CN111996426B - 一种高强Al-Cu-Mg-Mn铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强Al‑Cu‑Mg‑Mn铝合金及其制备方法，涉及铝合金领域，按重量百分比，包括以下成分：Si:≤0.5％，Fe:≤0.5％，Cu:4.5‑6.3％，Mg:0.6‑1.2％，Mn:0.6‑1.5％，Sc：0.15‑0.35％，Zr：0.1‑0.2％，Y:0.1‑0.3％,余量为铝及不可除杂质。制备方法为：熔炼、精炼除杂除气、浇注、均匀化热处理、三维大变形锻造预变形、等温变形加工、热处理。所用铸造模具为金属模具作为内模、环绕冷却管，砂型模具作为外模的特殊组合模具，制备得到高质量、高性能铸件；所述热处理为固溶处理+梯度时效处理。本发明所制备的Al‑Cu‑Mg‑Mn铝合金，强度大于520MPa,伸长率为12‑16％，在强度提高的同时，实现了伸长率的提升。本发明方法简单，在高强铝合金领域具有重要的价值。
Description
技术领域
本发明提供了一种高强Al-Cu-Mg-Mn铝合金及其制备方法，属于铝合金领域。
背景技术
Al-Cu-Mg-Mn铝合金具有密度低，强度高，塑性优异的特点，同时具备优良导电和导热性能，在工业领域有着广泛的应用，尤其在航天航空领域，是航空飞行器重要的结构材料，飞机机身接头、框架、轮毂等支撑结构零部件均采用了铝合金。
目前使用的Al-Cu-Mg-Mn铝合金的抗拉强度、抗疲劳性能较低，需要进一步优化显微组织，改善性能，满足航天航空需求。在铝合金添加Sc元素，可以细化晶粒，提高合金的强度及加工性能。Sun等[FangfangSun,et al.Effect of Sc and Zr additions onmicrostructures and corrosion behavior of Al-Cu-Mg-Sc-Zr alloys[J].Journal ofMaterials Science&Technology,2017,33(9):1015-1022]在Al-4.12Cu-1.89Mg合金中添加0.1％Sc、0.2％Zr元素，合金经轧制变形，固溶、时效处理，强度达到436MPa,伸长率为13.64％。中国专利CN103748246A公开了一种耐热性Al-Cu-Mg-Ag合金和生产由这种铝合金构成的半成品或成品的方法，成分包含：0.3-0.7wt％的硅，不大于0.15wt％的铁，3.5-4.7wt％的铜，0.05-0.5wt％的锰，0.3-0.9wt％的镁，0.02-0.15wt％的钛，0.03-0.25wt％的锆，0.1-0.7wt％的银，0.03-0.5wt％的钪，0.03-0.2wt％的钒，不大于0.05wt％的单种其它元素，不大于0.15wt％的全部其它元素，余量的铝。制备的铝合金抗拉强度可达449MPa，伸长率为10.6％。中国专利CN105441759A公开了一种含Sc的高强度Al-Cu-Mg-Mn-Zr合金及其制备方法，合金成分：铜为3.7％-4.0％，镁为1.4％-1.6％，钪为0.2％-0.3％，锆为0.2％-0.3％，锰为0.3％-0.5％，余量为铝，添加Sc、Zr，并进行轧制变形，所制备的铝合金强度室温抗拉强度为450-520MPa，伸长率为6.5％-11.5％。
本发明提供一种高强Al-Cu-Mg-Mn铝合金及其制备方法，采用Sc、Zr、Y微合金化，结合铸造工艺控制制备高质量铸锭，采用三维大变形多向锻造对铸锭进行预变形处理，然后进行等温挤压或等温锻造变形加工，在避免提高变形储能的同时，实现亚结构强化，固溶及时效热处理后所制备合金强度达530MPa，伸长率达到10-16％。
发明内容：
本发明针对Al-Cu-Mg-Mn铝合金的抗拉性能、冲击韧性、抗疲劳性能较低的问题，提供一种高强Al-Cu-Mg-Mn铝合金及其制备方法，采用Sc、Zr、Y微合金化，结合铸造工艺控制制备高质量铸锭，采用三维大变形多向锻造对铸锭进行预变形处理，然后进行等温挤压或等温锻造变形加工，在避免提高变形储能的同时，实现亚结构强化，结合固溶+梯度时效热处理，达到同时提高铝合金强度以及伸长率的目的。
