CN115491553B - 一种lng船用铝合金板材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例提供一种LNG船用铝合金板材及其制备方法，涉及铝合金加工制造技术领域。LNG船用铝合金板材的制备方法主要是按照合金成分组成：Si＜0.15％，Fe＜0.20％，Cu：0.12％‑0.18％，Mn：0.6％‑0.9％，Mg：5.6％‑6.0％，Cr＜0.10％，Zn：0.6％‑0.9％，Ti：0.01％‑0.05％，Zr：0.10％‑0.15％，Sc：0.10％‑0.20％配制原料并熔炼，通过喷嘴喷射打印到冷却平台上，获得铝合金铸锭；将铝合金铸锭进行均匀化热处理、轧制、稳定化热处理，获得最终状态的铝合金板材。采用液态3D打印成形技术制备得到LNG船用高均匀性铝合金厚板。

Description

一种LNG船用铝合金板材及其制备方法
技术领域
本申请涉及铝合金加工制造技术领域，具体而言，涉及一种LNG船用铝合金板材及其制备方法。
背景技术
液化天然气(liquefied natural gas，LNG)船是在零下163摄氏度低温下运输液化气的专用船舶，LNG船超低温储罐由5000系铝合金宽厚板制造，其低温力学性能、耐腐蚀性能对储罐寿命、船只安全性和可靠性至关重要。
目前，5000系铝合金板材在LNG船上的应用受到限制，主要问题表现在板材成分、组织不均匀导致其力学性能不稳定、耐腐蚀性能差、应力变形大以及批次稳定性差等。
为此，自主制造5000系铝合金厚板，以满足LNG船用需求是亟待解决的问题。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种LNG船用铝合金板材及其制备方法，采用液态3D打印成形技术，制备得到LNG船用高均匀性铝合金厚板。
第一方面，本申请实施例提供了一种LNG船用铝合金板材的制备方法，包括以下步骤：
按照合金成分组成配制合金原料，合金成分组成按质量百分数计包括：Si＜0.15％，Fe＜0.20％，Cu：0.12％-0.18％，Mn：0.6％-0.9％，Mg：5.6％-6.0％，Cr＜0.10％，Zn：0.6％-0.9％，Ti：0.01％-0.05％，Zr：0.10％-0.15％，Sc：0.10％-0.20％；
将合金原料倒入到实现液态金属3D打印的熔炼腔室内，对合金原料进行熔炼，获得铝合金熔体；
将熔炼腔室内的铝合金熔体通过喷嘴喷射打印到冷却平台上，获得铝合金铸锭；
将铝合金铸锭进行均匀化热处理，获得热处理铸锭；
将铝合金铸锭进行轧制，获得厚度为12.5-40.0mm的铝合金板材；
将铝合金板材进行稳定化热处理，获得最终状态的铝合金板材。
在上述技术方案中，按照特定的5000系合金元素组成配制原料，通过提高主合金元素Mg含量，控制微量合金元素Zn、Mn的成分组合，设计LNG船用新型高镁铝合金，突破5000系铝合金通过添加昂贵稀土元素提升性能的传统思路。而且采用液态金属3D打印技术，制备出晶内高镁元素固溶、晶界低析出、超低宏观偏析的全等轴细晶的5000系铝合金铸锭，再依次进行均匀化热处理、轧制和稳定化热处理，制备得到LNG船用高均匀性铝合金厚板，有效解决挡当前5000系铝合金无法在LNG船上应用的问题。
在一种可能的实现方式中，合金成分组成按质量百分数计包括：Si＜0.10％，Fe＜0.15％，Cu：0.12％-0.13％，Mn：0.6％-0.7％，Mg：5.8％-6.0％，Cr＜0.10％，Zn：0.7％-0.9％，Ti：0.02％-0.04％，Zr：0.12％-0.15％，Sc：0.15％-0.20％。
