CN115637361A - 一种高阻尼Al-Zn-Mg-Cu-Mn-Ce-Zr铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高阻尼Al‑Zn‑Mg‑Cu‑Mn‑Ce‑Zr铝合金及其制备方法，该Al‑Zn‑Mg‑Cu‑Mn‑Ce‑Zr铝合金包括Al、Zn、Mg、Cu、Mn、Ce和Zr七种合金元素，该铝合金中使Zn弥散分布引入大量位错，提高位错密度，进而提高阻尼效果，通过引入Zn和Mg改善合金的铸造性能，再引入Ce净化合金，降低熔炼过程中合金的氧化、烧蚀，提高合金的燃点；其制备方法具有实现工艺简单、操作容易和降低成本的优点。
Description
技术领域
本发明涉及高阻尼铝合金技术领域，具体涉及一种高阻尼Al-Zn-Mg-Cu-Mn-Ce-Zr铝合金及其制备方法。
背景技术
随着人们对轻质量产品需求的增多，轻量化铝合金材料在交通工具、3C产品、武器装备等领域中的需求也逐渐增大，然而随着交通工具、3C产品等高速运行，轻量化铝合金材料产生的振动和噪声问题逐渐凸显出来，影响着设备的进一步优化。因此，对低密度、高比强度、高阻尼金属结构材料的需求逐渐增多，尤其是在航空航天、新型武器装备及现代工业设备中，需求更广。
铝合金是轻质的商用金属结构材料，满足轻量化的需求，同时，铝合金也是阻尼性能(Q-1＞0.1)优良的金属材料，能够满足减振降噪的需求，而常规铝合金(Al-Mg、Al-Zn-Mg、Al-Mg-Si)由于溶质原子和析出相对铝基面位错滑移的强钉扎导致阻尼性能大大降低(Q-1为0.008-0.016)。
稀土铝合金的Al-Zn-Mg-RE合金系经历了从Al-Zn-Mg-Sc系、Al-Zn-Mg-Th系、Al-Zn-Mg-Er系过渡到目前的Al-Zn-Mg-Ce合金系的发展历程，先后开发了多种以RE为主要添加元素的新型铝合金。就目前铝合金行业的现状来说，对于Sc元素在铝合金中的应用日益成熟，而对于Ce、Tb、Dy等元素的研究还不是很成熟。在共晶点温度，Ce在Al中的极限固溶度是4.53at.％，且该数值随温度的降低呈指数级下降，这意味着Al-Zn-Mg-Ce合金是典型可以通过热处理进行析出强化的铝合金。但加入过多重稀土元素大大地升高了制造成本，不利于大规模应用。因此，如何开发出低成本、低稀土量的高阻尼铝合金是亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种高阻尼Al-Zn-Mg-Cu-Mn-Ce-Zr铝合金及其制备方法，该Al-Zn-Mg-Cu-Mn-Ce-Zr铝合金包括Al、Zn、Mg、Cu、Mn、Ce和Zr七种合金元素，该铝合金中使Zn弥散分布引入大量位错，提高位错密度，进而提高阻尼效果，通过引入Zn和Mg改善合金的铸造性能，再引入Ce净化合金，降低熔炼过程中合金的氧化、烧蚀，提高合金的燃点；其制备方法具有实现工艺简单、操作容易和降低成本的优点。
本发明的技术方案如下：
一种高阻尼Al-Zn-Mg-Cu-Mn-Ce-Zr铝合金，包括下述质量百分比的组分：
Zn：5.5-7.5％，Mg：1.5-2.5％，Cu：1-2％，Mn：0.4-0.8％，Ce：0.3-0.6％，Zr：0.2-0.5％，余量为铝和不可避免的杂质。
优选的，高阻尼Al-Zn-Mg-Cu-Mn-Ce-Zr铝合金，包括下述质量百分比的组分：
Zn：6.84％，Mg：2.02％，Cu：1.75％，Mn:0.5％，Ce：0.51％，Zr：0.47％，杂质的总含量＜0.1％；余量为铝。
上述高阻尼Al-Zn-Mg-Cu-Mn-Ce-Zr铝合金，制备方法如下：
(1)原料预热：将纯铝、纯锌、纯镁和Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Ce中间合金、Al-Zr中间合金进行预热250℃；
(2)合金熔炼：熔炼炉采用电阻炉或中频电磁感应炉，首先加入纯铝，升温将纯铝完全融化，然后加入纯锌、纯镁和Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Ce中间合金、Al-Zr中间合金，待所有原料熔化后对熔体进行搅拌，待熔炼完成后，熔体降温至670℃后静置处理，然后，倒入冷却结晶器中，使用铸造机以30℃/min进行直冷式半连续铸造，得到合金铸锭；
