CN114086040A - 一种铝镁硅钪锆系合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种铝镁硅钪锆系合金及其制备方法，该铝镁硅钪锆合金采用元素Zr、Sc、Zr/Sc复合微合金化方案，以获得含有一定组分亚晶织构的混晶组织，改善了材料强塑综合性能。该微合金化方案中，元素Sc选择0.02％～0.25％；元素Zr选择0.04％～0.18％，两者复合时选择0.08％≤Zr+Sc≤0.40％，其目的是获得含有一定组分亚晶织构的混晶组织，改善了材料强塑综合性能，采用本发明方法生产的新型铝镁硅钪锆合金制品具有优异的耐蚀性及可焊性，相较于传统铝镁硅系合金具有较高的强度及抗焊接软化能力，抗拉强度与屈服强度分别提升20％～36％和30％～51％，并且延伸率高于10％；焊接接头强度51％～54％，接头系数由0.8水平提升至0.9水平。该材料制品可用于航空航天、核工业、交通运输、船舶、兵器等领域的结构件。

Description

一种铝镁硅钪锆系合金及其制备方法
技术领域
本发明是一种铝镁硅钪锆系合金及其制备方法，属于金属材料工程技术领域。
采用本方法生产的新型铝合金制品具有优异的耐蚀性及可焊性，相较于传统铝镁硅系合金具有较高的强度及抗焊接软化能力，抗拉强度与屈服强度分别提升20％～36％和30％～51％，并且延伸率高于10％；焊接接头强度51％～54％，接头系数由0.8水平提升至0.9水平。该材料制品可用于航空航天、核工业、交通运输、船舶、兵器等领域的结构件。
背景技术
含有基础元素Mg及Si的铝合金是6000系铝合金，该系合金具有优良的耐腐蚀性能及焊接性能，其强度及其焊接接头强度较低，一直被用于制造航空航天非主承力零件。随着航空航天工业的发展，新一代航空航天器对材料的减重及强度要求日趋提高，现有的传统铝镁硅合金难以满足设计及使用需求。
近年来，新型铝合金的研究致力于通过添加稀土元素Sc以有效提高材料综合性能。微量Sc可使材料通过提升比强度和抗焊接软化性能达到减重效果，进而降低能耗并增加有效载荷。此外，含钪新型铝合金采用常规铝合金的主要加工设备即可进行工业化生产。
发明内容
本发明正是针对上述现有状况而设计提供了一种铝镁硅钪锆系合金及其制备方法，其目的是通过Zr、Sc、Zr/Sc微合金化并配合制备工艺获得具有中强、高塑、耐蚀、可焊接综合性能铝合金挤压型材。
为实现上述目的是，本发明技术方案提供了一种铝镁硅钪锆合金，其特征在于：该合金的化学成分及重量百分比为以下三种配比之一：
第一种配比：Mg 0.5％～1.1％，Si 0.4％～1.2％，Sc 0.02％～0.25％，杂质 Cu≤0.1％，Fe≤0.35％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al；
第二种配比：Mg 0.5％～1.1％，Si 0.4％～1.2％，Zr 0.04％～0.18％，杂质 Cu≤0.1％，Fe≤0.35％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al；
第三种配比：Mg 0.5％～1.1％，Si 0.4％～1.2％，Sc 0.02％～0.25％,Zr0.04％～ 0.18％且0.08％≤Zr+Sc≤0.40％，杂质Cu≤0.1％，Fe≤0.35％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al。
在实施中，第一种配比中的合金的化学成分及重量百分比为：Mg 0.5％～ 1.1％，Si 0.4％～1.2％，Sc 0.08％～0.25％，Zr 0.04％～0.18％，杂质Cu≤0.1％， Fe≤0.35％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al。
在实施中，第二种配比中的合金的化学成分及重量百分比为：Mg 0.5％～ 1.1％，Si 0.4％～1.2％，Zr 0.08％～0.18％，杂质Cu≤0.1％，Fe≤0.35％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al；
本发明技术方案还提供了一种上述铝镁硅钪锆合金的制备方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤一、按合金的化学成分完成配料；
步骤二、将配料放入熔炼炉内进行熔化，熔化温度为700℃～780℃；
步骤三、对完全熔化的金属液进行精炼，精炼时的温度维持在700℃～ 750℃；
