cu、Zn、Fe以及Al之间的协同作用，从而显著提高所得纳米晶铝合金的力学性能，还能够保证所得纳米晶铝合金具有15%以上的伸长率以及2×107以上的疲劳周次。
第二方面，本发明提供了一种如第一方面所述纳米晶铝合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
（1）按配方量熔炼原料，铸造，得到铝坯；
（2）对步骤（1）所述铝坯进行均质化处理，得到合金锭；
（3）对步骤（2）所得合金锭进行预冷轧变形，控制变形量为30-40%，得到预冷轧型材；
（4）对步骤（3）所得预冷轧型材进行预退火处理，得到预退火型材；
（5）对步骤（4）所得预退火型材进行冷轧变形，控制变形量为20-30%，得到冷轧型材；
（6）对步骤（5）所得冷轧型材进行退火处理，得到纳米晶铝合金。
本发明通过对特定组成的铝坯进行处理，使所得纳米晶铝合金的抗拉强度≥500MPa，屈服强度≥450MPa，伸长率>15%且疲劳周次>2×107。具体的，本发明首先对合金锭进行形变量30-40%(以合金锭的厚度为基准)的预冷轧变形，然后进行形变量为20-30%(以预退火型材的厚度为基准)的冷轧变形，使纳米晶铝合金中的晶粒尺寸呈层级分布，然后配合与退火处理与退火处理过程中的固溶体析出，保证了所得纳米晶铝合金的抗拉强度与屈服强度；而且，预冷轧变形与冷轧变形的变形量控制，使所得纳米晶铝合金在保证力学性能的前提下，具有超过15%的伸长率以及超过2×107的疲劳周次。
优选地，步骤（2）所述均质化处理的温度为400-540℃，例如可以是400℃、420℃、450℃、480℃、500℃、520℃或540℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，步骤（2）所述均质化处理的时间为4-6h，例如可以是4h、4.5h、5h、5.5h或6h，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
步骤（3）所述预冷轧变形为在双辊轧机中进行3-6道次轧制，每道次轧制的时间间隔为2-3min，且压下量逐渐降低。
本发明通过控制预冷轧变形的每道次压下量逐渐降低，使所得预冷轧型材的合金组成呈层级细分，而后通过预退火处理的配合，不仅使预冷轧型材中的应力得到释放，还能够通过固溶体的析出促进力学性能的提高以及疲劳寿命的增长。
本发明所述预冷轧变形的轧制道次为3-6道次，例如可以是3道次、4道次、5道次或6道次；优选为4道次。
本发明所述预冷轧变形时，每道次轧制的时间间隔为2-3min，例如可以是2min、2.5min或3min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，步骤（3）所述预冷轧变形为在双辊轧机中进行4道次轧制，每道次轧制的压下量以合金锭原始厚度为基准，分别为15-20%、8-10%、5-6%与2-4%。
本发明预冷轧变形时，第1道次的压下量为15-20%，例如可以是15%、16%、17%、18%、19%或20%，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用；第2道次的压下量为8-10%，例如可以是8%、8.5%、9%、9.5%或10%，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用；第3道次的压下量为5-6%，例如可以是5%、5.5%或6%，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用；第4道次的压下量为2-4%，例如可以是2%、2.5%、3%、3.5%或4%，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，步骤（3）所述预冷轧变形的温度为20-30℃，例如可以是20℃、21℃、22℃、23℃、24℃、25℃、26℃、27℃、28