CN114703409A

CN114703409A - 一种高强度耐腐蚀铝合金及其铸造方法

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Publication number: CN114703409A
Application number: CN202210631236.XA
Authority: CN
Inventors: 陈高红; 刘铭; 臧金鑫; 陈军洲; 戴圣龙
Original assignee: AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials
Current assignee: AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials
Priority date: 2022-06-06
Filing date: 2022-06-06
Publication date: 2022-07-05
Anticipated expiration: 2042-06-06
Also published as: CN114703409B

Abstract

本发明提供了一种高强度耐腐蚀铝合金及其铸造方法。本发明通过合理优化铝合金中的Zn、Mg、Si元素含量及配比，适当提高Zn、Mg和Si的含量，并添加适量的稀土元素Sc、稀土元素Ce和过渡金属元素Zr，达到细化晶粒，获得了良好韧度和高强度，并提高耐腐蚀性能的效果，从而可以保证铝合金高强度的前提下具有显著提高的耐腐蚀性能，同时所述铝合金还具有很好的塑性。本发明以特定的配方，采用喷射成形的工艺制备得到铝合金材料，其显微组织明显细化，析出相细小且均匀分布，从而使材料的化学成分和组织在宏观上得到有效的控制。

Description

一种高强度耐腐蚀铝合金及其铸造方法

技术领域

本发明属于铝合金技术领域，特别涉及一种高强度耐腐蚀铝合金及其铸造方法。

背景技术

随着未来武器装备对超轻结构、低成本的需求日益迫切，综合性能优良的高强度铝合金材料需求日渐强烈。目前国内已经出现采用半连续铸造技术制造及粉末冶金技术制造高强度铝合金。然而，作为结构材料的铝合金最大的缺陷是其耐腐蚀性能差，由于铝合金的强度和耐腐蚀性是一对矛盾体，在实际应用中通常以牺牲部分强度换取耐腐蚀性的提升。

发明内容

为了改善现有技术的不足，本发明提供一种高强度耐腐蚀铝合金及其铸造方法，所述铝合金能够在保证铝合金高强度的前提下具有显著提高的耐腐蚀性能，同时所述铝合金还具有很好的塑性。

本发明目的是通过如下技术方案实现的：

一种铝合金，所述铝合金包括的化学成分及重量比为：Zn 10.6~12.3%，Mg 3.8~4.6%，Si 0.8~1.3%，Zr 0.5~0.8%，Sc 0.4~0.6%，Ce 0.2~0.4%，Fe≤0.08%，余量为铝和不可避免的杂质。

根据本发明的实施方式，Zn的含量为10.6%、10.7%、10.8%、10.9%、11%、11.1%、11.2%、11.4%、11.5%、11.6%、11.7%、11.8%、11.9%、12%、12.1%、12.2%或12.3%。

根据本发明的实施方式，Mg的含量为3.8%、3.9%、4%、4.1%、4.2%、4.3%、4.4%、4.5%或4.6%。

根据本发明的实施方式，Si的含量为0.8%、0.9%、1%、1.1%、1.2%或1.3%。

根据本发明的实施方式，Zr的含量为0.5%、0.55%、0.6%、0.65%、0.67%、0.7%、0.72%、0.74%、0.75%、0.76%、0.78%或0.8%。

根据本发明的实施方式，Sc的含量为0.4%、0.42%、0.45%、0.48%、0.5%、0.52%、0.55%、0.56%、0.58%或0.6%。

根据本发明的实施方式，Ce的含量为0.2%、0.22%、0.24%、0.25%、0.28%、0.30%、0.32%、0.35%、0.38%或0.40%。

根据本发明的实施方式，所述铝合金中，以Zn、Mg为主要合金元素，增加Zn、Mg等主要合金元素的含量，可以增加晶内析出相的密度，可以显著提高铝合金的强度，同时避免主要合金元素总含量的增加导致的合金的塑性、断裂韧性急剧下降的问题。此外，由于Zn和Al不能形成金属间化合物，故单独将Zn加入Al中对合金的强化作用有限，同时还使合金应力腐蚀倾向增强。在加入Zn的基础上，进一步加入Mg，控制Zn与Mg的重量比Zn/Mg为(2.5~2.7):1，例如为2.5:1、2.55:1、2.6:1、2.65:1或2.7:1，此时在合金中形成的沉淀强化相MgZn2和Al2Mg3Zn3相的粒径更小，更明显地增加铝合金的抗拉强度和屈服强度。在加入Mg的基础上，进一步加入Si，Mg与Si经过热处理后能够形成Mg2Si沉淀相，提高合金时效后的强度。