在一种可能的实现方式中，熔炼的温度为720-760℃。
在上述技术方案中，熔炼的温度设定为720-760℃，对于本申请实施例特定的合金元素组成，熔炼温度不宜过高，过高熔体粘度降低，容易从喷嘴处流出，不易控制；熔炼温度过低，熔体粘度过高，不易从喷嘴喷出，影响打印。
在一种可能的实现方式中，喷嘴的个数为10-20个，孔径为1.5-3.0mm；熔炼腔室内的铝合金熔体流入实现液态金属3D打印的上腔体内，再向实现液态金属3D打印的下腔体内喷射，上腔体和下腔体之间的压差为10-20kpa。
在上述技术方案中，熔体冲击法液态打印增材制造技术采用金属熔体在冷却面上逐步扫描最终获得铸锭组织，通过“压力-喷嘴直径-射流速度”的特定控制，实现热量输出、输入定量控制；而且在熔体叠层凝固过程中，微区快速凝固及熔体对液固界面的冲击造成等轴晶快速凝固、β相弥散生长，从而实现高晶内固溶、低晶界析出、超低宏观偏析全等轴细晶铝合金铸锭制备，打破传统铸造工艺对5000系铝合金晶内合金固溶量的限制。
其中，喷嘴的直径设定需要考虑对熔体冲击的约束，孔径过大，冲击力较小，无法获得细小的晶粒；孔径过小，熔体粘度大会容易堵塞喷嘴。上下腔体压差的控制对合金冶金质量至关重要，过大过小都会造成气孔等冶金缺陷，而本申请实施例通过控制上下腔体压差使成形性及界面结合情况较佳，无气孔缺陷。
在一种可能的实现方式中，冷却平台位于三维运动平台上，三维运动平台的运动轨迹为回形，Z轴运动高度为5-15cm，扫描速度为80-120mm/s。
在上述技术方案中，将Z向运动高度(基板到喷嘴口的高度)设定为500-1000mm，可保证材料扫描层界面具有良好的冶金结合，熔体冲击效果最佳，获得的晶粒足够细小；扫描速度控制为80-120mm/s，可保证材料扫描层界面具有良好的冶金结合，熔体冲击效果最佳，获得的晶粒足够细小，实质是控制扫描界面上熔体的温度，与冷却参数的设定相互配合，可获得最佳的材料界面质量。
在一种可能的实现方式中，铝合金熔体的打印温度为680-720℃，冷却平台的温度＜30℃。
在上述技术方案中，特定的熔体温度和冷却强度决定熔体冲击法工艺的效果，控制冷却平台的温度(即出水口温度)能够保证打印的金属具有足够的冷却速度，实现快速冷却，获得较小的晶粒组织。
在一种可能的实现方式中，均匀化热处理的温度为550-600℃，均匀化热处理的时间为5-10h。
在上述技术方案中，通过对铸锭进行特定的均匀化热处理，合金原子扩散行程缩短，可以在短时间内消除化学成分和组织上的不均匀性，从而提高铸锭的塑形变形能力。具体地，可减少晶界上粗大化合物，减弱成分偏析，细化晶粒组织，为后续的轧制和热处理做好组织准备，利于获得较好的综合性能，特定的均热处理方式的均匀化效果较好，低熔点共晶相部分回溶，粗大的化合物数量减少，部分发生富铁相转变，转变成长宽比较大的针状相易在后续加工中破碎，提高板材强度；均匀化过程中弥散析出近等轴状R粒子，这种进等轴R粒子具有抑制再结晶的作用，细化晶粒。
在一种可能的实现方式中，轧制的终了温度为400-450℃，中间退火温度为450-500℃，轧制变形量为70％-85％。
在上述技术方案中，合金的轧制温度及变形量等参数，不仅决定轧制过程中的轧制力能参数，而且决定了合金的工艺塑性，更重要的是会决定板材在轧制过程中及轧制后的回复和再结晶行为，从而决定合金的显微组织、析出相及其分布情况。通过控制轧制变形，保证高固溶强化的同时，控制β相形貌、数量及分布，打破高镁铝合金β相易沿晶连续网状析出导致耐蚀性下降这一技术瓶颈，以实现板材轧制过程中不会出现边裂等缺陷，同时调控轧制后的组织及析出相分布，使得其在经稳定化处理后，可获得满足指标要求的性能。
