超高强铝合金材料及其制备方法
【专利摘要】一种超高强铝合金材料及其制备方法，其特征在于：具体成分的质量百分比为Zn：12％-14％；Mg：2.4％-3.2％；Cu：1.0％-1.5％；Zr：0.2％-0.5％；Mn：0.1％-0.3％；Ni：0.1％-0.6％；余量为Al；制备时通过原材料熔炼，坯锭成型，坯锭加工变形，450℃1h+475℃2h固溶处理和在70℃-80℃下经过240h-360h人工干预自然时效处理。本发明采用喷射沉积工艺进行制备，合金经过强化固溶处理后，改变了传统的自然时效处理，而采用在70℃-80℃下经过240h-360h的时效处理，这样不仅缩减了自然时效时间，而且提高了合金的力学性能，同时使研制的超高强铝合金组织均匀，细小，不存在宏观偏析，其各项性能为抗拉强度在780MPa-820MPa之间，屈服强度在700MPa-740MPa之间，延伸率达到了9％-13％之间，断裂韧性在30-35MPa·m1/2之间，其综合性能达到了国际先进水平。
【专利说明】超高强绍合金材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于铝合金【技术领域】，尤其涉及一种采用喷射沉积工艺研制的超高强铝合金材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]超高强铝合金具有密度小，强度高，机加性能优越，比强度高，耐腐蚀性能良好等优点，被广泛应用于航空航天工业和民用工艺，是目前航空航天工业的主要结构材料之一，同时在交通运输和其它工业部门也得到广泛应用。7000系铝合金是20世纪40年代国际上以航空用材为背景研制并发展起来的一类高强高韧铝合金材料，传统使用的7000系铝合金材料一般是通过铸锭、冷热变形加工、热处理等工序获得最终的各种型材产品，长期以来被广泛用于各种飞机机身、机翼梁、机舱壁板和火箭中高强度结构零件等的制造，是世界各国航空航天工业中不可缺少的重要材料。目前全世界已开发出了数十种不同合金成分标准牌号的7000系铝合金产品，相应的合金热处理标准工艺更达数百种之多。随着航空航天工业和民用工业的发展，科研人员逐渐认识到高强铝合金的塑性和断裂韧性已经成为制约该合金进一步应用的瓶颈。过去科研人员一味地追求高强度而忽略了塑性和断裂韧性，随着断裂力学的发展，以及破损安全设计原则在实际工作中的应用，人们对结构材料特别是高强铝合金断裂韧性和塑性的重要性的认识变得更加清楚。目前塑性和断裂韧性指标已和抗拉强度,抗腐蚀,抗疲劳强度并列为铝合金的4项主要考核指标。
[0003]然而塑性指标往往和强度指标是互相矛盾的，在塑性和韧性提高的同时强度往往会下降。例如，目前国际和国内普遍采用双级时效工艺来提高合金的塑性和断裂韧性，但是采用该工艺来提高合金的塑性和断裂韧性必然伴随着合金抗拉强度和屈服强度的降低，因此寻求一种高强度和高塑性韧性共存的工艺一直是科研人员所努力的方向。
[0004]目前唯一能使强度和塑性韧性同时提高的工艺是细化晶粒，因此要想提高合金的塑性和韧性就必须使该合金的晶粒细化。而目前使合金的晶粒细化的主要工艺就是快速凝固工艺，喷射沉积工艺作为快速凝固工艺的典型代表，近年来被广泛应用。在长期的科研中，科研人员发现通过提高7000系铝合金中Zn元素的含量，可有效改善合金的综合性能，但是当合金中Zn元素的含量超过8%时，由于这类合金的结晶范围宽、析出相与基体之间比重差异大，在采用传统的工艺生产这类高Zn含量的铝合金时，容易造成合金中的晶粒粗大，且存在明显的宏观偏析，铸锭内部容易产生热裂现象，因此采用传统的工艺生产的7000系铝合金的Zn含量一般不超过8 %，同时也使传统工艺生产的7000系铝合金的极限抗拉强度很难突破700MPa这一大关。
[0005]喷射沉积技术的出现，使得各国工业界突破传统8% Zn含量的限制，研制开发新一代7000系超高强铝合金变为现实，采用喷射沉积技术制备含Zn量超过8%的铝合金时，由于合金中的晶粒被显著细化，各种宏观和微观偏析受到抑制，可有效控制沉积坯件凝固过程中内部产生热裂的倾向，同时由于凝固速度加快，使得坯件中各种合金元素的过饱和度增加，后续热处理过程中各种沉淀相的析出更加充分，有利于材料获得更加优越的力学性能。
[0006]国内从事喷射沉积超合金化7000系铝合金的研究单位主要有北京有色金属研究院、北京科技大学、北京航空航天大学等单位。如北科大研究的喷射沉积7000系铝合金的成分为Al-8.8% Zn-3.0 % Mg-1.7% Cu-L O % Mn-0.12% Zr，采用峰时效工艺；中南大学的喷射沉积7000系铝合金的成分为Al-8.3% Zn-2.04% Mg-2.3% Cu-0.16% Zr，采用峰时效工艺即120°C 24h，其抗拉强度，屈服强度和延伸率分别达到648MPa，630MPa和11.2% ；内蒙古工业大学采用喷射沉积工艺研制的7000系铝合金的成分为A1-11.3% Zn-2.4%Mg-1.0% Cu-0.3% Zr-0.5% Ni，采用峰时效工艺即130°C 24h，抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为849MPa、796MPa和3.3%。目前在公开的报道中涉及的时效工艺有峰时效，双级时效和回归再时效，没有涉及自然时效的工艺报道。
