一种高强度Al-Zn-Mg系合金及其制备方法和应用与流程

本发明涉及一种高强度al-zn-mg合金及其制备方法和应用，属于金属及合金的制备和热处理技术领域。

背景技术：

铝合金因具有比强度高、耐蚀性能优异、易加工等突出特点而广泛用作交通工具、航空航天等领域的结构材料。al-zn-mg系铝合金是热处理可强化合金，时效后其强度可大幅度上升，成为轻量化产品的首选结构材料。但与钢材相比，al-zn-mg系铝合金的综合力学性能仍有较大的提升空间。

技术实现要素：

为了进一步改善al-zn-mg系铝合金的强度，本发明提出一种新的铝合金热处理方法。本发明通过对现有热处理工艺的改进，调控不同析出相与位错之间的相互作用，不仅显著提高al-zn-mg系铝合金的机械强度，而且可获得强度与塑性结合良好的综合性能。

本发明的技术方案如下：

一种al-zn-mg系铝合金的制备方法，包括：通过对固溶淬火处理的过饱和固溶体进行预先时效、大变形量冷变形、后时效处理。

进一步地，所述预先时效是指：未进行加热处理而立刻进入后续工序；具体为：将固溶淬火所得的过饱和固溶体在10分钟之内置于20-200℃温度环境下，放置1h-100天，得到不同时效状态的al-zn-mg系铝合金板材。经过预先时效处理后，在析出相的钉扎作用下，板材中位错在晶粒内均匀分布，不会相互缠结(如位错墙或位错胞)。本领域技术人员可依据专业常识调整预先时效的具体参数条件，只要实现上述状态即可。

进一步地，所述大变形量冷变形是指：将不同时效状态下的al-zn-mg系铝合金板材进行道次下压量不超过20％的冷轧，确保总变形量超过20％，轧制后板材厚度为0.5mm～3mm。所述冷轧可采用本领域技术人员所掌握的常规冷轧方法。

进一步地，所述后时效是指：将冷轧后的板材再次进行时效处理，时效温度为80℃～160℃。

进一步地，所述时效处理可为人工时效或者自然时效。

所述al-zn-mg系铝合金中，zn含量<6wt.％，mg含量<3wt.％；所述al-zn-mg系铝合金中还可包括zr、ti、mn、cu、cr中至少一种元素，其总质量占铝合金总质量的0.4％以下。所述al-zn-mg系铝合金中各合金成分均在标准jish4000-2006规定的范围内。

所述过饱和固溶体为采用商业al-zn-mg铝合金板材进行固溶淬火处理所得，也可采用如下方法制得：

(1)铸造

按设计的合金组分配比取合金各组分，加热至730～785℃熔化，除杂除气后静置5～30分钟，浇铸，得到铸锭；

(2)均匀化处理

将铸锭以1～40℃/分钟的加热速度升温到450-469℃，保温0.5～30小时，然后再以0.1～30℃/分钟的加热速度升温到470-485℃，保温16～48小时后，冷却至室温，得到均匀化处理后铸锭；

