CN114480934A - 一种高强高韧铝合金精薄板及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于铝合金加工技术领域，具体涉及一种高强高韧铝合金精薄板及其制备方法和应用。本发明通过熔炼、浇铸得到铸锭，再将铸锭进行热轧、等温轧制、冷轧，最终得到0.1~0.8mm厚的高强高韧铝合金精薄板。所述高强高韧铝合金精薄板采用铝合金铸锭制备得到，所述铝合金铸锭中各组分及其质量百分比为：铜：3.5~6.0%；镁：1.0~2.0%，锰：0.3~1.0%，锆：0.05~0.2%，稀土：0.05~0.2%，其余为铝。本发明通过微合金化、形变热处理等多重手段提高铝合金精薄板综合性能，能够实现所述高强高韧铝合金精薄板抗拉强度最高达到507MPa，同时规定塑性延伸强度达到345MPa，断后伸长率达到23%，在航空航天及轨道交通领域具有广阔的应用前景。

Description

一种高强高韧铝合金精薄板及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于铝合金加工技术领域，具体涉及一种高强高韧铝合金精薄板及其制备方法和应用。
背景技术
铝合金不仅具有密度小、质量轻、比强度高、导热和导电性能好的特性，并且还具有较强的抗腐蚀能力。卫星、大飞机、高铁的蒙皮主要由铝合金材料加工而成。基于结构减重的考虑，蒙皮面板材料大多采用蜂窝夹层结构设计，具体由两层薄而强度高的面板材料，中间夹一层厚而极轻的蜂窝芯复合而成。运行过程中蒙皮需要承受外部环境复杂的交变载荷作用，为此，蒙皮面板材料的质量是保证安全运行的基础。
随着我国航空航天及轨道交通事业的迅速发展，高性能蒙皮面板材料的需求量不断增加，同时对蒙皮面板材料性能的要求也越来越高。公开号为CN110923531A的中国专利公开了一种用于轨道车体蒙皮型材的6008铝合金挤压工艺，通过配料、熔铸、均质处理、挤压成型的工艺改变了特定合金组分的铝合金的强度、延展性、塑性等性能。但是，对合金的强化效果有限，合金综合性能不足，不能作为蒙皮面板的成型材料。
同时，作为蒙皮面板的主要成型材料，现有的铝合金薄板存在材料大多存在性能(主要是强度、韧性、延展性等)不足、离散性较大、性能稳定性差等问题。
为此，急需开发一种强度高、塑性好、延展性好的铝合金材料，并制作铝合金精薄板材，以解决现有蒙皮面板的成型材料中存在的技术问题。
发明内容
基于现有铝合金薄板的缺陷和不足，本发明的提供了一种高强高韧铝合金精薄板，通过微合金化、形变热处理等多重手段提高铝合金薄板综合性能。
本发明还提供了上述高强高韧铝合金精薄板的制备方法。
基于上述目的，本发明采取如下技术方案：
一种高强高韧铝合金精薄板，所述高强高韧铝合金精薄板采用铝合金铸锭制备得到，所述铝合金铸锭中各组分及其质量百分比为：铜(Cu)：3.5～6.0％；镁(Mg)：1.0～2.0％，锰(Mn)：0.3～1.0％，锆(Zr)：0.05～0.2％，稀土(RE)：0.05～0.2％，其余为铝(Al)和不可避免的杂质元素；其中，稀土为镧(La)、铈(Ce)混合稀土，质量比为La：Ce＝7：3；锆与稀土的质量比(Zr/RE)控制为0.2～1.0。
一种高强高韧铝合金精薄板的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照合金中各组分的质量百分比进行配料；将所配原料于750～850℃氩气气氛下熔炼，得到金属液；
(2)将步骤(1)所得金属液于720～750℃的氩气气氛下精炼10～20min，再于710～730℃静置10-20min，得到浇铸液，将浇铸液浇铸成型，得到铸锭；将所得到铸锭于氩气气氛下进行均匀化退火处理，得到经均匀化处理的铸锭；