℃、29℃或30℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，步骤（4）所述退火处理的温度550-600℃，例如可以是550℃、560℃、570℃、580℃、590℃或600℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，步骤（4）所述退火处理的时间为4-6h，例如可以是4h、4.5h、5h、5.5h或6h，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，步骤（5）所述冷轧变形为在双辊轧机中进行3-6道次轧制，每道次轧制的时间间隔为2-3min，且压下量逐渐降低。
本发明通过预冷轧变形，使所得材料的内层结构出现层级细分；通过冷轧变形进一步梳理经过预退火处理所得的层级结构，且能够使外层材料进一步进行层级细分，而后在退火处理的配合下，提高纳米晶铝合金的抗拉强度、屈服强度，并保证其伸长率与疲劳寿命。
本发明所述冷轧变形的轧制道次为3-6道次，例如可以是3道次、4道次、5道次或6道次；优选为3道次。
本发明所述冷轧变形时，每道次轧制的时间间隔为2-3min，例如可以是2min、2.5min或3min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，步骤（5）所述冷轧变形为在双辊轧机中进行3道次轧制，每道次轧制的压下量以预退火型材为基准，分别为10-15%、6-10%与4-5%。
本发明进行冷轧变形时，第1道次的压下量为10-15%，例如可以是10%、11%、12%、13%、14%或15%，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用；第2道次的压下量为6-10%，例如可以是6%、7%、8%、9%或10%，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用；第2道次的压下量为4-5%，例如可以是4%、4.5%或5%，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，步骤（5）所述冷轧变形的温度为20-30℃，例如可以是20℃、21℃、22℃、23℃、24℃、25℃、26℃、27℃、28℃、29℃或30℃，但不限于但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，步骤（6）所述退火处理的温度400-450℃，例如可以是400℃、410℃、420℃、430℃、440℃或450℃，但不限于但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，步骤（6）所述退火处理的时间为2-3h，例如可以是2h、2.h5或3h，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，步骤（6）所述退火处理之后还包括时效处理。
优选地，所述时效处理的温度为150-180℃，例如可以是150℃、155℃、160℃、165℃、170℃、175℃或180℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述时效处理的时间为10-12h，例如可以是10h、10.5h、11h、11.5h或12h，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明通过退火处理之后的时效处理，能够进一步降低热应力，而且能够提高所得纳米晶铝合金的力学强度；虽然会降低伸长率与疲劳寿命，但仍能使伸长率保持15%以上，且疲劳寿命保持2×107以上。
作为本发明第二方面所述制备方法的优选技术方案，所述制备方法包括如下步骤：
（1）按配方量熔炼原料，铸造，得到铝坯；
