CN112981196B - 一种超高强度、高韧性Al-Zn-Mg-Cu铝合金及其制备方法 - Google Patents

一种超高强度、高韧性Al-Zn-Mg-Cu铝合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明采用机器学习方法设计了一种超高强度、高韧性Al‑Zn‑Mg‑Cu铝合金及其制备方法，属于新材料设计与开发技术领域。超强高韧Al‑Zn‑Mg‑Cu铝合金成分特征在于：Zn含量为8.30wt％‑9.50wt％，Mg含量为2.00wt％‑2.50wt％，Cu含量为1.30wt％‑1.80wt％，Mn含量为0.05wt％‑0.15wt％，Cr含量为0.10wt％‑0.20wt％，Zr含量为0.10wt％‑0.20wt％，Ti含量为0.05wt％‑0.10wt％，Fe、Si等杂质元素总和<0.25wt％，余量为Al。所发明合金在保持延伸率(>9％)和断裂韧性(>33MPa·mm1/2)与7050、7055、7136等合金基本相同的条件下，大幅度提升合金强度(>700MPa)。此外，本发明Al‑Zn‑Mg‑Cu铝合金采用常规工业生产工艺制造：铸造→均匀化→热挤压→固溶处理→时效处理，且合金不含昂贵的稀土元素，适合大规模工业化生产和应用。

Description

一种超高强度、高韧性Al-Zn-Mg-Cu铝合金及其制备方法
技术领域
本发明属于新材料设计与开发技术领域，特别是提供了一种超高强度、高韧性Al-Zn-Mg-Cu铝合金及其制备方法，满足航空航天领域对高性能铝合金材料的需求。
背景技术
高强高韧铝合金具有比强度高、耐蚀性强、可加工性和可回收性良好等优点，是航空航天、轨道交通等领域的关键结构材料。7050(US3881966)、7055(US5221377A)、7136(US7214281B2)等是目前代表性的高性能航空铝合金，工业生产条件下抗拉强度可达600～650MPa、断后伸长率8～10％、断裂韧性33～35MPa·m1/2以上。随着飞机、高速铁路列车等运输工具向轻量化、超高速、低成本的方向发展，对高强高韧铝合金提出了更高的综合性能要求，例如，希望未来航空用高性能铝合金抗拉强度达到700～800MPa，而韧性、可加工性和耐蚀性等其他主要性能指标与目前广泛应用的先进7050和7055、7136铝合金相当。
目前，开发高性能航空用铝合金的主要途径为成分优化与工艺调控。通过进一步提高Zn、Mg、Cu等主元素的含量，增加晶内析出相密度，可提高铝合金的强度，但主元素总含量的增加往往导致合金的塑性、断裂韧性急剧下降，从而降低材料的综合性能(US8961715B2)；添加稀土元素如Sc(CN107058827A)、Er(CN110042287A)、Sr(CN101509091)，形成弥散相来钉扎晶界、亚晶界和位错，可起到弥散强化、细晶强化的效果，实现合金综合性能的提升，但稀土价格昂贵，并不适合大规模生产高强高韧铝合金结构材料；通过调控合金元素含量匹配关系有望提升合金性能，然而高强高韧铝合金的成分复杂，成分空间庞大，难以通过传统经验试错法寻找到合适的成分配比。
为此，本申请采用机器学习方法分析公开报道的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金成分-性能数据，优化了合金中Zn、Mg、Cu、Cr、Mn、Zr、Ti等元素含量，开发了一种常规工艺处理、不含稀土元素的超高强度、高韧性铝合金，合金抗拉强度>700MPa，延伸率>9％，断裂韧性>33MPa·mm1/2，可以很好满足新一代航空用铝合金的力学性能需求。
发明内容
本发明针对目前高强高韧铝合金的强度、塑性、韧性难以同时满足下一代航空用铝合金性能需求的问题，采用数据驱动的机器学习方法，开发了一种新型超高强、高韧性铝合金，简称超强高韧铝合金。