本发明提供一种高强Al-Cu-Mg-Mn铝合金，按重量百分比，包括以下成分：Cu:4.5-6.3％，Mg:0.6-1.2％，Mn:0.6-1.5％，Si:≤0.5％，Fe:≤0.5％，Sc:0.15-0.35％，Zr:0.1-0.2％，Y:0.1-0.3％，Sc与Zr按质量比Sc:Zr＝1-3:1添加，余量为铝及不可除杂质。
进一步该铝合金按重量百分比，包括以下成分：Cu:4.5-5.2％，Mg:0.6-1.0％，Mn:0.6-1.5％，Si:≤0.5％，Fe:≤0.5％，Sc:0.2-0.3％，Zr:0.12-0.15％，Y:0.2-0.3％，Sc与Zr按质量比Sc:Zr＝1-3:1添加，余量为铝及不可除杂质。
进一步该铝合金按重量百分比，包括以下成分：Cu:5.0％，Mg:0.6％，Mn:1.0％，Si:≤0.5％，Fe:≤0.5％，Sc:0.26％，Zr:0.13％，Sc:Zr＝2:1，Y:0.3％，余量为铝及不可除杂质。
如上所述一种高强Al-Cu-Mg-Mn系铝合金及其制备方法，按以下步骤进行：
A、熔炼：以高纯铝、高纯镁、铝铜中间合金、铝钪中间合金、铝锰中间合金、铝锆中间合金、铝钇中间合金为原料；其中，高纯铝纯度≥99.9％，工业纯镁的纯度≥99.9％，铝铜中间合金中铜的含量≥50.0％，铝钪中间合金中钪的含量≥1.0％，铝锆中间合金中锆的含量≥10.0％，铝锰中间合金中锰的含量≥20.0％，铝钇中间合金中钇的含量≥10.0％；按配比称取原料，装入电阻炉内，加热熔融；
B、模具：依据铝合金铸锭尺寸设计并制备一定尺寸的钢模具(壁厚大于等于30mm)充当内模，从钢模具外壁底部向上环绕冷却管，管内通入冷却水，冷却水温度和流量可以控制，采用砂型模具作为外模，其中钢模具与砂型模具厚度比为1：(2-5)，浇注系统采用钢模具浇注系统；通过控制冷却水温度和流量控制冷却速度；
C、精炼、除杂、除气：待金属熔体完全合金化之后，将除杂剂加入合金熔体中进行聚渣，并同时通入氩气，时间10-20分钟，静置、扒渣，重复上述操作2-3次，然后将铝合金熔体静置，时间大于20分钟；
D、浇注：待铝合金熔体精炼、除杂、除气完毕，保持熔体温度720±5℃，浇注至B所设计制备的模具冷却凝固，得到铸锭；
E、均匀化热处理：将步骤D获得的铸锭加热至480±10℃，并保温13-15h，出炉空冷至室温；
F：锻造预变形：将步骤E获得的均匀化铸锭在电阻炉中加热至420-450℃并保温30～60min、进一步优选为40～50min、更进一步优选为45min，然后进行三维大变形多向锻造，压下速率1～3mm/s、优选为2mm/s；第一次变形：在最大尺寸方向(Y轴向)进行压下变形，当应变达到0.5～0.8时，进行第一次翻转换向变形：沿着径向(X轴向)即垂直于第一次加压方向(Y轴向)进行换向多次变形，得到多菱形柱状坯料，当应变达到0.5～0.8时，进行第二次翻转换向变形：沿着X轴向和Y轴向之间夹角最大尺寸方向进行换向多次变形，得到球状多面体；重复上述步骤3-5次；最后沿X轴方向换向变形，得到多菱形柱状坯料；
G、等温变形加工：将步骤E获得的坯料在420-450℃保温1～2h、优选为1.5h,模具在420-450℃保温25-35min，挤压比为(10-20)：1，挤压速度确保铸锭应变速率为0.05～0.2s-1；或等温锻造，坯料在420-450℃保温1-2h,模具在420-450℃保温25-40min，锻造时液压机下压速度为0.05～0.1mm/s、优选为0.05mm/s；得到等温变形加工件；
H、热处理：先进行固溶处理，将等温变形加工件加热至480-520℃，保温1-3h，出炉水淬；然后进行梯度时效处理，首先将固溶处理件加热至100-130℃保温0.5-1.5h，随后升温至170-220℃保温5.0-10.0h，空冷，得到制件。
上述方案的进一步改进：步骤A中加热后熔体温度为750-800℃。
