一种抗再结晶的超强高韧耐蚀铝合金及其制备方法
【专利摘要】本发明公开一种抗再结晶的超强高韧耐蚀铝合金及其制备方法，该铝合金制品的成分以重量百分比成分：Zn 6.0～10.0％，Mg 1.8～2.5％，Cu 0.6～2.2％，Zr 0.1～0.2％，Fe 0.02～0.15％，Si 0.001～0.10％,Cr 0.01～0.05％,Ti 0.01～0.05％，RE0.02～0.10％(RE为Yb、Er与Y元素)，其余为Al。所述的铝合金材料成分满足0.25Zr≤Cr+Si≤0.5Zr且0.5Si≤Cr≤Si，0.7≤Fe/Si≤1.5,0.5Zr≤RE+Ti≤0.75Zr，本发明组分配比合理，通过对微合金化元素的优化选择，严格控制微合金化元素之间的匹配，形成多元共格弥散相，可完全抑制合金基体的再结晶，比已有的同类超强铝合金具有更高的强度、韧性与耐腐蚀性能，克服了现有Al?Zn?Mg?Cu超强铝合金存在的强度与韧性和耐腐蚀性不能兼顾的问题。本发明操作简单，适于工业化生产。
【专利说明】
一种抗再结晶的超强高韧耐蚀铝合金及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明公开了一种抗再结晶的超强高韧耐蚀铝合金及其制备方法，通过对Al-Zn- Mg-Cu系铝合金成分中微合金化元素配比的设计，提高其强度、韧性和抗腐蚀性能，属于金 属材料制备技术领域。
【背景技术】
[0002] Al-Zn-Mg-Cu超高强铝合金具有密度低、强度高、易加工等性能优点，是飞机、火 箭、轨道交通以及武器装备等工业中的重要结构材料，在经济社会发展以及国防现代化建 设中具有极其重要的作用。然而Al-Zn-Mg-Cu超高强铝合金存在由高密度时效析出相在晶 界聚集而引发的应力腐蚀断裂问题，制约了合金潜力的发挥。虽然自20世纪80年代以后，人 们相继开发了RRA和T77回归再时效热处理制度，以缓解超强铝合金强度与耐蚀性及韧性之 间上述尖锐矛盾，但仅通过Al-Zn-Mg-Cu系合金时效热处理制度的优化，解决合金强度性能 与耐蚀性及韧性之间的矛盾有很大的局限性，耐蚀性和韧性仍是制约超强铝合金发展和应 用的瓶颈。随着大飞机、重型火箭、高速列车的发展，对超强高韧耐蚀铝合金的需求非常迫 切，对Al-Zn-Mg-Cu超强高铝合金性能方面提出了更高的要求，不仅要提高Al-Zn-Mg-Cu超 高强铝合金的强度，而且需协同改善合金的韧性和抗应力腐蚀性能，使合金具备更为优良 的综合性能。随着超强铝合金强度进一步提高，时效析出相数量增加，在晶界的富集更为显 著，沿晶断裂和腐蚀更为突出，需要寻求新的发展途径。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种组分配比合理的抗再结晶的超 强高韧耐蚀铝合金及其制备方法，本发明采用多元微合金化手段，通过对多元微合金化元 素的优化选择，严格控制多元微合金化元素之间的匹配，形成多元共格弥散相完全抑制再 结晶，实现高强度、高韧性与良好的耐腐蚀性能铝合金的制备，克服现有Al-Zn-Mg-Cu超强 铝合金存在的强度与韧性和耐腐蚀性不能兼顾的问题。
[0004] 现有超强铝合金中一般添加微合金化元素 Zr，铸锭凝固时固溶于A1基体，在后续 热处理中形成Al3Zr弥散相，阻碍基体再结晶，提高沿晶断裂和腐蚀抗力。但Zr添加量超过 0.2%，铸锭凝固时形成粗大Al3Zr初晶相，对阻碍再结晶不起作用，对合金韧性不利，即 Al3Zr弥散相的数量和作用受到限制。申请者研究表明，通过形成多元共格弥散相完全抑制 再结晶，钉扎亚晶界，成倍增加亚晶界数量，降低晶界(亚晶界)析出相富集使其在晶界处不 连续分布，可从根本上抑制高合金化超强铝合金的沿晶断裂和腐蚀开裂，且亚晶界具有附 加强化作用，可同步提高超强铝合金强度、韧性和耐蚀性。