根据本发明的实施方式，所述铝合金中不含有Cu，从根本上避免了Cu引入形成的过量、粗大的T相（AlZnMgCu）、S相（Al₂CuMg），使铝合金性能恶化，同时通过加入其他元素，也弥补了Cu元素对铝合金材料带来的有益作用。

根据本发明的实施方式，稀土元素Sc的加入可以与Al形成弥散相来钉扎晶界、亚晶界和位错，可起到弥散强化、细晶强化的效果，实现铝合金综合性能的提升。进一步地，稀土元素Sc与过渡元素Zr之间还具有相互作用，Sc可以和Zr复合形成初生的Al3(Sc,Zr)粒子。研究发现，当稀土元素Sc与过渡元素Zr的重量比Sc/Zr为0.6~0.8:1（例如为0.6:1、0.65:1、0.68:1、0.7:1、0.75:1或0.8:1）时，这种初生的Al3(Sc,Zr)粒子在铝合金熔体凝固过程中能够快速形成新的粒径更小的形核质点，均匀地分布在位错线周围，起到细化晶粒和抑制位错运动的作用。同时，该初生的Al3(Sc,Zr)粒子在均匀化处理和热变形过程中也能更快速地以共格二次Al3(Sc,Zr)粒子的形式再次析出，实现强烈钉扎变形组织，抑制合金内部的再结晶的目的。

根据本发明的实施方式，稀土元素Ce的加入可以与过渡元素Zr相互作用，形成锆铈固溶体，可以作为新的形核质点，分布在位错线周围，起到细化晶粒和抑制位错运动。研究发现，当Zr与Ce的重量比Zr/Ce为1.8~2:1（例如为1.8:1、1.82:1、1.85:1、1.88:1、1.9:1、1.92:1、1.95:1、1.98:1或2:1）时，可以获得更小粒径的固溶体，形成的析出相的粒径更小，阻止再结晶的形核和长大过程，对合金有一定的强化作用，能够更好地细化晶粒，同时进一步提升合金抗腐蚀性能和断裂韧度。

根据本发明的实施方式，所述铝合金的抗拉强度大于等于900MPa。

根据本发明的实施方式，所述铝合金的延伸率大于等于10.5%。

根据本发明的实施方式，所述铝合金的断裂韧性大于30MN/m^3/2。

本申请的发明人通过大量实验研究发现，铝合金的合金强度随着Zn、Mg元素含量的升高而升高；为了减少热裂发生并获得良好的强韧匹配综合性能，在铝合金中加入Zn、Mg，并控制Zn 10.6~12.3%，Mg 3.8~4.6%。同时，在研究中还发现，Zn元素和Mg元素的加入虽然提高了合金的硬度和强度，但是对合金的断裂韧度和抗腐蚀性能带来了一定的影响。因此，本发明进一步引入了稀土元素Sc和Ce以及过渡元素Zr，并控制三者的比例关系，以提高铝合金的抗腐蚀性能和断裂韧度，使铝合金同时具有高强度、断裂韧度和良好的耐腐蚀性能。

本发明还提供一种上述铝合金的铸造方法，所述方法包括以下步骤：

1）将包括Zn、Mg、Si、Zr、Sc、Ce和Al的铸锭进行熔炼，得到铝合金液；

2）对铝合金液进行雾化处理，得到球形铝合金颗粒；

3）对步骤2）的球形铝合金颗粒采用锻压机对其进行超高压锻造处理，然后进行挤压制成型材、管材或棒材；

4）对挤压后的型材、管材或棒材进行热处理，即可获得所述铝合金。

根据本发明的实施方式，步骤1）中，所述熔炼为本领域已知的熔炼工艺，示例性地，所述熔炼的温度例如为710~760℃。示例性地，在电磁搅拌的条件下实现铝合金液的制备。

