专利名称：一种高纯、高强铝合金的制作方法
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。
背景技术：
。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。
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
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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。
具体实施例方式
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本发明合金的成分及含量见表2。
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。
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。
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。
权利要求
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。
全文摘要
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。
文档编号C22C21/10GK1442501SQ02104298
公开日2003年9月17日 申请日期2002年3月5日 优先权日2002年3月5日
发明者汝继刚, 伊林娜 申请人:北京航空材料研究院