CN113481416A - 一种高性能Al-Zn-Mg-Cu系合金 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高性能Al‑Zn‑Mg‑Cu系铝合金。所述合金以质量百分比包括下述组分:Zn:7.5~8.5%,Mg:1.5~2.0%,Cu:1.0~1.8%,Zr:0.08~0.15%,Cr:0.08~0.25%,Mn:0.05~0.2%,Be:0.05~0.1%,Fe≤0.05,Si≤0.05,余量为Al,Zn/Mg比4‑7,Zn/Cu比4.7‑8,(Mn+Zr+Cr)总量≤0.45%。其制备方法为:按设计的铝合金组分配比,称取各组分,熔炼浇铸成铸锭,然后再经过铸锭多级均匀化退火、热变形、强化固溶、低高温时效处理,最终制备成厚板材。本发明制备出了比现有铝合金更高综合性能的产品,所述产品具有高强高韧、高淬透性、低方向敏感性、可热处理强度等特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种高性能Al-Zn-Mg-Cu系铝合金;属于铝合金材料制备与加工技术领域。
背景技术
随着航空工业的发展和科技水平的提高,飞机设计在综合性能、服役年限、安全性及可靠度、结构质量优化等方面提出了更高的要求,整体结构件及超大尺寸规格结构件在飞机上的应用越来越多,发展新的高强Al-Zn-Mg-Cu系铝合金意味着需要进一步提高合金的强度、塑韧性、耐蚀和耐损伤的综合性能,以及优化的加工工艺性能(如淬透性等);在尺寸规格方面要求大厚度预拉伸板,大规格锻件,超长、复杂截面型材。因而世界各国纷纷加大投入,通过控制杂质元素含量、优化主合金成分配比、减少乃至替换淬火敏感性元素等手段,开展新型铝合金的研制开发工作。
典型的大厚面截面(厚度100mm以上)Al-Zn-Mg-Cu系铝合金材料包括7075、7010、7050、7010、7040、7449、7037、7099等。7075、7175、7249的最大厚度只有150mm,这些合金在不同厚度的性能有明显差异,而且屈服强度相对较低(低于440MPa);7085、7037、7050合金的厚度能达到200mm,但这些厚截面材料都存在着明显的方向敏感性(即三个方向的性能存在明显差别)。
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足,提供一种高综合性能Al-Zn-Mg-Cu系铝合金。本发明通过调控主/微合金化合金元素质量分数及其比例,优化制备工艺条件,获得综合性能优良的高综合性能铝合金。
发明内容
本发明公开了一种高性能Al-Zn-Mg-Cu系铝合金,所属合金采用铸锭冶金方法,通过熔炼铸造制备铝合金铸锭,然后再经过铸锭多级均匀化退火、挤压或轧制、强化固溶、低高温时效处理,最终制备成棒材或板材。本发明制备出了比现有铝合金更高综合性能的产品,所述产品具有高强高韧、高淬透性、低方向敏感性、可热处理强度等特性。成分配比合理,工艺操作安全,成本较低,所制备的铝合金具有良好的综合性能。
本发明是通过以下技术方案实现的:
一种高性能Al-Zn-Mg-Cu系铝合金,包含以下重量百分比的组分:
以质量百分比包括下述组分Zn:7.5~8.5%,Mg:1.2~2.0%,Cu:1.0~1.8%,Zr:0.08~0.15%,Cr:0.08~0.25%,Mn:0.05~0.2%,Be:0.05~0.1%,Fe≤0.05,Si≤0.05,余量为Al,其中以质量比计Zn/Mg比为4-7、优选为4-6,Zn/Cu比4.7-8、优选为5-8,(Mn+Zr+Cr)总量≤0.45%。
作为优选方案一,本发明一种高性能Al-Zn-Mg-Cu系铝合金,包含以下重量百分比的组分:Zn:7.5%,Mg:1.6%,Cu:1.5%,Zr:0.08%,Cr:0.08%,Mn:0.2%,Be:0.1%,Fe≤0.05,Si≤0.05,余量为Al。