（2）对步骤（1）所述铝坯进行均质化处理，得到合金锭；所述均质化处理的温度为400-540℃；所述均质化处理的时间为4-6h；
（3）步骤（2）所得合金锭在20-30℃的条件下进行预冷轧变形，控制变形量为30-40%，得到预冷轧型材；所述预冷轧变形为在双辊轧机中进行3-6道次轧制，每道次轧制的时间间隔为2-3min，且压下量逐渐降低；
（4）对步骤（3）所得预冷轧型材在550-600℃的温度下预退火处理4-6h，得到预退火型材；
（5）对步骤（4）所得预退火型材在20-30℃的条件下进行冷轧变形，控制变形量为20-30%，得到冷轧型材；所述冷轧变形为在双辊轧机中进行3-6道次轧制，每道次轧制的时间间隔为2-3min，且压下量逐渐降低；
（6）对步骤（5）所得冷轧型材在400-450℃的温度下进行退火处理2-3h，然后在150-180℃的温度下时效处理10-12h，得到所述纳米晶铝合金。
第三方面，本发明提供了一种如第一方面所述的纳米晶铝合金在航空航天领域的应用。
本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
（1）本发明提供的制备方法操作简单，通过冷轧变形与退火处理的协同配合，使所得纳米晶铝合金的抗拉强度≥500MPa，屈服强度≥450MPa，伸长率≥15%且疲劳周次≥2×107，具有较长的疲劳寿命；
（2）本发明提供的制备方法与铝合金的组成相配合，使所得纳米晶铝合金的晶粒尺寸<100nm，使所得纳米晶铝合金的抗拉强度≥500MPa，屈服强度≥450MPa，伸长率≥15%且疲劳周次≥2×107，极大地提高了纳米晶铝合金的抗疲劳性能。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
本实施例提供了一种纳米晶铝合金的制备方法，以质量百分数计，所述纳米晶铝合金的原料组成包括：0.75wt%的Mg，0.76wt%的Si，0.17wt%的Mn，0.15wt%的Cr，0.17wt%的Cu，0.15wt%的Zn，0.15wt%的Sn，0.33wt%的Fe，余量为Al以及不可避免的杂质。
所述制备方法包括如下步骤：
（1）按配方量熔炼原料，铸造，得到铝坯；
（2）对步骤（1）所述铝坯进行均质化处理，得到合金锭；所述均质化处理的温度为480℃；所述均质化处理的时间为5h；
（3）步骤（2）所得合金锭在25℃的条件下进行预冷轧变形，控制变形量为35.5%，得到预冷轧型材；所述预冷轧变形为在双辊轧机中进行4道次轧制，每道次轧制的时间间隔为2.5min，每道次轧制的压下量以合金锭原始厚度为基准，分别为18%、9%、5.5%与3%；
（4）对步骤（3）所得预冷轧型材在580℃的温度下预退火处理5h，得到预退火型材；
（5）对步骤（4）所得预退火型材在25℃的条件下进行冷轧变形，控制变形量为24.5%，得到冷轧型材；所述冷轧变形为在双辊轧机中进行3道次轧制，每道次轧制的时间间隔为2.5min，每道次轧制的压下量以预退火型材为基准，分别为12%、8%与4.5%；
（6）对步骤（5）所得冷轧型材在420℃的温度下进行退火处理2.5h，得到所述纳米晶铝合金。
实施例2
本实施例提供了一种纳米晶铝合金的制备方法，以质量百分数计，所述纳米晶铝合金的原料组成包括：0.75wt%的Mg，0.76wt%的Si，0.17wt%的Mn，0.15wt%的Cr，0.17wt%的Cu，0.15wt%的Zn，0.15wt%的Sn，0.33wt%的Fe，余量为Al以及不可避免的杂质。
所述制备方法包括如下步骤：
（1）按配方量熔炼原料，铸造，得到铝坯；
（2）对步骤（1）所述铝坯进行均质化处理，得到合金锭；所述均质化处理的温度为400℃；所述均质化处理的时间为6h；
（3）步骤（2）所得合金锭在20℃的条件下进行预冷轧变形，控制变形量为30%，得到预冷轧型材；所述预冷轧变形为在双辊轧机中进行4道次轧制，每道次轧制的时间间隔为3min，每道次轧制的压下量以合金锭原始厚度为基准，分别为15%、8%、5%与2%；
