一种超高强高韧Al-Zn-Mg-Cu铝合金及其加工工艺的制作方法

本发明涉及铝合金技术领域，特别涉及一种超高强高韧al-zn-mg-cu铝合金及其加工工艺。

背景技术：

铝合金具有密度小、重量轻、比强度高、比刚度高及在常规环境下具有良好的稳定性等优势，是飞机机体的首选结构材料。飞机的发展趋势是高速、高机动、安全可靠、低的结构重量系数、低成本和综合隐身。飞机性能的提升必然要求构件设计上有更大的强度裕度，因此提高机体材料的强度是飞机发展的必然要求。

进入21世纪以来，我国为了满足飞机制造的现实需要及未来飞机的发展，开展了对7a04、2a70、2a12、2a06等铝合金的高纯化研究，与此同时还开展了对超高强7a55铝合金以及对t77状态材料的研究，等等。经过近几十年的发展，我国铝加工行业无论从装备能力还是从加工能力都已大幅缩短了和世界先进水平的差距。但是，新型铝合金，特别是飞机用超高强高韧铝合金的开发和研究，尚处于跟随和试验阶段，无论是基础理论(如新型合金设计、合金强韧化机理研究等)，工艺技术(如铸锭制备技术、变形技术、热处理技术等)的研究，还是技术装备水平及其完善程度与世界顶尖水平相比还存在着一定差距。因此，超高强高韧铝合金是当前铝加工领域的研究的热点和重点。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种抗拉强度和屈服强度都比较高的超高强高韧al-zn-mg-cu铝合金及其加工工艺。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种超高强高韧al-zn-mg-cu铝合金，以重量百分比计，其成份包括：zn8.3～11wt.％，mg2.0～3.0wt.％，cu1.7～2.7wt.％，zr0.08～0.16wt.％，cr0.03～0.2wt.％，ni0.03～0.11wt.％，ti0.01～0.03wt.％，si<0.1wt.％，fe<0.15wt.％，不可避免杂质元素每种少于0.05wt.％，且总量少于0.15wt.％，余量为al。

进一步地，所述的纯金属铝、纯金属镁和纯金属铜的纯度均为99.8wt.％。

进一步地，所述al-zr中间合金的含量为zr：3-5wt％，余量为al；所述al-cr中间合金的含量为cr：3-5wt％，余量为al；所述al-ni中间合金含量为ni：8-10wt％，余量为al；所述al-ti中间合金的含量为ti：8-10wt％，余量为al。

本发明还提供了一种超高强高韧al-zn-mg-cu铝合金的加工工艺，包括如下步骤：

原料配制：以纯金属铝、纯金属锌、纯金属铜、纯金属镁、al-zr中间合金、al-cr中间合金、al-ni中间合金、al-ti中间合金作为原料，进行备料，以重量百分比计，所述原料成份包括：zn8.3～11wt.％，mg2.0～3.0wt.％，cu1.7～2.7wt.％，zr0.08～0.16wt.％，cr0.03～0.2wt.％，ni0.03～0.11wt.％，ti0.01～0.03wt.％，si<0.1wt.％，fe<0.15wt.％，不可避免杂质元素每种少于0.05wt.％，且总量少于0.15wt.％，余量为al，所述的纯金属铝、纯金属镁和纯金属铜的纯度均为99.8wt.％；所述的al-zr中间合金的含量为zr：3-5wt％，余量为al；al-cr中间合金的含量为cr：3-5wt％，余量为al；al-ni中间合金含量为ni：8-10wt％，余量为al；al-ti中间合金的含量为ti：8-10wt％，余量为al；

合金熔炼及铸造：将所述纯金属铝、al-zr中间合金、al-cr中间合金、al-ni中间合金、al-ti中间合金加入反射式熔铝炉熔化，然后加入所述纯金属铜，升温至730-740℃，再加入所述纯金属锌和纯金属镁，待金属熔化后升温至740-750℃，进行精炼处理；精炼处理后搅拌合金熔体并在730℃静置10-20min，静置完毕后捞去合金熔体表面的浮渣，再通过半连续铸造法进行铸造，铸造过程中在结晶区施加电磁搅拌以细化晶粒；

均匀化处理：均质分两级进行，使铸态组织残余相比例在1.5％以下，最大残余相尺寸小于50μm；

热挤压：采用两级反向等温挤压，控制挤压材出口温度小于440℃，出口温度沿挤压长度方向波动小于10℃；

固溶与人工时效处理：进行在465℃保温3-6小时的固溶处理，淬火转移时间小于15秒，淬火介质为软化水，水温30-60℃，然后进行二级人工时效处理。

进一步地，所述铸造温度为710℃-730℃。

进一步地，所述电磁搅拌的磁场频率15-30hz，励磁电流100-200a。

进一步地，所述均质温度455-485℃，均质时间16-36小时，第二级均质温度比第一级高5-15℃，第二级均质时间为第一级均质时间的20-30％。

进一步地，所述热挤压过程中铸棒加热温度380-440℃，挤压筒温度400-450℃，挤压模具加热温度380-440℃，第一级挤压挤压比4-10，第二级挤压比10-40。