【发明内容】
[0007]本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种综合性能优良的超高强铝合金材料。
[0008]本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种工艺简单、易操作的超高强铝合金材料的制备方法，采用强化固溶处理结合人工干预自然时效处理，制得的铝合金不仅具有高强度和高韧性，同时又大大缩减了自然时效时间。
[0009]本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为:一种超高强铝合金材料，其特征在于:该铝合金材料具体成分的质量百分比为Zn:12% -14%；Mg:2.4% -3.2%；Cu:
1.0% -1.5% ；Zr:0.2% -0.5% ；Mn:0.1% _0.3% ；N1:0.1% _0.6% ;余量为 Al。
[0010]本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为:一种超高强铝合金材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤:
[0011]I)称重量百分比为 Zn:12 % -14% ；Mg:2.4% -3.2 % ；Cu:1.0 % -1.5 % ；Zr:
0.2% -0.5%；Mn:0.1% -0.3%；Ni:0.1% -0.6%;余量为Al的材料作为该合金的原材料，其中Cu采用A1-50CU中间合金，Ni采用Al-20Ni中间合金，其余均为纯金属；
[0012]2)将上述称好的合金原材料Al、Al-50Cu中间合金、Al-Ni中间合金放入中频感应炉中，通电加入直至坩埚中的金属溶化，将熔体温度升至720°C _740°C时加入Zr颗粒和纯Mn片，充分搅拌后将熔体温度升至800°C _820°C，断电后采用石墨压勺压入纯Zn和纯Mg，充分搅拌，将熔体温度升至720V -750 0C ；
[0013]3)采用精炼剂及变质剂和C2C16除气剂对熔体进行变质和精炼处理；
[0014]4)将熔体倾入喷射沉积设备中喷射沉积成坯锭；
[0015]5)将上述喷射沉积后的坯锭车皮去端面进行挤压变形处理；
[0016]6)接着将变形棒材切成长150mm的棒料,车皮后进行固溶处理,固溶处理工艺为:440~460°C 50~70min+465~485°C 1.5~2.5h，之后进行室温水淬；
[0017])将淬火后的铝合金材料放入炉温为70°C-80°C的烘箱中，放置240h~360h进行人工干预自然时效处理。
[0018]作为优选，所述步骤3)精炼剂及变质剂的加入量占熔体质量的0.4-0.6%。
[0019]作为改进，所述步骤3)变质和精炼处理后还要对熔体进行扒渣，之后将熔体静置10min-15min，将熔体温度升至800°C _830°C以备喷射沉积工艺。
[0020]作为改进，所述步骤4)喷射沉积的具体工艺为:雾化压力为0.5-0.7MPa，扫描频率为23.0~24.0ΗΖ，沉积盘旋转频率为3.15-3.20HZ，将熔体沉积成直径为270-300mm，高度大于300mm的还锭。
[0021]作为改进，所述步骤5)的挤压变形的工艺为:将坯锭加热至380°C _420°C，在3000t反向挤压机上进行挤压变形处理，挤压比为8.5~9.5:1。
[0022]作为优选，所述步骤6)的固溶处理工艺为:450°C lh+475°C 2h。
[0023]再优选，所述步骤7)的人工干预自然时效处理时间为360h。
[0024]自然时效的特点在于其强度和塑性都保持较高的水平，原因在于采用自然时效工艺时，时效时间充足时，在合金的晶粒内部析出均匀细小的G.P区和MgZn2'相，该组织分布对合金的强度和塑性韧性都有较有利的影响。若采用人工时效，由于晶粒内部的析出向都转变为MgZn2’相或MgZn2相，合金的抗拉强度有所提高，但是却大幅降低了合金的塑性和韧性。为了获得自然时效时合金优良的综合性能同时又希望大幅缩短自然时效的时间特发明本时效工艺，称为人工干预自然时效。
[0025]与现有技术相比，本发明的优点在于:采用喷射沉积工艺进行制备，合金元素包括微量元素的总含量超过16%，合金经过强化固溶处理后，改变了传统的自然时效处理，而采用在70°C -80°C下经过240h-360h的时效处理，这样不仅大大缩减了自然时效时间，而且合金性能更佳；采用喷射沉积工艺不仅增加了铝合金中合金元素的固溶度，在后续的时效时提高了时效动力，提高了合金的力学性能，同时使研制的超高强铝合金组织均匀，细小，不存在宏观偏析。本发明的超高强铝合金晶粒尺寸在4-6um之间，合金材料经过人工干预自然时效后，其各项性能为抗拉强度在780MPa-820MPa之间，屈服强度在700MPa_740MPa之间，延伸率达到了 9% -13%之间，断裂韧性在30-35MPa.m1/2之间，其综合性能达到了国际先进水平，同时提高了生产效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为本发明实施例1中喷射沉积超高强铝合金沉积态组织；