申请者研究发现，在添加微合金 化元素 Zr的基础上，复合添加少量的0、5丨、11、1^(￥13 4广￥)，使0和5丨部分取代4132^尔散 相中的Al，Ti和RE(Yb，Er，Y)部分取代Al3Zr弥散相中的Zr，可形成尺度显著低于Al3Zr弥散 相且数量成倍增加的细小均匀的(Al，Cr，Si )3(Zr，Ti，RE)多元共格弥散相，有效钉扎晶界 与亚晶界、完全抑制基体再结晶，显著提高合金的强韧耐蚀性能，其效果远远好于单独添加 微合金化元素 Zr形成的Al3Zr弥散相。同时发现，上述微量元素添加量太少，作用不能有效 发挥即存在一定下限。例如，在现有Al-Zn-Mg-Cu超强铝合金中，Cr、Si-般当做杂质元素控 制，认为含量越少越好;而
【申请人】研究发现，添加一定数量和比例的Cr、Si，使Cr和Si部分取 代Al3Zr弥散相中的A1，对超强铝合金抑制基体再结晶、提高合金的强韧耐蚀性能具有非常 重要的作用，Cr、Si并不是越少越好。
【申请人】研究还发现，上述微量元素添加量太高，对合金 强韧耐蚀性及工艺性能有害，即存在一定上限。Cr含量偏高(如O.lwt. %以上），形成非共格 的尺寸为50~lOOnm的Al12Mg2Cr相，显著降低合金的断裂韧性和淬透性；Si含量偏高形成 Mg2Si降低合金的强度和韧性，且在Fe〈0.15%的限制下(Fe过高，形成粗大脆性Al7Cu2Fe严 重降低断裂韧性），过低的Fe/Si导致铸锭凝固温区扩大，铸锭易开裂;RE(Yb，Er，Y)稀土元 素含量偏高，形成粗大的W相(AlsCmRE)，显著降低合金断裂韧性及塑性;Ti含量偏高，过多 的Ti进入A13Zr，破坏A13Zr与基体的共格性，并形成粗大的A13Ti初晶相，降低合金的断裂 韧性。研究表明，在Al-Zn-Mg-Cu超强铝合金中添加0.1~0.2 % Zr的同时，添加其他微量元 素并满足〇.2521<0+51<0.521且0.551<0<51，0.7<卩6/51<1.5(卩6<0.15%);0.22『 <RE+Ti<0.75Zr，将完全抑制合金基体的再结晶，比已有的同类超强铝合金具有更高的强 度、显著提升的韧性与耐蚀性。
[0005] 基于以上研究，本发明一种抗再结晶的超强高韧耐蚀铝合金，所述铝合金包括下 述组分按重量百分比组成：
[0006] Zn 6.0~10.0%，Mg 1.8~2.5%，Cu 0.6~2.2%，Zr 0.1 ~0.2%，Cr 0.01 ~ 0.05%，Ti 0.01 ~0.05%，RE0.02~0.10%，Fe 0.02~0.15%，Si 0.001 ~0.10%，其余为 A1;其组分中的微合金化元素满足：
[0007] (1 )〇 · 25Zr < Cr+Si < 0 · 5Zr且0 · 5Si < Cr < Si ;
[0008] (2)0.7 <Fe/Si <1.5；
[0009] (3)0.5Zr<RE+Ti <0.75Zr。
[0010] 本发明包括下述制备步骤：
[0011] (1)按设计的合金组分配比，分别取各组分，先将铝锭熔化后，陆续加入合金元素； 对熔体进行精炼除气、除渣后，浇注；
[0012] (2)对铸锭依次进行均匀化热处理、热塑性变形、固溶-淬火、时效热处理。
[0013] 本发明一种抗再结晶的超强高韧耐蚀铝合金的制备方法，所述均匀化热处理为两 级保温后空冷处理，具体工艺为：先在410~450°C的温度下保温4~20h，然后升温到460~ 480°C保温20~40h后空冷。
[0014] 本发明一种抗再结晶的超强高韧耐蚀铝合金的制备方法，进行挤压或乳制或锻造 塑性成形，变形量为80 %以上。