一种超强高韧Al-Zn-Mg-Cu铝合金，其特征在于：Zn含量为8.30wt％-9.50wt％，Mg含量为2.00wt％-2.50wt％，Cu含量为1.30wt％-1.80wt％，Mn含量为0.05wt％-0.15wt％，Cr含量为0.10wt％-0.20wt％，Zr含量为0.10wt％-0.20wt％，Ti含量为0.05wt％-0.10wt％，Fe、Si杂质元素总和<0.25wt％，余量为Al。
如上所述超强高韧Al-Zn-Mg-Cu铝合金的制备方法，其制备步骤如下：
(1)铸造：以纯铝、工业纯锌、工业纯镁、铝铜中间合金(Al-50wt％Cu)、铝锰中间合金(Al-10wt％Mn)、铝铬中间合金(Al-5wt％Cr)、铝锆中间合金(Al-10wt％Zr)、铝钛中间合金(Al-10wt％Ti)为原料，熔炼高强高韧铝合金，熔炼温度控制在700-750℃，然后浇铸成铸锭、脱膜空冷；
(2)均匀化：将(1)中熔炼的铸锭升温至380-420℃，保温20-30h，再升温至450-500℃，保温20-30h后，出炉空冷至室温；
(3)热挤压：将(2)中均匀化的铸锭在380-420℃保温1.5-2.5h进行挤压，挤压筒、模具、挤压垫的温度为400-450℃，挤压比为9-50；
(4)固溶处理：将(3)中获得热挤压加工后的坯料进行三级固溶处理；
(5)时效处理：将(4)中固溶处理后的坯料进行单级时效处理，获得超高强高韧铝合金。
进一步地，步骤(4)所述固溶处理工艺为：将步骤(3)中热挤压加工后的坯料升温至430-450℃，保温1-2h，然后继续升温至460-480℃，保温1-2h，最终升温至470-490℃，保温0.5-1h，随后室温水淬；
进一步地，步骤(5)所述时效处理温度为110-130℃，保温时间为10-50h。
本发明技术要点：
本发明采用机器学习方法分析了公开报道的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金成分-性能数据，优化了合金中Zn、Mg、Cu、Cr、Mn、Zr、Ti等元素含量，获得了合金优异的强塑性匹配综合性能。与“7050、7055、7136等高强高韧铝合金”相比，本发明提高了Zn元素含量以提高合金强度，降低了Cu、Fe、Si等元素含量以提高合金塑韧性，添加了Cr、Mn、Ti等元素与主元素搭配，加之与其相匹配的热处理工艺，使得合金的显微组织形貌更加均匀、固溶组织中很少未熔相(见图1)，时效后合金形成多层次多尺度的析出强化相(见图2)以及新型Al-Zn-Mg-Cu系铝合金中典型GP区与η′相(见图3)，促使合金同时实现超高强度和高塑韧性。
本发明的优点：
(1)现有先进的7050、7055、7136等Al-Zn-Mg-Cu系高强高韧铝合金，难以保持高塑性、高韧性的同时，大幅度提升合金的抗拉强度，而本发明设计的Al-Zn-Mg-Cu铝合金在保持延伸率(>9％)和断裂韧性(>33MPa·mm1/2)与7050、7055、7136等合金基本相同的条件下，大幅度提升合金强度(>700MPa)。
(2)与7050、7055、7136等合金相比，本发明通过显著降低Cu元素的含量、提高Cr元素的含量，以及其它合金成分的合理匹配，经固溶+时效处理后，合金基体中几乎不存在未熔微米级颗粒相，同时形成多层次多尺度的析出强化相，促使合金同时实现超高强度和高韧性。
(3)本发明铝合金采用常规铝合金材料工业生产工艺制造：铸造→均匀化→热挤压→固溶处理→时效处理，且合金不含昂贵的稀土元素，适合大规模工业化生产和应用。
附图说明
图1为新型Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的固溶显微组织形貌，
图2为新型Al-Zn-Mg-Cu系铝合金中典型析出相形貌，
图3为新型Al-Zn-Mg-Cu系铝合金中典型GP区与η′相形貌。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例1：
