CN115478197B - 一种基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金及其制备方法，它涉及一种铝合金及其制备方法。本发明要解决现有2xxx系铝合金中析出相不能同时增加强度及提高韧性的问题。基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金由Cu、Mg、Zn、Zr、Ti和余量Al组成；方法：一、制备铸锭；二、均匀化；三、轧制、固溶及时效。本发明用于基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金及其制备。

Description

一种基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金及其制备方法。

背景技术

2xxx系的Al-Cu-Mg合金属于高强铝合金，在航空航天、汽车、国防等领域均有大量应用，传统的Al-Cu-Mg合金中主要的强化相是S相与θ相，S相与θ相不耐高温，易粗化，导致合金在高温条件下服役时，常因为内部析出相粗化而发生失效，而且合金中现有的S相及θ相并不能同时满足提高强度与增加韧性这两个要求，因此随着各领域对铝合金构件的综合性能要求提高，就需要继续对Al-Cu-Mg合金进行研究和开发。

发明内容

本发明要解决现有2xxx系铝合金中析出相不能同时增加强度及提高韧性的问题，进而提供一种基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金及其制备方法。

一种基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金，基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金按质量百分数由4％～6％的Cu、0.7％～1.2％的Mg、0.3％～0.8％的Zn、0.1％～0.2％的Zr、0.02％～0.05％的Ti和余量Al组成。

一种基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金的制备方法，它是按以下步骤进行：

一、按质量百分数为4％～6％的Cu、0.7％～1.2％的Mg、0.3％～0.8％的Zn、0.1％～0.2％的Zr、0.02％～0.05％的Ti和余量为Al称取高精纯铝锭、纯镁锭、AlCu40合金、AlZn20合金、AlZr10合金及铝钛硼细化剂，然后称取2#覆盖剂并铸造，得到铸锭；

二、在金属温度为380℃～420℃的条件下，将铸锭均匀化处理6h～8h，然后在金属温度为500℃～520℃，均匀化处理19h～21h，出炉空冷至室温，最后铣面，得到均匀化铸锭；

三、将均匀化铸锭进行轧制、固溶及时效，得到基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金。

本发明的有益效果是：

一、本发明提供了一种基于2xxx系铝合金的复合多元微合金化技术，制得的铝合金与普通2xxx系铝合金相比，增加了Zn元素及Zr元素的含量，通过处理，使基体中析出大量弥散的纳米级金属间化合物析出相，这些纳米级的析出相可以有效钉扎晶界，从而起到细化晶粒、抑制再结晶的作用，大幅提高铝合金的强度，而晶粒细化不仅产生了强化作用，还提高了合金的韧性，从而得到强度与韧性匹配良好的铝合金材料。

二、本发明采用两步均匀化处理，第一步低温均匀化，避免了合金中低熔点相在较高温度下过快熔解而发生过烧，而且低温均火增加了晶界附近Zr浓度较低区域的形核驱动力，促进该区域Al₃Zr相的析出，从而提高合金的性能；第二步高温均火，使合金中各元素均匀扩散，消除合金中的偏析等缺陷。

三、本发明在合金中添加了Zr、Zn等微量元素，Zr元素加入合金中，会在均匀化处理过程中形成细小弥散的Al₃Zr相，进而在热轧过程中抑制再结晶的发生，使合金内部保留较小的晶粒组织，大大增加了合金的断裂韧性及强度；而Zn元素的加入增加了合金基体的晶格畸变，可以有效促进强化相的析出，稀土元素，主要起到净化合金杂质，以及细化晶粒的作用。

四、本发明制备的一种基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金的抗拉强度为510MPa～519MPa，屈服强度为410MPa～420MPa，延伸率为13.4％～14.6％。

