CN113913656A - 一种7075铝合金及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种7075铝合金及其制备方法与应用，属于铝合金技术领域。该铝合金的元素组成和含量如下：5.7％≤Zn≤6.1％、2.1％≤Mg≤2.4％、1.2％≤Cu≤1.5％、0.18％≤Cr≤0.22％、0.05％≤Er≤0.35％、0.05％≤Gd≤0.25％、0.02％≤Ge≤0.2％、0.12％≤Er+Gd≤0.5％、0.15％≤Er+Gd+Ge≤0.6％、Mn≤0.2％、Si≤0.3％、Fe≤0.3％、Ti≤0.2％，其他杂质元素单个含量≤0.05％，其他杂质元素总量≤0.12％，余量为Al。该铝合金具有低应力腐蚀敏感性、低淬火敏感性及高强韧性的特点，可用作航空设备的加工材料。

Description

一种7075铝合金及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及铝合金技术领域，具体而言，涉及一种7075铝合金及其制备方法与应用。

背景技术

7075铝合金兼具较高的强度和韧性，同时也具有较好的断裂韧性和疲劳性能，在航空领域占据着举足轻重的地位，诸如飞机的蒙皮、翼梁、长桁和框架都大量的应用了7075高强韧铝合金。

但是，受合金特性和制备工艺限制，7075铝合金铸锭中通常存在着组织粗大、不均匀等问题，严重地削弱了材料的变形加工性能以及最终变形件的力学性能。同时，受合金成分限制，7075铝合金的抗应力腐蚀性能较差、淬火敏感性较高，严重制约了7075铝合金的应用。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种7075铝合金，其能够同时具有低应力腐蚀敏感性、低淬火敏感性及高强韧性的特点。

本发明的目的之二在于提供一种上述7075铝合金的制备方法。

本发明的目的之三在于提供一种上述7075铝合金的应用。

本发明的目的之四在于提供一种加工材料包括上述7075铝合金的飞机。

本申请可这样实现：

第一方面，本申请提供一种7075铝合金，以质量百分数计，该7075铝合金的元素组成和含量如下：5.7％≤Zn≤6.1％、2.1％≤Mg≤2.4％、1.2％≤Cu≤1.5％、0.18％≤Cr≤0.22％、0.05％≤Er≤0.35％、0.05％≤Gd≤0.25％、0.02％≤Ge≤0.2％、0.12％≤Er+Gd≤0.5％、0.15％≤Er+Gd+Ge≤0.6％、Mn≤0.2％、Si≤0.3％、Fe≤0.3％、Ti≤0.2％，其他杂质元素单个含量≤0.05％，其他杂质元素总量≤0.12％，余量为Al。

在可选的实施方式中，上述7075铝合金的元素组成和含量如下：5.9％≤Zn≤6.1％、2.2％≤Mg≤2.4％、1.3％≤Cu≤1.4％、0.18％≤Cr≤0.2％、0.25％≤Er≤0.28％、0.13％≤Gd≤0.16％、0.05％≤Ge≤0.08％、Mn≤0.1％、Si≤0.1％、Fe≤0.1％、Ti≤0.1％，其他杂质元素单个含量≤0.03％，其他杂质元素总量≤0.1％，余量为Al。

在可选的实施方式中，上述7075铝合金的元素组成和含量如下：5.7％≤Zn≤5.8％、2.1％≤Mg≤2.2％、1.2％≤Cu≤1.3％、0.19％≤Cr≤0.21％、0.18％≤Er≤0.21％、0.09％≤Gd≤0.12％、0.04％≤Ge≤0.07％、Mn≤0.15％、Si≤0.25％、Fe≤0.25％、Ti≤0.18％，其他杂质元素单个含量≤0.05％，其他杂质元素总量≤0.11％，余量为Al。