进一步地，所述第一级时效温度105-115℃，时效时间6-12小时，第二级时效温度135-165℃，时效时间3-10小时。

进一步地，所述铝合金固溶时效后的抗拉强度730-830mpa，屈服强度650-750mpa，延伸率7-10％。

本发明提供的超高强高韧al-zn-mg-cu铝合金及其加工工艺，在铸造过程中使用电磁铸造技术，控制铸造过程中的晶粒尺寸，在根本上提高了合金的组织；在均匀化处理阶段，采用双极均匀化处理，保证铸态残余相比例控制在1.5％以下，提升了合金溶质的过饱和度，也进一步减小了合金铸态组织中的残余相面积；在热挤压阶段，采用双级挤压的方式，进一步减小了挤压后变形组织的晶粒尺寸，从而提高了合金的强度；在固溶与时效阶段，采用高温固溶与双级时效处理，进一步提高热处理后合金的时效强度，最终生产得到的超高强高韧铝合金的抗拉强度730-830mpa，屈服强度650-750mpa，延伸率7-10％，具有优异的综合性能，能够适合于需要高强度的轻质结构件中。

附图说明

图1为本发明实施例提供的超高强高韧al-zn-mg-cu铝合金的加工工艺流程图。

具体实施方式

参见图1，本发明实施例提供的一种超高强高韧al-zn-mg-cu合金的加工工艺，包括如下步骤：

(1)原料配制：以纯金属铝、纯金属锌、纯金属铜、纯金属镁、al-zr中间合金、al-cr中间合金、al-ni中间合金、al-ti中间合金作为原料，进行备料。

(2)合金熔炼及铸造：在反射式熔铝炉中进行熔炼，将纯金属铝、al-zr中间合金、al-cr中间合金、al-ni中间合金、al-ti中间合金同时加入炉中熔化，熔化后加入纯金属铜，升温至730-740℃，加入纯金属锌和纯金属镁，待这些金属熔化并搅拌均匀后升温至740-750℃后使用精炼剂进行精炼处理；处理完毕后搅拌合金熔体并在730℃静置10-20min，静置完毕后捞去合金熔体表面的浮渣，然后通过半连续铸造法进行铸造，铸造温度为710℃-730℃；在结晶区施加电磁搅拌以细化晶粒，磁场频率15-30hz，励磁电流100-200a。

所述的纯金属铝、纯金属镁和纯金属铜的纯度均为99.8wt.％；

所述的al-zr中间合金的含量为zr：3-5wt％，余量为al；al-cr中间合金的含量为cr：3-5wt％，余量为al；al-ni中间合金含量为ni：8-10wt％，余量为al；al-ti中间合金的含量为ti：8-10wt％，余量为al。

(3)均匀化处理：均质温度455-485℃，均质时间16-36小时；均质分两级进行，第二级均质温度比第一级高5-15℃，第二级均质时间为第一级均质时间的20-30％；均质效果需保证铸态组织残余相比例在1.5％以下，最大残余相尺寸小于50μm。

(4)热挤压：采用两级反向等温挤压，铸棒加热温度380-440℃，挤压筒温度400-450℃，挤压模具加热温度380-440℃；第一级挤压挤压比4-10，第二级挤压比10-40；通过挤压温度、挤压速度的配合，控制挤压材出口温度小于440℃，出口温度沿挤压长度方向波动小于10℃。

(5)固溶与人工时效处理：在465℃保温3-6小时进行固溶处理，淬火转移时间小于15秒，淬火介质为软化水，水温30-60℃；淬火后进行人工时效处理，第一级时效温度105-115℃，时效时间6-12小时，第二级时效温度135-165℃，时效时间3-10小时。

实施例1

原料配制：合金成分为zn：9.5wt.％，mg：2.8wt.％，cu：2.6wt.％，zr：0.15wt.％，cr：0.03wt.％，ni：0.06％，ti：0.02wt.％，si：<0.1wt.％，fe：<0.15wt.％，其他不可避免的杂质元素每种少于0.05wt.％，且总量少于0.15wt.％，余量为al。以纯金属铝、纯金属锌、纯金属铜、纯金属镁、al-zr中间合金、al-cr中间合金、al-ni中间合金、al-ti中间合金作为原料，进行备料。

合金熔炼及铸造：在反射式熔铝炉中进行熔炼，将纯金属铝、al-zr中间合金、al-cr中间合金、al-ni中间合金、al-ti中间合金同时加入炉中熔化，熔化后加入纯金属铜，升温至730-740℃，加入纯金属锌和纯金属镁，加金属镁时要通过压罩将镁块完全压入液面以下；待这些金属熔化并搅拌均匀后升温至740-750℃后使用精炼剂进行精炼处理，精炼剂用量2kg每吨铝；处理完毕后搅拌合金熔体并在730℃静置10-20min，静置完毕后捞去合金熔体表面的浮渣，然后通过半连续铸造法进行铸造，铸造温度为710℃，铸棒直径310mm；在结晶区施加电磁搅拌以细化晶粒，磁场频率20hz，励磁电流150a。