(3)将步骤(2)所得经均匀化处理的铸锭去除表面氧化层后，进行热轧、等温轧制、冷轧，最终得到高强高韧铝合金精薄板。
具体的，步骤(1)中合金各组分及质量百分比为：铜(Cu)：3.5～6.0％；镁(Mg)：1.0～2.0％，锰(Mn)：0.3～1.0％，锆(Zr)：0.05～0.2％，稀土(RE)：0.05～0.2％，其余为铝(Al)和不可避免的杂质元素；其中，稀土为镧(La)、铈(Ce)混合稀土，质量比为La：Ce＝7：3；锆与稀土的质量比(Zr/RE)控制为0.2～1.0。
具体的，步骤(1)中所述熔炼工序为：将所配原料装入真空感应熔炼炉中，抽真空至炉内的真空度为0.1～10Pa，然后通入氩气至炉内压强达到200～350Pa，再升温至750～850℃，保温至得到金属液。
具体的，步骤(2)中均匀化退火处理条件为：先在475～500℃保温16～32h，然后于空气中冷却至室温。
具体的，步骤(3)中热轧工序为，将步骤(2)所得的铸锭去除表面氧化层，加热至420～465℃保温3～8h后，在420～465℃下进行热轧开坯，得到20～50mm厚的板坯。
优选的，步骤(3)中所述热轧工序中单道次压下量为15～25％。
具体的，步骤(3)中等温轧制工序为，将20～60mm厚的板坯加热至380～430℃保温3～6h，在420～465℃下进行等温轧制，得到2mm厚板材。
优选的，步骤(3)中所述等温轧制工序中单道次压下量为10～20％。
具体的，步骤(3)中冷轧工序为，将2mm厚板材于常温条件下进行多向冷轧，得到0.1～0.8mm厚精薄板，所述多向冷轧工艺为：每道次轧制完成后，下一道次轧制方向旋转90°进行轧制，单道次压下量为5～15％。
进一步的，所述制备方法还包括将步骤(3)得到的高强高韧铝合金精薄板进行后处理的工序，所述后处理为：将步骤(3)得到的高强高韧铝合金精薄板进行固溶处理和时效处理。
具体的，所述固溶处理工序为：在485～505℃温度条件下保温30～90min，然后水淬；所述时效处理工序为：在175～200℃温度条件下保温12～24h。
优选的，所述固溶处理时，水淬的冷却水温度为25～55℃，水淬转移时间为10～25s。
上述方法通过熔炼、浇铸得到铸锭，再将铸锭进行热轧、等温轧制、冷轧，最终得到0.1～0.8mm厚的高强高韧铝合金精薄板。
本发明还进一步提供了所述高强高韧铝合金精薄板材料在制备卫星蜂窝夹层件中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明使用高纯金属及中间合金为原料，采用真空熔炼方式，通过控制炉内饱和蒸汽压，减少杂质元素及气渣的含量，得到高纯净铝合金熔体，避免合金中形成铸造缺陷，提升高强高韧铝合金铸锭的冶金质量及塑韧性。
2、本发明涉及的铝合金材料，通过复合添加锆和低成本的镧、铈等混合稀土(La：Ce＝7:3)，采用微合金化的方式，形成Al3Zr、Al-RE等强化相，这些强化相在合金凝固过程中可作为异质形核的细化晶粒核心，提高铝合金综合力学性能。同时，通过调控Zr/RE比，避免Zr元素的损耗，最大程度发挥微合金化元素的作用，有效节省成本。
3、本发明采用较高温度下热轧开坯和较大变形量等温轧制的工艺，有效消除铸造缺陷，轧制后的合金具有完全再结晶组织，大角晶界占90％以上，使合金塑韧性获得有效提升，为后续多向冷轧变形创造有利条件。
4、进一步的，本发明还通过多向冷轧和固溶时效热处理工艺，实现对合金晶粒尺寸、织构和析出相的有效控制，充分发挥铝合金各组分元素的时效强化效果，使合金强塑性实现良好匹配，最终获得综合性能优异的铝合金精薄板，能够实现抗拉强度为466-507MPa，规定塑性延伸强度为290-345MPa，断后伸长率为20-29％的性能。