(3)均匀化：在460-480℃温度条件下进行均匀化处理，保温时间为12-24h；
(4)机加工：将制得的铸锭进行表面车皮，去除头部和底部的铸造缺陷；加工至Φ252mm备用；
(5)热挤压：挤压前将均匀化处理后的铸锭加工至合适尺寸，除去表面氧化皮，将处理后铸锭和挤压模具在430-460℃预热2-3h，挤压温度为440-460℃，挤压比为10:1-25:1，挤压速率为2-5m/min，分别获得直径为16-25mm的铝合金棒材；
(6)时效：将步骤(5)的铝合金棒材，放入真空干燥箱中进行时效，时效工艺175℃×8h。
优选的，在步骤(1)中，纯铝为99.9％Al，纯镁为99.9％Mg，Al-Zn中间合金为Al-20Zn，Al-Cu中间合金为Al-20Cu，Al-Mn中间合金为Al-20Mn，Al-Ce中间合金为Al-20Ce，Al-Zr中间合金为Al-20Zr。
优选的，在步骤(2)中，将纯铝置于坩埚中，升温至680-760℃，在温度为680-760℃保温纯铝完全熔化，然后依次加入纯Mg和Al-Zn中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Ce中间合金、Al-Zr中间合金，在温度为680-760℃下机械搅拌15-30min，然后静置15-30min，得到合金熔体，再采用金属模水冷凝固工艺将合金熔体制成铸锭，得到铸造铸锭。
优选的，在步骤(3)中，均匀后处理在480℃条件下进行，保温时间为24h。
优选的，在步骤(5)中，挤压温度为460℃，挤压比为10:1，挤压速度为5m/min。
本发明中，Zn与Al之间非共格界面、不同的热膨胀系数，在合金熔炼后冷却过程中，势必会引入了大量的位错，提高位错密度，有利于合金阻尼性能的提高；Mg和Mn可以改善合金的铸造性能；此外，添加适量的稀土Ce可净化合金，降低熔炼过程中合金的氧化、烧蚀，降低液态合金的表面张力，细化合金组织，提高合金的铸造性能，显著提高合金的燃点。Zr元素拥有有效的细化晶粒的作用，Cu元素除了提高合金的腐蚀性能和去除有害元素Fe等优点外，其以单质形式弥散地分布于铝合金中，同样可以细化枝晶。
现有技术中，通常采用热处理方式来提高合金阻尼性能，然而热处理方式会降低合金的力学性能，因此，本发明提供的Al-Zn-Mg-Cu-Mn-Ce-Zr合金中，合金主要由Al相和α-Zn相组成，避免过多的相成分阻碍位错运动而降低合金阻尼性能。
本发明中稀土金属的加入能够净化合金，降低熔炼过程中合金的氧化、烧蚀，为铝合金应用领域的扩大创造了条件。
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
1、本发明中在Al-Zn-Mg-Cu-Mn-Ce-Zr合金中使Zn弥散分布引入大量位错，提高位错密度，这些可动位错可起到显著的阻尼提升效果，通过引入Mg和Mn改善合金的铸造性能，再引入Ce净化合金，降低熔炼过程中合金的氧化、烧蚀，提高合金的燃点，该工艺是多元强化于一体的高阻尼铝合金的制备方法。
2、本发明的制备方法中通过控制合金成分和熔炼工艺，能大幅提高合金的阻尼性能，同时自净化合金，降低熔炼过程中合金的氧化、烧蚀，提高合金的燃点，避免了精炼剂的使用及二次熔炼提纯。
3、本发明提供的高阻尼Al-Zn-Mg-Cu-Mn-Ce-Zr合金，室温阻尼性能Q-1为0.2；其阻尼性能与目前常用的阻尼铝合金Al-Cu-Zr、Al-Mg-Si相比显著提高。
4、本发明工艺简单，所用设备为常规通用设备，可移植性强，且容易操作，成本低廉，明显提高了合金的室温阻尼性能，解决了铝合金由于合金化阻尼性能低而限制其应用的难题，扩大了铝合金的应用范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1中制备的铝合金的光学显微组织图。
图2为实施例2中制备的铝合金的光学显微组织图。
图3为实施例3中制备的铝合金的光学显微组织图。
图4为实施例4中制备的铝合金的光学显微组织图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明高阻尼Al-Zn-Mg-Cu-Mn-Ce-Zr合金,包括Al、Zn、Mg、Cu、Mn、Ce和Zr七种合金元素，所述高阻尼是指材料能够达到的阻尼性能Q-1≥0.2。