与优选方案一所设计组分相匹配的工艺为:以纯铝、工业纯镁、工业纯锌、Al-Cu中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Be合金为原料,将原料加入熔炼炉中进行熔炼与浇铸,得到铸态产品,铸态产品通过350℃/12h+430℃/12h+450℃/24h的多级均匀化退火,在450℃热挤压成100mm板材,板材于475℃强化固溶处理3h后室温水淬,然后经120℃/5h+160℃/14h的低高温时效处理,得到成品。
作为优选方案二,本发明一种高性能Al-Zn-Mg-Cu系铝合金,包含以下重量百分比的组分:Zn:8.5%,Mg:1.2%,Cu:1.8%,Zr:0.15%,Cr:0.15%,Mn:0.05%,Be:0.05%,Fe≤0.04,Si≤0.05,余量为Al。
与优选方案二所设计组分相匹配的工艺为:以纯铝、工业纯镁、工业纯锌、Al-Cu中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Be合金为原料,将原料加入熔炼炉中进行熔炼与浇铸,得到铸态产品,铸态产品通过380℃/12h+440℃/12h+460℃/24h的多级均匀化退火,在450℃热轧成100mm板材,板材于473℃强化固溶处理3h后室温水淬,然后经121℃/5h+165℃/12h的低高温时效处理;得到成品。
作为优选方案三,本发明一种高性能Al-Zn-Mg-Cu系铝合金,包含以下重量百分比的组分:Zn:8%,Mg:2%,Cu:1%,Zr:0.08%,Cr:0.25%,Mn:0.1%,Be:0.08%,Fe≤0.04,Si≤0.05,余量为Al。
与优选方案三所设计组分相匹配的工艺为:以纯铝、工业纯镁、工业纯锌、Al-Cu中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Be合金为原料,将原料加入熔炼炉中进行熔炼与浇铸,得到铸态产品,铸态产品通过380℃/12h+440℃/12h+460℃/24h的多级均匀化退火,在450℃热轧成100mm板材,合金于465℃强化固溶处理3h后室温水淬,然后经110℃/10h+150℃/16h的低高温时效处理;得到成品。
作为优选方案四,本发明一种高性能Al-Zn-Mg-Cu系铝合金,包含以下重量百分比的组分:Zn:7.8%,Mg:1.3%,Cu:1.3%,Zr:0.15%,Cr:0.15%,Mn:0.15%,Be:0.06%,Fe≤0.05,Si≤0.04,余量为Al。
与优选方案四所设计组分相匹配的工艺为:以纯铝、工业纯镁、工业纯锌、Al-Cu中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Be合金为原料,将原料加入熔炼炉中进行熔炼与浇铸,得到铸态产品,铸态产品通过400℃/10h+450℃/10h+470℃/20h的多级均匀化退火,在440℃热轧成100mm板材,合金于480℃强化固溶处理3h后室温水淬,然后经120℃/10h+160℃/15h的低高温时效处理;得到成品。
原理和优势
本发明采用熔炼铸造及热变形方法,通过控制控制合金中主合金化元素Zn、Mg、Cu的含量及Zn/Mg比、Zn/Cu比例,微合金化元素Zr、Cr、Mn、Be的含量及Mn+Zr+Cr总量,杂质元素Fe、Si含量,以及控制铸锭中结晶相含量及其分布,并通过铸锭退火、挤压、轧制、锻造、固溶时效热处理制备成板材,控制板材的最终组织特征,制备成具有高强高韧、高淬透性、低方向敏感性的高强铝合金。
具体实施方式:
对比例1
采用典型的7085铝合金,原材料以纯铝、工业纯镁、工业纯锌、Al-50Cu合金及Al-4Zr合金等形式加入。合金熔炼在熔炼炉中进行熔炼与浇铸,然后在450℃退均匀化退火24h,在430℃热挤压成100mm板材,合金于470℃固溶处理2h后室温水淬,然后经120℃/5h+160℃/14h的低高温时效处理。材料的化学成分为其成分为Al-7.5Zn-1.5Mg-1.6Cu-0.1Zr-0.06Si-0.08Fe,材料的性能如表1。
对比例2