在可选的实施方式中，上述7075铝合金为直径为100-300mm的铝合金铸锭。

第二方面，本申请提供如前述实施方式任一项的7075铝合金的制备方法，包括以下步骤：按7075铝合金的元素组成和含量，将7075铝合金的原料进行熔炼及半连续铸造。

在可选的实施方式中，7075铝合金的原料主要包括：纯Al、纯Zn、纯Mg、纯Cu、纯Ge、AlCr中间合金、AlEr中间合金、AlGd中间合金及AlTi中间合金。

在可选的实施方式中，熔炼包括：将纯Al、纯Zn、纯Cu、AlCr中间合金加入熔炼炉中熔炼，熔炼温度为750-800℃；待完全熔化后，加入AlGd中间合金，充分搅拌；10-15分钟后，加入AlEr中间合金，充分搅拌；待完全熔化后，加入纯Ge，充分搅拌；20-25分钟后加入纯Mg，充分搅拌；待完全熔化后，依次进行如下操作：加入精炼剂、除气10-20分钟、扒渣、静置20-30分钟、加入AlTi中间合金。

在可选的实施方式中，半连续铸造的工艺参数包括：铸造速度为40-90mm/min、冷却水流量为25-70L/min、铸造温度为680-740℃。

在可选的实施方式中，铸造进入稳定阶段后，在铸造过程中配合施加超声场。

在可选的实施方式中，超声场的工艺参数包括：功率为1200-2100W、频率为16-20KHz。

在可选的实施方式中，超声发生器的辐射杆的下端不超过结晶器石墨环下端4cm且不高于结晶器石墨环上端10cm。

第三方面，本申请提供如前述实施方式任一项的7075铝合金的应用，7075铝合金用作航空设备的加工材料。

在可选的实施方式中，7075铝合金用作飞机蒙皮、飞机桁条、飞机翼梁和/或飞机框架的加工材料。

第四方面，本申请提供一种飞机，其加工材料包括如前述实施方式任一项的7075铝合金。

本申请的有益效果包括：

本申请通过在7075铝合金的化学元素中同时加入特定含量的Er、Gd和Ge元素，并在铸锭制备过程中施加超声场，一方面可以细化铝合金铸态组织，另一方面可在热处理过程中调控析出相的尺寸、数量、形貌和分布位置。其中，Er、Gd和Ge元素均可阻碍位错运动和亚晶界迁移合并，抑制再结晶晶粒的长大，进而细化变形态组织、提高变形态力学性能。Gd可保留更多的小角度晶界，促进亚晶界处析出相形貌趋向圆整且分布离散，同时减少PFZ(无沉淀析出带)形成，减少晶界和基体之间的电位差，进而提高抗应力腐蚀性能。Ge可减少自由空位浓度，提高过饱和固溶体稳定性，减少脱溶析出，进而降低淬火敏感性。

对应获得的7075铝合金同时具有低应力腐蚀敏感性、低淬火敏感性及高强韧性的特点，有效解决了常规半连续铸造7075铝合金组织粗大不均匀、力学性能较低且一致性较差、应力腐蚀敏感性和淬火敏感性较差等问题。该7075铝合金可用作航空设备的加工材料。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例1和对比例1-3制备得到的7075铝合金铸锭的金相组织图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本申请提供的7075铝合金及其制备方法与应用进行具体说明。

本申请提出一种7075铝合金，以质量百分数计，该7075铝合金的元素组成和含量如下：5.7％≤Zn≤6.1％、2.1％≤Mg≤2.4％、1.2％≤Cu≤1.5％、0.18％≤Cr≤0.22％、0.05％≤Er≤0.35％、0.05％≤Gd≤0.25％、0.02％≤Ge≤0.2％、0.12％≤Er+Gd≤0.5％、0.15％≤Er+Gd+Ge≤0.6％、Mn≤0.2％、Si≤0.3％、Fe≤0.3％、Ti≤0.2％，其他杂质元素单个含量≤0.05％，其他杂质元素总量≤0.12％，余量为Al。