在一种可能的实现方式中，稳定化热处理的温度为200-250℃，稳定化热处理的时间为10-15h。
在上述技术方案中，通过特定的稳定化热处理制度，保证高固溶强化的同时，控制β相形貌、数量及分布，不仅可调控合金中的显微组织，更重要的是调控合金中的β相析出行为，本申请实施例的稳定化热处理方式可实现β相在晶粒内均匀析出，并使合金板材具有较好的力学性能和耐腐蚀性能等的配合，满足研究指标要求。
第二方面，本申请实施例提供了一种LNG船用铝合金板材，其采用第一方面提供的LNG船用铝合金板材的制备方法制得，LNG船用铝合金板材的厚度为12.5-40.0mm，抗拉强度大于360MPa，屈服强度大于270MPa，延伸率大于14％。
在上述技术方案中，LNG船用铝合金板材晶粒细小、组织均匀，具有较高的力学性能，满足LNG船用高均匀性铝合金厚板的使用需求，解决了当前5000系铝合金板材料组织不均匀、性能低的问题。
具体实施方式
申请人在实现本申请的过程中发现，目前的国产5000系船用铝合金不能满足大型LNG船超低温储罐工况需求的主要原因表现以下几个方面：(1)国产5000系铝合金组织不均匀导致力学性能不稳定、耐腐蚀性能及焊接成形性差；(2)在铸锭制备方面缺乏原创性技术与装备，大规格高合金含量高均匀性铸锭难以生产，导致船舶用铝合金材料缺乏创新性成果，长期处于跟踪模仿阶段；(3)5000系铝合金材料在超低温储罐上的应用性能数据缺乏。
导致铝合金组织不均匀核心问题的原因是常规半连续铸造制备的大规格铝合金铸锭必然存在宏观偏析、晶粒尺寸不均匀等本征缺陷。具体地，在传统铸锭铸造过程中，大体积熔体进入结晶器或模具，从边部向心部逐渐凝固，由于凝固先后以及冷却条件的改变(温度梯度和冷却速度随铸锭厚度显著变化)导致大规格铸锭表层与心部晶粒大小不均匀，并存在严重宏观偏析。即使后续有多步骤压力加工和热处理也不能消除，宏观偏析和晶粒尺寸不均匀会一直遗传到最终产品中，从而引起铝合金宽厚板材组织应力与成分分布不均匀；而且这种不均匀性不可预测、无法控制，难以保证产品批次稳定性。
熔体冲击法液态金属打印增材技术是一种新的金属成形技术，该技术采用金属熔体在冷却面上逐步扫描最终获得铸锭组织，各处凝固条件以及熔体成分一致，在成形时通过基板运行速度和基板到喷嘴口的高度调节获得金属零件的最佳组织性能。最终制备的铸锭晶粒组织和成分均匀一致，且不受铸锭尺寸限制，可以制备大规格铸锭。而且，在熔体扫描凝固过程中，熔体对液固界面产生的强冲击使晶粒等轴化、β相弥散化，从而实现高晶内固溶、低晶界析出、超低宏观偏析全等轴细晶铝合金铸锭制备。它可突破传统半连续铸造凝固组织宏观偏析、晶粒粗大且尺寸不均匀等本征缺陷限制，制备出新型大规格晶内高溶质固溶、晶界低析出、超低宏观偏析的全等轴细晶的5000系铝合金铸锭。
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请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。
下面对本申请实施例的LNG船用铝合金板材及其制备方法进行具体说明。
本申请实施例提供了一种LNG船用铝合金板材的制备方法，其利用熔体冲击法液态金属打印增材技术，液态金属3D打印设备包括用于熔炼的熔炼腔室、上腔室和下腔室，具体包括以下步骤：