用典型的7050铝合金,原材料以纯铝、工业纯镁、工业纯锌、Al-50Cu合金及Al-4Zr合金等形式加入。合金熔炼在熔炼炉中进行熔炼与浇铸,然后在450℃退均匀化退火24h,在430℃热轧成100mm板材,合金于470℃固溶处理2h后室温水淬,然后经120℃/5h+160℃/14h的低高温时效处理。材料的化学成分为其成分为Al-6.5Zn-2.3Mg-2.3Cu-0.1Mn-0.05Cr-0.12Zr-0.12Si-0.15Fe,材料的性能如表1。
实施例1
原材料以纯铝、工业纯镁、工业纯锌、Al-Cu中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Be合金等形式加入。合金熔炼在熔炼炉中进行熔炼与浇铸,然后在通过350℃/12h+430℃/12h+450℃/24h的多级均匀化退火,在450℃热挤压成100mm板材,合金于475℃强化固溶处理3h后室温水淬,然后经120℃/5h+160℃/14h的低高温时效处理。材料的化学成分为其成分为Al-7.5Zn-1.6Mg-1.5Cu-0.1Zr-0.08Cr-0.2Mn-0.1Be-0.05Si-0.05Fe,Zn/Mg比4.6,Zn/Cu比5,(Cr+Zr+Mn)总量0.38,材料的性能如表1。
实施例2
原材料以纯铝、工业纯镁、工业纯锌、Al-Cu中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Be合金等形式加入。合金熔炼在熔炼炉中进行熔炼与浇铸,然后在通过380℃/12h+440℃/12h+460℃/24h的多级均匀化退火,在450℃热轧成100mm板材,合金于473℃强化固溶处理3h后室温水淬,然后经121℃/5h+165℃/12h的低高温时效处理。材料的化学成分为其成分为Al-8.5Zn-1.2Mg-1.8Cu-0.15Zr-0.15Cr-0.05Mn-0.05Be-0.05Si-0.04Fe,Zn/Mg比7,Zn/Cu比4.7,(Cr+Zr+Mn)总量0.35,材料的性能如表1。
实施例3
原材料以纯铝、工业纯镁、工业纯锌、Al-Cu中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Be合金等形式加入。合金熔炼在熔炼炉中进行熔炼与浇铸,然后在通过380℃/12h+440℃/12h+460℃/24h的多级均匀化退火,在450℃热轧成100mm板材,合金于465℃强化固溶处理3h后室温水淬,然后经110℃/10h+150℃/16h的低高温时效处理。材料的化学成分为其成分为Al-8Zn-2Mg-1.0Cu-0.08Zr-0.25Cr-0.1Mn-0.08Be-0.05Si-0.04Fe,Zn/Mg比4,Zn/Cu比8,(Cr+Zr+Mn)总量0.43,材料的性能如表1。
实施例4
原材料以纯铝、工业纯镁、工业纯锌、Al-Cu中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Be合金等形式加入。合金熔炼在熔炼炉中进行熔炼与浇铸,然后在通过400℃/10h+450℃/10h+470℃/20h的多级均匀化退火,在440℃热轧成100mm板材,合金于480℃强化固溶处理3h后室温水淬,然后经120℃/10h+160℃/15h的低高温时效处理。材料的化学成分为其成分为Al-7.8Zn-1.3Mg-1.3Cu-0.15Zr-0.15Cr-0.15Mn-0.06Be-0.04Si-0.05Fe,Zn/Mg比6,Zn/Cu比6,(Cr+Zr+Mn)总量0.45,材料的性能如表1。
表1 本发明合金的室温性能
比较实施例与对比例的性能参数值,可以看出:本发明制备的高性能铝合金的拉伸强度(Rm)、屈服强度(R0.2)、伸长率(A)、断裂韧性能明显高于对比实施例合金,而且方向敏感性低于对比实施例合金。
Claims (10)
1.一种高性能Al-Zn-Mg-Cu系铝合金,其特征在于;所述合金包含以下重量百分比的组分:
以质量百分比包括下述组分Zn:7.5~8.5%,Mg:1.2~2.0%,Cu:1.0~1.8%,Zr:0.08~0.15%,Cr:0.08~0.25%,Mn:0.05~0.2%,Be:0.05~0.1%,Fe≤0.05,Si≤0.05,余量为Al,其中以质量比计Zn/Mg比为4-7、优选为4-6,Zn/Cu比4.7-8、优选为5-8,(Mn+Zr+Cr)总量≤0.45%。