该申请中7075铝合金的元素含量较常规7075铝合金增大了ω(Zn)/ω(Mg)且减小了ω(Cu)，有利于提高铝合金的强韧性和其他综合性能。通过Cr、Er、Gd和Ge元素配合，有利于细化铸态组织和变形态组织。将其他杂质元素的单个含量和其他杂质元素的全部含量较常规7075铝合金降低，有利于提高熔体纯净度和减少粗大尖锐第二相的数量。

可参考地，Zn的含量可以为5.7％、5.75％、5.8％、5.85％、5.9％、5.95％、6.0％、6.05％或6.1％等，也可以为5.7-6.1％范围内的其它任意值。

Mg的含量可以为2.1％、2.15％、2.2％、2.25％、2.3％、2.35％或2.4％等，也可以为2.1-2.4％范围内的其它任意值。

Cu的含量可以为1.2％、1.25％、1.3％、1.35％、1.4％、1.45％或1.5％等，也可以为1.2-1.5％范围内的其它任意值。

Cr的含量可以为0.18％、0.19％、0.20％、0.21％或0.22％等，也可以为0.18-0.22％范围内的其它任意值。

Er的含量可以为0.05％、0.10％、0.15％、0.20％、0.25％、0.30％或0.35％等，也可以为0.05-0.35％范围内的其它任意值。

Gd的含量可以为0.05％、0.10％、0.15％、0.20％或0.25％等，也可以为0.05-0.25％范围内的其它任意值。

Ge的含量可以为0.02％、0.05％、0.08％、0.1％、0.12％、0.15％、0.18％或0.2％等，也可以为0.02-0.2％范围内的其它任意值。

本申请中，Er、Gd和Ge元素三者配合后，一方面可以细化铝合金铸态组织，另一方面可在热处理过程中调控析出相的尺寸、数量、形貌和分布位置。具体的，Er、Gd和Ge元素均可阻碍位错运动和亚晶界迁移合并，抑制再结晶晶粒的长大，进而细化变形态组织、提高变形态力学性能。其中，Gd可保留更多的小角度晶界，促进亚晶界处析出相形貌趋向圆整且分布离散，同时减少PFZ(无沉淀析出带)形成，减少晶界和基体之间的电位差，进而提高抗应力腐蚀性能。Ge可减少自由空位浓度，提高过饱和固溶体稳定性，减少脱溶析出，进而降低淬火敏感性。

需强调的是，本申请中，Er和Gd的总量需在0.12-0.5％范围内且Er、Gd和Ge的总量需在0.15-0.6％的范围内。也即，Er和Gd的总量可以为0.12％、0.15％、0.2％、0.25％、0.3％、0.35％、0.4％、0.45％或0.5％等，也可以为0.12-0.5％范围内的其它任意值。Er、Gd和Ge的总量可以为0.15％、0.2％、0.25％、0.3％、0.35％、0.4％、0.45％、0.5％、0.55％或0.6％等，也可以为0.15-0.6％的范围内的其它任意值。

之所以将Er和Gd的总量控制在0.12-0.5％范围内且Er、Gd和Ge的总量控制在0.15-0.6％的范围内，其原因在于：若Er和Gd的总量低于0.12％容易导致变形态组织粗大、对应力腐蚀敏感性的改善程度有限，高于0.5％容易导致韧性大幅度降低；Er、Gd和Ge的总量低于0.15％容易导致对淬火敏感性的改善程度有限，高于0.6％容易导致强度大幅度降低。

Mn和Ti的含量均分别可以为0.05％、0.1％、0.15％或0.2％，也可以为≤0.2％范围内的其它任意值。

Si和Fe的含量均分别可以为0.05％、0.1％、0.15％、0.2％、0.25％或0.3％等，也可以为≤0.3％范围内的其它任意值。

其他单个杂质元素的含量可以为0.01％、0.02％、0.03％、0.04％或0.05％等，也可以为≤0.05％范围内的其它任意值。且，其他杂质元素总量可以为0.05％、0.08％、0.10％或0.12％等，也可以为≤0.12％范围内的其它任意值。