上述方案的进一步改进：步骤F中将步骤E获得的均匀化铸锭在电阻炉中加热至420-450℃并保温45min，然后进行三维大变形多向锻造，压下速率2mm/s；第一次变形：在最大尺寸方向(Y轴向)进行压下变形，当应变达到0.5时，进行第一次翻转换向变形：沿着径向(X轴向)即垂直于第一次加压方向(Y轴向)进行换向多次变形，得到多菱形柱状坯料，当应变达到0.5时，进行第二次翻转换向变形：沿着X轴向和Y轴向之间夹角最大尺寸方向进行换向多次变形，得到球状多面体；重复上述步骤3-5次；最后沿X轴方向换向变形，得到多菱形柱状坯料。
上述方案的进一步改进：步骤G中采用等温变形加工工艺，坯料在420-450℃保温1.5h,模具在420-450℃保温30min，挤压比为(10-20)：1，挤压速度确保铸锭应变速率为0.1s-1；或等温锻造，坯料在420-450℃保温1.5h,模具在420-450℃保温30min，锻造时液压机下压速度0.05mm/s。
上述方案的进一步改进；步骤H：固溶处理，将等温变形加工件加热至500℃，保温2h，出炉水淬。
上述方案的进一步改进；步骤H：梯度时效处理，首先将固溶处理件加热至120℃保温1h，随后升温至200℃保温7h，空冷，得到制件。
本发明所设计和制备的产品，其强度为520～530MPa、延伸率为12％～16％。本发明的优点和积极效果：
1.本发明采用Sc、Y和Zr进行铝合金微合金化，在铝合金中形成弥散分布的第二相，提高再结晶温度，还可以同时形成Al3(ScxZr1-x)复合相，该相具有更高的热稳定性，因此制备的铝合金具备更高的强度及热稳定性，提高了服役寿命和温度。
2.本发明制备工艺严格控制材料纯度，降低Fe、Si元素含量，避免形成粗大的脆性相，影响合金塑性；同时利用Y、Sc和Zr等微合金化元素细化晶粒，改善合金元素偏聚程度，提高合金力学性能。
3.本发明提出采用三维大变形多向锻造对合金铸锭进行变形处理，使铸锭组织得到均匀化，特别是粗大第二相得到充分破碎和均匀化，改善合金综合性能，为后续变形加工提供组织均匀的坯料；结合等温挤压或等温锻造变形加工，得到变形均匀、第二相尺寸细小分布均匀的变形组织，优异的力学性能。
4.本发明采用梯度时效，低温时效和高温时效协同作用，形成均匀分布的多尺度纳米第二相，有效提高组织均匀性和力学性能。
5.本发明铝合金的铸造模具采用金属型模具作为内模，环绕水冷却管，再采用砂型模具作为外模，既提高冷却速度，细化晶粒，又降低模具制作成本，同时保证了铸锭的质量。通过控制水冷却水温高、水流量，与砂型外模协同调节熔体凝固速率，进而调控铸锭组织，提高了铸件表层与中心部位的晶粒尺寸均匀性和成分均匀性，得到组织、成分均匀的铸件。
6.本发明提供的工艺操作简单，有效避免了砂型模具因冷却速度慢，熔体直接与型砂接触，导致铸锭容易产生夹砂，组织粗大等缺陷；金属型模具冷却速度快，但铸件表层与中心部位之间组织均匀性差，为了提高组织均匀性需要加大模具尺寸，导致金属模具成本高、加工难度大等问题；本发明工艺操作简单，生产成本低，铸锭产品质量好，组织致密，性能优异；相比于采用砂型模具铸造，铸锭力学性能优；相比于金属型铸造，可有效调控中心部位组织，制备的铸件表层与中心部位的组织均匀性和成分均匀性好；所制备的铝合金铸件组织致密、晶粒尺寸小、成分均匀，利于铝合金塑性加工。
7.本发明制备的铝合金强度大于520MPa，伸长率提升至12-16％，在强度提高的基础上，实现了伸长率的提升，综合性能优异，对高强高韧铝合金具有重大意义。
附图说明
为了使本发明的技术方案及有益效果更加清晰，提供如下附图进一步说明：
图1为实施例1制备的Al-Cu-Mg-Mn铝合金铸锭的金相显微组织照片。
具体实施方式
以下结合实施例及对比例对本发明作进一步描述。
实施例一：
一种高强Al-Cu-Mg-Mn铝合金，合金组成按重量百分含量：铜含量5.0％，Mg含量为0.6％、锰含量1.0％，Si:≤0.5％，Fe:≤0.5％，Sc含量为0.26％，Zr含量为0.13％，Sc:Zr＝2:1,Y:0.3％，余量为铝。
具体制备方法、步骤为：
