CN114480933B - 一种特高强铝合金及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于铝合金加工技术领域，具体涉及一种特高强铝合金及其制备方法和应用。本发明通过对合金组分进行调整，并采用微合金化、形变热处理等多重加工手段制备了一种800MPa级特高强铝合金，所述特高强铝合金由以下质量百分比的组分组成：锌：8.0~11.0%，铜：2.5~3.0%，镁：1.2~2.5%，银：0.1~0.5%，锆：0.05~0.3%，钇：0.05~0.3%，其余为铝和不可避免的杂质元素；其中，锌与镁的质量比控制为4.2~6.5，铜与镁的质量比控制为1.0~2.5。所述特高强铝合金具有较高强度的同时，还具有良好的综合力学性能，抗拉强度最高达到805MPa，同时规定塑性延伸强度达到751MPa，断后伸长率任有12%，满足航天器及大飞机等领域轻量化需求，具有广阔的应用前景。

Description

一种特高强铝合金及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于铝合金加工技术领域，具体涉及一种特高强铝合金及其制备方法和应用。

背景技术

Al-Zn-Mg-Cu系超高强度铝合金具有低密度、高比强度、韧性良好和抗腐蚀性等特点，广泛应用于航空航天、兵器工业等领域。其中飞机制造所使用的铝合金中，90％以上是超高强铝合金。

近年来，随着飞机设计在飞行性能、使用寿命、安全可靠性、结构重量控制等方面的要求不断提高，对具有高合金化、高综合力学性能的800MPa级超高强铝合金材料的需求不断增加。

Al-Zn-Mg-Cu系超高强度铝合金中主要强化相是Mg₂Zn相，但是，随着合金化程度的增加，现有技术中的Al-Zn-Mg-Cu超高强度铝合金材料存在塑韧性差、性能不稳定、综合力学性能不足等问题，例如，授权公告号为CN 101698914 B的中国专利共了一种超高强铝合金及其制备方法，采用较高的Zn含量，制备出了800MPa级超高强铝合金，但是合金中还添加了Cr和V元素，对合金塑性性能不利。又如，授权公告号为CN 106399776B的中国专利公开了一种800MPa级超高强铝合金及其制备方法，采用较高的Mg含量，其中锌与镁的质量比控制为3～5，相同工艺过程中抗拉强度指标相差在100MPa以上，合金性能不稳定，综合力学性能较差。

所以，针对现有技术中存在的技术问题，急需开发一种新型特高强铝合金，以期能够改善超高强度铝合金材料塑韧性、强度等综合力学性能。

发明内容

基于现有超高强铝合金的缺陷和不足，本发明通过对合金组分进行调整，并采用微合金化、形变热处理等多重加工手段制备了一种800MPa级特高强铝合金，实现提高合金材料强度的同时，实现了强度和塑性的良好匹配，综合力学性能优异，具有广阔的应用前景。

本发明还提供了上述特高强铝合金的制备方法。

基于上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种特高强铝合金，由以下质量百分比的组分组成：锌(Zn)：8.0～11.0％，铜(Cu)：2.5～3.0％，镁(Mg)：1.2～2.5％，银(Ag)：0.1～0.5％，锆(Zr)：0.05～0.3％，钇：0.05～0.3％，其余为铝(Al)和不可避免的杂质元素；其中，锌与镁的质量比控制为(4.2～6.5)：1，铜与镁的质量比控制为(1.0～2.5)：1。

所述特高强铝合金的制备方法，包括如下步骤：

(1)按照合金中各组分的质量百分比进行配料；将所配原料于750～820℃氩气气氛下熔炼，得到金属液；

(2)将步骤(1)所得金属液于730～760℃的氩气气氛下精炼10～30min，再于710～730℃静置10-30min，得到浇铸液，将浇铸液浇铸成型，得到铸锭；将所得到铸锭于氩气气氛下进行均匀化退火处理，得到经均匀化处理的铸锭；

