专利名称：：高强、高断裂韧性的航空用Al-Cu-Mg合金及其加工方法
技术领域：
：本发明涉及一种铝合金，尤其涉及一种航空用高强、高断裂韧性Al-Cu-Mg合金及其加工方法，属于有色金属
技术领域：
。
背景技术：
：飞机的下翼面及机身由于受拉应力，因此需要使用具有较高损伤容限、即高断裂韧性及抗疲劳裂纹扩展的2xxx系铝合金，尤其是2024铝合金。通常该合金的使用状态为T3X或T4状态。但2024铝合金本身由于含Fe、Si杂质及粗大金属间化合物较多，使得材料的损伤容限不能保持在较高的水平，因此难以满足飞机大型化、高速化对材料性能提出的更高要求。因此，在2024铝合金成分的基础上，进一步衍生出了2124、2324、2524等铝合金。除此之外，专利号为7323068的美国专利，通过限制2024铝合金中Fe、Si杂质元素的含量，添加Zr并减少Mn含量，使材料的断裂韧性高于2024及2524铝合金的，但其强度低于后两者。专利号为7604704的美国专利，通过在2024铝合金中增加Si的含量，并添加Zr，使得材料具有比2024、2524铝合金更为优良断裂韧性，但其强度低于2024及2524铝合金。因此现有技术，难以使2xxx系铝合金具有较好的综合力学性能，兼顾强度及断裂韧性。
发明内容本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种兼顾高强、高断裂韧性的航空用Al-Cu-Mg合金及其加工方法，通过成分优化及工艺的改善，提高材料的综合性能。本发明的目的通过以下技术方案来实现高强、高断裂韧性的航空用Al-Cu-Mg合金，特点是其成分的重量百分含量如下—Mg1.30--1.50wt%，Cu3.60-"4.30wt%，Zr0.05--0.15wt%，Mn+Zr0.65--0.75wt%，Ti《0.10wt%，Zn《0.15wt%，Si《0.15wt%，Fe《0.15wt%，其余组分为Al和不可避免的杂质。进一步地，上述的高强、高断裂韧性的航空用Al-Cu-Mg合金的制造方法，特点是铸锭均匀化退火时，铸锭随炉升温到350400°C，保温24小时后，然后再以3050°C3h的速度升到48050(TC，保温2430小时后空冷；在420480。C保温23小时后进行热轧，在热轧过程中，当板材温度下降到350400°C，则在42(TC保温2小时后继续热轧；热轧结束后，对板材进行冷轧；然后冷轧板材进行固溶处理，在49350(TC保温3060min、淬火，然后进行1.53%的冷变形，最后在室温放置1周以上。更进一步地，上述的高强、高断裂韧性的航空用Al-Cu-Mg合金，板材冷轧过程中，道次变形量为1020%，当总变形量为4050%时，在40042(TC退火1小时后，再继续进行冷轧至最终板厚。本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在通过合理调整铝合金中主合金元素Cu、Mg及微量元素，尤其是Mn、Zr的含量，在保证材料强度的基础上，控制组织中过剩相的含量，提高材料的断裂韧性。同时对材料的加工工艺进行优化，使材料获得了较好的综合力学性能，是制造航空部件的理想材料，较好满足航空业的使用要求，市场前景广阔。具体实施例方式高强、高断裂韧性的航空用Al-Cu-Mg合金，其成分是Mg1.301.50wt%，Cu3.604.30wt%，ZrO.050.15wt%，Mn+Zr0.650.75wt%，Ti《0.10wt%，Zn《0.15wt%，Si《0.15wt%，Fe《0.15wt^，其余组分为Al和不可避免的杂质。理想的成分配比为:Mg1.45wt%，Cu4.00wt%，Zr0.10wt%，Mn+Zr0.70wt%，Ti0.10wt%，Zn0.10wt%，Si0.10wt%，Fe0.10wt%，其余组分为Al和不可避免的杂质。