在一些优选的实施方式中，上述7075铝合金的元素组成和含量示例性地如下：5.9％≤Zn≤6.1％、2.2％≤Mg≤2.4％、1.3％≤Cu≤1.4％、0.18％≤Cr≤0.2％、0.25％≤Er≤0.28％、0.13％≤Gd≤0.16％、0.05％≤Ge≤0.08％、Mn≤0.1％、Si≤0.1％、Fe≤0.1％、Ti≤0.1％，其他杂质元素单个含量≤0.03％，其他杂质元素总量≤0.1％，余量为Al。

在另一些优选的实施方式中，上述7075铝合金的元素组成和含量示例性地如下：5.7％≤Zn≤5.8％、2.1％≤Mg≤2.2％、1.2％≤Cu≤1.3％、0.19％≤Cr≤0.21％、0.18％≤Er≤0.21％、0.09％≤Gd≤0.12％、0.04％≤Ge≤0.07％、Mn≤0.15％、Si≤0.25％、Fe≤0.25％、Ti≤0.18％，其他杂质元素单个含量≤0.05％，其他杂质元素总量≤0.11％，余量为Al。

本申请所提供的7075铝合金优选适用于直径为100-300mm的铝合金铸锭，以使相应的铝合金铸锭在力学性能、应力腐蚀敏感性和淬火敏感性方面均能同时达到较佳的状态。

相应地，本申请还提供了上述7075铝合金的制备方法，包括以下步骤：按7075铝合金的元素组成和含量，将7075铝合金的原料进行熔炼及半连续铸造。

其中，7075铝合金的原料主要包括：纯Al、纯Zn、纯Mg、纯Cu、纯Ge、AlCr中间合金、AlEr中间合金、AlGd中间合金及AlTi中间合金。

可参考地，本申请的熔炼过程可包括：将纯Al、纯Zn、纯Cu、AlCr中间合金加入熔炼炉中熔炼，熔炼温度为750-800℃；待完全熔化后，加入AlGd中间合金，充分搅拌；10-15分钟后，加入AlEr中间合金，充分搅拌；待完全熔化后，加入纯Ge，充分搅拌；20-25分钟后加入纯Mg，充分搅拌；待完全熔化后，依次进行如下操作：加入精炼剂、除气10-20分钟、扒渣、静置20-30分钟、加入AlTi中间合金。

本申请通过将各原料分批进行熔炼，能够充分发挥各原料的作用，且可有效降低烧损。

本申请所涉及的半连续铸造的工艺参数包括：铸造速度为40-90mm/min、冷却水流量为25-70L/min、铸造温度为680-740℃。

其中，铸造速度可以为40mm/min、50mm/min、60mm/min、70mm/min、80mm/min或90mm/min等，也可以为40-90mm/min范围内的其它任意值。铸造速度低于40mm/min容易导致冷隔缺陷且生产效率降低，高于90mm/min容易导致疏松缺陷增多、热裂倾向增大、拉漏风险加剧。

冷却水流量可以为25L/min、30L/min、35L/min、40L/min、45L/min、50L/min、55L/min、60L/min、65L/min或70L/min等，也可以为25-70L/min范围内的其它任意值。冷却水流量低于25L/min容易导致组织粗大、铸锭致密度较低，高于70L/min容易导致冷隔和热裂倾向增大。

铸造温度可以为680℃、690℃、700℃、710℃、720℃、730℃或740℃等，也可以为680-740℃范围内的其它任意值。铸造温度低于680℃容易导致疏松和氧化膜缺陷增多，高于740℃容易导致羽毛状晶增多、热裂倾向增大、拉痕和偏析物浮出等表面缺陷加剧。

本申请中，铸造进入稳定阶段后，在铸造过程中还配合施加有超声场。

可参考地，超声场的工艺参数包括：功率为1200-2100W、频率为16-20KHz。

其中，超声功率可以为1200W、1500W、1800W、2000W或2100W等，也可以为1200-2100W范围内的其它任意值。超声功率低于1200W容易导致对铸锭组织的细化、均匀化效果有限，高于2100W容易导致液穴变深、宏观偏析严重。