[0027]图2为本发明实施例1中喷射沉积超高强铝合金挤压态组织；
[0028]图3为本发明实施例1中喷射沉积超高强铝合金淬火态组织；
[0029]图4为本发明实施例1中喷射沉积超高强铝合金室温自然时效态360h时的组织；
[0030]图5为本发明实施例1中喷射沉积超高强铝合金人工干预自然时效态240h时的组织；
[0031]图6为本发明实施例2中喷射沉积超高强铝合金人工干预自然时效态360h时的组织。
【具体实施方式】
[0032]以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
[0033]实施例1
[0034]分别称取84.2kgAl、12kgZn、2.4kgMg、l.0kgCu>0.2kgZr、0.lkgMn、0.1kgNi 放入炉中熔炼，其中Cu采用A1-50CU中间合金，Ni采用Al-20Ni中间合金，其余均为纯金属，熔炼过程为:将上述称好的合金包括Al，A1-50CU中间合金，Al-Ni中间合金放入中频感应炉中，通电加入直至坩埚中的金属溶化，将熔体温度升至720°C _740°C时加入Zr颗粒和纯Mn片，充分搅拌后将熔体温度升至800°C _820°C，断电后采用石墨压勺压入纯Zn和纯Mg，充分搅拌，将熔体温度升至720V _750°C;采用精炼剂及变质剂(重量百分比0.5% )和C2Cl6除气剂对熔体进行变质和精炼处理。处理后对熔体进行扒渣，之后将熔体静置10min-15min，将熔体温度升至800°C _830°C以备喷射沉积工艺；将熔体倾入喷射沉积设备中，其中雾化压力为0.5-0.7MPa，扫描频率为23.4HZ，沉积盘旋转频率为3.15-3.20HZ，将熔体沉积成直径为270-300mm，高度大于300mm的坯锭；将研制的喷射沉积坯锭车皮去端面，将坯锭加热至380°C -420°C，在3000t反向挤压机上进行挤压变形处理，挤压比为9:1 ;在变形棒材切成长150mm的棒料，车皮后进行固溶处理，固溶处理工艺为:450°C lh+475°C 2h，之后进行室温水淬；将淬火后的铝合金放入炉温为70V _80°C的烘箱中，放置时间为240h，同时将另一批铝合金放在室温进行室温自然时效处理。将铝合金料按照国标进行拉伸试样加工，最后进行力学性能测试。
[0035]其中图1为其沉积态的微观组织，图2为喷射沉积超高强铝合金挤压态组织，图3为喷射沉积超高强铝合金淬火态组织，图4为喷射沉积超高强铝合金室温自然时效态360h时的组织，图5为喷射沉积超高强铝合金人工干预自然时效态240h时的组织。
[0036]从图中可以看出，超高强铝合金的沉积态组织中存在微孔和气孔，这是由于喷射沉积工艺固有特性决定的，沉积态的晶粒尺寸在5-10um之间，组织中存在析出的第二相。从挤压态组织中可以看出，坯锭变形后组织成纤维状，没有发生动态再结晶。从淬火态组织中可以看出，合金经过淬火后，组织中除了粗大的第二相外，其余细小的析出相都固溶进合金基体中，说明该固溶工艺满足热处理要求。从人工干预自然时效240h的合金组织中可以看出，合金组织晶粒内析出了及其细小的聚集相或第二相，该组织称为G.P区，正是由于该相的存在，合金的强度才得以大幅度的提高。从室温自然时效态的组织中可以看出，虽然室温自然时效的时间长于人工干预自然时效时间，但是该组织中的G.P区很少，远少于人工干预自然时效240h的合金组织。
[0037] 对以上两种合金材料进行力学性能分析，结果显示室温自然时效的合金其抗拉强度、屈服强度、延伸率和断裂韧性分别为745MPa，675MPa，8.5%和28MPa.m1/2，而人工干预自然时效合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率和断裂韧性分别为790MPa，705MPa，9.5%和32MPa.m1/2，因此人工干预自然时效的合金性能优于室温自然时效的合金。
[0038]实施例2
[0039]分别称取79.9kgAl、14kgZn、3.2kgMg、l.5kgCu、0.5kgZr、0.3kgMn、0.6kgNi 放入炉中，其中Cu采用A1-50CU中间合金，Ni采用Al-20Ni中间合金，其余均为纯金属。按照实施例1中的步骤完成原材料熔炼，坯锭成型，坯锭加工变形，铝合金固溶处理和人工干预自然时效处理，其中人工干预自然时效处理时间分别为360h和480h。图6为喷射沉积超高强铝合金人工干预自然时效态360h时的组织。