(3)将步骤(2)所得经均匀化处理的铸锭去除表面氧化层后，作为坯料挤压成形，得到棒材，挤压成形时，挤压温度为400～455℃，挤压速度为10～15m/min；

(4)将步骤(3)所得棒材进行固溶处理、预拉伸、时效处理，即得。

具体的，步骤(1)中所述熔炼工序为：将所配原料装入真空感应熔炼炉中，抽真空至炉内的真空度为0.1～10Pa，然后通入氩气至炉内压强达到100～250Pa，再升温至750～820℃，保温至得到金属液。

具体的，步骤(2)中均匀化退火处理条件为：先在420～500℃保温24～48h，然后于空气中冷却至室温。

进一步优选的，步骤(2)中所述均匀化退火处理为双级均匀化退火处理，工艺条件为：先在420～450℃下加热12～24h，然后再升温至480～500℃继续加热12～24h，最后于空气中冷却至室温。

具体的，步骤(3)中所述挤压成形工艺的挤压比为36～81。

具体的，步骤(4)中所述预拉伸工艺的变形量控制为3～12％。

具体的，步骤(4)中所述固溶处理工序为：在455～490℃温度条件下保温1～3hmin，然后水淬；所述时效处理工序为：在110～150℃温度条件下保温12～24h。

优选的，所述固溶处理时，水淬的冷却水温度为45～65℃，水淬转移时间为10～30s。

本发明还进一步提供了所述特高强铝合金材料在制备航空连接结构件中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明使用高纯金属及中间合金为原料，采用真空熔炼方式，通过控制炉内饱和蒸汽压，减少杂质元素及气渣含量，得到高纯净铝合金熔体，避免合金中形成铸造缺陷，提升特高强铝合金铸锭冶金质量及塑韧性。

2、本发明合金采用较高Zn/Mg质量和Cu/Mg质量比，保证合金中除了主要强化相η(Mg₂Zn)相外，还引入大量θ(Al₂Cu)相，显著提升合金力学性能。通过添加少量Ag元素，不仅能促进强化效果还能更好地形成Ω(Al₂Cu)相，进一步提升合金强度。通过复合添加Zr和Y，形成Al₃Zr、Al₃Y、Al₃(Zr，Y)等强化相，这些相在合金凝固过程中可作为异质形核的细化晶粒核心，提高铝合金综合力学性能。

3、本发明采用双级均匀化和大挤压比的变形加工方式，可有效消除铸造缺陷，挤压变形后的合金具有完全再结晶组织，使合金塑韧性获得有效提升。采用较大变形量的预拉伸工艺，促进时效过程中强化相的析出，进一步提升合金力学性能。

4、本发明通过对形变热处理工艺进行优化，实现对合金强化相、晶粒尺寸等进行有效控制，充分发挥各组分元素的时效强化效果，使合金强塑性实现良好匹配，最终获得综合力学性能优异的800MPa级特高强铝合金，能够实现抗拉强度为782-805MPa，规定塑性延伸强度为723-771MPa，断后伸长率为11.5-18.5％的性能。

附图说明

图1为本发明实施例2步骤(5)所得成品的金相图；

图2为本发明实施例2所得成品的拉伸试验应力应变曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合具体实施例对本发明的技术方案作出进一步的说明，但所述实施例旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行，下述实施例中所用原料均为普通市售产品。

其中，所配原料包括金属铝、金属铜、金属镁及中间合金，所述金属铝采用99.98％工业重熔精铝锭，所述金属铜采用99.99％阴极电解铜，所述金属镁采用99.99％高纯镁锭，所述中间合金(Al-Ag、Al-Zr、Al-Y)分别采用Al-40Ag、Al-4Zr、Al-10Y中间合金锭。

实施例1

一种特高强铝合金，由以下质量百分比的组分组成：Zn：11％、Cu：3.5％、Mg：2.0％、Ag：0.1％、Zr：0.15％、Y：0.15％，其余为Al和不可避免的杂质元素；其中，Zn与Mg的质量比为5.5，Cu与Mg的质量比为1.75。