超声频率可以为16KHz、17KHz、18KHz、19KHz或20KHz等，也可以为16-20KHz范围内的其它任意值。在本发明的实验条件下，超声频率在16-20KHz之间可起到最佳的超声震动效果，组织细化、均匀化和成分均匀化效果最为显著。

本申请中，超声场由超声辐射杆提供。在使用过程中，超声辐射杆插入熔体心部。优选地，超声辐射杆的下端不超过结晶器石墨环下端4cm(如超声辐射杆的下端距离结晶器石墨环下端为1cm、2cm、3cm或4cm等)且不高于结晶器石墨环上端10cm(如超声辐射杆的下端距离结晶器石墨环上端为10cm、8cm或5cm等)。将超声辐射杆的位置控制在上述范围，可获得良好的超声效果。

通过在铸造过程中配合施加超声场，一方面通过空化效应和声流效应，可显著细化铸态组织和第二相，并可有效破碎晶界处的网状化合物；另一方面，超声场可提高溶质原子在晶内的固溶度，减少粗大第二相在晶界的富集，促进更多强化相在时效处理后析出。

此外，本申请还提供了上述7075铝合金的应用，例如可用作航空设备的加工材料。

在可选的实施方式中，7075铝合金可用作飞机蒙皮、飞机桁条、飞机翼梁和/或飞机框架的加工材料。

相应地，本申请还提供了一种飞机，其加工材料包括上述7075铝合金。

在可选的实施方式中，飞机的蒙皮、桁条和框架中的至少一种的加工材料包括上述7075铝合金。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供一种直径为127mm的7075铝合金铸锭，以质量百分数计，其元素组成和含量如下：5.7％≤Zn≤5.8％、2.1％≤Mg≤2.2％、1.2％≤Cu≤1.3％、0.19％≤Cr≤0.21％、0.18％≤Er≤0.21％、0.09％≤Gd≤0.12％、0.04％≤Ge≤0.07％、Mn≤0.15％、Si≤0.25％、Fe≤0.25％、Ti≤0.18％，其他杂质元素单个含量≤0.05％，且其他杂质元素总量≤0.11％，余量为Al。

该7075铝合金铸锭的制备过程如下：

熔炼：按上述化学元素组成，将相应原料中的纯Al(纯度为99.95％)、纯Zn(纯度为99.95％)、纯Cu(纯度为99.95％)和Al-10Cr中间合金置于熔炼炉中加热，初始加热温度为800℃；待上述物质完全熔化后，降温至780℃，此时向熔炼炉中加入先加入Al-10Gd中间合金，充分搅拌；10min后，加入Al-10Er中间合金，充分搅拌熔体10min；待其完全融化后，加入纯Ge(纯度为99.999％)，充分搅拌；20min后，将用铝箔包裹着的纯Mg(纯度为99.95％)压入熔炼炉底部，待其完全熔化后充分搅拌，促进其分散均匀；待其完全融化后，向熔体中加入精炼剂，并充分搅拌；向熔体中通入氩气进行除气10min，随后扒渣，静置20min；采用喂丝法向流槽中加入AlTi中间合金。

半连续铸造：将炉内熔体温度降为730℃时，开启半连续铸造。半连续铸造的条件包括：冷却水流量35L/min，铸造速度在2s内达到60mm/min。当铸锭长度达到30cm时，缓慢将铸造速度提高至70mm/min，连铸进入稳定状态。此时，将超声辐射杆插入结晶器中心，使辐射杆下端与石墨环上端高度平齐。开启超声发生器，超声功率设为1200W、频率设为20KHz。

将实施例1制备的7075铝合金铸锭进行质量检测，其结果显示：该7075铝合金铸锭未发现羽毛状晶、裂纹、疏松等缺陷，铸锭表面质量良好，偏析瘤高度低于2mm。铸锭金相组织如图1(a)所示，其平均晶粒尺寸为98μm，晶粒尺寸偏差8％；晶界处第二相细小且无连续网状化合物出现。