（4）对步骤（3）所得预冷轧型材在550℃的温度下预退火处理6h，得到预退火型材；
（5）对步骤（4）所得预退火型材在20℃的条件下进行冷轧变形，控制变形量为20%，得到冷轧型材；所述冷轧变形为在双辊轧机中进行3道次轧制，每道次轧制的时间间隔为3min，每道次轧制的压下量以预退火型材为基准，分别为10%、6%与4%；
（6）对步骤（5）所得冷轧型材在400℃的温度下进行退火处理3h，得到所述纳米晶铝合金。
实施例3
本实施例提供了一种纳米晶铝合金的制备方法，以质量百分数计，所述纳米晶铝合金的原料组成包括：0.75wt%的Mg，0.76wt%的Si，0.17wt%的Mn，0.15wt%的Cr，0.17wt%的Cu，0.15wt%的Zn，0.15wt%的Sn，0.33wt%的Fe，余量为Al以及不可避免的杂质。
所述制备方法包括如下步骤：
（1）按配方量熔炼原料，铸造，得到铝坯；
（2）对步骤（1）所述铝坯进行均质化处理，得到合金锭；所述均质化处理的温度为540℃；所述均质化处理的时间为4h；
（3）步骤（2）所得合金锭在30℃的条件下进行预冷轧变形，控制变形量为40%，得到预冷轧型材；所述预冷轧变形为在双辊轧机中进行4道次轧制，每道次轧制的时间间隔为2min，每道次轧制的压下量以合金锭原始厚度为基准，分别为20%、10%、6%与4%；
（4）对步骤（3）所得预冷轧型材在600℃的温度下预退火处理4h，得到预退火型材；
（5）对步骤（4）所得预退火型材在30℃的条件下进行冷轧变形，控制变形量为30%，得到冷轧型材；所述冷轧变形为在双辊轧机中进行3道次轧制，每道次轧制的时间间隔为2min，每道次轧制的压下量以预退火型材为基准，分别为15%、10%与5%；
（6）对步骤（5）所得冷轧型材在450℃的温度下进行退火处理2h，得到所述纳米晶铝合金。
实施例4
本实施例提供了一种纳米晶铝合金的制备方法，以质量百分数计，所述纳米晶铝合金的原料组成包括：0.75wt%的Mg，0.76wt%的Si，0.17wt%的Mn，0.15wt%的Cr，0.17wt%的Cu，0.15wt%的Zn，0.15wt%的Sn，0.33wt%的Fe，余量为Al以及不可避免的杂质。
所述制备方法包括如下步骤：
（1）按配方量熔炼原料，铸造，得到铝坯；
（2）对步骤（1）所述铝坯进行均质化处理，得到合金锭；所述均质化处理的温度为480℃；所述均质化处理的时间为5h；
（3）步骤（2）所得合金锭在25℃的条件下进行预冷轧变形，控制变形量为35.5%，得到预冷轧型材；所述预冷轧变形为在双辊轧机中进行4道次轧制，每道次轧制的时间间隔为2.5min，每道次轧制的压下量以合金锭原始厚度为基准，分别为18%、9%、5.5%与3%；
（4）对步骤（3）所得预冷轧型材在580℃的温度下预退火处理5h，得到预退火型材；
（5）对步骤（4）所得预退火型材在25℃的条件下进行冷轧变形，控制变形量为24.5%，得到冷轧型材；所述冷轧变形为在双辊轧机中进行3道次轧制，每道次轧制的时间间隔为2.5min，每道次轧制的压下量以预退火型材为基准，分别为12%、8%与4.5%；
（6）对步骤（5）所得冷轧型材在420℃的温度下进行退火处理2.5h，然后在160℃的温度下时效处理11h，得到所述纳米晶铝合金。
实施例5
本实施例提供了一种纳米晶铝合金的制备方法，以质量百分数计，所述纳米晶铝合金的原料组成包括：0.75wt%的Mg，0.76wt%的Si，0.17wt%的Mn，0.15wt%的Cr，0.17wt%的Cu，0.15wt%的Zn，0.15wt%的Sn，0.33wt%的Fe，余量为Al以及不可避免的杂质。
所述制备方法包括如下步骤：
（1）按配方量熔炼原料，铸造，得到铝坯；
（2）对步骤（1）所述铝坯进行均质化处理，得到合金锭；所述均质化处理的温度为480℃；所述均质化处理的时间为5h；
（3）步骤（2）所得合金锭在25℃的条件下进行预冷轧变形，控制变形量为35.5%，得到预冷轧型材；所述预冷轧变形为在双辊轧机中进行4道次轧制，每道次轧制的时间间隔为2.5min，每道次轧制的压下量以合金锭原始厚度为基准，分别为18%、9%、5.5%与3%；