本发明人经过大量的实验研究后认为：Zn由于与Al之间非共格界面、不同的热膨胀系数，在合金熔炼后冷却过程中，势必会引入了大量的位错，提高位错密度，有利于合金阻尼性能的提高。Mg和Zn可以改善合金的铸造性能。此外，添加适量的稀土可净化合金，降低熔炼过程中合金的氧化、烧蚀，降低液态合金的表面张力，细化合金组织，提高合金的铸造性能，显著提高合金的燃点。兼顾了合金化和熔炼工艺，从而能够改善铝合金的室温阻尼性能。
本发明以下实施例中，纯铝为99.9％Al，纯镁为99.9％Mg。
实施例1
一种高阻尼Al-Zn-Mg-Cu-Mn-Ce-Zr铝合金，包括下述质量百分比的组分：
Zn：5.92％，Mg：1.78％，Cu：1.24％，Mn：0.53％，Ce：0.33％，Zr：0.42％，杂质的总含量＜0.1％；余量为铝和不可避免的杂质。
上述高阻尼Al-Zn-Mg-Cu-Mn-Ce-Zr铝合金的制备方法，过程如下：
(1)原料预热：将纯铝、纯锌、纯镁和Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Ce中间合金、Al-Zr中间合金进行预热250℃；
(2)合金熔炼：采用半连续方法铸造，先将纯铝放在刚玉坩埚中随炉预热至250℃，保温2h；然后将感应炉升温至750℃，加热熔炼；
待纯铝块熔化后，向铝熔液中加入提前预热和烘干的纯镁和Al-20Zn中间合金、Al-20Cu中间合金、Al-20Mn中间合金、Al-20Ce中间合金、Al-20Zr中间合金，加入时应使中间合金块迅速进去入液面以下，在730℃条件下机械搅拌20min；待熔化后打捞熔体表面浮渣，使成分均匀；
在670℃静置30min，静置完毕后，倒入冷却结晶器中，使用铸造机以30℃/min进行直冷式半连续铸造，得到合金铸锭；
(3)均匀化：在480℃温度条件下进行均匀化处理，保温时间为24h；
(4)机加工：将制得的铸锭进行表面车皮，去除头部和底部的铸造缺陷；加工至Φ252mm备用；
(5)热挤压：挤压前将均匀化处理后的铸锭加工至合适尺寸，除去表面氧化皮，将处理后铸锭和挤压模具在440℃预热3h，挤压温度为460℃，挤压比为10:1，挤压速率为5m/min，分别获得直径为25mm的铝合金棒材；
(6)时效：将步骤(5)的铝合金棒材，放入真空干燥箱中进行时效，时效工艺175℃×8h。
实施例2
一种高阻尼Al-Zn-Mg-Cu-Mn-Ce-Zr合金，合金成分(重量百分比)：Zn：6.84％，Mg：2.02％，Cu：1.75％，Mn：0.63％，Ce：0.51％，Zr：0.47％，杂质的总含量＜0.1％；余量为铝。
该高阻尼Al-Zn-Mg-Cu-Mn-Ce-Zr合金的制造方法，同实施例1。
实施例3
一种高阻尼Al-Zn-Mg-Cu-Mn-Ce-Zr合金，合金成分(重量百分比)：Zn：5.56％，Mg：1.98％，Cu：1.43％，Mn：0.71％，Ce：0.58％，Zr：0.25％，杂质的总含量＜0.1％；余量为铝。
该高阻尼Al-Zn-Mg-Cu-Mn-Ce-Zr合金的制造方法，同实施例1。
实施例4
一种高阻尼Al-Zn-Mg-Cu-Mn-Ce-Zr合金，合金成分(重量百分比)：Zn：6.53％，Mg：1.62％，Cu：1.17％，Mn：0.79％，Ce：0.32％，Zr：0.35％，杂质的总含量＜0.1％；余量为铝。
该高阻尼Al-Zn-Mg-Cu-Mn-Ce-Zr合金的制造方法，同实施例1。
对实施例1-4得到的合金进行性能测试，结果见表1，如下：
表1为实施例1-4所述高强度Al-Zn-Mg-Cu-Mn-Ce-Zr合金的力学性能表
| 实例 | 抗拉强度(MPa) | 屈服强度(MPa) | 延伸率(％) | 阻尼系数 |
| 实施例1 | 606 | 542 | 10.3 | 0.16 |
| 实施例2 | 601 | 535 | 9.8 | 0.15 |
| 实施例3 | 615 | 542 | 9.2 | 0.19 |
| 实施例4 | 619 | 548 | 9.3 | 0.16 |
