CN1442501A - 一种高纯、高强铝合金 - Google Patents

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Abstract

本发明属于铝合金技术领域，涉及对用于航空结构件的铝合金的改进。本发明铝合金，其特征在于，其化学成分及含量为：(7～9)％Zn，(1.7～3.0)％Mg，(1.5～2.6)％Cu，(0.1～0.25)％Zr，Cr小于0.1％，Ti小于0.06％，Fe小于0.15％，Si小于0.12％，余量为Al。本发明具有高的强度，良好的抗腐蚀性能和耐剥落腐蚀性能，较好的断裂韧性，良好的可铸造成型性。

Description

一种高纯、高强铝合金
技术领域。本发明属于铝合金技术领域，涉及对用于航空结构件的铝合金的改进。
技术背景。在航空用高强铝合金的发展中，提高其比强度，从而达到减轻飞机重量的目的是一个发展趋势。而强度的提高主要决定因素之一是合金的化学成分，主要合金元素低，强度较低，韧性和耐蚀性以及铸锭成形性好；主要合金元素高，则强度较高，韧性和耐蚀性降低，且随着主要合金元素含量提高，铸造成形性能下降。结合航空用结构铝合金的特点，对于韧性(特别是断裂韧性)性能要求较高，这一点要求对合金杂质含量(Fe、Si等)严格限制，即研制高纯合金。目前的大部分高纯铝合金主元素Zn含量较低(＜7％Zn)，具有优良的综合性能，但强度不高。而有的在中等水平(7.5～8.5％)，满足较高强度的要求。但兼顾高强、高韧、耐蚀和铸造成形性综合性能的合金还未见到。下面表1给出两个类似合金的成分。表中“-”表示不含有该元素。
合金成分     US4828631     US5221377
    Zn     5.9～8.2     7.6～8.4
    Mg     1.5～4.0     1.8～2.3
    Cu     1.5～3.0     2.0～2.6
    Zr     0.08～0.15     0.08～0.25
    Mn     0.05～0.1         -
    Cr     ＜0.04     ＜0.04
    Ti     ＜0.06     ＜0.06
    Fe     ＜0.15     ＜0.15
    Si     ＜0.12     ＜0.1
    Al     余量     余量
表1两种类似合金的成分表表1中对比合金Zn的上限不高，导致含量不足，影响合金强度的提高；而对比合金1中Zn的下限过低，导致合金强度不足；对比合金2中Zn的下限过高，不利于合金的铸造成型。总之，对比合金的综合性能不能满足使用要求。
发明内容。
本发明的目的是：研究一种合金成分较宽的新型铝合金，在同时保证大、中、小规格的结构件铸锭成型的条件下，具有高强、高韧和耐腐蚀综合性能，满足飞机制造业选材要求。
本发明的技术方案是：一种用于航空结构件的高纯、高强铝合金，其特征在于，其化学成分及含量为：(7～9)％Zn，(1.7～3.0)％Mg，(1.5～2.6)％Cu，(0.1～0.25)％Zr，Cr小于0.1％，Ti小于0.06％，Fe小于0.15％，Si小于0.12％，余量为Al。
本发明在选择合金成分及含量时有如下考虑，高强铝合金在确定合金成分范围时依据合金性能要求对主要成分Zn、Mg、Cu元素进行选择，Zn、Mg是构成合金强化相MgZn2的重要元素，Cu素起加速时效作用，同时提高耐腐蚀性。考虑高强合金减小铸锭开裂因素，需Mg＞Cu，因此Mg元素整体含量要求大于Cu。
Mg和Cu根据所需比例，Mg为1.7～3.0％、Cu为1.5～2.6％比较适合，即满足强度和耐蚀性要求，又保证铸锭成形所必须的要求。Mn元素是在Al-Zn-Mg-Cu系合金中进一步起强化效果，而高强合金强度已解决，更重要是解决铸锭成形问题，Mn元素的加入明显增加铸锭开裂倾向，且降低半成品的淬透性，不利于航空业的厚大结构件，因此对其要严格限制。
本发明的优点是：
1、具有高的强度，其屈服强度比7A04T6和7A09T6合金高10～20％，挤压件典型屈服强度达到709MPa。原因在于Zn、Mg主元素含量较高，有利于提高强化相MgZn2的浓度。
2、具有良好的抗腐蚀性能，耐剥落腐蚀等级控制在EB级范围内。主要通过采用特殊的三级时效处理，在第二级高温短时时效中，调整了晶界沉淀相的分布和尺寸，减小了晶界与晶内的电位差，使腐蚀行为不易在晶界发生，解决了高合金元素合金耐蚀性差的弊病。
3、具有较好的断裂韧性，是由于严格控制了Fe、Si杂质含量，使影响断裂韧性性能的Fe、Si杂质相较少。
4、合金成分范围宽，对于中、小规格的结构件，由于可铸造成形性好，选用合金成分的中、上限，使具有高强、高韧和耐蚀性能；对于大规格的结构件，由于铸造成形难度很大，则采用合金成分的下限，既解决铸锭成形问题，同时能保证高强、高韧和耐蚀性能。
具体实施方式。
本发明合金的成分及含量见表2。
    Zn     Mg     Cu     Zr     Cr     Ti     Fe     Si   Al
7～9     1.7～3.0     1.5～2.6   0.1～0.25 ＜0.1 ＜0.06 ＜0.15 ＜0.12 余量
表2本发明合金成分及含量表。
本发明合金针对已有合金的缺欠调整成分，适当扩大主要合金成分范围，对于中、小规格的结构件，由于可铸造成形性好，选用合金成分的中、上限，使其具有高强、高韧和耐蚀性能；对于大规格的结构件，由于铸造成形难度很大，则采用合金成分的下限，既解决铸锭成形问题，同时能保证高强、高韧和耐蚀性能。