[0015]本发明一种抗再结晶的超强高韧耐蚀铝合金的制备方法，固溶-淬火处理工艺参 数为：固溶采用高温短时固溶，固溶温度475~480°C，保温时间2~20h，水淬。
[0016] 本发明一种抗再结晶的超强高韧耐蚀铝合金的制备方法，时效热处理采用一级时 效、二级时效或三级时效，第一级时效温度为100~120 °C保温10~24h，第二级时效温度为 150~200°C保温0~20h，第三级时效时效温度为100~120°C，保温0~24h。
[0017] 本发明组分配比合理，通过对微合金化元素的优化选择，严格控制微合金化元素 之间的匹配，形成多元共格弥散相，可完全抑制合金基体的再结晶，比已有的同类超强铝合 金具有更高的强度、韧性与耐腐蚀性能，克服了现有Al-Zn-Mg-Cu超强铝合金存在的强度与 韧性和耐腐蚀性不能兼顾的问题。本发明操作简单，适于工业化生产。
【附图说明】
[0018] 附图1为本发明实施例中1#合金的固溶时效态组织。
[0019] 附图2为本发明对比例中10#合金的固溶时效态组织。
[0020] 从附图1中可以看出：1#合金的固溶时效态组织为完全未再结晶组织。
[0021] 从附图2中可以看出：10#合金的固溶时效态组织发生了部分再结晶。
【具体实施方式】
[0022]本发明实施例提供8个合金试样，编号依次为1#至8#，对比例提供4个合金试样，编 号依次为9#至12#。
[0023]本发明实施例、对比例中所涉及的铝合金成分及其重量百分比为（具体成分见表 l):Zn 6.0~10.0%，Mg 1.8~2.5%，Cu 0.6~2.2%，Zr 0.1 ~0.2%，Cr 0.01 ~0.05%, Ti 0.01 ~0.05%，RE0.02~0.10%，Fe 0.02~0.15%，Si 0.001 ~0.10%，（RE为Yb、Er与Y 元素），其余为A1。其中成分满足：（a)0.25Zr < Cr+Si < 0.5Zr且0.5Si < Cr < Si; (b)0.7 < Fe/Si < 1.5,(c)0.5Zr<RE+Ti <0.75Zr〇
[0024] 上述的一种抗再结晶的超强高韧耐蚀错合金，其RE为Yb，Er、Y中至少一种稀土元 素，需满足:所述稀土元素的含量复合〇.5Zr < RE(Yb，Er、Y中的至少一种复配后的总质量)+ Ti <0.75Zr
[0025] 本发明涉及的一种抗再结晶的超强高韧耐蚀铝合金，其制备方法为：
[0026] (1)将配置好的纯铝锭装入熔化炉中，待铝锭熔化后，陆续加入合金;并对熔体进 行精炼除气、除渣等过程，并进行半连续浇注；
[0027] (2)对铸锭进行均匀化热处理，铸锭采用强化均匀化工艺，即先在410~450°C的温 度下保温4~20h，然后升温到460~480°C保温20~40h，然后空冷。
[0028] (3)将铸锭扒皮，进行热塑性加工，形成相应的半成品；
[0029] (4)将该半成品进行固溶-淬火-时效热处理。固溶采用高温短时固溶，即在475~ 480°C固溶保温2~20h，立即淬火到室温的水中。第一级时效温度为100~120°C保温10~ 24h，第二级时效温度为150~200°C保温0~20h，第三级时效时效温度为100~120°C，保温0 ~24h〇
[0030] 实施例
[0031] 在实验室规模上制备合金，以证明本发明的原理。合金的成分组成如表1所示。通 过合金容量、除气、除渣。以及半连续铸造的方法制备φ 150_的圆形铸锭。将铸锭进行(420 土3°C/10h) + (460土3°C/24h)均匀化热处理，将铸锭进行扒皮并切成Φ 120mmX400mm的挤 压还料，在420°C预热4h进行热挤压加工，挤压成Φ 30mm的棒材。随后进行480土3 °C/60min 保温，水淬，进行时效（120±?Γ/241ι) + (180±?Γ/0·51ι) + (120±3Γ/241ι)。