2xxx系铝合金中的主要合金元素为Cu、Mg，形成了合金的主要强化相Al2CuMg相及Al^u相。Cu/Mg比控制时效强化相的组成及强化效果。当Cu/Mg比为4:1禾P1.5:1之间时(即2024及其衍生合金成分范围内)，提高材料中Al2CuMg的含量，即增大Mg或减小Cu的含量，有利于提高材料的强度。但Mg含量不能过高，过高则容易形成大量粗大的难溶金属间化合物，降低材料的断裂韧性；Cu含量不能过低，否则降低固溶强化效果。当Mg含量为1.301.50wt%，Cu含量为3.604.30wt^时，既能保证较大的固溶强化效果及时效强化效果，又避免形成过多的粗大金属间化合物，影响材料的断裂韧性。Zr在合金中主要起控制晶粒结构，保证织构强化效果的作用，既提高材料强度又提高断裂韧性。Zr的含量不宜低于0.05wt.%，否则大部分Zr固溶在组织中，难以在均匀化退火过程中形成二次Al3Zr相，以提高材料性能；同时Zr的含量不宜高于0.15wt.%，否则容易在铸造过程中形成一次Al3Zr相，降低材料的铸造性和加工性能以及断裂韧性。Mn在合金的作用与Zr的类似，但其作用效果略差。其与Zr的含量和在0.650.75wt^之内时，既能促进两种元素的化合物对晶粒结构有较高的控制能力，又能防止形成较多的粗大金属间化合物，降低材料断裂韧性。Ti在合金中起细化铸态晶粒的作用，以不超过O.lOwt.X为宜。若是Ti含量过高，则容易在组织中形成粗大的含Ti相，降低材料的断裂韧性。Zn、Fe和Si元素为材料中的杂质元素，需控制在0.15wt.%以下。获得上述成分的铸锭，进行均匀化热处理，均匀化退火的目的为溶解共晶组织，为后续的时效析出提供足够的过饱和度，以及提高材料的热加工性能；使含Mn、Zr相均匀弥散的析出，以提高材料的强度和断裂韧性。在均匀退火过程中，铸锭随炉升温到350440(TC，保温24小时后，然后再以3050°C/h的速度升到480500。C保温2430小时。一般而言，采用较慢的升温速率有利于促进含Mn、Zr相均匀弥散的析出。通过以上的均匀化热处理既使大部分的共晶相溶解入基体，又使得含Mn、Zr相均匀弥散的析出。铸锭均匀化退火完后，进行轧制。在42048(TC保温23小时后进行热轧。热轧过程中，当板材温度下降到35040(TC，则在42(TC保温2小时后继续热轧；热轧结束后，进行冷轧；板材冷轧过程中，道次变形量为1020%。当总变形量为4050%时，在40042(TC退火1小时后，再继续进行冷轧至最终板厚。对冷轧板材进行固溶处理，在49350(TC保温3060分钟，淬火，然后进行1.53%的冷变形，再在室温放置1周以上。通过对变形加热温度、保温时间及中间退火工艺的控制，优化材料的晶粒结构，提高材料的断裂韧性；通过固溶处理工艺的控制，以及固溶后冷变形工艺的控制，进一步提高材料的强度，使材料具有较好的综合力学性能。以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。实施例1铝合金成分以重量百分比计为Mg1.30wt%，Cu4.30wt%，Zr0.05wt%，Mn0.70wt%，Fe0.15wt%，Si0.15wt%，Zn0.15wt%，Ti0.10wt^，余量为Al。合金铸锭在循环风炉中进行均匀化热处理随炉升到35(TC，保温4小时，然后以30°C/h的速度升到50(TC保温30小时，空冷；然后在42(TC保温2小时后进行热轧，当板材温度下降到35(TC时，在42(TC保温3小时后继续热轧；接着进行冷轧，冷轧道次变形量为20%。当总变形量为40^时，在40(TC退火1小时后，再继续冷轧至最终板厚。对冷轧板进行固溶处理50(TC保温30min，淬火，然后进行1.5%的冷变形，再在室温放置1周以上。