S1、按照5000系铝合金的合金成分组成配制合金原料，合金成分组成按质量百分数计包括：Si＜0.15％，Fe＜0.20％，Cu：0.12％-0.18％，Mn：0.6％-0.9％，Mg：5.6％-6.0％，Cr＜0.10％，Zn：0.6％-0.9％，Ti：0.01％-0.05％，Zr：0.10％-0.15％，Sc：0.10％-0.20％。可选地，合金成分组成按质量百分数计包括：Si＜0.10％，Fe＜0.15％，Cu：0.12％-0.13％，Mn：0.6％-0.7％，Mg：5.8％-6.0％，Cr＜0.10％，Zn：0.7％-0.9％，Ti：0.02％-0.04％，Zr：0.12％-0.15％，Sc：0.15％-0.20％。
S2、将合金原料倒入到实现液态金属3D打印的熔炼腔室内，对合金原料进行熔炼，熔炼的温度为720-760℃，获得铝合金熔体。
S3、将熔炼腔室内的铝合金熔体通过喷嘴喷射打印到冷却平台上，铝合金熔体的打印温度为680-720℃，冷却平台的温度＜30℃，获得铝合金铸锭。
本申请实施例中，喷嘴的个数为10-20个，孔径为1.5-3.0mm；熔炼腔室内的铝合金熔体流入实现液态金属3D打印的上腔体内，再向实现液态金属3D打印的下腔体内喷射，上腔体和下腔体之间的压差为10-20kpa，上腔体可以通入惰性气体(比如氩气)实现压差控制。
冷却平台位于三维运动平台上，三维运动平台的运动轨迹为回形，Z轴运动高度为5-15cm，扫描速度为80-120mm/s。
S4、将铝合金铸锭进行均匀化热处理，均匀化热处理的温度为550-600℃，均匀化热处理的时间为5-10h，获得热处理铸锭。
S5、将铝合金铸锭进行轧制，轧制的终了温度为400-450℃，中间退火温度为450-500℃，轧制变形量为70％-85％，获得厚度为12.5-40.0mm的铝合金板材；
S6、将铝合金板材进行稳定化热处理，稳定化热处理的温度为200-250℃，稳定化热处理的时间为10-15h，获得最终状态的铝合金板材。
本申请实施例还提供了一种LNG船用铝合金板材，其采用上述的LNG船用铝合金板材的制备方法制得，该LNG船用铝合金板材的厚度为12.5-40.0mm，抗拉强度大于360MPa，屈服强度大于270MPa，延伸率大于14％。
本申请实施例的熔体冲击法制备的全等轴细晶的5000系铝合金铸锭，经过最佳的轧制和稳定化热处理制度后，一方面可保证高固溶强化，另一方面可以控制β相形貌、数量及分布，打破高镁铝合金β相易沿晶连续网状析出导致耐蚀性、可焊性下降的技术瓶颈，从而实现高均匀性铝镁合金宽厚板力学性能、耐蚀性与可焊性协同调控。因此本申请实施例提供的制备方法可使得制得产品中β相数量较常规制备方法制得产品多10％左右，且细小、弥散分布，且在晶界分布较少。
以下结合实施例对本申请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LNG船用铝合金板材，其按照以下制备方法制得：
(a).按照合金成分组成配制合金原料：Si：0.080％、Fe：0.10％、Cu：0.12％、Mn：0.6％、Mg：6.0％、Cr：0.05％、Zn：0.85％、Ti：0.023％、Zr：0.15％、Sc：0.20％，余量为Al。
(b).合金熔炼：将步骤(a)的合金原料倒入到液态金属3D打印设备的熔炼腔室内，进行熔炼，熔炼温度为740℃，获得铝合金熔体。
(c).3D打印：将步骤(b)获得的铝合金熔体通过喷嘴打印到冷却平台上，喷嘴个数为15个，孔径为2.0mm，上腔体通入氩气控制上下腔体压差为15kpa，三维平台运动轨迹为回形，Z轴下降高度为10cm，扫描速度为100mm/s，打印温度为700℃，冷却平台出口温度＜30℃，获得铝合金铸锭。
(d).均匀化热处理：将步骤(c)获得的铝合金铸锭进行均匀化热处理。均匀化热处理温度为570℃，均匀化处理时间为8h，获得热处理铸锭。