（4）对步骤（3）所得预冷轧型材在580℃的温度下预退火处理5h，得到预退火型材；
（5）对步骤（4）所得预退火型材在25℃的条件下进行冷轧变形，控制变形量为24.5%，得到冷轧型材；所述冷轧变形为在双辊轧机中进行3道次轧制，每道次轧制的时间间隔为2.5min，每道次轧制的压下量以预退火型材为基准，分别为12%、8%与4.5%；
（6）对步骤（5）所得冷轧型材在420℃的温度下进行退火处理2.5h，然后在150℃的温度下时效处理12h，得到所述纳米晶铝合金。
实施例6
本实施例提供了一种纳米晶铝合金的制备方法，以质量百分数计，所述纳米晶铝合金的原料组成包括：0.75wt%的Mg，0.76wt%的Si，0.17wt%的Mn，0.15wt%的Cr，0.17wt%的Cu，0.15wt%的Zn，0.15wt%的Sn，0.33wt%的Fe，余量为Al以及不可避免的杂质。
所述制备方法包括如下步骤：
（1）按配方量熔炼原料，铸造，得到铝坯；
（2）对步骤（1）所述铝坯进行均质化处理，得到合金锭；所述均质化处理的温度为480℃；所述均质化处理的时间为5h；
（3）步骤（2）所得合金锭在25℃的条件下进行预冷轧变形，控制变形量为35.5%，得到预冷轧型材；所述预冷轧变形为在双辊轧机中进行4道次轧制，每道次轧制的时间间隔为2.5min，每道次轧制的压下量以合金锭原始厚度为基准，分别为18%、9%、5.5%与3%；
（4）对步骤（3）所得预冷轧型材在580℃的温度下预退火处理5h，得到预退火型材；
（5）对步骤（4）所得预退火型材在25℃的条件下进行冷轧变形，控制变形量为24.5%，得到冷轧型材；所述冷轧变形为在双辊轧机中进行3道次轧制，每道次轧制的时间间隔为2.5min，每道次轧制的压下量以预退火型材为基准，分别为12%、8%与4.5%；
（6）对步骤（5）所得冷轧型材在420℃的温度下进行退火处理2.5h，然后在180℃的温度下时效处理10h，得到所述纳米晶铝合金。
实施例7
本实施例提供了一种纳米晶铝合金的制备方法，除步骤（3）所述每道次轧制的压下量均相同，且控制变形量为35.5%外，其余均与实施例1相同。
实施例8
本实施例提供了一种纳米晶铝合金的制备方法，除步骤（5）所述每道次轧制的压下量均相同，且控制变形量为24.5%外，其余均与实施例1相同。
实施例9
本实施例提供了一种纳米晶铝合金的制备方法，除步骤（3）所述每道次轧制的压下量以合金锭原始厚度为基准，分别为3%、5.5%、9%与18%外，其余均与实施例1相同。
实施例10
本实施例提供了一种纳米晶铝合金的制备方法，除步骤（5）所述每道次轧制的压下量以预退火型材为基准，分别为4.5%、8%与12%外，其余均与实施例1相同。
实施例11
本实施例提供了一种纳米晶铝合金的制备方法，以质量百分数计，所述纳米晶铝合金的原料组成包括：0.72wt%的Mg，0.75wt%的Si，0.16wt%的Mn，0.16wt%的Cr，0.18wt%的Cu，0.18wt%的Zn，0.12wt%的Sn，0.32wt%的Fe，余量为Al以及不可避免的杂质。
所述制备方法与实施例1相同。
实施例12
本实施例提供了一种纳米晶铝合金的制备方法，以质量百分数计，所述纳米晶铝合金的原料组成包括：0.76wt%的Mg，0.78wt%的Si，0.18wt%的Mn，0.12wt%的Cr，0.16wt%的Cu，0.12wt%的Zn，0.18wt%的Sn，0.35wt%的Fe，余量为Al以及不可避免的杂质。
所述制备方法与实施例1相同。
实施例13
本实施例提供了一种纳米晶铝合金的制备方法，以质量百分数计，所述纳米晶铝合金的原料组成包括：0.7wt%的Mg，0.7wt%的Si，0.15wt%的Mn，0.16wt%的Cr，0.2wt%的Cu，0.2wt%的Zn，0.1wt%的Sn，0.3wt%的Fe，余量为Al以及不可避免的杂质。