实施例2铝合金成分以重量百分比计为Mg1.50wt%，Cu3.60wt%，Zr0.15wt%，Mn0.50wt%，Fe0.12wt%，Si0.10wt%，Zn0.10wt%，Ti0.08wt^，余量为Al。合金铸锭在循环风炉中进行均匀化热处理随炉升到40(TC，保温2小时，然后以50°C/h的速度升到48(TC保温24小时，空冷；然后在48(TC保温3小时后进行热轧，当板材温度下降到40(TC时，在42(TC保温2小时后继续热轧；接着进行冷轧，冷轧道次变形量为10%。当总变形量为50^时，在42(TC退火1小时后，再继续冷轧至最终板厚。对冷轧板进行固溶处理493t:保温60min，淬火，然后进行3X的冷变形，再在室温放置1周以上。实施例3铝合金成分以重量百分比计为Mg1.40wt%，Cu4.20wt%，Zr0.10wt%，Mn0.63wt%，Fe0.10wt%，Si0.10wt%，Zn0.10wt%，Ti0.10wt^，余量为Al。合金铸锭在循环风炉中进行均匀化热处理随炉升到38(TC，保温3小时，然后以40°C/h的速度升到493t:保温28小时，空冷；然后在44(TC保温2.5小时后进行热轧，当板材温度下降到360°C时，在42(TC保温2小时后继续热轧；接着进行冷轧，冷轧道次变形量为15%。当总变形量为45^时，在42(TC退火1小时后，再继续冷轧至最终板厚。对冷轧板进行固溶处理495t:保温40min，淬火，然后进行2%的冷变形，再在室温放置1周以上。实施例4铝合金成分以重量百分比计为Mg1.45wt%，Cu4.00wt%，Zr0.10wt%，Mn0.60wt%，Fe0.10wt%，Si0.10wt%，Zn0.10wt%，Ti0.10wt^，余量为Al。合金铸锭在循环风炉中进行均匀化热处理随炉升到39(TC，保温3小时，然后以40°C/h的速度升到49(TC保温30小时，空冷；然后在46(TC保温3小时后进行热轧，当板材温度下降到40(TC时，在42(TC保温2小时后继续热轧；接着进行冷轧，冷轧道次变形量为20%。当总变形量为50^时，在42(TC退火1小时后，再继续冷轧至最终板厚。对冷轧板进行固溶处理50(TC保温30min，淬火，然后进行3%的冷变形，再在室温放置1周以上。比较例1铝合金成分以重量百分比计为Mg1.45wt%，Cu4.00wt%，Zr0.10wt%，Mn0.60wt%，Fe0.10wt%，Si0.10wt%，Zn0.10wt%，Ti0.10wt^，余量为Al。合金铸锭在循环风炉中进行均匀化热处理在50(TC保温24小时，空冷；在420°C保温2小时后热轧；接着进行冷轧，冷轧道次变形量为20%，至最终板厚；对冷轧板进行固溶处理50(TC保温30min，淬火，然后进行3%的冷变形，再在室温放置1周以上。比较例2铝合金成分以重量百分比计为Mg1.00wt%，Cu4.80wt%，Zr0.18wt%，Mn0.70wt%，Fe0.30wt%，Si0.20wt%，Zn0.10wt%，Ti0.10wt^，余量为Al。合金铸锭在循环风炉中进行均匀化热处理在50(TC保温24小时，空冷；在420°C保温2小时后热轧；接着进行冷轧，冷轧道次变形量为20%，至最终板厚；对冷轧板进行固溶处理50(TC保温30min，淬火，然后进行3%的冷变形，再在室温放置1周以上。比较例3铝合金成分以重量百分比计为Mg1.60wt%，Cu4.50wt%，Zr0.03wt%，Mn0.50wt%，Fe0.10wt%，Si0.10wt%，Zn0.10wt%，Ti0.10wt^，余量为Al。合金铸锭在循环风炉中进行均匀化热处理随炉升到39(TC，保温3小时，然后以40°C/h的速度升到49(TC保温30小时，空冷；然后在46(TC保温3小时后进行热轧，当板材温度下降到40(TC时，在42(TC保温2小时后继续热轧；接着进行冷轧，冷轧道次变形量为20%。