对比例1

以实施例1为例，设置对比例1。对比例1为与实施例1采用相同半连续铸造工艺制备的规格相同且成分相近的7075铝合金铸锭，但合金成分中无Er、Gd和Ge且铸造过程中未施加超声处理。

将对比例1制备的7075铝合金铸锭进行质量检测，其结果显示：该7075铝合金铸锭表面质量较差，偏析瘤高度高于6mm，冷隔较严重，且距离边部10-15mm处存在羽毛状晶。铸锭金相组织如图1(b)所示，其平均晶粒尺寸为398μm，晶粒尺寸偏差34％；晶界较粗，富集着大量粗大第二相，而且存在着连续网状化合物。

对比例2

以实施例1为例，设置对比例2。对比例2为与实施例1采用相同半连续铸造工艺制备的规格相同且成分相近的7075铝合金铸锭，铸造过程中施加相同的超声处理但未添加Er、Gd和Ge元素。

将对比例2制备的7075铝合金铸锭进行质量检测，其结果显示：该7075铝合金铸锭表面质量较好，偏析瘤高度3.2-4.4mm，无冷隔和羽毛状晶出现。铸锭金相组织如图1(c)所示，其平均晶粒尺寸为192μm，晶粒尺寸偏差14％；晶界处第二相尺寸较小，连续网状化合物呈现破碎趋势但在局部仍为网状。

对比例3

以实施例1为例，设置对比例3。对比例3为与实施例1采用相同半连续铸造工艺制备的规格相同且成分相近的7075铝合金(含Er、Gd和Ge)铸锭，但铸造过程中未施加超声处理。

将对比例3制备的7075铝合金铸锭进行质量检测，其结果显示：该7075铝合金铸锭表面质量较差，偏析瘤高度3.9-5.3mm，且部分区域存在冷隔和羽毛状晶。铸锭金相组织如图1(d)所示，其平均晶粒尺寸为198μm，但均匀程度较差，晶粒尺寸偏差26％；晶界第二相较粗大，而且存在着连续网状化合物。

实施例2

本实施例提供一批直径为300mm的7075铝合金铸锭，以质量百分数计，其元素组成和含量满足：5.9％≤Zn≤6.1％、2.2％≤Mg≤2.4％、1.3％≤Cu≤1.4％、0.18％≤Cr≤0.2％、0.25％≤Er≤0.28％、0.13％≤Gd≤0.16％、0.05％≤Ge≤0.08％、Mn≤0.1％、Si≤0.1％、Fe≤0.1％、Ti≤0.1％，其他杂质元素单个含量≤0.03％，其他杂质元素总量≤0.1％，余量为Al。

该批7075铝合金铸锭的制备过程如下：

将纯Al(纯度为99.99％)、纯Zn(纯度为99.99％)、纯Cu(纯度为99.99％)和Al-10Cr中间合金置于熔炼炉中加热，初始加热温度设为800℃，在加热8小时候将加热温度降为780℃。待其完全熔化后，向熔炼炉中加入先加入Al-10Gd中间合金，充分搅拌15min后，加入Al-10Er中间合金，充分搅拌熔体20min；待其完全融化后，加入纯Ge(纯度为99.999％)，充分搅拌25min后，将用铝箔包裹着的纯Mg(纯度为99.99％)压入熔炼炉底部，待其完全熔化后充分搅拌，促进其分散均匀。待其完全融化后，向熔体中加入精炼剂，并充分搅拌。向熔体中通入氩气进行除气20min，随后扒渣、静置25min。采用喂丝法向流槽中加入AlTi中间合金。