附图说明
图1为本发明实施例3步骤(7)所得精薄板坯料的金相图；
图2为本发明实施例1～5所得精薄板的拉伸试验应力应变曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合具体实施例对本发明的技术方案作出进一步的说明，但所述实施例旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行，下述实施例中所用原料均为普通市售产品。
其中，所配原料包括金属铝、金属铜、金属镁、以及中间合金，所述金属铝采用99.95％工业重熔精铝锭，所述金属镁采用99.99％高纯镁锭，所述金属铜采用99.99％阴极电解铜，所述中间合金(Al-Mn、Al-Zr、Al-RE)分别采用Al-10Mn、Al-4Zr、Al-10RE(RE为La、Ce混合稀土，质量比为La：Ce＝7：3)中间合金锭。
实施例1
一种高强高韧铝合金精薄板，通过将铝合金铸锭利用熔炼、浇铸、热轧、等温轧制、冷轧的方法制备而成，其中，铝合金铸锭由以下质量百分比的组分组成：Cu：5.0％、Mg：1.0％、Mn：0.8％、Zr：0.05％、RE：0.1％，其余为Al和不可避免的杂质元素；其中，Zr：RE的质量比为0.5。
所述高强高韧铝合金精薄板的制备方法，具体步骤如下：
(1)按照合金中各组分的质量百分比进行配料；将所配原料预热，并装入真空感应熔炼炉中，抽真空至真空度达到1Pa后，通入高纯氩气至炉内压强达到200Pa，升温至800℃熔炼，得到金属液；
(2)将步骤(1)所得金属液于750℃的氩气气氛下精炼10min，再于720℃静置15min，得到浇铸液，将浇铸液浇铸成型，得到铸锭；
(3)将步骤(2)所得铸锭于氩气气氛下进行均匀化退火，得到经均匀化处理的铸锭；其中，均匀化退火条件为：先在495℃保温24h，然后于空气中冷却至室温；
(4)将步骤(3)所得经均匀化处理的铸锭去除表面氧化层，预热至450℃保温3h后，在450℃下进行热轧开坯，单道次压下量15％，得到60mm厚板坯；
(5)将步骤(4)所得板坯预热至430℃保温3h，在430℃下进行等温轧制，单道次压下量12％，得到2mm厚板材；
(6)将步骤(5)所得板材于常温条件下进行多向冷轧，单道次压下量10％，得到0.6mm厚精薄板；所述多向冷轧工艺为：每道次轧制完成后，下一道次轧制方向旋转90°进行轧制；
(7)将步骤(6)所得精薄板进行固溶处理：在495℃温度条件下保温75min，然后水淬，水淬的冷却水温度25℃，转移时间为20s，然后时效处理185℃保温20h，即得。
实施例2
一种高强高韧铝合金精薄板，通过将铝合金铸锭利用熔炼、浇铸、热轧、等温轧制、冷轧的方法制备而成，其中，铝合金铸锭由以下质量百分比的组分组成：Cu：5.0％、Mg：1.5％、Mn：0.6％、Zr：0.1％、RE：0.2％，其余为Al和不可避免的杂质元素；其中，Zr：RE的质量比为0.5。
所述高强高韧铝合金精薄板的制备方法，具体步骤如下：
(1)按照合金中各组分的质量百分比进行配料；将所配原料预热，并装入真空感应熔炼炉中，抽真空至真空度达到0.1Pa后，通入高纯氩气至炉内压强达到350Pa，升温至780℃熔炼，得到金属液；
(2)将步骤(1)所得金属液于720℃的氩气气氛下精炼15min，再于720℃静置15min，得到浇铸液，将浇铸液浇铸成型，得到铸锭；
(3)将步骤(2)所得铸锭于氩气气氛下进行均匀化退火，得到经均匀化处理的铸锭；其中，均匀化退火条件为：先在500℃保温16h，然后于空气中冷却至室温；
(4)将步骤(3)所得经均匀化处理的铸锭去除表面氧化层，预热至450℃保温4h后，在450℃下进行热轧开坯，单道次压下量20％，得到50mm厚板坯；