[0040]从图6中可以看到，人工干预自然时效360h的组织中存在大量的GP区，同时还出现MgZn2(V)相，该相的出现能使该合金的各项性能达到峰值。对以上两种时效时间的合金进行力学性能分析，结果表明人工干预自然时效360h合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率和断裂韧性分别为820MPa，740MPa，13%和35MPa.m1/2，人工干预自然时效480h合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率和断裂韧性分别为815MPa，720MPa，12.7%和34MPa.m1/2，可以看出，人工干预自然时效360h的合金其综合性能达到了最佳，继续延长时效时间其力学性能有所下降。
[0041]对淬火态的合金进行室温自然时效处理，时效时间分别为I个月，3个月，6个月，I年，其抗拉强度分别为750MPa，765MPa, 780MPa和818MPa ;屈服强度分别为680MPa，685MPa,695MPa和715MPa ;延伸率分别为8.5%,9.2%，11%和12.5%;断裂韧性分别为28MPa.ι?1/2，29MPa.m1/2，32MPa.m1/2，35MPa.m1/2。
【权利要求】
1.一种超高强铝合金材料，其特征在于:该铝合金材料具体成分的质量百分比为Zn:12% -14% ；Mg:2.4% -3.2% ；Cu:1.0% -1.5% ；Zr:0.2% -0.5% ；Mn:0.1% -0.3% ；Ni:0.1% -0.6% ;余量为 Al。
2.一种超高强铝合金材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤: 1)称重量百分比为Zn:12 % -14 % ；Mg:2.4 % -3.2 % ；Cu:1.0 % -1.5 % ；Zr:0.2% -0.5%；Mn:0.1% -0.3%；N1:0.1% _0.6%;余量为Al的材料作为该合金的原材料，其中Cu采用A1-50CU中间合金，Ni采用Al-20Ni中间合金，其余均为纯金属； 2)将上述称好的合金原材料Al、A1-50CU中间合金、Al-Ni中间合金放入中频感应炉中，通电加入直至坩埚中的金属溶化，将熔体温度升至720V _740°C时加入Zr颗粒和纯Mn片，充分搅拌后将熔体温度升至800°C _820°C，断电后采用石墨压勺压入纯Zn和纯Mg，充分搅拌，将熔体温度升至720 V -750 0C ； 3)采用精炼剂及变质剂和C2C16除气剂对熔体进行变质和精炼处理； 4)将熔体倾入喷射沉积设备中喷射沉积成坯锭； 5)将上述喷射沉积后的坯锭车皮去端面进行挤压变形处理； 6)接着将变形棒材切成长150mm的棒料，车皮后进行固溶处理，固溶处理工艺为:440~460°C 50~70min+465~485°C 1.5~2.5h，之后进行室温水淬； 7)将淬火后的铝合金材料放入炉温为70°C_80°C的烘箱中，放置240h~360h进行人工干预自然时效处理。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于:所述步骤3)精炼剂及变质剂的加入量占熔体质量的0.4-0.6%。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于:所述步骤3)变质和精炼处理后还要对熔体进行扒渣，之后将熔体静置10min-15min，将熔体温度升至800°C _830°C以备喷射沉积工艺。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于:所述步骤4)喷射沉积的具体工艺为:雾化压力为0.5-0.7MPa，扫描频率为23.0~24.0ΗΖ，沉积盘旋转频率为3.15-3.20HZ,将熔体沉积成直径为270-300mm，高度大于300mm的坯锭。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于:所述步骤5)的挤压变形的工艺为:将坯锭加热至380°C -420°C，在3000t反向挤压机上进行挤压变形处理，挤压比为8.5~9.5:1。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于:所述步骤6)的固溶处理工艺为:450 °C lh+475°C 2h
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于:所述步骤7)的人工干预自然时效处理时间为360h。
【文档编号】C22C21/10GK104178670SQ201410383683
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月6日 优先权日:2014年8月6日
【发明者】章国伟, 陈伟, 翟景, 马力, 陈刚, 辛海鹰, 郭安振 申请人:中国兵器工业第五二研究所