当总变形量为50^时，在42(TC退火1小时后，再继续冷轧至最终板厚。对冷轧板进行固溶处理50(TC保温30min，淬火，然后进行3%的冷变形，再在室温放置1周以上。表1示意了实施例及比较例中合金的性能。表1L向L-T向Rpo.2/MpaRm/MpaA/%Kc/MpaV^"实施例134046020180实施例235047022185实施例333045521178实施例4340465191706<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>从表1可看出，本发明通过合理调整铝合金中各元素的含量并控制加工工艺，在保证材料强度的基础上，控制组织中过剩相的含量，显著提高材料的断裂韧性，材料获得了较好的综合力学性能，较好满足航空业的使用要求。需要理解到的是上述说明并非是对本发明的限制，在本发明构思范围内，所进行的添加、变换、替换等，也应属于本发明的保护范围。权利要求高强、高断裂韧性的航空用Al-Cu-Mg合金，其特征在于成分的重量百分含量为Mg1.30～1.50wt％，Cu3.60～4.30wt％，Zr0.05～0.15wt％，Mn+Zr0.65～0.75wt％，Ti≤0.10wt％，Zn≤0.15wt％，Si≤0.15wt％，Fe≤0.15wt％，其余组分为Al和不可避免的杂质。2.根据权利要求1所述的高强、高断裂韧性的航空用Al-Cu-Mg合金，其特征在于其成分具有如下的重量百分比:Mg1.45wt%，Cu4.00wt%，Zr0.lwt%，Mn+Zr0.70%，Ti0.lwt%，Zn0.lwt%，Si0.lwt%，Fe0.lwt^，其余组分为Al和不可避免的杂质。3.权利要求1所述的高强、高断裂韧性的航空用Al-Cu-Mg合金的加工方法，其特征在于铸锭均匀化退火时，铸锭随炉升温到35040(TC，保温24小时后，然后再以3050°C/h的速度升到480500°C，保温2430小时后空冷；在420480。C保温23小时后进行热轧，在热轧过程中，当板材温度下降到35040(TC，则在42(TC保温2小时后继续热轧；热轧结束后，对板材进行冷轧；然后冷轧板材进行固溶处理，在49350(TC保温3060min、淬火，然后进行1.53%的冷变形，最后在室温放置1周以上。4.根据权利要求3所述的高强、高断裂韧性的航空用A1-Cu-Mg合金的加工方法，其特征在于板材冷轧过程中，道次变形量为1020%，当总变形量为4050%时，在40042(TC退火1小时后，再继续进行冷轧至最终板厚。全文摘要本发明涉及高强、高断裂韧性的航空用Al-Cu-Mg合金及其加工方法，其成分Cu3.60～4.30wt％，Mg1.30～1.50wt％，Zr0.05～0.15wt％，Mn+Zr0.65～0.75wt％，Ti≤0.10wt％，Zn≤0.15wt％，Si≤0.15wt％，Fe≤0.15wt％。上述成分的铸锭进行均匀化热处理时，铸锭随炉升温到350～400℃，保温2～4小时后，再以30～50℃/h的速度升到480～500℃保温24～30小时后空冷；在420～480℃保温2～3小时后进行热轧，热轧结束后，对板材进行冷轧；然后对冷轧板材进行固溶处理，在493～500℃保温30～60min、淬火，然后进行1.5～3％的冷变形，接着在室温放置1周以上。通过合理调整铝合金中各元素的含量并控制加工工艺，在保证材料强度的基础上，控制组织中过剩相的含量，显著提高材料的断裂韧性，材料具有较好的综合力学性能。文档编号C22C21/12GK101705403SQ20091022635公开日2010年5月12日申请日期2009年11月24日优先权日2009年11月24日发明者纪艳丽,胡平,郭富安,钟皓申请人:苏州有色金属研究院有限公司