(5)将步骤(4)所得板坯预热至420℃保温3h，在420℃下进行等温轧制，单道次压下量15％，得到2mm厚板材；
(6)将步骤(5)所得板材于常温条件下进行多向冷轧，单道次压下量8％，得到0.8mm厚精薄板；所述多向冷轧工艺为：每道次轧制完成后，下一道次轧制方向旋转90°进行轧制；
(7)将步骤(6)所得精薄板进行固溶处理：在505℃温度条件下保温30min，然后水淬，水淬的冷却水温度55℃，转移时间为20s，然后时效处理175℃保温24h，即得。
实施例3
一种高强高韧铝合金精薄板，通过将铝合金铸锭利用熔炼、浇铸、热轧、等温轧制、冷轧的方法制备而成，其中，铝合金铸锭由以下质量百分比的组分组成：Cu：5.5％、Mg：1.5％、Mn：0.5％、Zr：0.1％、RE：0.1％，其余为Al和不可避免的杂质元素；其中，Zr：RE的质量比为1.0。
所述高强高韧铝合金精薄板的制备方法，具体步骤如下：
(1)按照合金中各组分的质量百分比进行配料；将所配原料预热，并装入真空感应熔炼炉中，抽真空至真空度达到1Pa后，通入高纯氩气至炉内压强达到300Pa，升温至780℃熔炼，得到金属液；
(2)将步骤(1)所得金属液于730℃的氩气气氛下精炼15min，再于730℃静置15min，得到浇铸液，将浇铸液浇铸成型，得到铸锭；
(3)将步骤(2)所得铸锭于氩气气氛下进行均匀化退火，得到经均匀化处理的铸锭；其中，均匀化退火条件为：先在495℃保温28h，然后于空气中冷却至室温；
(4)将步骤(3)所得经均匀化处理的铸锭去除表面氧化层，预热至420℃保温6h后，在420℃下进行热轧开坯，单道次压下量20％，得到60mm厚板坯；
(5)将步骤(4)所得板坯预热至400℃保温3h，在400℃下进行等温轧制，单道次压下量15％，得到2mm厚板材；
(6)将步骤(5)所得板材于常温条件下进行多向冷轧，单道次压下量12％，得到0.5mm厚精薄板；所述多向冷轧工艺为：每道次轧制完成后，下一道次轧制方向旋转90°进行轧制；
(7)将步骤(6)所得精薄板进行固溶处理：在495℃温度条件下保温60min，然后水淬，水淬的冷却水温度25℃，转移时间为10s，然后时效处理190℃保温16h，即得。
实施例3步骤(7)所得高强高韧铝合金精薄板的金相图如图1所述，从图1中可以看出板材显微组织为破碎的第二相和再结晶组织，晶粒细小而均匀，晶粒尺寸在10μm～18μm之间，在一定程度保证了板材性能均匀一致性。
实施例4
一种高强高韧铝合金精薄板，通过将铝合金铸锭利用熔炼、浇铸、热轧、等温轧制、冷轧的方法制备而成，其中，铝合金铸锭由以下质量百分比的组分组成：Cu：4.0％、Mg：2.0％、Mn：0.5％、Zr：0.05％、RE：0.2％，其余为Al和不可避免的杂质元素；其中，Zr：RE的质量比为0.25。
所述高强高韧铝合金精薄板的制备方法，具体步骤如下：
(1)按照合金中各组分的质量百分比进行配料；将所配原料预热，并装入真空感应熔炼炉中，抽真空至真空度达到1Pa后，通入高纯氩气至炉内压强达到300Pa，升温至800℃熔炼，得到金属液；
(2)将步骤(1)所得金属液于750℃的氩气气氛下精炼15min，再于720℃静置15min，得到浇铸液，将浇铸液浇铸成型，得到铸锭；
(3)将步骤(2)所得铸锭于氩气气氛下进行均匀化退火，得到经均匀化处理的铸锭；其中，均匀化退火条件为：先在485℃保温28h，然后于空气中冷却至室温；
(4)将步骤(3)所得经均匀化处理的铸锭去除表面氧化层，预热至460℃保温8h后，在460℃下进行热轧开坯，单道次压下量20％，得到60mm厚板坯；