根据本发明的实施方式，步骤1）中，将锌锭、铝锭、镁锭、Al-Si合金、Al-Zr合金、Al-10Sc合金、Al-10Ce合金进行熔炼，得到铝合金液。

根据本发明的实施方式，步骤2）中，所述雾化处理是在惰性气氛保护下进行的。

根据本发明的实施方式，步骤2）中，所述雾化处理的压力为1.2MPa~3MPa，如1.2MPa、1.4MPa、1.5MPa、1.8MPa、2MPa、2.2MPa、2.4MPa、2.5MPa、2.8MPa、3MPa。

根据本发明的实施方式，步骤3）中，所述超高压锻造处理的温度为425~445℃（如425℃、430℃、435℃、440℃或445℃）；所述超高压锻造处理的锻压压强为180MPa~240MPa（例如为180MPa、185MPa、190MPa、195MPa、200MPa、205MPa、210MPa、220MPa、230MPa或240MPa），所述超高压锻造处理的锻压速度为24mm/s~30mm/s。

根据本发明的实施方式，步骤3）中，所述挤压的温度410℃~435℃（如410℃、415℃、420℃、425℃、430℃、435℃）；所述挤压的速度15mm/s~30mm/s。

根据本发明的实施方式，步骤4）中，所述热处理包括固溶处理、淬火处理和三级时效处理。

在一个实施方式中，所述固溶处理的温度为480~500℃，所述固溶处理的保温时间为10min~30min。

在一个实施方式中，所述淬火处理是采用水作为淬火介质，其中淬火转移时间小于等于15s。

在一个实施方式中，所述三级时效处理包括第一级时效处理、第二级时效处理和第三级时效处理；所述第一级时效处理的温度为100~120℃，保温时间为20~30h；所述第二级时效处理的温度为150~170℃，保温时间为2~3h；所述第三级时效处理的温度为60~80℃，保温时间为20~30h。

本发明具有以下有益效果：

具体实施方式

下文将结合具体实施例对本发明做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1

一种高强度耐腐蚀铝合金，以铝合金的总量为基准，按重量百分比计，如表1所示，所述高强度耐腐蚀铝合金的制备工艺包括以下步骤：

(1)配料及熔炼：将锌锭、铝锭、镁锭、Al-Si合金、Al-Zr合金、Al-10Sc合金、Al-10Ce合金加入熔炼炉中，升温至铸锭完全融化，将上浮渣扒尽，搅拌均匀后得到铝合金液；

(2)在惰性气氛下对铝合金液进行雾化处理，得到球形铝合金颗粒，雾化处理的压力为2.0MPa；

(3)采用锻压机对球形铝合金颗粒进行超高压锻造处理，然后在挤压桶中挤压制成型材；超高压锻造处理的温度为435℃，锻压压强为200MPa，锻压速度为24mm/s，所述挤压的温度425℃；所述挤压的速度15mm/s；

(4)将步骤(3)得到的型材进行固溶处理、淬火处理和三级时效处理，所述固溶处理的温度为490℃，保温时间20min，保温完成后出炉水淬；所述三级时效处理包括第一级时效处理、第二级时效处理和第三级时效处理；所述第一级时效处理的温度为110℃，保温时间为20h；所述第二级时效处理的温度为160℃，保温时间为2h；所述第三级时效处理的温度为70℃，保温时间为20h。

实施例2~7和对比例1~3

其他操作同实施例1，区别仅在于铝合金的组成不同，具体如表1所示。

表1 实施例和对比例的铝合金的各元素重量百分比

测试例1

对实施例1~7和对比例1~3的铝合金的拉伸性能和断裂韧度进行了测试，其中，拉伸性能：参照GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》，在PM3148-2009万能力学试验机（拉伸速率为2mm/min）上测试拉伸力学性能，得到试验合金的抗拉强度、屈服强度等力学性能参数；断裂韧度：参照HB 5487-1991《铝合金断裂韧度试验方法》，随机取3根试样的平均值作为最终结果，测试结果见下表2。