步骤四、精炼后应进行控温静置，静置温度不低于710℃，时间不少于 40min；
步骤五、静置后开始浇铸，炉口温度维持在690℃～730℃，浇铸速度为15～200mm/min；
步骤六、在加热炉内对合金铸锭进行双级均匀化退火处理，第一级均匀化温度为400℃～450℃，第二级均匀化温度为525℃～540℃；
步骤七、将均匀化后的铸锭扒皮，然后进行热挤压成形，热挤压过程中坯料应保持在380℃～420℃的温度；
步骤八、热挤压成形后进行固溶淬火处理，固溶温度为：515℃～525℃，水冷，得到具有优良综合性能的铝镁硅钪锆合金型材。
在一种实施中，对固溶淬火处理后的铝镁硅钪锆合金型材进行人工时效处理，人工时效处理制度为：160℃/10h。
在一种实施中，对固溶淬火处理后的铝镁硅钪锆合金型材进行一次或多次退火，退火温度为360℃。
在一种实施中，步骤七中热挤压成形后的型材壁厚为2.0mm。
在一种实施中，挤压型材可通过拉弯、滚弯、压下陷等工艺制成航空航天、核工业、交通运输、船舶、兵器零件，在航空零件制造过程中，步骤八的固溶温度为520℃。
本发明中所述的铝镁硅钪锆合金采用元素Zr、Sc、Zr/Sc复合微合金化方案，以获得含有一定组分亚晶织构的混晶组织，改善了材料强塑综合性能。该微合金化方案中，元素Sc选择0.02％～0.25％；元素Zr选择0.04％～0.18％，两者复合时选择0.08％≤Zr+Sc≤0.40％，其目的是获得含有一定组分亚晶织构的混晶组织，改善了材料强塑综合性能，上述选择能够产生微亚晶强韧化及沉淀强化的复合作用效果，可获得中强、高塑、耐蚀、可焊接等综合性能。
本发明中所述的铝镁硅钪锆合金获得中强耐蚀性能，主要是控制杂质元素 Cu≤0.1％，Fe≤0.35％。
本发明中所述的铝镁硅钪锆合金在制备过程中采用控温静置，静置温度不低于710℃，时间不低于40分钟，这样充分的静置可以使合金化元素及杂质元素充分扩散及反应，也能充分保证初生微合金化相Al3Sc、Al3(Sc，Zr)的形成，从而为获得均质、细晶铸锭奠定基础。
本发明技术方案的有益效果是能够提供可热处理强化的6000系铝镁硅钪锆合金，采用Sc、Zr复合微合金化并控制其复合添加量，控制对合金耐蚀性与力学性能有不利影响的Cu、Fe杂质的含量，成分简单且合金化元素含量低；考虑次生Al3Sc、Al3(Sc，Zr)弥散相的析出窗口，采用双级均匀化退火工艺，本发明所述合金中Al3Sc、Al3(Sc，Zr)弥散相对热挤压位错、亚晶界具有很强的钉扎作用，抑制再结晶，促进时效阶段Mg2Si析出相的形成，产生多相复合强化作用。
本发明所述合金相比传统铝镁硅合金，抗拉强度与屈服强度分别提升20％～36％和30％～51％，并且延伸率高于10％；焊接接头强度51％～54％，接头系数由 0.8水平提升至0.9水平。本发明采用传统铝镁硅合金的主要加工设备即可生产，适合工业化生产。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
以下对比例与实施例说明了该新型中强高塑铝合金的制备过程及工艺控制优势，从而确保合金性能的稳定，以使其在航空航天、核工业、交通运输、船舶、兵器等领域更好的应用。
实施例：
该种铝镁硅钪锆合金的化学成分及重量百分比为以下三种配比之一：
第一种配比：Mg 0.5％～1.1％，Si 0.4％～1.2％，Sc 0.02％～0.25％，杂质 Cu≤0.1％，Fe≤0.35％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al；
第二种配比：Mg 0.5％～1.1％，Si 0.4％～1.2％，Zr 0.04％～0.18％，杂质 Cu≤0.1％，Fe≤0.35％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al；
第三种配比：Mg 0.5％～1.1％，Si 0.4％～1.2％，Sc 0.02％～0.25％,Zr0.04％～ 0.18％且0.08％≤Zr+Sc≤0.40％，杂质Cu≤0.1％，Fe≤0.35％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al。
采用本发明所述的制备方法制备出φ320mm圆铸锭，铸锭成分见表1。
表1铸锭合金成分重量百分比(％)
Figure RE-GDA0003482030640000041
Figure RE-GDA0003482030640000051
