CN113005376B - 一种超强高韧Al-Zn-Mg-Cu铝合金的固溶-时效热处理工艺 - Google Patents

一种超强高韧Al-Zn-Mg-Cu铝合金的固溶-时效热处理工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超强高韧Al‑Zn‑Mg‑Cu铝合金的固溶‑时效热处理工艺，属于铝合金热处理技术领域。本发明铝合金固溶‑时效工艺，兼顾合金高强、高塑、高韧等综合性能需求，其特征在于：采用三级固溶处理+三级时效处理，固溶和时效温度逐级上升。本发明的超强高韧铝合金固溶‑时效热处理工艺，优先适用但不限于新型超强高韧Al‑Zn‑Mg‑Cu铝合金，相比于传统T6单级峰值时效处理工艺，本发明固溶‑时效工艺获得的合金组织中晶内析出相分布更加均匀且细小、晶界析出相由连续链状分布转变为非连续分布，可显著提升合金的综合性能，抗拉强度>750MPa，延伸率>12％，断裂韧性>35MPa·mm1/2。且该工艺成本低、流程短，适合高性能铝合金的大规模工业化生产。

Description

一种超强高韧Al-Zn-Mg-Cu铝合金的固溶-时效热处理工艺
技术领域
本发明涉及铝合金热处理技术领域，特别是提供了一种超强高韧Al-Zn-Mg-Cu铝合金的热处理工艺，满足航空航天领域对高性能铝合金热处理工艺的需求。
背景技术
随着航空航天、轨道交通等领域的迅速发展，对高强高韧铝合金综合性能提出了更高的要求，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铝合金7050(US3881966)、7055(US5221377A)和7136(US7214281B2)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。例如，单级峰值时效处理可以使铝合金获得较高的强度，但晶界处连续链状分布的析出相恶化了材料的塑性和抗应力腐蚀能力；双级时效工艺虽然改善了合金塑性、韧性和抗应力腐蚀能力，但牺牲了合金的强度；回归再时效工艺，可使得合金在保证较高强度的情况下，提高合金的耐蚀性，但不适宜大尺寸铝合金构件的热处理；断续时效，可实现强度、塑性、韧性、耐蚀性的良好匹配，但长达上千小时的时效处理时间，增加了生产成本、降低了生产效率。
为此，面对强度、塑性、韧性等多项性能指标的综合要求，研发适合超高强韧铝合金工业化生产的固溶-时效工艺具有重要意义。本申请采用机器学习方法分析公开报道的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金固溶-时效工艺数据，开发了适用但不限于申请人发明的超高强度、高韧性铝合金(成分范围：8.30wt％-9.50wt％Zn，2.00wt％-2.50wt％Mg，1.30wt％-1.80wt％Cu，0.05wt％-0.15wt％Mn，0.10wt％-0.20wt％Cr，0.10wt％-0.20wt％Zr，0.05wt％-0.10wt％Ti，Fe、Si等杂质元素总和<0.25wt％，余量为Al)的新型固溶-时效热处理工艺，实现合金综合性能的提升，可很好满足航空航天、轨道交通等领域对超高强度、高韧性铝合金制造的需求。
发明内容
本发明针对目前高强高韧铝合金固溶-时效热处理工艺难以较好地匹配强度、塑性、韧性等综合性能，进而导致合金难以满足航空航天、轨道交通领域需求的问题，基于数据驱动的机器学习方法，开发了一种新型超强高韧铝合金固溶-时效热处理工艺。
一种超强高韧Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的固溶-时效热处理工艺，其特征在于：采用三级固溶处理+三级时效处理，固溶和时效温度逐级上升。本发明的超强高韧铝合金固溶-时效热处理工艺，优先适用但不限于新型超强高韧Al-Zn-Mg-Cu铝合金，成分范围如下：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。具体方案如下：
(1)三级固溶处理：将挤压或轧制变形态高强高韧铝合金进行三级固溶处理；
(2)三级时效处理：将步骤(1)中固溶处理的高强高韧铝合金进行三级时效处理。
进一步地，步骤(1)所述三级固溶处理工艺为：将挤压或轧制变形态铝合金在430-450℃保温1-4h，进行第一级固溶；随后在450-470℃保温1-4h，进行第二级固溶；最后在470-490℃保温0.5-2h，进行第三级固溶，然后室温水淬。
进一步地，步骤(2)所述三级时效处理工艺为：将淬火处理后铝合金在60-80℃下长时保温24-72h，进行第一级低温长时孕育时效；随后在90-110℃下保温10-36h进行第二级初步析出时效；最终在120-150℃下保温4-8h，进行第三级高温析出时效。
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-工艺-性能数据，利用迁移学习方法预测并优化验证了Al-Zn-Mg-Cu系铝合金固溶-时效工艺。与传统单级或者双级工艺相比，该工艺细化了固溶和时效的阶段，逐级升温固溶可以保证合金在不发生过烧的前提下最大限度地固溶合金中的未溶解相，为时效析出奠定基础；逐级升温时效考虑了析出孕育、初步析出和高温析出三个阶段，更大限度地促进合金的析出强化效果，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Al-Zn-Mg-Cu系铝合金热处理工艺难以显著提升合金强度和塑韧性，而本发明固溶-时效工艺，兼顾合金高强、高塑、高韧等综合性能需求，所制备新型超强高韧Al-Zn-Mg-Cu铝合金可实现强度和塑韧性同时提升，抗拉强度>750MPa，延伸率>12％，断裂韧性>35MPa·mm1/2。
