一种设计高淬透性高强度铝合金主要成分的方法
【专利摘要】本发明属于金属合金领域，尤其涉及一种设计高淬透性高强度Al?Zn?Mg?Cu系铝合金主要成分的方法。为获得高淬透性，应遵循尽量减小主合金化元素原子与Al原子的半径差百分比总和的原则，使得原子半径差百分比总和δ满足0.059％≤δ≤0.344％。为获得高强度，设计成分时应遵循以下原则，合金元素中Zn和Mg的质量百分比应满足WtZn/WtMg≥4，Mg的质量百分数WtMg应满足WtMg≥1.4。本发明是通过大量的试验和计算而获得的一种理想的设计高淬透性高强度Al?Zn?Mg?Cu系铝合金主要成分的方法，计算简单方便，方法可靠，解决了在高淬透性高强度Al?Zn?Mg?Cu系铝合金成分设计领域尚无公认且准确设计方法的问题。
【专利说明】
一种设计高淬透性高强度铝合金主要成分的方法
技术领域
[0001 ]本发明属于金属合金领域，尤其涉及一种设计高淬透性高强度Al-Zn-Mg-Cu系错 合金主要成分的方法。
【背景技术】
[0002] 铝合金作为工业应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械 制造、船舶及化学化工等领域中已大量使用，而高强铝合金作为铝合金中强度较高的一种 材料，需求量也日益增加。高强铝合金的主体是Al-Zn-Mg-Cu系（简称7000系）合金，该系合 金具有良好的塑性、韧性、抗应力腐蚀性能和加工性能。
[0003] 然而，随着航空航天飞行器的不断发展，最新一代航空航天飞行器型号装备发展 尤其是大型化型号装备发展对高强铝合金提出了更高要求。大型化型号装备要求其承载构 件必须大型化和整体化，为了保证大型承载构件的心部性能，要求高强铝合金必须具有更 好的淬透性(淬火敏感性）。7075、7050、7055合金的成分设计只能满足厚度在120111111以下结 构件制造的要求，在厚度大于120mm的制品表面与心部性能差异较大，难以满足航空航天对 超大截面铝合金材料的需求，为了解决这一难题，必须开发出能够适用于生产大型，整体化 结构件的低淬火敏感性合金。
[0004] 中国专利CN104004946A公开了一种690-730MPa超高强度高淬透性铝合金及其制 备方法，这种铝合金的单端淬透深度能够达到80-100mm。中国专利CN102703782A公开了一 种超高强高淬透性Al-Zn-Mg-Cu合金，这种铝合金淬火后硬度最高能达到214HV，单端淬透 深度约为82mm。但这两个专利都只是给出了合金的主要成分，没有提供这两种铝合金成分 设计的方法。
[0005] 近年来，美国和欧洲已经开发出以7136(Al-8.9Zn-2.2Mg-2.2Cu-0.15Zr)等为代 表的最新一代具有强度级别更高、综合性能更加平衡优化且具有良好淬透性的铝合金，走 在了世界前列，但是到目前为止，除了给出合金成分，其他技术仍对我国封锁。
[0006] 针对如何降低淬火敏感性的难题，很多研究机构和学者都提出了自己的观点及方 法，比如调整主要合金元素(Zn、Mg、Cu)的成分配比，减少淬火敏感性合金元素(Cu、Cr等）的 含量，进一步降低和控制杂质元素(Fe、Si)含量等。但这些观点及方法在一定层面上都存在 局限性，有些情况下甚至是自相矛盾的，到目前为止，尚未有一种公认的更好的理论出现， 也没有一种能够用于指导高淬透性高强度Al-Zn-Mg-Cu系铝合金成分设计的方法可供使 用，这一定程度上制约了航空航天、武器装备等工业的发展。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是针对现在Al-Zn-Mg-Cu系高淬透性高强度Al-Zn-Mg-Cu系铝合金 成分设计理论及方法缺失的问题，发明了一种能够用于指导高淬透性高强度Al-Zn-Mg-Cu 系铝合金成分设计的方法。