所述制备方法与实施例1相同。
实施例14
本实施例提供了一种纳米晶铝合金的制备方法，以质量百分数计，所述纳米晶铝合金的原料组成包括：0.8wt%的Mg，0.8wt%的Si，0.2wt%的Mn，0.1wt%的Cr，0.15wt%的Cu，0.1wt%的Zn，0.2wt%的Sn，0.4wt%的Fe，余量为Al以及不可避免的杂质。
所述制备方法与实施例1相同。
实施例15
本实施例提供了一种纳米晶铝合金的制备方法，以质量百分数计，所述纳米晶铝合金的原料组成包括：0.75wt%的Mg，0.76wt%的Si，0.15wt%的Mn，0.2wt%的Cr，0.17wt%的Cu，0.15wt%的Zn，0.15wt%的Sn，0.33wt%的Fe，余量为Al以及不可避免的杂质。
所述制备方法与实施例1相同。
实施例16
本实施例提供了一种纳米晶铝合金的制备方法，以质量百分数计，所述纳米晶铝合金的原料组成包括：0.75wt%的Mg，0.76wt%的Si，0.15wt%的Mn，0.1wt%的Cr，0.17wt%的Cu，0.15wt%的Zn，0.15wt%的Sn，0.33wt%的Fe，余量为Al以及不可避免的杂质。
所述制备方法与实施例1相同。
对比例1
本对比例提供了一种纳米晶铝合金的制备方法，除Cu的含量为0.12wt%外，其余均与实施例1相同。
对比例2
本对比例提供了一种纳米晶铝合金的制备方法，除Cu的含量为0.22wt%外，其余均与实施例1相同。
对比例3
本对比例提供了一种纳米晶铝合金的制备方法，除Zn的含量为0.06wt%外，其余均与实施例1相同。
对比例4
本对比例提供了一种纳米晶铝合金的制备方法，除Zn的含量为0.24wt%外，其余均与实施例1相同。
对比例5
本对比例提供了一种纳米晶铝合金的制备方法，除Sn的含量为0.06wt%外，其余均与实施例1相同。
对比例6
本对比例提供了一种纳米晶铝合金的制备方法，除Sn的含量为0.24wt%外，其余均与实施例1相同。
对比例7
本对比例提供了一种纳米晶铝合金的制备方法，除Mg的含量为0.65wt%外，其余均与实施例1相同。
对比例8
本对比例提供了一种纳米晶铝合金的制备方法，除Mg的含量为0.85wt%外，其余均与实施例1相同。
对比例9
本对比例提供了一种纳米晶铝合金的制备方法，除Si的含量为0.65wt%外，其余均与实施例1相同。
对比例10
本对比例提供了一种纳米晶铝合金的制备方法，除Si的含量为0.85wt%外，其余均与实施例1相同。
对比例11
本对比例提供了一种纳米晶铝合金的制备方法，除Mn的含量为0.12wt%外，其余均与实施例1相同。
对比例12
本对比例提供了一种纳米晶铝合金的制备方法，除Mn的含量为0.24wt%外，其余均与实施例1相同。
对比例13
本对比例提供了一种纳米晶铝合金的制备方法，除Cr的含量为0.06wt%外，其余均与实施例1相同。
对比例14
本对比例提供了一种纳米晶铝合金的制备方法，除Cr的含量为0.24wt%外，其余均与实施例1相同。
对比例15
本对比例提供了一种纳米晶铝合金的制备方法，以质量百分数计，所述纳米晶铝合金的原料组成包括：0.75wt%的Mg，0.76wt%的Si，0.17wt%的Mn，0.15wt%的Cr，0.17wt%的Cu，0.15wt%的Zn，0.15wt%的Sn，0.33wt%的Fe，余量为Al以及不可避免的杂质。
所述制备方法包括如下步骤：
（1）按配方量熔炼原料，铸造，得到铝坯；
（2）对步骤（1）所述铝坯进行均质化处理，得到合金锭；所述均质化处理的温度为480℃；所述均质化处理的时间为5h；
（3）步骤（2）所得合金锭在25℃的条件下进行冷轧变形，控制变形量为35.5%，得到预冷轧型材；所述预冷轧变形为在双辊轧机中进行4道次轧制，每道次轧制的时间间隔为2.5min，每道次轧制的压下量以合金锭原始厚度为基准，分别为18%、9%、5.5%与3%；
（4）对步骤（3）所得预冷轧型材在580℃的温度下预退火处理5h，得到所述纳米晶铝合金。