(5)将步骤(4)所得板坯预热至400℃保温8h，在400℃下进行等温轧制，单道次压下量10％，得到2mm厚板材；
(6)将步骤(5)所得板材于常温条件下进行多向冷轧，单道次压下量8％，得到0.6mm厚精薄板；所述多向冷轧工艺为：每道次轧制完成后，下一道次轧制方向旋转90°进行轧制；
(7)将步骤(6)所得精薄板进行固溶处理：在485℃温度条件下保温90min，然后水淬，水淬的冷却水温度25℃，转移时间为15s，然后时效处理180℃保温24h，即得。
实施例5
一种高强高韧铝合金精薄板，通过将铝合金铸锭利用熔炼、浇铸、热轧、等温轧制、冷轧的方法制备而成，其中，铝合金铸锭由以下质量百分比的组分组成：Cu：4.5％、Mg：1.0％、Mn：0.3％、Zr：0.15％、RE：0.2％，其余为Al和不可避免的杂质元素；其中，Zr：RE的质量比为0.75。
所述高强高韧铝合金精薄板的制备方法，具体步骤如下：
(1)按照合金中各组分的质量百分比进行配料；将所配原料预热，并装入真空感应熔炼炉中，抽真空至真空度达到3Pa后，通入高纯氩气至炉内压强达到200Pa，升温至800℃熔炼，得到金属液；
(2)将步骤(1)所得金属液于760℃的氩气气氛下精炼10min，再于730℃静置10min，得到浇铸液，将浇铸液浇铸成型，得到铸锭；
(3)将步骤(2)所得铸锭于氩气气氛下进行均匀化退火，得到经均匀化处理的铸锭；其中，均匀化退火条件为：先在480℃保温32h，然后于空气中冷却至室温；
(4)将步骤(3)所得经均匀化处理的铸锭去除表面氧化层，预热至450℃保温3h后，在450℃下进行热轧开坯，单道次压下量15％，得到60mm厚板坯；
(5)将步骤(4)所得板坯预热至380℃保温3h，在380℃下进行等温轧制，单道次压下量15％，得到2mm厚板材；
(6)将步骤(5)所得板材于常温条件下进行多向冷轧，单道次压下量12％，得到0.3mm厚精薄板；所述多向冷轧工艺为：每道次轧制完成后，下一道次轧制方向旋转90°进行轧制；
(7)将步骤(6)所得精薄板进行固溶处理：在495℃温度条件下保温60min，然后水淬，水淬的冷却水温度25℃，转移时间为15s，然后时效处理190℃保温16h，即得。
下面采用SUN10电子万能试验机对试样(实施例1～5所制得高强高韧铝合金精薄板)的力学性能进行测试，每个状态取3组平行样并取平均值，各性能测试结果如表1所示。
表1高强高韧铝合金精薄板性能测试结果
Figure BDA0003487295120000081
从表1及图2可知，本发明制得的高强高韧铝合金精薄板综合性能优异，试样抗拉强度为488.8MPa(平均值)，规定塑性延伸强度为312.8MPa(平均值)，断后伸长率为24.5％(平均值)。
应用实例1
蜂窝夹层结构是应用最普遍的卫星面板结构形式，大规格卫星所需的蜂窝夹层结构中夹层面板占卫星总重量的50％～70％。目前航天器用夹层结构的面板一般采用2xxx铝合金面板和碳纤维复合材料面板。现有铝合金薄板在力学性能、尺寸精度、表面质量、批次稳定性等方面存在不足，无法满足卫星及深空探测等航天器对蜂窝板面板材料的技术要求。
本发明制备一种高强高韧铝合金精薄板，并将本发明实施例2中所获得的高强高韧铝合金精薄板作为卫星蜂窝夹层结构件中的上下面板，铝蜂窝芯子热胶接后不变形，可使卫星蜂窝夹层件结构强度达到450MPa以上，可承受20％以上的局部变形，力学性能波动范围控制在5％以内，横纵向力学性能差异小于5％，可实现对现有2xxx铝合金面板和碳纤维复合材料面板的有效替代。
本发明所述高强高韧铝合金精薄板将成为飞机、卫星、火箭、高速列车等领域首选的蒙皮材料，在航天、航空等武器装备领域以及高速列车等高端民用领域，具有广阔的应用前景。