所述特高强铝合金的制备方法，具体步骤如下：

(1)按照合金中各组分的质量百分比进行配料；将所配原料预热，并加入真空感应熔炼炉中，抽真空至真空度达到1Pa后，通入高纯氩气至炉内压强达到200Pa，升温至780℃熔炼，得到金属液；

(2)将步骤(1)所得金属液于750℃的氩气气氛下精炼15min，再于720℃静置15min，得到浇铸液，将浇铸液浇铸成型，得到铸锭；

(3)将步骤(2)所得铸锭于氩气气氛下进行双级均匀化退火，得到经均匀化处理的铸锭；其中，均匀化退火条件为：先在420℃下加热18h，然后再升温至490℃继续加热24h，最后于空气中冷却至室温；

(4)将步骤(3)所得经均匀化处理的铸锭去除表面氧化层后，预热至440℃，进行挤压成形，挤压比为81，挤压速度为10m/min，得到棒材；

(5)将步骤(4)所得棒材进行固溶处理：在475℃温度条件下保温1h，然后水淬，水淬的冷却水温度45℃，转移时间为15s；然后预拉伸：变形量为6％；最后时效处理：120℃保温24h，即得。

实施例2

一种特高强铝合金，由以下质量百分比的组分组成：Zn：10％、Cu：3.0％、Mg：1.2％、Ag：0.3％、Zr：0.2％、Y：0.2％，其余为Al和不可避免的杂质元素；其中，Zn与Mg的质量比为8.33，Cu与Mg的质量比为2.5。

所述特高强铝合金的制备方法，具体步骤如下：

(1)按照合金中各组分的质量百分比进行配料；将所配原料预热，并加入真空感应熔炼炉中，抽真空至真空度达到0.5Pa后，通入高纯氩气至炉内压强达到100Pa，升温至800℃熔炼，得到金属液；

(2)将步骤(1)所得金属液于750℃的氩气气氛下精炼20min，再于720℃静置20min，得到浇铸液，将浇铸液浇铸成型，得到铸锭；

(3)将步骤(2)所得铸锭于氩气气氛下进行双级均匀化退火，得到经均匀化处理的铸锭；其中，均匀化退火条件为：先在430℃下加热12h，然后再升温至485℃继续加热24h，最后于空气中冷却至室温；

(4)将步骤(3)所得经均匀化处理的铸锭去除表面氧化层后，预热至430℃，进行挤压成形，挤压比为71，挤压速度为12m/min，得到棒材；

(5)将步骤(4)所得棒材进行固溶处理：在465℃温度条件下保温2h，然后水淬，水淬的冷却水温度50℃，转移时间为10s；然后预拉伸：变形量为3％；最后时效处理：135℃保温20h，即得。

实施例2步骤(5)所得特高强铝合金的金相图如图1所述，从图1中可以看出板材显微组织为不完全再结晶组织，晶粒细小而均匀，晶粒尺寸在2μm～8μm之间，保证了成品棒材的综合力学性能。

实施例3

一种特高强铝合金，由以下质量百分比的组分组成：Zn：10％、Cu：2.5％、Mg：2.5％、Ag：0.2％、Zr：0.15％、Y：0.2％，其余为Al和不可避免的杂质元素；其中，Zn与Mg的质量比为4.0，Cu与Mg的质量比为1.0。

所述特高强铝合金的制备方法，具体步骤如下：

(1)按照合金中各组分的质量百分比进行配料；将所配原料预热，并加入真空感应熔炼炉中，抽真空至真空度达到3Pa后，通入高纯氩气至炉内压强达到250Pa，升温至820℃熔炼，得到金属液；

(2)将步骤(1)所得金属液于750℃的氩气气氛下精炼30min，再于720℃静置30min，得到浇铸液，将浇铸液浇铸成型，得到铸锭；

(3)将步骤(2)所得铸锭于氩气气氛下进行双级均匀化退火，得到经均匀化处理的铸锭；其中，均匀化退火条件为：先在430℃下加热12h，然后再升温至485℃继续加热24h，最后于空气中冷却至室温；