一种超强高韧Al-Zn-Mg-Cu铝合金，其特征在于：Zn含量为8.30wt％，Mg含量为2.38wt％，Cu含量为1.75wt％，Mn含量为0.05wt％，Cr含量为0.10wt％，Zr含量为0.10wt％，Ti含量为0.08wt％，Fe含量为0.01wt％，Si含量为0.01wt％，余量为Al。
本发明合金的制备方法如下：
(1)铸造：以纯铝、工业纯锌、工业纯镁、铝铜中间合金(Al-50wt％Cu)、铝锰中间合金(Al-10wt％Mn)、铝铬中间合金(Al-5wt％Cr)、铝锆中间合金(Al-10wt％Zr)、铝钛中间合金(Al-10wt％Ti)为原料，熔炼高强高韧铝合金，熔炼温度控制在725℃，然后浇铸成铸锭、脱膜空冷；
(2)均匀化：将(1)中熔炼的铸锭升温至400℃，保温24h，再升温至470℃，保温24h后，出炉空冷至室温；
(3)挤压：将(2)中均匀化的铸锭在400℃保温2h进行挤压，挤压筒、模具、挤压垫的温度分别为420℃，挤压比为9；
(4)固溶处理：将(3)中热挤压加工后的坯料升温至440℃，保温1h，然后继续升温至460℃，保温1h，最终升温至480℃，保温0.5h，随后室温水淬；
(5)时效处理：将(4)中固溶处理后的坯料在120℃保温24h进行时效处理，获得超高强高韧铝合金材料。
合金综合性能为：抗拉强度＝710±6MPa，延伸率＝9.5±0.4％，断裂韧性＝33.9±0.5MPa·mm1/2。
实施例2：
一种超强高韧Al-Zn-Mg-Cu系铝合金，其特征在于：Zn含量为8.95wt％，Mg含量为2.30wt％，Cu含量为1.76wt％，Mn含量为0.10wt％，Cr含量为0.15wt％，Zr含量为0.10wt％，Ti含量为0.06wt％，Fe含量为0.02wt％，Si含量为0.01wt％，余量为Al。
本发明合金的制备方法如下：
(1)铸造：以纯铝、工业纯锌、工业纯镁、铝铜中间合金(Al-50wt％Cu)、铝锰中间合金(Al-10wt％Mn)、铝铬中间合金(Al-5wt％Cr)、铝锆中间合金(Al-10wt％Zr)、铝钛中间合金(Al-10wt％Ti)为原料，熔炼高强高韧铝合金，熔炼温度控制在730℃，然后浇铸成铸锭、脱膜空冷；
(2)均匀化：将(1)中熔炼的铸锭升温至400℃，保温24h，再升温至475℃，保温24h后，出炉空冷至室温；
(3)挤压：将(2)中均匀化的铸锭在410℃保温2h进行挤压，挤压筒、模具、挤压垫的温度为430℃，挤压比为12；
(4)固溶处理：将(3)中热挤压加工后的坯料升温至445℃，保温1h，然后继续升温至475℃，保温1h，最终升温至485℃，保温0.5h，随后室温水淬；
(5)时效处理：将(4)中固溶处理后的坯料在120℃保温24h进行时效处理，获得超高强高韧铝合金材料。
合金综合性能：抗拉强度＝725±5MPa，延伸率＝9.0±0.2％，断裂韧性＝33.2±0.2MPa·mm1/2。
实施例3：
一种超强高韧Al-Zn-Mg-Cu系铝合金，其特征在于：Zn含量为9.31wt％，Mg含量为2.10wt％，Cu含量为1.70wt％，Mn含量为0.11wt％，Cr含量为0.17wt％，Zr含量为0.12wt％，Ti含量为0.07wt％，Fe含量为0.02wt％，Si含量为0.01wt％，余量为Al。
本发明合金的制备方法如下：
(1)铸造：以纯铝、工业纯锌、工业纯镁、铝铜中间合金(Al-50wt％Cu)、铝锰中间合金(Al-10wt％Mn)、铝铬中间合金(Al-5wt％Cr)、铝锆中间合金(Al-10wt％Zr)、铝钛中间合金(Al-10wt％Ti)为原料，熔炼高强高韧铝合金，熔炼温度控制在740℃，然后浇铸成铸锭、脱膜空冷；
(2)均匀化：将(1)中熔炼的铸锭升温至410℃，保温24h，再升温至480℃，保温24h后，出炉空冷至室温；
(3)挤压：将(2)中均匀化的铸锭在410℃保温2h进行挤压，挤压筒、模具、挤压垫的温度分别为440℃，挤压比为18；