[0008] 本发明的技术方案是：
[0009] -种设计高淬透性高强度Al-Zn-Mg-Cu系铝合金主要成分的方法，其特征在于在 设计高淬透性高强度Al-Zn-Mg-Cu系铝合金主要成分时，为获得高淬透性，在设计Al-Zn-Mg-Cu系错合金主要成分的的质量百分比时，先计算主合金化元素原子Zn、Mg、Cu与A1原子 的半径差百分比总和S，使得主合金化元素原子Zn、Mg、Cu与A1原子的半径差百分比总和δ满 足0.059 % <δ<〇. 344% ;同时δ值在上述范围内越小越好，通过代入公式计算，找到主合金 化元素 Zn、Mg、Cu各自在合金中所占的合适的质量百分比；为获得高强度，其成分还应遵循 以下原则，合金元素中Zn和Mg的质量百分数的比值应满足4彡Wt Zn/WtMg彡5.5，Mg的质量百 分数WtMg应满足1 · 4 %彡WtMg彡3 · 5 %。
[0010]所述的原子半径差百分比总和δ，其计算公式为g = + ^^P^WtZr*Zn在铝合金中所占质量百分数，WtMi^Mg在铝合金中所占质量百分数， WtCu为Cu在铝合金中所占质量百分数。
[0011] 本发明的有益效果：
[0012] (1)本发明提出的一种设计高淬透性高强度Al-Zn-Mg-Cu系铝合金主要成分的方 法，在国内外均属首创，提出了一种全新的可靠的成分设计方法，解决了在高淬透性高强度 Al-Zn-Mg-Cu系铝合金成分设计领域尚无公认且准确设计方法的问题。
[0013] (2)本发明通过大量的试验和计算获得了一种理想的设计高淬透性高强度Al-Zn-Mg-Cu 系铝合金主要成分的方法， 计算简单方便 ，方法可靠。
[0014] (3)本发明提出的一种设计高淬透性高强度Al-Zn-Mg-Cu系铝合金主要成分的方 法，极大的简化了高淬透性高强度Al-Zn-Mg-Cu系铝合金成分设计，并且可靠实用，一定程 度上推动了航空航天、武器装备等工业的发展。
【附图说明】
[0015] 图1为本发明端淬棒材的尺寸图。
[0016] 图2为本发明端淬现场照片。
[0017] 图3是本发明端淬棒材线切割示意图。
[0018] 图4是本发明拉伸试样尺寸图。
[0019]图5是本发明实施例一的硬度-离淬火端距离的端淬曲线图。
[0020]图6是本发明实施例二的硬度-离淬火端距离的端淬曲线图。
[0021]图7是本发明实施例三的硬度-离淬火端距离的端淬曲线图。
[0022]图8是本发明对比例一的硬度-离淬火端距离的端淬曲线图。
[0023]图9是本发明实施例一、二、三和对比例一的硬度-离淬火端距离的端淬曲线对比 图。
【具体实施方式】
[0024] 下面对本发明的实施例及对比例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前 提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下 述的实施例。
[0025] 为了说明本发明的【具体实施方式】，下面将根据本发明所提供的方法设计3种典型 的7000系铝合金成分，为了说明本发明提供的方法的可靠性和优越性，还将提供一个对比 例，是一种7075合金，对比例合金的成分设计与本发明提供的方法中的原则相背。将上述的 所有实施例和对比例的其中材料进行以下材料制备、热处理、淬透性及拉伸性能实验。
[0026] 材料制备、热处理、淬透性及拉伸性能实验方案：
[0027] (1)材料制备：