(4)将步骤(3)所得经均匀化处理的铸锭去除表面氧化层后，预热至430℃，进行挤压成形，挤压比为64，挤压速度为12m/min，得到棒材；

(5)将步骤(4)所得棒材进行固溶处理：在485℃温度条件下保温1.5h，然后水淬，水淬的冷却水温度60℃，转移时间为10s；然后预拉伸：变形量为9％；最后时效处理：140℃保温16h，即得。

实施例4

一种特高强铝合金，由以下质量百分比的组分组成：Zn：9％、Cu：2.5％、Mg：1.5％、Ag：0.1％、Zr：0.2％、Y：0.2％，其余为Al和不可避免的杂质元素；其中，Zn与Mg的质量比为6.0，Cu与Mg的质量比为1.67。

所述特高强铝合金的制备方法，具体步骤如下：

(1)按照合金中各组分的质量百分比进行配料；将所配原料预热，并加入真空感应熔炼炉中，抽真空至真空度达到5Pa后，通入高纯氩气至炉内压强达到150Pa，升温至760℃熔炼，得到金属液；

(2)将步骤(1)所得金属液于760℃的氩气气氛下精炼20min，再于720℃静置20min，得到浇铸液，将浇铸液浇铸成型，得到铸锭；

(3)将步骤(2)所得铸锭于氩气气氛下进行双级均匀化退火，得到经均匀化处理的铸锭；其中，均匀化退火条件为：先在440℃下加热12h，然后再升温至480℃继续加热18h，最后于空气中冷却至室温；

(4)将步骤(3)所得经均匀化处理的铸锭去除表面氧化层后，预热至450℃，进行挤压成形，挤压比为36，挤压速度为15m/min，得到棒材；

(5)将步骤(4)所得棒材进行固溶处理：在455℃温度条件下保温3h，然后水淬，水淬的冷却水温度50℃，转移时间为15s；然后预拉伸：变形量为6％；最后时效处理：125℃保温25h，即得。

实施例5

一种特高强铝合金，由以下质量百分比的组分组成：Zn：8％、Cu：2.8％、Mg：1.4％、Ag：0.2％、Zr：0.3％、Y：0.3％，其余为Al和不可避免的杂质元素；其中，Zn与Mg的质量比为5.71，Cu与Mg的质量比为2.0。

所述特高强铝合金的制备方法，具体步骤如下：

(1)按照合金中各组分的质量百分比进行配料；将所配原料预热，并加入真空感应熔炼炉中，抽真空至真空度达到1Pa后，通入高纯氩气至炉内压强达到200Pa，升温至800℃熔炼，得到金属液；

(2)将步骤(1)所得金属液于750℃的氩气气氛下精炼20min，再于720℃静置20min，得到浇铸液，将浇铸液浇铸成型，得到铸锭；

(3)将步骤(2)所得铸锭于氩气气氛下进行双级均匀化退火，得到经均匀化处理的铸锭；其中，均匀化退火条件为：先在420℃下加热24h，然后再升温至490℃继续加热18h，最后于空气中冷却至室温；

(4)将步骤(3)所得经均匀化处理的铸锭去除表面氧化层后，预热至430℃，进行挤压成形，挤压比为52，挤压速度为15m/min，得到棒材；

(5)将步骤(4)所得棒材进行固溶处理：在475℃温度条件下保温2h，然后水淬，水淬的冷却水温度65℃，转移时间为15s；然后预拉伸：变形量为12％；最后时效处理：110℃保温24h，即得。

下面采用SUN10电子万能试验机对试样(实施例1～5所制得特高强铝合金)的力学性能进行测试，每个状态取3组平行样并取平均值，各性能测试结果如表1所示。

表1特高强铝合金性能测试结果

从表1及图2可知，本发明制得的800MPa级特高强铝合金综合力学性能优异，试样抗拉强度为793.4MPa(平均值)，规定塑性延伸强度为747.8MPa(平均值)，断后伸长率为14.2％(平均值)。