(2)相比于传统T6单级峰值时效处理工艺，本发明固溶-时效工艺获得的合金组织中晶内析出相分布更加均匀且细小、晶界析出相由连续链状分布转变为非连续分布，可显著提升合金的综合性能。
(3)本发明的固溶-时效热处理工艺，工艺成本低、流程短，适合高性能铝合金的大规模工业化生产。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例1：
针对新型超强高韧Al-Zn-Mg-Cu系铝合金(Zn含量为8.28wt％，Mg含量为2.38wt％，Cu含量为1.73wt％，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。)
本发明超强高韧Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的固溶-时效热处理工艺，其特征在于：采用三级固溶处理+三级时效处理，固溶和时效温度逐级上升。具体方案如下：
(1)三级固溶处理：将挤压态铝合金在440℃下保温2h，进行第一级固溶；
随后在460℃下保温1h，进行第二级固溶；最后在480℃下保温0.5h，进行第三级固溶，然后室温水淬。
(2)三级时效处理：将淬火处理后合金在65℃下长时保温48h，进行第一级低温长时孕育时效；随后在110℃下保温14h进行第二级初步析出时效；最终在135℃下保温4h，进行第三级高温析出时效，获得超高强高韧铝合金。
合金最终性能为：抗拉强度＝750±12MPa，延伸率＝14.1±0.4％，断裂韧性＝35.2±0.6MPa·mm1/2。
实施例2：
针对新型超强高韧Al-Zn-Mg-Cu系铝合金(Zn含量为8.90wt％，Mg含量为2.29wt％，Cu含量为1.76wt％，Mn含量为0.10wt％，Cr含量为0.14wt％，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。)
本发明超强高韧Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的固溶-时效热处理工艺，其特征在于：采用三级固溶处理+三级时效处理，不同级固溶和时效温度逐渐上升。具体方案如下：
(1)三级固溶处理：将挤压态铝合金在450℃下保温4h，进行第一级固溶；随后在470℃下保温2h，进行第二级固溶；最后在480℃下保温0.5h，进行第三级固溶，然后室温水淬。
(2)三级时效处理：将淬火处理后合金在65℃下长时保温42h，进行第一级低温长时孕育时效；随后在100℃下保温24h进行第二级初步析出时效；最终在135℃下保温4h，进行第三级高温析出时效，获得超高强高韧铝合金。
合金综合性能为：抗拉强度＝767±6MPa，延伸率＝13.4±0.5％，断裂韧性＝35.0±0.2MPa·mm1/2。
实施例3：
针对新型超强高韧Al-Zn-Mg-Cu系铝合金(Zn含量为9.30wt％，Mg含量为2.18wt％，Cu含量为1.80wt％，Mn含量为0.09wt％，Cr含量为0.17wt％，Zr含量为0.14wt％，Ti含量为0.06wt％，Fe含量为0.02wt％，Si含量为0.01wt％，余量为Al。)
本发明超强高韧Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的固溶-时效热处理工艺，其特征在于：采用三级固溶处理+三级时效处理，不同级固溶和时效温度逐渐上升。具体方案如下：
(1)三级固溶处理：将挤压态铝合金在440℃下保温6h，进行第一级固溶；随后在460℃下保温2h，进行第二级固溶；最后在480℃下保温0.5h，进行第三级固溶，然后室温水淬。
(2)三级时效处理：将淬火处理后合金在60℃下长时保温60h，进行第一级低温长时孕育时效；随后在100℃下保温30h进行第二级初步析出时效；最终在130℃下保温8h，进行第三级高温析出时效，获得超高强高韧铝合金。
合金综合性能为：抗拉强度＝779±15MPa，延伸率＝12.2±0.7％，断裂韧性＝35.1±0.2MPa·mm1/2。

Claims (1)

1.一种超强高韧Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的固溶-时效热处理工艺，其特征在于：采用三级固溶处理+三级时效处理，固溶和时效温度逐级上升；所述超强高韧Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的成分范围为：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；具体处理工艺如下：
(1)三级固溶处理：将挤压或轧制变形态超强高韧铝合金进行三级固溶处理；
(2)三级时效处理：将步骤(1)中固溶处理的超强高韧铝合金进行三级时效处理；
步骤(1)的三级固溶处理工艺为：将挤压或轧制变形态铝合金在430-450℃保温1-4h，进行第一级固溶；随后在450-470℃保温1-4h，进行第二级固溶；最后在470-490℃保温0.5-2h，进行第三级固溶，然后室温水淬；
步骤(2)的三级时效处理工艺为：将淬火处理后铝合金在60-80℃下长时保温24-72h，进行第一级低温长时孕育时效；随后在90-110℃下保温10-36h进行第二级初步析出时效；最终在120-150℃下保温4-8h，进行第三级高温析出时效；
所制备的超强高韧Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的抗拉强度>750MPa，延伸率>12%，断裂韧性>35MPa·mm1/2。
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