本发明所采用的制备工艺，具有通用性广、可移植性强、工艺简单成熟和容易实现等优点。
尽管通过参考优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种高阻尼Al-Zn-Mg-Cu-Mn-Ce-Zr铝合金，其特征在于，包括下述质量百分比的组分：
Zn：5.5-7.5％，Mg：1.5-2.5％，Cu：1-2％，Mn：0.4-0.8％，Ce：0.3-0.6％，Zr：0.2-0.5％，余量为铝和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的高阻尼Al-Zn-Mg-Cu-Mn-Ce-Zr铝合金，其特征在于，高阻尼Al-Zn-Mg-Cu-Mn-Ce-Zr铝合金，包括下述质量百分比的组分：
Zn：6.84％，Mg：2.02％，Cu：1.75％，Mn:0.5％，Ce：0.51％，Zr：0.47％，杂质的总含量＜0.1％；余量为铝。
3.如权利要求1或2所述的高阻尼Al-Zn-Mg-Cu-Mn-Ce-Zr铝合金的制备方法，其特征在于，步骤如下：
(1)原料预热：将纯铝、纯锌、纯镁和Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Ce中间合金、Al-Zr中间合金进行预热250℃；
(2)合金熔炼：熔炼炉采用电阻炉或中频电磁感应炉，首先加入纯铝，升温将纯铝完全融化，然后加入纯镁和Al-Zn中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Ce中间合金、Al-Zr中间合金，待所有原料熔化后对熔体进行搅拌，待熔炼完成后，熔体降温至670℃后静置处理，然后，倒入冷却结晶器中，使用铸造机以30℃/min进行直冷式半连续铸造，得到合金铸锭；
(3)均匀化：在460-480℃温度条件下进行均匀化处理，保温时间为12-24h；
(4)机加工：将制得的铸锭进行表面车皮，去除头部和底部的铸造缺陷；加工至Φ252mm备用；
(5)热挤压：挤压前将均匀化处理后的铸锭加工至合适尺寸，除去表面氧化皮，将处理后铸锭和挤压模具在430-460℃预热2-3h，挤压温度为440-460℃，挤压比为10:1-25:1，挤压速率为2-5m/min，分别获得直径为16-25mm的铝合金棒材；
(6)时效：将步骤(5)的铝合金棒材，放入真空干燥箱中进行时效，时效工艺175℃×8h。
4.如权利要求3所述的高阻尼Al-Zn-Mg-Cu-Mn-Ce-Zr铝合金的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，纯铝为99.9％Al，纯镁为99.9％Mg，Al-Zn中间合金为Al-20Zn，Al-Cu中间合金为Al-20Cu，Al-Mn中间合金为Al-20Mn，Al-Ce中间合金为Al-20Ce，Al-Zr中间合金为Al-20Zr。
5.如权利要求4所述的高阻尼Al-Zn-Mg-Cu-Mn-Ce-Zr铝合金的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，将纯铝置于坩埚中，升温至680-760℃，在温度为680-760℃保温纯铝完全熔化，然后依次加入纯Mg和Al-Zn中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Ce中间合金、Al-Zr中间合金，在温度为680-760℃下机械搅拌15-30min，然后静置15-30min，得到合金熔体，再采用金属模水冷凝固工艺将合金熔体制成铸锭，得到铸造铸锭。
6.如权利要求3所述的高阻尼Al-Zn-Mg-Cu-Mn-Ce-Zr铝合金的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，均匀后处理在480℃条件下进行，保温时间为24h。
7.如权利要求3所述的高阻尼Al-Zn-Mg-Cu-Mn-Ce-Zr铝合金的制备方法，其特征在于，在步骤(5)中，挤压温度为460℃，挤压比为10:1，挤压速度为5m/min。
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