应用实例1

铆接拥有工艺过程简单、连接强度稳定可靠等诸优势，是航空领域应用最为广泛的连接方式，一架大型飞机完成整机装配所需要铆钉和螺栓的数量高达150万～200万。飞机上铆钉连接结构的强度往往对飞机的整体结构强度有着显著的影响。目前多采用钛合金材料制造航空连接件，但其存在密度较大、成本偏高等缺点，无法满足新一代航天器、大飞机轻量化需求。

本发明制备一种特高强铝合金，将本发明实施例2中所获得的特高强铝合金作为结构材料制造航空用的连接件，可使连接件强度达到800MPa以上，弹性模量超过72GPa，可承受10％以上的应变而不发生失效，可以部分替代钛合金连接件，降低成本同时实现结构减重30％以上，在航天、航空等武器装备和交通运输、半导体等领域具有广阔的应用前景。

以上对本发明的具体实施案例进行了描述，需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式。本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种特高强铝合金，其特征在于，由以下质量百分比的组分组成：锌：8.0~11.0%，铜：2.5~3.0%，镁：1.2~2.5%，银：0.1~0.5%，锆：0.05~0.3%，钇：0.05~0.3%，其余为铝和不可避免的杂质元素；其中，锌与镁的质量比控制为（4.2~6.5）：1，铜与镁的质量比控制为（1.0~2.5）：1；

所述特高强铝合金采用如下步骤制备得到：

（1）按照合金中各组分的质量百分比进行配料；将所配原料于750~820℃氩气气氛下熔炼，得到金属液；

（2）将步骤（1）所得金属液于730~760℃的氩气气氛下精炼10~30min，再于710~730℃静置10-30 min，得到浇铸液，将浇铸液浇铸成型，得到铸锭；将所得到铸锭于氩气气氛下进行均匀化退火处理，得到经均匀化处理的铸锭；

（3）将步骤（2）所得经均匀化处理的铸锭去除表面氧化层后，作为坯料挤压成形，得到棒材，挤压成形时，挤压温度为400~455℃，挤压速度为10~15m/min；

（4）将步骤（3）所得棒材进行固溶处理、预拉伸、时效处理，即得。

2.一种制备特高强铝合金的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）按照合金中各组分的质量百分比进行配料；将所配原料于750~820℃氩气气氛下熔炼，得到金属液；

（2）将步骤（1）所得金属液于730~760℃的氩气气氛下精炼10~30min，再于710~730℃静置10-30 min，得到浇铸液，将浇铸液浇铸成型，得到铸锭；将所得到铸锭于氩气气氛下进行均匀化退火处理，得到经均匀化处理的铸锭；

（3）将步骤（2）所得经均匀化处理的铸锭去除表面氧化层后，作为坯料挤压成形，得到棒材，挤压成形时，挤压温度为400~455℃，挤压速度为10~15m/min；

（4）将步骤（3）所得棒材进行固溶处理、预拉伸、时效处理，即得。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述熔炼工序为：将所配原料装入真空感应熔炼炉中，抽真空至炉内的真空度为0.1~10 Pa，然后通入氩气至炉内压强达到100~250Pa，再升温至750~820℃，保温至得到金属液。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中均匀化退火处理条件为：先在420~500℃保温24~48h，然后于空气中冷却至室温。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述均匀化退火处理为双级均匀化退火处理，工艺条件为：先在420~450℃下加热12~24h，然后再升温至480~500℃继续加热12~24h，最后于空气中冷却至室温。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述挤压成形工艺的挤压比为36~81。

7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）中所述预拉伸工艺的变形量控制为3~12%。

8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）中所述固溶处理工序为：在455~490℃温度条件下保温1~3h min，然后水淬；所述时效处理工序为：在110~150℃温度条件下保温12~24h。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述固溶处理时，水淬的冷却水温度为45~65℃，水淬转移时间为10~30s。

10.权利要求1所述的特高强铝合金在制备航空连接结构件中的应用。

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