铸锭经双级均匀化后，挤压成型材，挤压型材壁厚尺寸为2.0mm。挤压型材经520℃固溶后淬火，然后人工时效处理，人工时效处理制度为：160℃/10h。热处理后挤压型材纵向室温拉伸性能见表2，测试方法见HB 5143《金属室温拉伸试验方法》。
表2挤压型材室温拉伸性能
Figure RE-GDA0003482030640000052
Figure RE-GDA0003482030640000061
挤压型材经520℃固溶后淬火，采用氩弧焊合金，然后人工时效处理，人工时效处理制度为：160℃/10h。热处理后挤压型材纵向焊接接头室温拉伸性能见表3。按HB 5455《铝合金剥层腐蚀试验方法》测试，剥落腐蚀等级不差于P 级。
表3挤压型材焊接接头室温拉伸性能
Figure RE-GDA0003482030640000062
对比例：
对现有的传统铝镁硅合金(不含Sc、Zr)铸锭进行单级均匀化退火处理，热挤压成型材，再进行固溶时效处理。室温拉伸性能测试方法同实施例，性能结果见表2与表3。

Claims (8)

1.一种铝镁硅钪锆合金，其特征在于：该合金的化学成分及重量百分比为以下三种配比之一：
第一种配比：Mg 0.5％～1.1％，Si 0.4％～1.2％，Sc 0.02％～0.25％，杂质Cu≤0.1％，Fe≤0.35％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al；
第二种配比：Mg 0.5％～1.1％，Si 0.4％～1.2％，Zr 0.04％～0.18％，杂质Cu≤0.1％，Fe≤0.35％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al；
第三种配比：Mg 0.5％～1.1％，Si 0.4％～1.2％，Sc 0.02％～0.25％,Zr 0.04％～0.18％且0.08％≤Zr+Sc≤0.40％，杂质Cu≤0.1％，Fe≤0.35％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的铝镁硅钪锆合金，其特征在于：第一种配比中的合金的化学成分及重量百分比为：Mg 0.5％～1.1％，Si 0.4％～1.2％，Sc 0.08％～0.25％，Zr 0.04％～0.18％，杂质Cu≤0.1％，Fe≤0.35％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al。
3.根据权利要求1所述的铝镁硅钪锆合金，其特征在于：第二种配比中的合金的化学成分及重量百分比为：Mg 0.5％～1.1％，Si 0.4％～1.2％，Zr 0.08％～0.18％，杂质Cu≤0.1％，Fe≤0.35％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al。
4.一种权利要求1所述的铝镁硅钪锆合金的制备方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤一、按合金的化学成分完成配料；
步骤二、将配料放入熔炼炉内进行熔化，熔化温度为700℃～780℃；
步骤三、对完全熔化的金属液进行精炼，精炼时的温度维持在700℃～750℃；
步骤四、精炼后应进行控温静置，静置温度不低于710℃，时间不少于40min；
步骤五、静置后开始浇铸，炉口温度维持在690℃～730℃，浇铸速度为15～200mm/min；
步骤六、在加热炉内对合金铸锭进行双级均匀化退火处理，第一级均匀化温度为400℃～450℃，第二级均匀化温度为525℃～540℃；
步骤七、将均匀化后的铸锭扒皮，然后进行热挤压成形，热挤压过程中坯料应保持在380℃～420℃的温度；
步骤八、热挤压成形后进行固溶淬火处理，固溶温度为：515℃～525℃，水冷，得到具有优良综合性能的铝镁硅钪锆合金型材。
5.根据权利要求4所述的铝镁硅钪锆合金的制备方法，其特征在于：对固溶淬火处理后的铝镁硅钪锆合金型材进行人工时效处理，人工时效处理制度为：160℃/10h。
6.根据权利要求4所述的铝镁硅钪锆合金的制备方法，其特征在于：对固溶淬火处理后的铝镁硅钪锆合金型材进行一次或多次退火，退火温度为360℃。
7.根据权利要求4所述的铝镁硅钪锆合金的制备方法，其特征在于：步骤七中热挤压成形后的型材壁厚为2.0mm。
8.根据权利要求4所述的铝镁硅钪锆合金的制备方法，其特征在于：步骤八中的固溶温度为520℃。
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