[0032] 表1 Al-Zn-Mg-Cu合金成分（质量百分数，wt. % )
[0033]
[0035]表2合金挤压棒材性能测试结果
[0036] 表2中：（1 )UTS是指极限抗拉强度，YTS是指屈服强度，EL是指延伸率，SCC应力是否 是指C环应力腐蚀试验；（2)EA-ED表示剥落腐蚀逐渐变严重；（3)C环应力腐蚀试验的应力 为500Mpa。
[0037] 从表2可以看出，1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#同时具有较高的强度、抗应力腐蚀性 能以及断裂韧性，9#合金的由于具有高含量的0(0.1%)、1^(0.18%)以及?6(0.15%)元 素，合金的应力腐蚀和断裂韧性显著降低；10#合金由于具有高含量的Cr(0.2%)和RE (0.2% )，形成粗大的Al12Mg2Cr及AlsCiuRE相，显著降低合金的强度和应力腐蚀性能及断裂 韧性。11#合金由于基本没有Cr(0.001 % )及Si(0.001%)，不能形成多元共格弥散相完全抑 制再结晶，显著降低合金的强度和应力腐蚀性能及断裂韧性。12#合金具有较低的强度和应 力腐蚀性能及断裂韧性，其主要原因是高含量的Cr(0.15%)，形成非共格的A112Mg2Cr，以 及尚的Fe/Si，不能形成多兀共格弥散相完全抑制再结晶。
【主权项】
1. 一种抗再结晶的超强高韧耐蚀铝合金，所述铝合金包括下述组分按重量百分比组 成： Zn 6.0~10.0%，Mg 1.8~2.5%，Cu 0.6~2.2%，Zr 0.1 ~0.2%，Cr 0.01 ~0.05%, Ti 0.01 ~0.05%，RE0.02~0.10%，Fe 0.02~0.15%，Si 0.001 ~0.10%，其余为A1;其组 分中的微合金化元素满足： (1) 0·25Zr < Cr+Si < 0·5Zr且0·5Si < Cr < Si; (2) 0.7 <Fe/Si <1.5； (3) 0.5Zr <RE+Ti <0.75Zr。2. -种抗再结晶的超强高韧耐蚀铝合金制备方法，包括下述步骤： (1) 按设计的合金组分配比，分别取各组分，先将铝锭熔化后，陆续加入合金元素;对熔 体进行精炼除气、除渣后，浇注； (2) 对铸锭依次进行均匀化热处理、热塑性变形、固溶-淬火、时效热处理。3. 根据权利要求2所述的一种抗再结晶的超强高韧耐蚀铝合金的制备方法，所述均匀 化热处理为两级保温后空冷处理，具体工艺为:先在410~450°C的温度下保温4~20h，然后 升温到460~480°C保温20~40h后空冷。4. 根据权利要求2所述的一种抗再结晶的超强高韧耐蚀铝合金的制备方法，进行挤压 或乳制或锻造塑性成形，变形量为80 %以上。5. 根据权利要求2所述的一种抗再结晶的超强高韧耐蚀铝合金的制备方法，固溶-淬火 处理工艺参数为：固溶采用高温短时固溶，固溶温度475~480°C，保温时间2~20h，水淬。6. 根据权利要求2-5任意一项所述的一种抗再结晶的超强高韧耐蚀铝合金的制备方 法，时效热处理采用一级时效、二级时效或三级时效，第一级时效温度为100~120 °C保温10 ~24h，第二级时效温度为150~200°C保温0~20h，第三级时效时效温度为100~120°C，保 温0~24h。
【文档编号】C22F1/053GK105838945SQ201610204446
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月1日
【发明人】陈康华, 陈送义, 董朋轩, 祝昌军
【申请人】中南大学