2.根据权利要求1所述的一种高性能Al-Zn-Mg-Cu系铝合金,其特征在于;所述合金中,以质量比计Zn/Mg比为4-6,Zn/Cu比为5-8。
3.根据权利要求1所述的一种高性能Al-Zn-Mg-Cu系铝合金,其特征在于;所述合金包含以下重量百分比的组分:Zn:7.5%,Mg:1.6%,Cu:1.5%,Zr:0.08%,Cr:0.08%,Mn:0.2%,Be:0.1%,Fe≤0.05,Si≤0.05,余量为Al。
4.根据权利要求3所述的一种高性能Al-Zn-Mg-Cu系铝合金,其特征在于;以纯铝、工业纯镁、工业纯锌、Al-Cu中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Be合金为原料,将原料加入熔炼炉中进行熔炼与浇铸,得到铸态产品,铸态产品通过350℃/12h+430℃/12h+450℃/24h的多级均匀化退火,在450℃热挤压成100mm板材,板材于475℃强化固溶处理3h后室温水淬,然后经120℃/5h+160℃/14h的低高温时效处理,得到成品。
5.根据权利要求1所述的一种高性能Al-Zn-Mg-Cu系铝合金,其特征在于;所述合金包含以下重量百分比的组分:Zn:8.5%,Mg:1.2%,Cu:1.8%,Zr:0.15%,Cr:0.15%,Mn:0.05%,Be:0.05%,Fe≤0.04,Si≤0.05,余量为Al。
6.根据权利要求5所述的一种高性能Al-Zn-Mg-Cu系铝合金,其特征在于;以纯铝、工业纯镁、工业纯锌、Al-Cu中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Be合金为原料,将原料加入熔炼炉中进行熔炼与浇铸,得到铸态产品,铸态产品通过380℃/12h+440℃/12h+460℃/24h的多级均匀化退火,在450℃热轧成100mm板材,板材于473℃强化固溶处理3h后室温水淬,然后经121℃/5h+165℃/12h的低高温时效处理;得到成品。
7.根据权利要求1所述的一种高性能Al-Zn-Mg-Cu系铝合金,其特征在于;所述合金包含以下重量百分比的组分:Zn:8%,Mg:2%,Cu:1%,Zr:0.08%,Cr:0.25%,Mn:0.1%,Be:0.08%,Fe≤0.04,Si≤0.05,余量为Al。
8.根据权利要求7所述的一种高性能Al-Zn-Mg-Cu系铝合金,其特征在于;以纯铝、工业纯镁、工业纯锌、Al-Cu中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Be合金为原料,将原料加入熔炼炉中进行熔炼与浇铸,得到铸态产品,铸态产品通过380℃/12h+440℃/12h+460℃/24h的多级均匀化退火,在450℃热轧成100mm板材,合金于465℃强化固溶处理3h后室温水淬,然后经110℃/10h+150℃/16h的低高温时效处理;得到成品。
9.根据权利要求1所述的一种高性能Al-Zn-Mg-Cu系铝合金,其特征在于;所述合金包含以下重量百分比的组分:Zn:7.8%,Mg:1.3%,Cu:1.3%,Zr:0.15%,Cr:0.15%,Mn:0.15%,Be:0.06%,Fe≤0.05,Si≤0.04,余量为Al。
10.根据权利要求9所述的一种高性能Al-Zn-Mg-Cu系铝合金,其特征在于;以纯铝、工业纯镁、工业纯锌、Al-Cu中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Be合金为原料,将原料加入熔炼炉中进行熔炼与浇铸,得到铸态产品,铸态产品通过400℃/10h+450℃/10h+470℃/20h的多级均匀化退火,在440℃热轧成100mm板材,合金于480℃强化固溶处理3h后室温水淬,然后经120℃/10h+160℃/15h的低高温时效处理;得到成品。
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