(3)热塑性变形

将均匀化处理后铸锭去除表皮后进行热塑性变形，得到热变形态合金坯；热塑性变形选自热轧或热挤压中的一种；

(4)固溶淬火

对步骤(3)所得al-zn-mg铝合金板材进行固溶淬火处理，淬火温度为400℃-600℃之间，保温时间为0.5h-3h之间，水淬转移时间不超过10s。

作为本发明实施方式之一，当所述al-zn-mg系铝合金成分为al-4.38wt.％zn-1.4wt.％mg，其制备方法包括：

(1)预先时效：将固溶淬火所得的过饱和固溶体在10分钟之内置于110-130℃温度环境下，放置20-26h，得到析出相与位错均匀分布的板材；

(2)大变形量冷变形：将所得板材进行道次下压量8-15％的冷轧，总变形量为50-70％；

(3)后时效处理：将步骤(2)所得板材再次进行时效处理，时效温度为110-130℃。

作为本发明实施方式之一，当所述al-zn-mg系铝合金成分为al-5.6wt.％zn-2.5wt.％mg，其制备方法包括：

(1)预先时效：将固溶淬火所得的过饱和固溶体在10分钟之内置于60-80℃温度环境下，放置45-50h，得到析出相与位错均匀分布的板材；

(2)大变形量冷变形：将所得板材进行道次下压量12-18％的冷轧，总变形量为70-90％；

(3)后时效处理：将步骤(2)所得板材再次进行时效处理，时效温度为100-120℃。

作为本发明实施方式之一，当所述al-zn-mg系铝合金成分为al-5.0wt.％zn-2.0wt.％mg，其制备方法包括：

(1)预先时效：将固溶淬火所得的过饱和固溶体在10分钟之内置于90-110℃温度环境下，放置45-50h，得到析出相与位错均匀分布的板材；

(2)大变形量冷变形：将所得板材进行道次下压量18-20％的冷轧，总变形量为70-90％；

(3)后时效处理：将步骤(2)所得板材再次进行时效处理，时效温度为140-160℃。

本发明还提供上述制备方法得到的al-zn-mg系铝合金。

所述al-zn-mg系铝合金中，zn含量<6wt.％，mg含量<3wt.％。

所述al-zn-mg系铝合金中各合金成分均在标准jish4000-2006规定的范围内。

本发明还提供上述al-zn-mg系铝合可应用于交通运输、航空航天、军用器械、建筑铝材等领域。

本发明的有益效果如下：

本发明对现有热处理工艺改进，通过预先时效-大变形量冷变形-后时效组合工艺，调控不同析出相与位错之间的相互作用，使所得al-zn-mg系铝合金的屈服强度相对市售同类合金至少提升25％～70％；拉伸强度相对市售同类合金至少提升20-45％；断裂延伸率达到8％-20％，对应均匀延伸率能达到5％～10％，可满足工业使用要求。

本发明无需额外增加合金元素，也不需要调整既有合金元素含量，仅在既有热处理工艺过程中增加一道变形工艺，为设计减重释放了空间，经济效益明显。

附图说明

图1为本发明实施例1所得al-zn-mg系铝合金的热处理加工示意图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的更宽方面不限于本说明书中所示和所述的特定细节，其核心思路是预先时效+冷轧+后续时效处理(如附图1所示)。因而，可以进行各种中间加工工艺的改进或者热处理的改进等，而不脱离所附权利要求所限定的总发明构思的范围。

下述实施例中所采用的过饱和固溶体由如下方法制得：

(1)铸造

按设计的合金组分配比取合金各组分，加热至730～785℃熔化，除杂除气后静置5～30分钟，浇铸，得到铸锭；

(2)均匀化处理

将铸锭以1～40℃/分钟的加热速度升温到450-469℃，保温0.5～30小时，然后再以0.1～30℃/分钟的加热速度升温到470-485℃，保温16～48小时后，冷却至室温，得到均匀化处理后铸锭；

(3)热塑性变形

将均匀化处理后铸锭去除表皮后进行热塑性变形，得到热变形态合金坯；热塑性变形选自热轧或热挤压中的一种；

(4)固溶淬火

对步骤(3)所得al-zn-mg铝合金板材进行固溶淬火处理，淬火温度为400℃-600℃之间，保温时间为0.5h-3h之间，水淬转移时间不超过10s。

实施例1

本实施例提供一种al-zn-mg系铝合金的制备方法，包括：

预先时效：将固溶淬火所得饱和固溶体在10分钟之内置于120℃温度下，放置24h，得到铝合金板材；此时，板材的析出相与位错分布为均匀分布，析出相钉扎位错。

大变形量冷变形：将所得板材进行道次下压量10％的冷轧，总变形量为60％，轧制后板材厚度为3mm。

后时效：将经过时效、冷轧后的板材再次进行时效处理，时效温度为120℃。

所得al-zn-mg系铝合金的成分为：al-4.38wt.％zn-1.4wt.％mg。

上述处理温度如图1所示。

实施例2

本实施例提供一种al-zn-mg系铝合金的制备方法，与实施例1的区别在于：

预先时效：温度70℃，放置时间48h。此时，板材的析出相与位错分布为均匀分布，析出相钉扎位错。

大变形量冷变形：道次下压量15％，总变形量为80％，轧制后板材厚度为2mm。

后时效：温度为110℃。

所得al-zn-mg系铝合金的成分为：al-5.6wt.％zn-2.5wt.％mg。

实施例3

本实施例提供一种al-zn-mg系铝合金的制备方法，与实施例1的区别在于：

预先时效：温度100℃，放置时间48h。此时，板材的析出相与位错分布为均匀分布，析出相钉扎位错。

大变形量冷变形：道次下压量20％，总变形量为80％，轧制后板材厚度为2mm。

后时效：温度为150℃。

所得al-zn-mg系铝合金的成分为：al-5.0wt.％zn-2.0wt.％mg。效果验证

将上述实施例1-3所得al-zn-mg系铝合金进行性能测试，结果如表1所示。所述性能测试所采用的方法是依据gb/t228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》进行的。

对比例1-3：与实施例1-3相同成分的市售al-zn-mg系铝合金，记为对比例1(与实施例1相同成分的市售铝合金)、对比例2(与实施例2相同成分的市售铝合金)、对比例3(与实施例3相同成分的市售铝合金)。

表1

由表1检测结果可知，采用本申请所述的热处理方法所得al-zn-mg系铝合金在屈服强度、拉伸强度相比现有市售al-zn-mg系铝合金均有显著改善，断裂延伸率和均匀延伸率均达到工程应用要求(均匀延伸率≥5％)。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。