本发明涉及铝合金技术领域，具体涉及一种超强高塑性Al-Zn-Mg-Cu系铝合金及其制备工艺。
背景技术：
Al-Zn-Mg-Cu超硬系列铝合金是可热处理强化型合金，具有密度小、强度高、加工性能好、耐腐蚀性能和疲劳性能好等优点，广泛应用于航空航天等行业，是主要的航空航天材料之一，特别是随着国家航天运载与国防建设领域的高速发展，对结构材料的性能要求不断提高。相对于传统的2xxx铝合金和Al-Li合金，现有的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金所具有的高强度、低密度和良好的抗腐蚀性等特点能满足许多超大型设备对材料性能的要求，使Al-Zn-Mg-Cu系铝合金在航空航天领域有着广泛的应用。
目前，航空铝材的设计通常采用均匀设计的方法，即合金的表层和芯部组织一致。然而，受制于合金强度与断裂韧性之间的矛盾，采用均匀设计的方法使Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的成分优化空间变得很小，所以该领域亟需一种材料设计与研发的新方法，以进一步优化Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的成分。而进一步提高Al-Zn-Mg-Cu系铝合金强度的主要手段是增加锌、镁主合金元素的含量，并适当的加入微合金元素，提升晶内析出相密度，但一味提高锌、镁含量会导致合金的抗腐蚀能力及断裂韧性下降，从而降低材料的可靠性；另外，由于Al-Zn-Mg-Cu系铝合金所具有的高强特性，导致其加工性能较差，成型成本较高，削弱了其应用范围。
技术实现要素：
基于以上问题，本发明提供一种超强高塑性Al-Zn-Mg-Cu系铝合金及其制备工艺，以获得具有超高强度、高韧性、高延伸性能、加工性能好的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金。
为解决以上技术问题，本发明提供了一种超强高塑性Al-Zn-Mg-Cu系铝合金，其成分包括，按重量百分比计，Zn8.4-9.3％，Mg2.3-2.5％的，Cu1-1.7％，Er 1.2-1.6％，Sc0.1-0.2％，Zr 0.1-0.2％，Ti0-0.06％，杂质0-0.1％，余量为Al。
进一步的，按重量百分比计，Zn8.5-9.2％，Mg2.3-2.45％，Cu1.2-1.6％，Er 1.3-1.5％，Sc0.1-0.15％，Zr 0.1-0.2％，Ti0.01-0.05％，杂质0-0.1％，余量为Al。
进一步的，按重量百分比计，Zn8.6-9.0％，Mg2.3-2.4％，Cu1.40-1.55％，Er 1.3-1.4％，Sc0.1-0.12％，Zr 0.14-0.18％，Ti0.02-0.04％，杂质0-0.06％，余量为Al。
为解决以上技术问题，本发明还提供了上述一种超强高塑性Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的制备工艺，包括如下步骤：
(1)以高纯铝、工业纯锌、工业纯镁、铝铜中间合金、铝钪中间合金、铝铒中间合金、铝锆中间合金、钛剂为原料，其中，高纯铝的纯度≥99.95wt％，工业纯锌的纯度≥99.95wt％，工业纯镁的纯度≥99.99wt％，铝铜中间合金中铜的含量占比≥50wt％，铝钪中间合金中钪含量占比≥2wt％，铝铒中间合金中铒含量占比≥10wt％，铝锆中间合金中锆的含量占比≥5wt％，钛剂中钛含量占比≥75wt％；
按配比折算并称取各原料，混合，置于高温炉内加热，熔化，获得熔体；
(2)将步骤(1)中的熔体搅拌均匀后，取样，使用光谱仪进行检测，根据实际成分偏差进行补料；
(3)精炼除渣；
(4)铸造，获得铸锭；期间，铸造操作温度控制在700-720℃，铸造操作过程中控制熔体中氢含量不超过0.12ml/100g；
(5)对步骤(4)中获得的铸锭进行均匀化处理：先升温至385-420℃，保温10-14h，再升温至460-500℃，保温20-26h后，随炉冷却至270-320℃，出炉空冷至室温；
(6)对均匀化处理后的铸锭进行固溶处理；期间，先升温至440-500℃，保温1.4-4.5h，随后在室温水中淬火；
(7)将固溶处理后的铸锭置于110-140℃条件下，时效处理20-28h，获得铝合金成品。
进一步的，步骤(3)中的精炼除渣工序如下：先依次进行喷粉精炼、静置、扒渣，再进行氯盐精炼、静置、扒渣，随后至少重复一次氯盐精炼、静置、扒渣工序，最后向熔体中通入氩气搅拌。
进一步的，步骤(3)中的熔体温度为735-745℃。
进一步的，在步骤(5)和步骤(6)之间还包括对铸锭进行热挤压的工序，热挤压时控制温度为430-445℃，控制挤压比为23-26。
进一步的，在步骤(5)中对铸锭进行均匀化处理时，先升温至420℃，保温10h，再升温至465℃，保温24h，随后随炉冷却至310℃，出炉空冷至室温。
进一步的，在步骤(6)中对铸锭进行固溶处理时，先升温至460℃，保温2.5h，随后在室温水中淬火。