铸造开始前，使用纯铝铺底，待炉内熔体温度降为740℃时，开启半连续铸造。半连续铸造的条件包括：冷却水流量45L/min，铸造速度在4s内达到50mm/min。随后在100s内将铸造速度缓慢提高至65mm/min，保持此速度不变，冷却水流量增大至60L/min。此时，将超声辐射杆插入结晶器中心，使辐射杆下端低于石墨环下端2cm。开启超声发生器，超声功率设为1500W、频率20KHz。在铸造末段，即剩余熔体可铸造铸锭长度为铸锭总长度的15％时，将连铸速度提高至70mm/min，冷却水流量增大至65L/min，超声功率提高至1600W。

将实施例2制备得到的直径300mm的含Er、Gd和Ge的7075铝合金铸锭分别进行质量检测，其结果显示：该批次的7075铝合金铸锭均未发现羽毛状晶、裂纹、气孔、疏松等缺陷，铸锭表面质量良好，偏析瘤高度低于2.4mm。铸锭金相组织显示平均晶粒尺寸为124μm，晶粒尺寸偏差不超过13％。晶界处第二相细小且断续分布，无连续网状第二相。

将实施例2制备的直径300mm含Er、Gd和Ge的7075铝合金铸锭在410℃均匀化退火10小时，空冷至室温，后车皮至286mm，进行开坯锻造。具体流程如下：将铸锭加热至410℃，压饼至变形量60％，冲孔(直径150mm)。加热至410℃，扩孔至直径400mm，锤平至高度150mm。加热至420℃，辗环至壁厚70mm。将此环件在420℃退火18小时。后进行T6热处理，具体工艺为：470℃×12h+水淬+110℃×14h。

在上述环件的轴向上选取拉伸试样，对其进行力学性能测试，测试标准参照《GB/T16865-2013变形铝、镁及其合金加工制品拉伸试验用试样及方法》。对其进行应力腐蚀测试，测试标准参照《GB 12445.1-1990高强度合金双悬臂(DCB)试样应力腐蚀试验方法》。在上述环件距淬火表面35mm处选取试样，对其进行布氏硬度测试，以便对淬火敏感性进行表征，测试标准参照《GB/T 231.1-2018金属材料布氏硬度试验第1部分：试验方法》。布氏硬度越高，说明淬火敏感性越低。