(e).轧制：将步骤(d)获得的热处理铸锭进行轧制，轧制终了温度为420℃，中间退火温度为480℃，轧制变形量为80％，获得厚度为20.0mm的铝合金板材。
(f).稳定化热处理：将步骤(e)获得的铝合金板材进行稳定化热处理，稳定化热处理温度为220℃，时间为12h，获得最终状态的铝合金板材。
该最终状态的铝合金板材的常温力学性能为：抗拉强度370MPa，屈服强度278MPa，延伸率大于14.5％。
实施例2
本实施例提供一种LNG船用铝合金板材，其按照以下制备方法制得：
(a).按照合金成分组成配制合金原料：Si：0.080％、Fe：0.10％、Cu：0.12％、Mn：0.6％、Mg：5.6％、Cr：0.05％、Zn：0.85％、Ti：0.023％、Zr：0.15％、Sc：0.20％，余量为Al。
(b).合金熔炼：将步骤(a)的合金原料倒入到液态金属3D打印设备的熔炼腔室内，进行熔炼，熔炼温度为720℃，获得铝合金熔体。
(c).3D打印：将步骤(b)获得的铝合金熔体通过喷嘴打印到冷却平台上，喷嘴个数为10个，孔径为3.0mm，上腔体通入氩气控制上下腔体压差为10kpa，三维平台运动轨迹为回形，Z轴下降高度为10cm，扫描速度为80mm/s，打印温度为680℃，冷却平台出口温度＜30℃，获得铝合金铸锭。
(d).均匀化热处理：将步骤(c)获得的铝合金铸锭进行均匀化热处理。均匀化热处理温度为550℃，均匀化处理时间为10h，获得热处理铸锭。
(e).轧制：将步骤(d)获得的热处理铸锭进行轧制，轧制终了温度为400℃，中间退火温度为450℃，轧制变形量为70％，获得厚度为20.0mm的铝合金板材。
(f).稳定化热处理：将步骤(e)获得的铝合金板材进行稳定化热处理，稳定化热处理温度为200℃，时间为15h，获得最终状态的铝合金板材。
该最终状态的铝合金板材的常温力学性能为：抗拉强度360MPa，屈服强度275MPa，延伸率14.1％。
实施例3
本实施例提供一种LNG船用铝合金板材，其按照以下制备方法制得：
(a).按照合金成分组成配制合金原料：Si：0.080％、Fe：0.10％、Cu：0.12％、Mn：0.6％、Mg：5.8％、Cr：0.05％、Zn：0.85％、Ti：0.023％、Zr：0.15％、Sc：0.20％，余量为Al。
(b).合金熔炼：将步骤(a)的合金原料倒入到液态金属3D打印设备的熔炼腔室内，进行熔炼，熔炼温度为760℃，获得铝合金熔体。
(c).3D打印：将步骤(b)获得的铝合金熔体通过喷嘴打印到冷却平台上，喷嘴个数为20个，孔径为1.5mm，上腔体通入氩气控制上下腔体压差为10kpa，三维平台运动轨迹为回形，Z轴下降高度为10cm，扫描速度为120mm/s，打印温度为720℃，冷却平台出口温度＜30℃，获得铝合金铸锭。
(d).均匀化热处理：将步骤(c)获得的铝合金铸锭进行均匀化热处理。均匀化热处理温度为600℃，均匀化处理时间为5h，获得热处理铸锭。
(e).轧制：将步骤(d)获得的热处理铸锭进行轧制，轧制终了温度为450℃，中间退火温度为500℃，轧制变形量为85％，获得厚度为20.0mm的铝合金板材。
(f).稳定化热处理：将步骤(e)获得的铝合金板材进行稳定化热处理，稳定化热处理温度为250℃，时间为10h，获得最终状态的铝合金板材。
该最终状态的铝合金板材的常温力学性能为：抗拉强度365MPa，屈服强度275MPa，延伸率14.8％。
对比例1
本对比例提供一种铝合金板材，其制备方法与实施例1的制备方法大致相同，不同之处在于：本对比例的合金成分组成按质量百分比计包括：Si：0.080％、Fe：0.10％、Cu：0.12％、Mn：0.6％、Mg：4.5％、Cr：0.10％、Zn：0.25％、Ti：0.023％余量为Al。