所述的纯金属铝、纯金属镁和纯金属铜的纯度均为99.8wt.％；

所述的al-zr中间合金的含量为zr：3-5wt％，余量为al；al-cr中间合金的含量为cr：3-5wt％，余量为al；al-ni中间合金含量为ni：8-10wt％，余量为al；al-ti中间合金的含量为ti：8-10wt％，余量为al。

铸棒均匀化处理：铸棒进行两级均匀化处理，经过均匀化处理才能使非平衡相充分溶解、消除微观偏析、提高成份的均匀性，以利于后续的挤压变形。均匀化温度过低不能保证效果，而均匀化温度过高则容易产生过烧而使材料成为废品。两级均匀化可以保证在获得良好均质效果的同时避免过烧。第一级温度465℃，保温时间26小时，第二级均质温度温度480℃，均质时间6小时；均质后取样检测残余相面积比例为1.3％，最大残余相尺寸小于30μm。

热挤压：采用两级反向等温挤压，铸棒加热温度410℃，挤压筒温度430℃，挤压模具加热温度400℃；第一级挤压挤压比9，挤压成品直径100mm；第二级挤压比39，挤压成品直径16mm；通过挤压温度、挤压速度的配合，控制挤压材出口温度小于440℃，出口温度沿挤压长度方向波动小于10℃。

固溶与人工时效处理：(1)在465℃保温3小时进行固溶处理，淬火转移时间小于15秒，淬火介质为软化水，水温40℃；(2)淬火后进行两级时效处理，第一级时效温度110℃，时效时间16小时，第二级时效温度140℃，时效时间4小时。

通过以上步骤实现了超高强高韧铝合金的加工，制备的超高强高韧铝合金的抗拉强度765mpa，屈服强度710mpa，延伸率8％。

实施例2

原料配制：合金成分为zn：8.3wt.％，mg：2.2wt.％，cu：2.0wt.％，zr：0.15wt.％，cr：0.06wt.％，ni：0.08％，ti：0.02wt.％，si：<0.1wt.％，fe：<0.15wt.％，其他不可避免的杂质元素每种少于0.05wt.％，且总量少于0.15wt.％，余量为al。以纯金属铝、纯金属锌、纯金属铜、纯金属镁、al-zr中间合金、al-cr中间合金、al-ni中间合金、al-ti中间合金作为原料，进行备料。

合金熔炼及铸造：在反射式熔铝炉中进行熔炼，将纯金属铝、al-zr中间合金、al-cr中间合金、al-ni中间合金、al-ti中间合金同时加入炉中熔化，熔化后加入纯金属铜，升温至730℃，加入纯金属锌和纯金属镁，加金属镁时要通过压罩将镁块完全压入液面以下；待这些金属熔化并搅拌均匀后升温至750℃后使用精炼剂进行精炼处理，精炼剂用量2kg每吨铝；处理完毕后搅拌合金熔体并在730℃静置15min，静置完毕后捞去合金熔体表面的浮渣，然后通过半连续铸造法进行铸造，铸造温度为710℃，铸棒直径310mm；在结晶区施加电磁搅拌以细化晶粒，磁场频率20hz，励磁电流150a。

所述的纯金属铝、纯金属镁和纯金属铜的纯度均为99.8wt.％；

所述的al-zr中间合金的含量为zr：3-5wt％，余量为al；al-cr中间合金的含量为cr：3-5wt％，余量为al；al-ni中间合金含量为ni：8-10wt％，余量为al；al-ti中间合金的含量为ti：8-10wt％，余量为al。

铸棒均匀化处理：铸棒进行两级均匀化处理，经过均匀化处理才能使非平衡相充分溶解、消除微观偏析、提高成份的均匀性，以利于后续的挤压变形。均匀化温度过低不能保证效果，而均匀化温度过高则容易产生过烧而使材料成为废品。两级均匀化可以保证在获得良好均质效果的同时避免过烧。第一级温度465℃，保温时间26小时，第二级均质温度温度480℃，均质时间6小时；均质后取样检测残余相面积比例为1.3％，最大残余相尺寸小于30μm。

热挤压：采用两级反向等温挤压，铸棒加热温度410℃，挤压筒温度430℃，挤压模具加热温度400℃；第一级挤压挤压比4，挤压成品直径150mm；第二级挤压比36，挤压成品直径25mm；通过挤压温度、挤压速度的配合，控制挤压材出口温度小于440℃，出口温度沿挤压长度方向波动小于10℃。

固溶与人工时效处理：(1)在465℃保温3小时进行固溶处理，淬火转移时间小于15秒，淬火介质为软化水，水温40℃；(2)淬火后进行两级时效处理，第一级时效温度110℃，时效时间16小时，第二级时效温度135℃，时效时间4小时。

通过以上步骤实现了超高强高韧铝合金的加工，制备的超高强高韧铝合金的抗拉强度730mpa，屈服强度660mpa，延伸率10％。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。