此外，还设置有对比例4-19，各项性能测试方法与实施例2相同。

对比例4与实施例2的区别在于：不含Er、Gd和Ge且未施加超声；

对比例5与实施例2的区别在于：不含Er、Gd和Ge；

对比例6与实施例2的区别在于：未施加超声；

对比例7与实施例2的区别在于：不含Er；

对比例8与实施例2的区别在于：不含Gd；

对比例9与实施例2的区别在于：不含Ge；

对比例10与实施例2的区别在于：Er+Gd+Ge为0.8％(Er为0.30％，Gd为0.20％，Ge为0.30％)；

对比例11与实施例2的区别在于：Er+Gd为0.1％(Er为0.05％，Gd为0.05％)；

对比例12与实施例2的区别在于：Er+Gd为0.55％(Er为0.30％，Gd为0.25％)；

对比例13与实施例2的区别在于：铸造速度为300mm/min，冷却水流量为20L/min，铸造温度为650℃；

对比例14与实施例2的区别在于：铸造速度为100mm/min，冷却水流量为80L/min，铸造温度为750℃；

对比例15与实施例2的区别在于：超声功率为1000W，超声频率为15KHz；

对比例16与实施例2的区别在于：超声功率为2200W，超声频率为25KHz；

对比例17与实施例2的区别在于：以等量Ce代替Er；

对比例18与实施例2的区别在于：以等量Ho代替Gd；

对比例19与实施例2的区别在于：以等量Hf代替Ge。

以与实施例2相同的测试方法对上述对比例4-19所得的铝合金铸锭进行性能测试，其结果如表1所示。

表1性能测试结果

综上，本申请通过在7075铝合金中加入Er、Gd和Ge元素，并在制备过程中施加超声场，一方面可以显著细化、均匀化铸态组织，增强材料热变形加工性能，另一方面，可以调控析出相的尺寸、数量、形貌和分布位置，显著提高材料的变形态力学性能，同时显著改善了材料的应力腐蚀敏感性和淬火敏感性。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种7075铝合金，其特征在于，以质量百分数计，所述7075铝合金的元素组成和含量如下：5.7％≤Zn≤6.1％、2.1％≤Mg≤2.4％、1.2％≤Cu≤1.5％、0.18％≤Cr≤0.22％、0.05％≤Er≤0.35％、0.05％≤Gd≤0.25％、0.02％≤Ge≤0.2％、0.12％≤Er+Gd≤0.5％、0.15％≤Er+Gd+Ge≤0.6％、Mn≤0.2％、Si≤0.3％、Fe≤0.3％、Ti≤0.2％，其他杂质元素单个含量≤0.05％，其他杂质元素总量≤0.12％，余量为Al。

2.根据权利要求1所述的7075铝合金，其特征在于，所述7075铝合金的元素组成和含量如下：5.9％≤Zn≤6.1％、2.2％≤Mg≤2.4％、1.3％≤Cu≤1.4％、0.18％≤Cr≤0.2％、0.25％≤Er≤0.28％、0.13％≤Gd≤0.16％、0.05％≤Ge≤0.08％、Mn≤0.1％、Si≤0.1％、Fe≤0.1％、Ti≤0.1％，其他杂质元素单个含量≤0.03％，其他杂质元素总量≤0.1％，余量为Al。

3.根据权利要求1所述的7075铝合金，其特征在于，所述7075铝合金的元素组成和含量如下：5.7％≤Zn≤5.8％、2.1％≤Mg≤2.2％、1.2％≤Cu≤1.3％、0.19％≤Cr≤0.21％、0.18％≤Er≤0.21％、0.09％≤Gd≤0.12％、0.04％≤Ge≤0.07％、Mn≤0.15％、Si≤0.25％、Fe≤0.25％、Ti≤0.18％，其他杂质元素单个含量≤0.05％，其他杂质元素总量≤0.11％，余量为Al。

4.根据权利要求1-3任一项所述的7075铝合金，其特征在于，所述7075铝合金为直径为100-300mm的铝合金铸锭。

5.如权利要求1-4任一项所述的7075铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：按所述7075铝合金的元素组成和含量，将7075铝合金的原料进行熔炼及半连续铸造；

优选地，所述7075铝合金的原料主要包括：纯Al、纯Zn、纯Mg、纯Cu、纯Ge、AlCr中间合金、AlEr中间合金、AlGd中间合金及AlTi中间合金。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，熔炼包括：将纯Al、纯Zn、纯Cu、AlCr中间合金加入熔炼炉中熔炼，熔炼温度为750-800℃；待完全熔化后，加入AlGd中间合金，充分搅拌；10-15分钟后，加入AlEr中间合金，充分搅拌；待完全熔化后，加入纯Ge，充分搅拌；20-25分钟后加入纯Mg，充分搅拌；待完全熔化后，依次进行如下操作：加入精炼剂、除气10-20分钟、扒渣、静置20-30分钟、加入AlTi中间合金。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，半连续铸造的工艺参数包括：铸造速度为40-90mm/min、冷却水流量为25-70L/min、铸造温度为680-740℃。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，铸造进入稳定阶段后，在铸造过程中配合施加超声场；

优选地，超声场的工艺参数包括：功率为1200-2100W、频率为16-20KHz；

优选地，超声发生器的辐射杆的下端不超过结晶器石墨环下端4cm且不高于结晶器石墨环上端10cm。

9.如权利要求1-4任一项所述的7075铝合金的应用，其特征在于，所述7075铝合金用作航空设备的加工材料；

优选地，所述7075铝合金用作飞机蒙皮、飞机桁条、飞机翼梁和/或飞机框架的加工材料。

10.一种飞机，其特征在于，所述飞机的加工材料包括如权利要求1-4任一项所述的7075铝合金；

优选地，所述飞机的蒙皮、桁条和框架中的至少一种的加工材料包括所述7075铝合金。

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