A、熔炼：以高纯铝、高纯镁、铝铜中间合金、铝钪中间合金、铝锰中间合金、铝锆中间合金为原料；其中，高纯铝纯度为99.9％，工业纯镁的纯度为99.9％，铝铜中间合金中铜的含量为50.0％，铝钪中间合金中钪的含量为2.0％，铝锆中间合金中锆的含量为40.0％，铝锰中间合金中锰的含量为20.0％，铝钇中间合金中钇的含量10％，按配比称取原料，装入电阻炉内，加热熔融，熔体温度为750-800℃；
B、模具：依据铝合金铸锭尺寸设计并制备一定尺寸的钢模具(壁厚等于30mm)充当内模，从钢模具外壁底部向上环绕冷却管，管内通入冷却水，水温10℃，流速1m/s，采用砂型模具作为外模，其中钢模具砂型模具厚度比为1：2，浇注系统采用钢模具浇注系统；
C、精炼、除杂、除气：待金属熔体完全合金化之后，将除杂剂加入合金熔体中进行聚渣，并同时通入氩气，时间20分钟，静置、扒渣，重复上述过程2次，然后将铝合金熔体静置，时间为25分钟；
D、浇注：待铝合金熔体精炼、除杂、除气完毕，保持熔体温度723℃，浇注至B所设计制备的模具中冷却凝固，得到铸锭；
E、均匀化热处理：将步骤D获得的铸锭加热至480±10℃，并保温13h，出炉空冷至室温；
F：锻造预变形：将步骤E获得的均匀化铸锭在电阻炉中加热至420℃并保温45min，利用液压机进行三维大变形多向锻造，压下速率2mm/s；第一次变形：在最大尺寸方向(Y轴向)进行压下变形，当应变达到0.5时，进行第一次翻转换向变形：沿着径向(X轴向)即垂直于第一次加压方向(Y轴向)进行换向多次变形，得到多菱形柱状坯料，当应变达到0.5时，进行第二次翻转换向变形：沿着X轴向和Y轴向之间夹角最大尺寸方向进行换向多次变形，得到球状多面体；重复上述步骤4次；最后沿X轴方向换向变形，得到多菱形柱状坯料；
G、等温挤压：将步骤E获得的铸锭在430℃保温1.5h,模具在430℃保温30min。进行挤压时，挤压比为15：1，挤压速度需确保铸锭应变速率为0.1s-1；
H、热处理：先进行固溶处理，将等温挤压件升温至500℃，保温2h，出炉水淬；再进行梯度时效处理，首先将固溶处理件加热至120℃保温1.0h，随后升温至200℃，保温7.0h，空冷，得到制件。
实施例二：
一种高强Al-Cu-Mg-Mn铝合金，合金组成按重量百分含量：铜含量4.6％，镁含量0.6％，锰含量0.8％，Sc含量为0.3％，Zr含量为0.1％，Sc:Zr＝3:1,Y:0.3％，余量为纯铝。
具体制备方法、步骤为：
A、熔炼：以高纯铝、高纯镁、铝铜中间合金、铝钪中间合金、铝锰中间合金、铝锆中间合金为原料；其中，高纯铝纯度为99.9％，工业纯镁的纯度为99.9％，铝铜中间合金中铜的含量为50.0％，铝钪中间合金中钪的含量为2.0％，铝锆中间合金中锆的含量为40.0％，铝锰中间合金中锰的含量为20.0％，铝钇中间合金中钇的含量10％，按配比称取原料，装入电阻炉内，加热熔融，熔体温度为750-800℃；
B、模具：依据铝合金铸锭尺寸设计并制备一定尺寸的钢模具(壁厚40mm)充当内模，从钢模具外壁底部向上环绕冷却管，管内通入冷却水，水温10℃，流速1m/s，采用砂型模具作为外模，其中钢模具砂型模具厚度比为1：2，浇注系统采用钢模具浇注系统；
C、精炼、除杂、除气：待金属熔体完全合金化之后，将覆盖剂加入合金熔体中进行聚渣，并同时通入氩气，时间20分钟，静置、扒渣，重复上述过程2次，然后将铝合金熔体静置，时间为25分钟；
D、浇注：待铝合金熔体精炼、除杂、除气完毕，保持熔体温度723℃，浇注至B所设计制备的模具冷却凝固，得到铸锭；
E、均匀化热处理：将步骤D获得的铸锭加热至480±10℃，并保温14h，出炉空冷至室温；
F：锻造预变形：将步骤E获得的均匀化铸锭在电阻炉中加热至420℃并保温45min，利用液压机进行三维大变形多向锻造，压下速率2mm/s；第一次变形：在最大尺寸方向(Y轴向)进行压下变形，当应变达到0.5时，进行第一次翻转换向变形：沿着径向(X轴向)即垂直于第一次加压方向(Y轴向)进行换向多次变形，得到多菱形柱状坯料，当应变达到0.5时，进行第二次翻转换向变形：沿着X轴向和Y轴向之间夹角最大尺寸方向进行换向多次变形，得到球状多面体；重复上述步骤4次；最后沿X轴方向换向变形，得到多菱形柱状坯料；