该最终状态的铝合金板材的常温力学性能为：抗拉强度330MPa，屈服强度255MPa，延伸率12％。
对比例2
本对比例提供一种铝合金板材，其采用半连续铸造工艺，具体制备过程如下参考:专利202011467676.3中实施例一的制备方法。
该最终状态的铝合金板材的常温力学性能为：抗拉强度305MPa，屈服强度215MPa，延伸率11％。
综上所述，本申请实施例的LNG船用铝合金板材及其制备方法，采用颠覆性的液态3D打印成形技术，制备得到LNG船用高均匀性铝合金厚板。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种LNG船用铝合金板材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
按照合金成分组成配制合金原料，所述合金成分组成按质量百分数计包括：Si＜0.15％，Fe＜0.20％，Cu：0.12％-0.18％，Mn：0.6％-0.9％，Mg：5.6％-6.0％，Cr＜0.10％，Zn：0.6％-0.9％，Ti：0.01％-0.05％，Zr：0.10％-0.15％，Sc：0.10％-0.20％；
将所述合金原料倒入到实现液态金属3D打印的熔炼腔室内，对所述合金原料进行熔炼，获得铝合金熔体；
将所述熔炼腔室内的所述铝合金熔体通过喷嘴喷射打印到冷却平台上，获得铝合金铸锭，所述喷嘴的个数为10-20个，孔径为1.5-3.0mm；所述熔炼腔室内的所述铝合金熔体流入实现液态金属3D打印的上腔体内，再向实现液态金属3D打印的下腔体内喷射，所述上腔体和所述下腔体之间的压差为10-20kpa；
将所述铝合金铸锭进行均匀化热处理，获得热处理铸锭；
将所述铝合金铸锭进行轧制，轧制的终了温度为400-450℃，中间退火温度为450-500℃，轧制变形量为70％-85％，获得厚度为12.5-40.0mm的铝合金板材；
将所述铝合金板材进行稳定化热处理，所述稳定化热处理的温度为200-250℃，所述稳定化热处理的时间为10-15h，获得最终状态的铝合金板材。
2.根据权利要求1所述的LNG船用铝合金板材的制备方法，其特征在于，所述合金成分组成按质量百分数计包括：Si＜0.10％，Fe＜0.15％，Cu：0.12％-0.13％，Mn：0.6％-0.7％，Mg：5.8％-6.0％，Cr＜0.10％，Zn：0.7％-0.9％，Ti：0.02％-0.04％，Zr：0.12％-0.15％，Sc：0.15％-0.20％。
3.根据权利要求1所述的LNG船用铝合金板材的制备方法，其特征在于，所述熔炼的温度为720-760℃。
4.根据权利要求1所述的LNG船用铝合金板材的制备方法，其特征在于，所述冷却平台位于三维运动平台上，所述三维运动平台的运动轨迹为回形，Z轴运动高度为5-15cm，扫描速度为80-120mm/s。
5.根据权利要求1所述的LNG船用铝合金板材的制备方法，其特征在于，所述铝合金熔体的打印温度为680-720℃，所述冷却平台的温度＜30℃。
6.根据权利要求1所述的LNG船用铝合金板材的制备方法，其特征在于，所述均匀化热处理的温度为550-600℃，所述均匀化热处理的时间为5-10h。
7.一种LNG船用铝合金板材，其特征在于，其采用如权利要求1至6中任一项所述的LNG船用铝合金板材的制备方法制得，所述LNG船用铝合金板材的厚度为12.5-40.0mm，抗拉强度大于360MPa，屈服强度大于270MPa，延伸率大于14％。
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