表2 实施例1~7和对比例1~3的铝合金的性能测试结果

测试例2

对实施例1~7和对比例1~3的铝合金的耐化学腐蚀性进行测试，测试方法：以Keller试剂为腐蚀液，腐蚀时间为30~40s。晶间腐蚀与剥落腐蚀试验分别参照国标GB/T7998-2005《铝合金晶间腐蚀测试方法》和ASTM-G34-2001《2XXX和7XXX系列铝合金剥落腐蚀敏感性的试验方法（EXCO试验）》进行。

经测试，实施例1~7的试样晶间腐蚀深度均小于25μm，且实施例1~7的试样表面均没有出现起泡鼓包，呈轻微的点蚀，其中实施例1的试样晶间腐蚀深度仅为15μm，实施例2的腐蚀深度为18μm，实施例3的腐蚀深度为17μm，实施例4的腐蚀深度为18μm，实施例5的腐蚀深度为25μm，实施例6的腐蚀深度为20μm；而对比例1的腐蚀深度达到了88μm，且对比例1试样表面有鼓泡或开裂，对比例2的腐蚀深度为74μm，对比例3的腐蚀深度为75μm。

由上表2和腐蚀性能检测结果可知，本发明实施例的铝合金及其铸造方法通过将铝合金的组成成分在上述范围时，可以在获得高力学性能、断裂韧度的同时提高合金的耐腐蚀性能。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1. 一种高强度耐腐蚀铝合金，其特征在于，所述铝合金包括的化学成分及重量比为：Zn 10.6~12.3%，Mg 3.8~4.6%，Si 0.8~1.3%，Zr 0.5~0.8%，Sc 0.4~0.6%，Ce 0.2~0.4%，Fe≤0.08%，余量为铝和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，Zn与Mg的重量比Zn/Mg为(2.5~2.7):1。

3.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，Sc与Zr的重量比Sc/Zr为0.6~0.8:1。

4.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，Zr与Ce的重量比Zr/Ce为1.8~2:1。

5.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，所述铝合金的抗拉强度大于等于900MPa；

和/或，所述铝合金的延伸率大于等于10.5%；

和/或，所述铝合金的断裂韧性大于30MN/m^3/2。

6.一种权利要求1-5任一项所述的铝合金的铸造方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

2）对铝合金液进行雾化处理，得到球形铝合金颗粒；

7.根据权利要求6所述的铝合金的铸造方法，其特征在于，步骤2）中，所述雾化处理是在惰性气氛保护下进行的；

和/或，步骤2）中，所述雾化处理的压力为1.2~3MPa。

8.根据权利要求6所述的铝合金的铸造方法，其特征在于，步骤3）中，所述超高压锻造处理的温度为425~445℃；所述超高压锻造处理的锻压压强为180MPa~240MPa，所述超高压锻造处理的锻压速度为24mm/s~30mm/s；

和/或，步骤3）中，所述挤压的温度410℃~435℃；所述挤压的速度15mm/s~30mm/s。

9.根据权利要求6所述的铝合金的铸造方法，其特征在于，步骤4）中，所述热处理包括固溶处理、淬火处理和三级时效处理。

10.根据权利要求9所述的铝合金的铸造方法，其特征在于，所述固溶处理的温度为480~500℃，所述固溶处理的保温时间为10min~30min；

和/或，所述淬火处理是采用水作为淬火介质，淬火转移时间小于等于15s；

和/或，所述三级时效处理包括第一级时效处理、第二级时效处理和第三级时效处理；所述第一级时效处理的温度为100~120℃，保温时间为20~30h；所述第二级时效处理的温度为150~170℃，保温时间为2~3h；所述第三级时效处理的温度为60~80℃，保温时间为20~30h。