G、等温挤压：将步骤E获得的铸锭在430℃保温1.5h,模具在430℃保温30min。进行挤压时，挤压比为20：1，挤压速度需确保铸锭应变速率为0.1s-1；
H、热处理：先进行固溶处理，将等温挤压件升温至500℃，保温2h，出炉水淬；再进行梯度时效处理，首先将固溶处理件加热至120℃保温1.0h，随后升温至200℃，保温7.0h，空冷，得到制件。
对比例一：
一种未含Sc和Zr的Al-Cu-Mg-Mn铝合金，合金组成按重量百分含量：铜含量4.6％，镁含量0.6％，锰含量0.8％，余量为纯铝。
具体制备方法、步骤为：
A、熔炼：以高纯铝、高纯镁、铝铜中间合金、铝钪中间合金、铝锰中间合金、铝锆中间合金为原料。其中，高纯铝纯度为99.9％，工业纯镁的纯度为99.9％，铝铜中间合金中铜的含量为50.0％，铝锰中间合金中锰的含量为20.0％。按配比称取原料，装入电阻炉内，加热熔融，熔体温度为750-800℃；
B、模具：依据铝合金铸锭尺寸设计并制备一定尺寸的钢模具(壁厚等于30mm)充当内模，从钢模具外壁底部向上环绕冷却管，管内通入冷却水，水温10℃，流速1m/s，采用砂型模具作为外模，其中钢模具砂型模具厚度比为1：2，浇注系统采用钢模具浇注系统；
C、精炼、除杂、除气：待金属熔体完全合金化之后，将覆盖剂加入合金熔体中进行聚渣，并同时通入氩气，时间20分钟，静置、扒渣，重复上述过程2次，然后将铝合金熔体静置，时间为25分钟；
D、浇注：待铝合金熔体精炼、除杂、除气完毕，保持熔体温度723℃，浇注至B所设计制备的模具中冷却凝固，得到铸锭；
E、均匀化热处理：将步骤D获得的铸锭加热至480±10℃，并保温14h，出炉空冷至室温；
F：锻造预变形：将步骤E获得的均匀化铸锭在电阻炉中加热至420℃并保温45min，利用液压机进行三维大变形多向锻造，压下速率2mm/s；第一次变形：在最大尺寸方向(Y轴向)进行压下变形，当应变达到0.5时，进行第一次翻转换向变形：沿着径向(X轴向)即垂直于第一次加压方向(Y轴向)进行换向多次变形，得到多菱形柱状坯料，当应变达到0.5时，进行第二次翻转换向变形：沿着X轴向和Y轴向之间夹角最大尺寸方向进行换向多次变形，得到球状多面体；重复上述步骤4次；最后沿X轴方向换向变形，得到多菱形柱状坯料；
G、等温挤压：将步骤E获得的铸锭在430℃保温1.5h,模具在430℃保温30min。进行挤压时，挤压比为15：1，挤压速度需确保铸锭应变速率为0.1s-1；
H、热处理：先进行固溶处理，将等温挤压件升温至500℃，保温2h，出炉水淬；再进行梯度时效处理，首先将固溶处理件加热至120℃保温1.0h，随后升温至200℃，保温7.0h，空冷，得到制件。
对比例二：
一种Al-Cu-Mg-Mn铝合金，合金组成按重量百分含量：铜含量4.6％，镁含量0.6％，锰含量0.8％，Sc含量为0.26％，Zr含量为0.13％，Sc:Zr＝2:1，Y:0.3％，余量为纯铝。
具体制备方法、步骤为：
A、熔炼：以高纯铝、高纯镁、铝铜中间合金、铝钪中间合金、铝锰中间合金、铝锆中间合金为原料。其中，高纯铝纯度为99.9％，工业纯镁的纯度为99.9％，铝铜中间合金中铜的含量为50.0％，铝锰中间合金中锰的含量为20.0％，铝钇中间合金中钇的含量10％，按配比称取原料，装入电阻炉内，加热熔融，熔体温度为750-800℃；
B、模具：依据铝合金铸锭尺寸设计并制备一定尺寸的钢模具(壁厚35mm)充当内模，从钢模具外壁底部向上环绕冷却管，管内通入冷却水，水温10℃，流速1m/s，采用砂型模具作为外模，其中钢模具砂型模具厚度比为1：2，浇注系统采用钢模具浇注系统；
C、精炼、除杂、除气：待金属熔体完全合金化之后，将覆盖剂加入合金熔体中进行聚渣，并同时通入氩气，时间20分钟，静置、扒渣，重复上述过程2次，然后将铝合金熔体静置，时间为25分钟；
D、浇注：待铝合金熔体精炼、除杂、除气完毕，保持熔体温度723℃，浇注至B所设计制备的模具中冷却凝固，得到铸锭；