对比例16
本对比例提供了一种纳米晶铝合金的制备方法，以质量百分数计，所述纳米晶铝合金的原料组成包括：0.75wt%的Mg，0.76wt%的Si，0.17wt%的Mn，0.15wt%的Cr，0.17wt%的Cu，0.15wt%的Zn，0.15wt%的Sn，0.33wt%的Fe，余量为Al以及不可避免的杂质。
所述制备方法包括如下步骤：
（1）按配方量熔炼原料，铸造，得到铝坯；
（2）对步骤（1）所述铝坯进行均质化处理，得到合金锭；所述均质化处理的温度为480℃；所述均质化处理的时间为5h；
（3）对步骤（2）所得合金锭在25℃的条件下进行冷轧变形，控制变形量为24.5%，得到冷轧型材；所述冷轧变形为在双辊轧机中进行3道次轧制，每道次轧制的时间间隔为2.5min，每道次轧制的压下量以预退火型材为基准，分别为12%、8%与4.5%；
（4）对步骤（3）所得冷轧型材在420℃的温度下进行退火处理2.5h，得到所述纳米晶铝合金。
对实施例1-16以及对比例1-16提供的纳米晶铝合金的抗拉强度、屈服强度、伸长率以及疲劳周次进行测定，抗拉强度、屈服强度与伸长率的测定在万能拉伸试验机中进行，测试方法为国标方法；所述疲劳周次在500MPa应力水平和应力比为0.1的交变载荷下进行。所得结果如表1所示。
表1
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由表1可知，实施例4-6中在退火处理之后进行了时效处理，提高了所得纳米晶铝合金的抗拉强度与屈服强度，虽然伸长率与疲劳寿命略有下降，但仍能保持伸长率≥15%且疲劳周次≥2×107。
实施例7-10中，预冷轧处理以及冷轧处理过程中的压下量未能保持每道次压下量逐渐降低的趋势，所得纳米晶铝合金的抗拉强度、屈服强度、伸长率以及疲劳寿命均存在明显下降。
由实施例15-16与实施例1的对比可知，当纳米晶铝合金中Mn与Cr的总量未保持0.3-0.32wt%时，所得纳米晶铝合金的抗拉强度、屈服强度、伸长率以及疲劳寿命下降；但下降趋势弱于实施例7-10。
由对比例1-14与实施例1的对比可知，本发明提供的纳米晶铝合金需要使Mg、Si、Mn、Cr、Cu、Zn以及Sn同时满足Mg为0.7-0.8wt%，Si为0.7-0.8wt%，Mn为0.15-0.2wt%，Cr为0.1-0.2wt%，Cu为0.15-0.2wt%，Zn为0.1-0.2wt%，Sn为0.1-0.2wt%的条件，否则所得纳米晶铝合金的抗拉强度、屈服强度、伸长率以及疲劳寿命均存在明显下降。
由对比例15-16与实施例1的对比可知，预冷轧变形与冷轧变形缺一不可，单独进行预冷轧变形或冷轧变形均不能得到本申请所述纳米晶铝合金。
综上所述，本发明提供的制备方法操作简单，通过冷轧变形与退火处理的协同配合，使所得纳米晶铝合金的抗拉强度≥500MPa，屈服强度≥450MPa，伸长率≥15%且疲劳周次≥2×107，具有较长的疲劳寿命；本发明提供的制备方法与铝合金的组成相配合，使所得纳米晶铝合金的晶粒尺寸<100nm，使所得纳米晶铝合金的抗拉强度≥500MPa，屈服强度≥450MPa，伸长率>15%且疲劳周次>2×107，极大地提高了纳米晶铝合金的抗疲劳性能。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种纳米晶铝合金，其特征在于，以质量百分数计，所述纳米晶铝合金的原料组成包括：0.7-0.8wt%的Mg，0.7-0.8wt%的Si，0.15-0.2wt%的Mn，0.1-0.2wt%的Cr，0.15-0.2wt%的Cu，0.1-0.2wt%的Zn，0.1-0.2wt%的Sn，0.3-0.4wt%的Fe，余量为Al以及不可避免的杂质；
以质量百分数计，所述纳米晶铝合金的原料中Mn与Cr的总质量百分数为0.3-0.32wt%；
所述纳米晶铝合金采用如下制备方法得到，所述制备方法包括如下步骤：
（1）按配方量熔炼原料，铸造，得到铝坯；