[0028] 1)根据设计的合金成分熔炼合金，熔炼温度为850°C~900°C。
[0029] 2)将铸锭进行均质化退火处理，退火机制为470°C X24h，然后随炉冷却至200°C， 最后取出空冷。
[0030] 3)对铸锭进行热挤压加工，进而得到直径为Φ30πιπι的挤压棒材。挤压比为20:1。
[0031 ] 4)将上一步得到的棒材加工成Φ 30mm X 40mm的拉伸试验棒材和如图（1)所示的端 淬棒材备用。
[0032] (2)热处理：
[0033] 1)强化固溶处理:将上述拉伸试验棒材和端淬棒材进行强化固溶处理，强化固溶 机制为470°C X 2h+480°C X 2h+490°C X 2h。
[0034] 2)淬火处理:将上述强化固溶后的末端淬火棒材立刻进行末端淬火，淬火转移时 间不超过10秒，淬火介质为20°C的水，端淬现场如图（2)所示;将上述强化固溶后的拉伸试 验棒材进行水淬处理，淬火转移时间不超过10秒，直接将棒材浸入20 °C的清水中，直至棒材 完全冷却为止。
[0035] 3)时效处理:将上述淬火处理后的末端淬火棒材和拉伸实验棒材进行时效处理， 其中7085和7075铝合金采取T76时效处理，时效机制为121°CX5h+153°CX16h，超高强铝合 金采取T6时效，时效机制为121°C X24h。
[0036] (3)性能测试：
[0037] 1)淬透性测试:采用线切割的方法，按照如图（3)所示方式切割末端淬火棒材，将 切割好的测试片磨亮，从小端开始，每隔一段距离，测一次硬度，将硬度绘制成硬度-离淬火 端距离的端淬曲线，规定硬度下降10%为单端淬透深度。
[0038] 2)拉伸测试:采用线切割方法，将棒材切割成如图（4)所示的拉伸试样，进行拉伸 试验，测出试样的抗拉强度。
[0039] 实施例一
[0040] 根据本发明提供的方法，设计出一种7085铝合金，其成分为Al-7Zn-l. 41Mg-l. 5Cu 和极少量的0.4%的Zr和0.025%的Sr，称这种合金为7085-1合金，将Zn、Mg、Cu的质量百分 数代入公式S+ 计算得本合金的原子半径差百 7.13X9.2 1.738X13.97 8.9X7.1 分比总和3 = 0.059%，听211/机|^ = 4.96，且机|^=1.41%，满足0.059%彡3彡0.344%，4彡 fftZn/WtMg彡5 · 5，1 · 4 %彡WtMg彡3 · 5 %，将本合金经过上述材料制备、热处理、淬透性及拉伸 性能实验，绘制出硬度-离淬火端距离的端淬曲线如图（5)所示，分析的7085-1铝合金的单 端淬透深度大于140mm所以其淬透性至少为280mm，淬透性非常高，其抗拉强度为 518.25MPa〇 [0041 ] 实施例二
[0042] 根据本发明提供的方法，设计出一种7085铝合金，其成分为Al-7.48Zn-l.51Mg- 1.42Cu和极少量的0.4%的Zr和0.025 %的Sr，称这种合金为7085-2合金，将Zn、Mg、Cu的质 麵·Λ細=+ +气￡^，i十獅細勺辦 径差百分比总和5 = 0.0959%，￥乜"/計(^ = 4.95，且討(^=1.51%，满足0.059%彡3彡 0.344%，4彡WtZn/WtMg彡5.5，1.4%彡WtMg彡3.5 %，将本合金经过上述材料制备、热处理、淬 透性及拉伸性能实验，绘制出硬度-离淬火端距离的端淬曲线如图（6)所示，分析得7085-2 错合金的单端淬透深度大于140mm所以其淬透性至少为280mm，淬透性非常高，其抗拉强度 为517MPa。
[0043] 实施例三