本发明合金的熔铸工艺可以按照《(轻金属材料加工手册》(冶金工业出版社)公开的工艺步骤进行，下面简要加以叙述。铝合金的熔铸成形主要由熔炼和铸造两部分组成。熔炼工艺包括：装炉→熔化(加锌等)→扒渣→加镁→搅拌→取样→(调整成分)→(搅拌)→精炼→扒渣→(转炉)→精炼及静置。装炉是指将配制好的原铝锭装入熔化炉中，对于高纯铝合金采用高纯铝锭，较少或不采用回炉料，保证合金的纯洁度。熔化是铝锭的整个加热过程，待铝锭熔化后，陆续加入纯锌、纯铜(或铝铜中间合金)、铝锆中间合金、铝钛中间合金(晶粒细化剂)。扒去表面浮渣后，待熔体温度达到720～740℃时，加入纯镁(镁易烧损，不能在合金熔化时加入，尽量减少其在熔体中混合的时间)。为了使加入的合金元素均匀混合，需对熔体进行搅拌，对均匀后熔体取化学分析试样，看是否满足配制成分要求，如需调整成分，还需再进行充分的搅拌，保证熔体均匀。精炼是采用精炼剂使熔体在反应过程中，去除熔体内部的气体、氧化膜及非金属夹杂物，使熔体达到净化，精炼温度一般控制在720～750℃。随后扒去表面的浮渣，进行静置。具备静置炉条件的，可采用转炉静置，但转炉后须再进行精炼。至此，整个熔炼过程完毕，等待铸造。铸造是铸锭成形的关键过程，为保证铸锭最终成形，需控制几个关键工艺参数：冷却速度、铸造速度、铸造温度、结晶槽高度。冷却速度取决于冷却水的提供，冷却速度小，会造成铸锭周围局部供水不足，使铸锭各部分收缩不同步，将由于热应力增大而引起铸锭裂纹；冷却速度过大，又会造成铸锭表面冷隔倾向增大。铸造速度是指铸锭相对结晶槽的拉出速度，铸造速度过大，一方面造成结晶补缩条件恶化，使铸锭的组织和成分的不均匀性及疏松程度增加，造成机械性能有所下降；另一方面会造成铸锭中心裂纹倾向增大。铸造温度通常指铸造前静置炉中金属熔体的温度，铸造温度过大，产生柱状晶组织的倾向增大，也使裂纹倾向增大；铸造温度过低，将使铸锭表面冷隔形成并增大其深度，严重影响铸锭表面质量。
实施例1。合金配制方案为：8.96％Zn、2.47Mg、1.89Cu、0.17Zr，该配方的特点是Mg＞Cu，有助于铸锭成形。原材料采用：高纯铝、纯锌、纯镁、铝铜中间合金、铝锆中间合金、铝钛中间合金。熔化炉为电阻加热熔化炉，铸造机为立式半连续机械式铸造机。熔铸工序为：装炉(高纯铝)→熔化(加锌、铝锆中间合金、铝铜中间合金、铝钛中间合金)→扒渣→加镁(730℃)→搅拌→取样→调整成分→搅拌→精炼(725℃)→扒渣→静置→铸造。具体工艺参数如表3所示。
  铸锭直径mm  结晶槽高度mm   铸造速度m/h   铸造温度℃     冷却水压Kg/cm2
    350     160     1.3～1.6     730～750     0.4～0.8
表3铸造工艺参数表
实施例2～13的成分及含量列于表3，其熔铸工艺与实施例1相同。
    序号   Zn   Mg   Cu   Zr   σb   σ0.2     δ5％     KICMPa√m 剥蚀 铸造成形
                     wt％     MPa
    2   7.01   1.75   1.64   0.11   682   671   13.8     28.2     EA 较易
    3   7.13   1.71   1.50   0.16   678   666   13.9     28.7     EA 较易
    4   7.22   1.79   1.58   0.14   679   664   13.6     28.1     EA 较易
    5   7.26   1.78   1.76   0.10   686   669   13.2     29.2     EA 较易
    6   7.57   1.72   1.98   0.24   694   680   13.4     27.6     EB 较难
    7   7.81   2.26   2.16   0.13   704   683   12.8     26.9     EB 较难
    8   8.42   2.31   1.52   0.22   709   692   12.6     28.8     EB 较难
    9   8.74   2.58   1.67   0.14   714   701   12.2     27.0     EB 较难
    10   8.89   2.78   1.65   0.25   718   703   12.3     26.7     EB 较难
    11   8.96   2.47   1.89   0.17   717   699   11.8     26.3     EB 较难
    12   8.99   2.87   2.32   0.14   722   709   11.4     26.0     EB 较难
    13   8.98   2.97   2.58   0.11   726   706   11.2     26.1     EB 较难
表4实施例2～13的成分及含量
表4中实施例2～5中，主要成分含量较低，强度韧性和耐蚀性均满足要求条件下，具有较好的铸造成形性，适合于大型结构件的生产。而实施例6～13，铸造成形性较差，一般适合于中、小规格结构件，在其他性能相当的情况下，随着主要成分含量提高，强度提高。

Claims (1)

1、一种用于航空结构件的高纯、高强铝合金，其特征在于，其化学成分及含量为：(7～9)％Zn，(1.7～3.0)％Mg，(1.5～2.6)％Cu，(0.1～0.25)％Zr，Cr小于0.1％，Ti小于0.06％，Fe小于0.15％，Si小于0.12％，余量为Al。
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