（2）对步骤（1）所述铝坯进行均质化处理，得到合金锭；
（3）对步骤（2）所得合金锭进行预冷轧变形，控制变形量为30-40%，得到预冷轧型材；所述预冷轧变形为在双辊轧机中进行4道次轧制，每道次轧制的压下量以合金锭原始厚度为基准，分别为15-20%、8-10%、5-6%与2-4%；每道次轧制的时间间隔为2-3min，且压下量逐渐降低；
（4）对步骤（3）所得预冷轧型材进行预退火处理，得到预退火型材；所述预退火处理的温度为550-600℃，时间为4-6h；
（5）对步骤（4）所得预退火型材进行冷轧变形，控制变形量为20-30%，得到冷轧型材；所述冷轧变形为在双辊轧机中进行3道次轧制，每道次轧制的压下量以预退火型材为基准，分别为10-15%、6-10%与4-5%；每道次轧制的时间间隔为2-3min，且压下量逐渐降低；
（6）对步骤（5）所得冷轧型材进行退火处理，得到纳米晶铝合金；所述退火处理的温度为400-450℃，时间为2-3h。
2.根据权利要求1所述的纳米晶铝合金，其特征在于，以质量百分数计，所述纳米晶铝合金的原料组成包括：0.72-0.76wt%的Mg，0.75-0.78wt%的Si，0.16-0.18wt%的Mn，0.12-0.16wt%的Cr，0.16-0.18wt%的Cu，0.12-0.18wt%的Zn，0.12-0.18wt%的Sn以及0.32-0.35wt%的Fe，余量为Al以及不可避免的杂质。
3.一种如权利要求1或2所述纳米晶铝合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
（1）按配方量熔炼原料，铸造，得到铝坯；
（2）对步骤（1）所述铝坯进行均质化处理，得到合金锭；
（3）对步骤（2）所得合金锭进行预冷轧变形，控制变形量为30-40%，得到预冷轧型材；所述预冷轧变形为在双辊轧机中进行4道次轧制，每道次轧制的压下量以合金锭原始厚度为基准，分别为15-20%、8-10%、5-6%与2-4%；每道次轧制的时间间隔为2-3min，且压下量逐渐降低；
（4）对步骤（3）所得预冷轧型材进行预退火处理，得到预退火型材；所述预退火处理的温度为550-600℃，时间为4-6h；
（5）对步骤（4）所得预退火型材进行冷轧变形，控制变形量为20-30%，得到冷轧型材；所述冷轧变形为在双辊轧机中进行3道次轧制，每道次轧制的压下量以预退火型材为基准，分别为10-15%、6-10%与4-5%；每道次轧制的时间间隔为2-3min，且压下量逐渐降低；
（6）对步骤（5）所得冷轧型材进行退火处理，得到纳米晶铝合金；所述退火处理的温度为400-450℃，时间为2-3h。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述均质化处理的温度为400-540℃。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述均质化处理的时间为4-6h。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述预冷轧变形的温度为20-30℃。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（5）所述冷轧变形的温度为20-30℃。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（6）所述退火处理之后还包括时效处理。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述时效处理的温度为150-180℃。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述时效处理的时间为10-12h。
11.一种如权利要求1或2所述的纳米晶铝合金在航空航天领域的应用。
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