附图说明

图1为实施例一制备的基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金的拉伸曲线图片；

图2为实施例一制备的基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金标尺为20nm的TEM图像；

图3为实施例一制备的基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金标尺为10nm的TEM图像；

图4为实施例一制备的基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金标尺为1μm的TEM图像；

图5为实施例一制备的基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金标尺为500nm的TEM图像。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金，基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金按质量百分数由4％～6％的Cu、0.7％～1.2％的Mg、0.3％～0.8％的Zn、0.1％～0.2％的Zr、0.02％～0.05％的Ti和余量Al组成。

本实施方式基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金中杂质的总质量百分数＜0.05％。

本实施方式的有益效果是：

一、本实施方式提供了一种基于2xxx系铝合金的复合多元微合金化技术，制得的铝合金与普通2xxx系铝合金相比，增加了Zn元素及Zr元素的含量，通过处理，使基体中析出大量弥散的纳米级金属间化合物析出相，这些纳米级的析出相可以有效钉扎晶界，从而起到细化晶粒、抑制再结晶的作用，大幅提高铝合金的强度，而晶粒细化不仅产生了强化作用，还提高了合金的韧性，从而得到强度与韧性匹配良好的铝合金材料。

二、本实施方式采用两步均匀化处理，第一步低温均匀化，避免了合金中低熔点相在较高温度下过快熔解而发生过烧，而且低温均火增加了晶界附近Zr浓度较低区域的形核驱动力，促进该区域Al₃Zr相的析出，从而提高合金的性能；第二步高温均火，使合金中各元素均匀扩散，消除合金中的偏析等缺陷。

三、本实施方式在合金中添加了Zr、Zn等微量元素，Zr元素加入合金中，会在均匀化处理过程中形成细小弥散的Al₃Zr相，进而在热轧过程中抑制再结晶的发生，使合金内部保留较小的晶粒组织，大大增加了合金的断裂韧性及强度；而Zn元素的加入增加了合金基体的晶格畸变，可以有效促进强化相的析出，稀土元素，主要起到净化合金杂质，以及细化晶粒的作用。

四、本实施方式制备的一种基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金的抗拉强度为510MPa～519MPa，屈服强度为410MPa～420MPa，延伸率为13.4％～14.6％。

具体实施方式二：本实施方式一种基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金的制备方法，它是按以下步骤进行：

一、按质量百分数为4％～6％的Cu、0.7％～1.2％的Mg、0.3％～0.8％的Zn、0.1％～0.2％的Zr、0.02％～0.05％的Ti和余量为Al称取高精纯铝锭、纯镁锭、AlCu40合金、AlZn20合金、AlZr10合金及铝钛硼细化剂，然后称取2#覆盖剂并铸造，得到铸锭；

二、在金属温度为380℃～420℃的条件下，将铸锭均匀化处理6h～8h，然后在金属温度为500℃～520℃，均匀化处理19h～21h，出炉空冷至室温，最后铣面，得到均匀化铸锭；