(4)固溶处理：将(3)中热挤压加工后的坯料升温至450℃，保温1h，然后继续升温至470℃，保温1h，最终升温至480℃，保温0.5h，随后室温水淬；
(5)时效处理：将(4)中固溶处理后的坯料在120℃保温24h进行时效处理，获得超高强高韧铝合金材料。
合金综合性能：抗拉强度＝732±6MPa，延伸率＝9.2±0.1％，断裂韧性＝33.0±0.3MPa·mm1/2。

Claims (4)

1.一种超强高韧Al-Zn-Mg-Cu铝合金，其特征在于：Zn含量为8.30wt%-9.50wt%，Mg含量为2.00wt%-2.50wt%，Cu含量为1.70wt%-1.80wt%，Mn含量为0.05wt%-0.15wt%，Cr含量为0.10wt%-0.20wt%，Zr含量为0.10wt%-0.20wt%，Ti含量为0.05wt%-0.10wt%，Fe、Si杂质元素总和<0.25wt%，余量为Al；
所述的超强高韧Al-Zn-Mg-Cu铝合金采用常规铝合金材料工业生产工艺制造：铸造→均匀化→热挤压→固溶处理→时效处理；
制备步骤如下：
(1)铸造：以纯铝、工业纯锌、工业纯镁、Al-50wt%Cu铝铜中间合金、Al-10wt%Mn铝锰中间合金、Al-5wt%Cr铝铬中间合金、Al-10wt%Zr铝锆中间合金、Al-10wt%Ti铝钛中间合金为原料，熔炼高强高韧铝合金，熔炼温度控制在700-750℃，然后浇铸成铸锭、脱膜空冷；
(2)均匀化：将(1)中熔炼的铸锭升温至380-420℃，保温20-30h，再升温至450-500℃，保温20-30h后，出炉空冷至室温；
(3)热挤压：将(2)中均匀化的铸锭在380-420℃保温1.5-2.5h进行挤压，挤压筒、模具、挤压垫的温度为400-450℃，挤压比为9-50；
(4)固溶处理：将(3)中获得热挤压加工后的坯料进行三级固溶处理；
(5)时效处理：将(4)中固溶处理后的坯料进行单级时效处理，获得超高强高韧铝合金；
将步骤(3)中热挤压加工后的坯料升温至430-450℃，保温1-2h，然后继续升温至460-480℃，保温1-2h，最终升温至470-490℃，保温0.5-1h，随后室温水淬；
所述的超强高韧Al-Zn-Mg-Cu铝合金的延伸率>9%，断裂韧性>33MPa·mm1/2，抗拉强度>700MPa。
2.如权利要求1所述超强高韧Al-Zn-Mg-Cu铝合金的制备方法，其特征在于制备步骤如下：
(1)铸造：以纯铝、工业纯锌、工业纯镁、Al-50wt%Cu铝铜中间合金、Al-10wt%Mn铝锰中间合金、Al-5wt%Cr铝铬中间合金、Al-10wt%Zr铝锆中间合金、Al-10wt%Ti铝钛中间合金为原料，熔炼高强高韧铝合金，熔炼温度控制在700-750℃，然后浇铸成铸锭、脱膜空冷；
(2)均匀化：将(1)中熔炼的铸锭升温至380-420℃，保温20-30h，再升温至450-500℃，保温20-30h后，出炉空冷至室温；
(3)热挤压：将(2)中均匀化的铸锭在380-420℃保温1.5-2.5h进行挤压，挤压筒、模具、挤压垫的温度为400-450℃，挤压比为9-50；
(4)固溶处理：将(3)中获得热挤压加工后的坯料进行三级固溶处理；
(5)时效处理：将(4)中固溶处理后的坯料进行单级时效处理，获得超高强高韧铝合金。
3.如权利要求2所述超强高韧Al-Zn-Mg-Cu铝合金的制备方法，其特征在于步骤(4)所述固溶处理工艺为：将步骤(3)中热挤压加工后的坯料升温至430-450℃，保温1-2h，然后继续升温至460-480℃，保温1-2h，最终升温至470-490℃，保温0.5-1h，随后室温水淬。
4.如权利要求2所述超强高韧Al-Zn-Mg-Cu铝合金的制备方法，其特征在于步骤(5)所述时效处理温度为110-130℃，保温时间为10-50h。
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