E、均匀化热处理：将步骤D获得的铸锭加热至480±10℃，并保温14h，出炉空冷至室温；
F：锻造预变形：将步骤E获得的均匀化铸锭在电阻炉中加热至420℃并保温45min，利用液压机进行三维大变形多向锻造，压下速率2mm/s；第一次变形：在最大尺寸方向(Y轴向)进行压下变形，当应变达到0.5时，进行第一次翻转换向变形：沿着径向(X轴向)即垂直于第一次加压方向(Y轴向)进行换向多次变形，得到多菱形柱状坯料，当应变达到0.5时，进行第二次翻转换向变形：沿着X轴向和Y轴向之间夹角最大尺寸方向进行换向多次变形，得到球状多面体；重复上述步骤4次；最后沿X轴方向换向变形，得到多菱形柱状坯料；
G、等温挤压：将步骤E获得的铸锭在430℃保温1.5h,模具在430℃保温30min。进行挤压时，挤压比为20：1，挤压速度需确保铸锭应变速率为0.1s-1；
H、热处理：挤压件升温至500℃，保温1.0h，出炉后进行水淬；再进行时效处理，升温至180℃，保温15.0h，随后取出空冷。
对比例三：
一种Al-Cu-Mg-Mn铝合金，合金组成按重量百分含量：铜含量4.6％，镁含量0.6％，锰含量0.8％，Sc含量为0.05％，Zr含量为0.1％，Sc:Zr＝1:2,Y:0.2％，余量为纯铝余量为纯铝。
具体制备方法、步骤为：
A、熔炼：以高纯铝、高纯镁、铝铜中间合金、铝钪中间合金、铝锰中间合金、铝锆中间合金为原料。其中，高纯铝纯度为99.9％，工业纯镁的纯度为99.9％，铝铜中间合金中铜的含量为50.0％，铝锰中间合金中锰的含量为20.0％，铝钇中间合金中钇的含量10％，按配比称取原料，装入电阻炉内，加热熔融，熔体温度为750-800℃；
B、模具：依据铝合金铸锭尺寸设计并制备一定尺寸的钢模具(壁厚30mm)充当内模，从钢模具外壁底部向上环绕冷却管，管内通入冷却水，水温10℃，流速1m/s，采用砂型模具作为外模，其中钢模具砂型模具厚度比为1：2，浇注系统采用钢模具浇注系统；
C、精炼、除杂、除气：待金属熔体完全合金化之后，将覆盖剂加入合金熔体中进行聚渣，并同时通入氩气，时间15分钟，静置、扒渣，重复上述过程3次，然后将铝合金熔体静置，时间为25分钟；
D、浇注：待铝合金熔体精炼、除杂、除气完毕，保持熔体温度723℃，浇注至B所设计制备的模具中冷却凝固，得到铸锭；
E、均匀化热处理：将步骤D获得的铸锭加热至480±10℃，并保温14h，出炉空冷至室温；
F：锻造预变形：将步骤E获得的均匀化铸锭在电阻炉中加热至420℃并保温45min，利用液压机进行三维大变形多向锻造，压下速率2mm/s；第一次变形：在最大尺寸方向(Y轴向)进行压下变形，当应变达到0.5时，进行第一次翻转换向变形：沿着径向(X轴向)即垂直于第一次加压方向(Y轴向)进行换向多次变形，得到多菱形柱状坯料，当应变达到0.5时，进行第二次翻转换向变形：沿着X轴向和Y轴向之间夹角最大尺寸方向进行换向多次变形，得到球状多面体；重复上述步骤4次；最后沿X轴方向换向变形，得到多菱形柱状坯料；
G、等温挤压：将步骤E获得的铸锭在430℃保温1.5h,模具在430℃保温30min。进行挤压时，挤压比为15：1，挤压速度需确保铸锭应变速率为0.1s-1；
H、热处理：先进行固溶处理，将等温挤压件升温至500℃，保温2h，出炉水淬；再进行梯度时效处理，首先将固溶处理件加热至120℃保温1.0h，随后升温至200℃，保温7.0h，空冷，得到制件。
对比例四：
一种高强Al-Cu-Mg-Mn铝合金，合金组成按重量百分含量：铜含量4.6％，镁含量0.6％，锰含量0.8％，Sc含量为0.3％，Zr含量为0.1％，Sc:Zr＝3:1,Y:0.3％，余量为纯铝。
具体制备方法、步骤为：
A、熔炼：以高纯铝、高纯镁、铝铜中间合金、铝钪中间合金、铝锰中间合金、铝锆中间合金为原料。其中，高纯铝纯度为99.9％，工业纯镁的纯度为99.9％，铝铜中间合金中铜的含量为50.0％，铝钪中间合金中钪的含量为2.0％，铝锆中间合金中锆的含量为40.0％，铝锰中间合金中锰的含量为20.0％。按配比称取原料，装入电阻炉内，加热熔融，熔体温度为750-800℃；