三、将均匀化铸锭进行轧制、固溶及时效，得到基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金。

所述的AlCu40合金中Cu的质量百分数为40％；所述的AlZn20合金中Zn的质量百分数为10％；所述的AlZr10合金中Zr的质量百分数为10％。

所述的高精纯铝锭的纯度为99.99％；所述的纯镁锭的纯度为99.99％。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：步骤一中所述的2#覆盖剂与Cu、Mg、Zn、Zr、Ti和Al的总质量比为(0.004～0.005):1。其它与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二或三之一不同的是：步骤一中所述的铸造具体是按以下步骤进行：将称取的高精纯铝锭、纯镁锭、AlCu40合金、AlZn20合金及AlZr10合金熔化，然后加入铝钛硼细化剂及2#覆盖剂，最后搅拌静置、除渣及铸造，得到铸锭。其它与具体实施方式二或三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二或四之一不同的是：所述的熔化具体是在炉温为700℃～800℃的条件下熔炼40min～70min；所述的搅拌静置、除渣及铸造，具体是按以下步骤进行：在金属液温度为730℃～750℃及转速为50rpm～200rpm的条件下搅拌3min～5min，搅拌后静置10min～15min，然后重复搅拌及静置2次，待搅拌及静置完成后，停止加热，待温度降至700℃～720℃时除渣，最后浇铸成型，得到铸锭。其它与具体实施方式二或四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二至五之一不同的是：步骤三中所述的轧制具体是将均匀化铸锭进行加热处理，然后在金属温度为390℃～470℃、轧制总变形量为60％～70％、热轧6道次～15道次及每道次下压量为5％～10％的条件下进行轧制，得到合金板材。其它与具体实施方式二至五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式二至六之一不同的是：所述的加热处理具体是在炉温为600℃～620℃的条件下，保温4.5h～6h。其它与具体实施方式二至六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式二至七之一不同的是：步骤三中所述的固溶具体是将合金板材进行切边处理，再加热至金属温度为500℃～510℃，在金属温度为500℃～510℃的条件下，保温1.5h～2h，最后出炉水淬，得到固溶合金板材。其它与具体实施方式二至七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式二至八之一不同的是：步骤三中所述的时效具体是在金属温度为180℃～190℃的条件下，将固溶合金板材时效处理4h～4.5h。其它与具体实施方式二至八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式二至九之一不同的是：步骤三制备的基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金析出弥散的纳米级金属间化合物析出相，分别为S相、θ相及Al₃Zr相其它与具体实施方式二至九相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

一种基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金按质量百分数由4.8％的Cu、0.9％的Mg、0.5％的Zn、0.15％的Zr、0.03％的Ti和余量Al组成。

所述的基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金中杂质的总质量百分数＜0.05％。

上述一种基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金的制备方法，它是按以下步骤进行：

一、称取：

按质量百分数为4.8％的Cu、0.9％的Mg、0.5％的Zn、0.15％的Zr、0.03％的Ti和余量Al称取高精纯铝锭、纯镁锭、AlCu40合金、AlZn20合金、AlZr10合金及铝钛硼细化剂，然后称取2#覆盖剂；

二、铸造：

将称取的高精纯铝锭、纯镁锭、AlCu40合金、AlZn20合金及AlZr10合金熔化，然后加入铝钛硼细化剂及2#覆盖剂，最后搅拌静置、除渣及铸造，得到铸锭；

三、均匀化：

在金属温度为390℃的条件下，将铸锭均匀化处理8h，然后在金属温度为520℃，均匀化处理20h，出炉空冷至室温，最后铣面，得到均匀化铸锭；

四、轧制：

将均匀化铸锭进行加热处理，然后在金属温度为390℃～470℃、轧制总变形量为60％、热轧6道次及每道次下压量为10％的条件下进行轧制，得到合金板材；

五、固溶：

将合金板材进行切边处理，再加热至金属温度为500℃，在金属温度为500℃的条件下，保温2h，最后出炉水淬，得到固溶合金板材；

六、时效：

在金属温度为190℃的条件下，将固溶合金板材时效处理4h，得到基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金。

步骤一中所述的2#覆盖剂与Cu、Mg、Zn、Zr、Ti和Al的总质量比为0.004:1；所述的2#覆盖剂的具体配比是KCl(40％)+MgCl₂(45％)+BaCl₂(15％)，所述的铝钛硼细化剂为AlTi5B1。

步骤二中所述的熔化具体是在炉温为750℃的条件下熔炼40min；步骤二中所述的搅拌静置、除渣及铸造，具体是按以下步骤进行：在金属液温度为730℃～750℃及转速为100rpm的条件下搅拌3min，搅拌后静置15min，然后重复搅拌及静置2次，待搅拌及静置完成后，停止加热，待温度降至700℃～720℃时除渣，最后浇铸成型，得到铸锭。