[0044] 根据本发明提供的方法，设计出一种7085铝合金，其成分为Al-7.95Zn-l. 8Mg- 1.59Cu和极少量的0.4%的Zr和0.025 %的Sr，称这种合金为7085-3合金，将Zn、Mg、Cu的质 量百分数代入公式δ = 4- + ，计算得本合金的原子半 7,13X9.2： 1,738X13.97 B.9/7.1 径差百分比总和δ = 0· 1833%，WtZn/WtMg = 4.4,且WtMg=l .8%，满足0.059% 彡δ彡0.344%， 4彡WtZn/WtMg彡5.5，1.4%彡WtMg彡3.5 %，将本合金经过上述材料制备、热处理、淬透性及拉 伸性能实验，绘制出硬度-离淬火端距离的端淬曲线如图（7)所示，分析得7085-1铝合金的 单端淬透深度大于140mm所以其淬透性至少为280mm，淬透性非常高，其抗拉强度为 542.25MPa〇 [0045] 对比例一
[0046] 设计出一种7075铝合金，其成分为Al-5.6Zn-2.5Mg-l. 6Cu，将本合金经过上述材 料制备、热处理制备实验样品，并进行淬透性及拉伸性能实验，将Zn、Mg、Cu的质量百分数代 入公式s二+ + 计算的本合金的原子半径差百分比 总和δ = 〇 · 00648，Wtzn/WtMg = 2 · 24，且WtMg = 2 · 5%，不满足0 · 059% 彡δ彡〇 · 344% 的条件，根 据淬透性实验结果，绘制出硬度-离淬火端距离的端淬曲线如图（8)所示，分析得这种7075 铝合金的单端淬透深度约为36mm，所以其淬透性为72mm，淬透性不好，也不满足4彡Wt Zn/ WtMg<5.5的条件，其抗拉强度为505MPa，其抗拉强度也不高。
[0047] 我们将实施例一、二、三和对比例一进行对比，三个实施例提供的7085-1、7085-2、 7085-3合金的成分均根据本发明提供的原则和方法设计得出，其淬透性都非常高，而对比 例一 7075合金的成分与本发明提供的原则不相符，淬透性很低，强度也在这几种合金中最 低，将四种合金的硬度-离淬火端距离的端淬曲线绘制在一张图里对比，如图（9)所示，可以 发现按本发明提供的7805合金淬透性至少是7075合金的3.8倍。可见本发明所提供的成分 设计方法的合理性及优越性。
【主权项】
1. 一种设计高泽透性高强度侣合金主要成分的方法，所述高强度侣合金为Al-Zn-Mg- Cu系侣合金，其特征在于:为获得高泽透性，在设计Al-Zn-Mg-Cu系侣合金主要成分的的质 量百分比时，先计算主合金化元素原子化、Mg、化与Al原子的半径差百分比总和5,使得主合 金化元素原子Zn、Mg、Cu与Al原子的半径差百分比总和S满足0.059%344%;同时5 值在上述范围内越小越好，通过代入公式计算，找到主合金化元素 Zn、Mg、Cu各自在合金中 所占的合适的质量百分比；为获得高强度，其成分还应遵循W下原则，合金元素中Zn和Mg的 质量百分数的比值应满足4《机2。/胖切8《5.5，1邑的质量百分数机邮应满足1.4%《机|^《 3.5%。2. 如权利要求1所述的一种设计高泽透性高强度侣合金主要成分的方法，其特征在于： 所沐的丰合金化元素原子Zn、Me、Ci]台Al原子的半径差百分比总和6,其计算公式为。为Zn在侣合金中所占质量百分数，WtMg 为Mg在侣合金中所占质量百分数，WtCu为化在侣合金中所占质量百分数。
【文档编号】C22C21/10GK105908028SQ201610431322
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月16日
【发明人】许晓静, 朱金鑫, 丁清, 罗勇, 吴瑶, 谈成, 赵建吉, 张香丽, 杨帆, 张冲
【申请人】江苏大学