B、模具：依据铝合金铸锭尺寸设计并制备一定尺寸的钢模具；
C、精炼、除杂、除气：待金属熔体完全合金化之后，将覆盖剂加入合金熔体中进行聚渣，并同时通入氩气，时间20分钟，静置、扒渣，重复上述过程2次，然后将铝合金熔体静置，时间为25分钟；
D、浇注：待铝合金熔体精炼、除杂、除气完毕，保持熔体温度723℃，浇注至B所设计制备模具中冷却凝固，得到铸锭；
E、均匀化热处理：将步骤D获得的铸锭加热至480±10℃，并保温14h，出炉空冷至室温；
F：锻造预变形：将步骤E获得的均匀化铸锭在电阻炉中加热至420℃并保温45min，利用液压机进行三维大变形多向锻造，压下速率2mm/s；第一次变形：在最大尺寸方向(Y轴向)进行压下变形，当应变达到0.5时，进行第一次翻转换向变形：沿着径向(X轴向)即垂直于第一次加压方向(Y轴向)进行换向多次变形，得到多菱形柱状坯料，当应变达到0.5时，进行第二次翻转换向变形：沿着X轴向和Y轴向之间夹角最大尺寸方向进行换向多次变形，得到球状多面体；重复上述步骤4次；最后沿X轴方向换向变形，得到多菱形柱状坯料；
G、等温挤压：将步骤E获得的铸锭在430℃保温1.5h,模具在430℃保温30min。进行挤压时，挤压比为15：1，挤压速度需确保铸锭应变速率为0.1s-1；
H、热处理：先进行固溶处理，将等温挤压件升温至500℃，保温2h，出炉水淬；再进行梯度时效处理，首先将固溶处理件加热至120℃保温1.0h，随后升温至200℃，保温7.0h，空冷，得到制件。
性能测试：
对上述实施例及对比例铝合金成品进行检测，拉伸试样尺寸依据GB/T228.1-2010加工，结果取其平均值。检测结果如表1所示。
表1
| 实施例一 | 实施例二 | 对比例一 | 对比例二 | 对比例三 | 对比例四 | |
| σ<sub>b</sub> | 530MPa | 520MPa | 450MPa | 486MPa | 476MPa | 460MPa |
| δ/％ | 12 | 16 | 9 | 12 | 12 | 10 |
以上仅为本发明较佳实施例并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内所做的任何修改、替换等，均包含在本发明保护范围之内。
Claims (9)
1.一种高强Al-Cu-Mg-Mn铝合金，其特征在于，按重量百分比，包括以下成分：Cu:4.5-6.3%，Mg:0.6-1.2%，Mn:0.6-1.5%，Si:≤0.5%，Fe:≤0.5%，Sc:0.15-0.35%，Zr:0.1-0.2%，Y:0.1-0.3%，Sc与Zr按质量比Sc:Zr=1-3:1添加，余量为铝及不可除杂质；所述高强Al-Cu-Mg-Mn铝合金通过下述步骤制备：
A、熔炼：以高纯铝、高纯镁、铝铜中间合金、铝钪中间合金、铝锰中间合金、铝锆中间合金、铝钇中间合金为原料；其中，高纯铝纯度≥99.99%，工业纯镁的纯度≥99.95%，铝铜中间合金中铜的含量≥50.0%，铝钪中间合金中钪的含量≥1.0%，铝锆中间合金中锆的含量≥10.0%，铝锰中间合金中锰的含量≥20.0%，铝钇中间合金中钇的含量≥10.0%；按成分配比称取原料，装入电阻炉内，加热熔融；
B、模具：依据铝合金铸锭尺寸设计并制备一定尺寸的钢模具；钢模具的壁厚大于等于30mm，充当内模，从钢模具外壁底部向上环绕冷却管，管内通入冷却水，冷却水温度和流量可以控制，采用砂型模具作为外模，其中钢模具与砂型模具厚度比为1：（2-5），浇注系统采用钢模具浇注系统；通过控制冷却水温度和流量控制冷却速度；
C、精炼、除杂、除气：待金属熔体完全合金化之后，将除杂剂加入合金熔体中进行聚渣，并同时通入氩气，时间10-20分钟，静置、扒渣，重复上述操作2-3次，然后将铝合金熔体静置，时间大于20分钟；
D、浇注：待铝合金熔体精炼、除杂、除气完毕，保持熔体温度720±5℃，浇注至B所设计制备的模具冷却凝固，得到铸锭；