步骤三中所述的铣面是铣面至表面无明显缺陷为止。

步骤四中所述的加热处理具体是在炉温为620℃的条件下，保温5h。

步骤四中所述的合金板材的厚度为30mm。

步骤六中制备的基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金析出弥散的纳米级金属间化合物析出相，分别为S相、θ相及Al₃Zr相。

对实施例一制备的基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金进行室温拉伸力学测试，试样夹紧，加载方向为轴线方向，加载速率为5mm/min，经测试实施例一制备的基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金的抗拉强度为511MPa，屈服强度为418MPa，延伸率为13.7％。

图1为实施例一制备的基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金的拉伸曲线图片；由图可知，测得合金抗拉强度为511MPa，屈服强度为418MPa，延伸率为13.7％。

图2为实施例一制备的基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金标尺为20nm的TEM图像；图3为实施例一制备的基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金标尺为10nm的TEM图像；可以看到基体上分布着纳米级的析出相。

图4为实施例一制备的基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金标尺为1μm的TEM图像；由图可知，合金内部基体及晶界处分布着大量纳米级析出相，这些析出相可以有效钉扎位错，阻碍晶界及位错移动，从而提高合金的强度。

图5为实施例一制备的基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金标尺为500nm的TEM图像。从图中可以看出，球状的S相，较粗大的θ相，以及在合金基体中呈条带状连续排列的Al₃Zr相。

Claims (1)

1.一种基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金，其特征在于基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金按质量百分数由4.8％的Cu、0.7％～0.9％的Mg、0.3％～0.8％的Zn、0.15％～0.2％的Zr、0.02％～0.05％的Ti和余量Al组成；

上述一种基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金的制备方法，它是按以下步骤进行：

一、按质量百分数为4.8％的Cu、0.7％～0.9％的Mg、0.3％～0.8％的Zn、0.15％～0.2％的Zr、0.02％～0.05％的Ti和余量为Al称取高精纯铝锭、纯镁锭、AlCu40合金、AlZn20合金、AlZr10合金及铝钛硼细化剂，然后称取2#覆盖剂并铸造，得到铸锭；

二、在金属温度为380℃～420℃的条件下，将铸锭均匀化处理6h～8h，然后在金属温度为500℃～520℃，均匀化处理19h～21h，出炉空冷至室温，最后铣面，得到均匀化铸锭；

三、将均匀化铸锭进行轧制、固溶及时效，得到基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金；

步骤一中所述的2#覆盖剂与Cu、Mg、Zn、Zr、Ti和Al的总质量比为(0.004～0.005):1；

步骤一中所述的铸造具体是按以下步骤进行：将称取的高精纯铝锭、纯镁锭、AlCu40合金、AlZn20合金及AlZr10合金，在炉温为700℃～800℃的条件下熔炼40min～70min，然后加入铝钛硼细化剂及2#覆盖剂，最后在金属液温度为730℃～750℃及转速为50rpm～200rpm的条件下搅拌3min～5min，搅拌后静置10min～15min，然后重复搅拌及静置2次，待搅拌及静置完成后，停止加热，待温度降至700℃～720℃时除渣，最后浇铸成型，得到铸锭；

步骤三中所述的轧制具体是将均匀化铸锭在炉温为600℃～620℃的条件下，保温4.5h～6h，然后在金属温度为390℃～470℃、轧制总变形量为60％～70％、热轧6道次～15道次及每道次下压量为5％～10％的条件下进行轧制，得到合金板材；

步骤三中所述的固溶具体是将合金板材进行切边处理，再加热至金属温度为500℃～510℃，在金属温度为500℃～510℃的条件下，保温1.5h～2h，最后出炉水淬，得到固溶合金板材；

步骤三中所述的时效具体是在金属温度为180℃～190℃的条件下，将固溶合金板材时效处理4h～4.5h；

步骤三制备的基于2xxx系铝合金的复相强化铝合金析出弥散的纳米级金属间化合物析出相，分别为S相、θ相及Al₃Zr相。