以上对本发明的具体实施案例进行了描述，需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式。本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种高强高韧铝合金精薄板，其特征在于，所述高强高韧铝合金精薄板采用铝合金铸锭制备得到，所述铝合金铸锭中各组分及其质量百分比为：铜：3.5~6.0%；镁：1.0~2.0%，锰：0.3~1.0%，锆：0.05~0.2%，稀土：0.05~0.2%，其余为铝和不可避免的杂质元素；其中，稀土为镧、铈混合稀土，镧、铈质量比为7：3；锆与稀土的质量比控制为0.2~1.0。
2.权利要求1所述高强高韧铝合金精薄板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）按照合金中各组分的质量百分比进行配料；将所配原料于750~850℃氩气气氛下熔炼，得到金属液；
（2）将步骤（1）所得金属液于720~750℃的氩气气氛下精炼10~20min，再于710~730℃静置10-20 min，得到浇铸液，将浇铸液浇铸成型，得到铸锭；将所得到铸锭于氩气气氛下进行均匀化退火处理，得到经均匀化处理的铸锭；
（3）将步骤（2）所得经均匀化处理的铸锭去除表面氧化层后，进行热轧、等温轧制、冷轧，最终得到高强高韧铝合金精薄板。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述熔炼工序为：将所配原料装入真空感应熔炼炉中，抽真空至炉内的真空度为0.1~10 Pa，然后通入氩气至炉内压强达到200~350Pa，再升温至750~850℃，保温至得到金属液。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中均匀化退火处理条件为：先在475~500℃保温16~32h，然后于空气中冷却至室温。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中热轧工序为，将步骤（2）所得的铸锭去除表面氧化层，加热至420~465℃保温3~8h后，在420~465℃下进行热轧开坯，得到20~50mm厚的板坯；步骤（3）中所述热轧工序中单道次压下量为15~25%。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中等温轧制工序为，将20~60mm厚的板坯加热至380~430℃保温3~6h，在420~465℃下进行等温轧制，得到2mm厚板材；步骤（3）中所述等温轧制工序中单道次压下量为10~20%。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中冷轧工序为，将2mm厚板材于常温条件下进行多向冷轧，得到0.1~0.8mm厚精薄板，所述多向冷轧单道次压下量为5~15%。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括将步骤（3）得到的高强高韧铝合金精薄板进行固溶处理和时效处理；所述固溶处理工序为：在485~505℃温度条件下保温30~90 min，然后水淬；所述时效处理工序为：在175~200℃温度条件下保温12~24h。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述固溶处理时，水淬的冷却水温度为25~55℃，水淬转移时间为10~25s。
10.权利要求1所述的高强高韧铝合金精薄板在制备卫星蜂窝夹层件中的应用。
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