E、均匀化热处理：将步骤D获得的铸锭加热至480±10℃，并保温13-15h，出炉空冷至室温；
F：锻造预变形：将步骤E获得的均匀化铸锭在电阻炉中加热至420-450℃并保温40~60min，然后进行三维大变形多向锻造，压下速率1~3mm/s；第一次变形：在最大尺寸方向、即Y轴向进行压下变形，当应变达到0.5~0.8时，进行第一次翻转换向变形：沿着径向即垂直于第一次加压方向进行换向多次变形，得到多菱形柱状坯料，所述径向为X轴向；当应变达到0.5~0.8时，进行第二次翻转换向变形：沿着X轴向和Y轴向之间夹角最大尺寸方向进行换向多次变形，得到球状多面体；重复上述步骤3-5次；最后沿X轴方向换向变形，得到多菱形柱状坯料；
G、等温变形加工：将步骤F获得的坯料在420-450℃保温1~2h，模具在420-450℃保温25-35min，挤压比为（10-20）：1，挤压速度确保铸锭应变速率为0.05~0.2s-1；或等温锻造，坯料在420-450℃保温1-2h,模具在420-450℃保温25-40min，锻造时液压机下压速度为0.05~0.1mm/s；得到等温变形加工件；
H、热处理：先进行固溶处理，将等温变形加工件加热至480-520℃，保温1-3h，出炉水淬；然后进行梯度时效处理，首先将固溶处理件加热至100-130℃保温0.5-1.5h，随后升温至170-220℃保温5.0-10.0h，空冷，得到制件。
2.根据权利要求1所述的一种高强Al-Cu-Mg-Mn铝合金，其特征在于，按重量百分比，包括以下成分：Cu:4.5-5.2%，Mg:0.6-1.0%，Mn:0.6-1.5%，Si:≤0.5%，Fe:≤0.5%， Sc:0.2-0.3%，Zr:0.12-0.15%，Y:0.2-0.3%，Sc与Zr按质量比Sc:Zr=1-3:1添加，余量为铝及不可除杂质。
3.根据权利要求1-2所述的一种高强Al-Cu-Mg-Mn铝合金，其特征在于，按重量百分比，包括以下成分：Cu:5.0%，Mg:0.6%，Mn:1.0%，Si:≤0.5%，Fe:≤0.5%，Sc:0.26%，Zr:0.13%，Sc:Zr=2:1，Y:0.3%，余量为铝及不可除杂质。
4.根据权利要求1所述的一种高强Al-Cu-Mg-Mn铝合金，其特征在于，步骤A加热后熔体温度为750-800℃。
5.根据权利要求1所述的一种高强Al-Cu-Mg-Mn铝合金，其特征在于，步骤F：将步骤E获得的均匀化铸锭在电阻炉中加热至420-450℃并保温45min，然后进行三维大变形多向锻造，压下速率2mm/s；第一次变形：在最大尺寸方向进行压下变形，当应变达到0.5时，进行第一次翻转换向变形：沿着径向即垂直于第一次加压方向进行换向多次变形，得到多菱形柱状坯料，当应变达到0.5时，进行第二次翻转换向变形：沿着X轴向和Y轴向之间夹角最大尺寸方向进行换向多次变形，得到球状多面体；重复上述步骤3-5次；最后沿X轴方向换向变形，得到多菱形柱状坯料。
6.根据权利要求1所述的一种高强Al-Cu-Mg-Mn铝合金，其特征在于；步骤G：采用等温变形工艺，坯料在420-450℃保温1.5h,模具在420-450℃保温30min，挤压比为（10-20）：1，挤压速度需确保铸锭应变速率为0.1s-1；或等温锻造，坯料在420-450℃保温1.5h，模具在420-450℃保温30min，锻造时液压机下压速度0.05mm/s。
7.根据权利要求1所述的一种高强Al-Cu-Mg-Mn铝合金，其特征在于步骤H：固溶处理，将等温变形加工件加热至500℃，保温2h，出炉水淬。
8.根据权利要求1所述的一种高强Al-Cu-Mg-Mn铝合金，其特征在于，步骤H：梯度时效处理，首先将固溶处理件加热至120℃保温1h，随后升温至200℃保温7h，空冷，得到制件。
9.根据权利要求5~8任意一项所述的一种高强Al-Cu-Mg-Mn铝合金，其特征在于：所得产品的强度为520~530MPa、延伸率为12%~16%。
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