进一步的，步骤(7)中，将铸锭置于110℃条件下，时效处理24h，获得铝合金成品。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明与现有Al-Zn-Mg-Cu系铝合金相比，通过降低Cu的含量增加Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的加工性能，与此同时，适当调高Zn和Mg的含量，从而通过提高铝合金基体内主强化相(MgZn2)的含量来弥补Cu的含量降低所减少的强度贡献；
(2)去除了现有Al-Zn-Mg-Cu系铝合金中的Mn和Cr元素，并加入少量Zr和Ti细化晶粒，以降低合金化程度；同时通过联合添加Ti、Zr、Sc元素增强细化效果和硬度，并改善铸态组织，提高Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的力学性能，Sc的添加显著的提高了挤压变形后的合金的抗拉强度和屈服强度；
(3)Er的添加使Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的力学性能得到了显著的增强；
(4)同时均采用高纯度原料进行铸造，最大程度的降低了杂质的含量，从而提高了Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的延伸率；
(5)由于Al-Zn-Mg-Cu系铝合金中添加了Zr，而部分溶解在铝基体中的Zr在420℃左右易析出生成弥散分布的二次Al3Zr纳米相，为了达到让Al3Zr纳米相更加弥散均匀分布，本发明在传统的均匀化制度前加上了先升温至385-420℃并保温10-14h的均质过程，从而形成了最终的均匀化处理制度；
(6)现有Al-Zn-Mg-Cu系铝合金产品难以同时兼顾高强和高延展率的性能，特别是抗拉强度达到645MPa以上时，而本发明制备的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的抗拉强度可达到645-700MPa，同时延伸率可达到12-15％，且加工性能好，最高挤压速度能达到0.4mm/s，在航空航天产业铝合金构件领域具有重大的意义。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
本实施例提供一种超强高塑性Al-Zn-Mg-Cu系铝合金及其制备工艺，本实施例中的超强高韧高延伸率Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的成分包括：按重量百分比计，Zn8.4-9.3％，Mg2.3-2.5％的，Cu1-1.7％，Er 1.2-1.6％，Sc0.1-0.2％，Zr 0.1-0.2％，Ti0-0.06％，杂质0-0.1％，余量为Al。
上述超强高韧高延伸率Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的制备流程为：配料及熔化→成分检测→精炼除渣→铸造→均匀化处理→热挤压→固溶处理→时效处理，具体步骤如下：
(1)配料：以高纯铝、工业纯锌、工业纯镁、铝铜中间合金、铝钪中间合金、铝铒中间合金、铝锆中间合金、钛剂为原料，其中，高纯铝的纯度≥99.95wt％，工业纯锌的纯度≥99.95wt％，工业纯镁的纯度≥99.99wt％，铝铜中间合金中铜的含量占比≥50wt％，铝钪中间合金中钪含量占比≥2wt％，铝铒中间合金中铒含量占比≥10wt％，铝锆中间合金中锆的含量占比≥5wt％，钛剂中钛含量占比≥75wt％；按配比折算并称取上述原料，混合，置于高温炉内加热，熔化，获得熔体；
(2)成分检测：将步骤(1)中的熔体在炉内搅拌均匀后，炉前取样铁模铸造，使用光谱仪进行检测，根据实际成分偏差进行补料；
(3)精炼除渣：具体操作步骤为：第一次通氩气喷粉精炼→静置→扒渣→→第二次通氩气喷CCl4精炼→静置→扒渣→第三次通氩气喷CCl4精炼→静置→扒渣→通氩气搅拌；上述步骤中至少重复一次通氩气喷CCl4精炼、静置、扒渣工序，此步骤中的熔体温度为735-745℃；
(4)铸造：铸造操作温度控制在700-720℃，铸造操作过程中通过SLE测氢仪测定氢含量，以控制熔体中氢含量不超过0.12ml/100g；
(5)均匀化处理：对步骤(4)中获得的铸锭进行均匀化处理，先升温至385-420℃，保温10-14h，再升温至460-500℃，保温20-26h后，随炉冷却至270-320℃，出炉空冷至室温；
(6)热挤压：热挤压时控制温度为430-445℃，控制挤压比为23-26。
(7)固溶处理：先升温至440-500℃，保温1.4-4.5h，随后在室温水中淬火；
(8)时效处理：将固溶处理后的铸锭置于110-140℃条件下，时效处理20-28h，获得铝合金成品。
本发明与现有Al-Zn-Mg-Cu系铝合金相比，通过降低Cu的含量增加Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的加工性能，与此同时，适当调高Zn和Mg的含量，从而通过提高铝合金基体内主强化相(MgZn2)的含量来弥补Cu的含量降低所减少的强度贡献；另外，去除了现有Al-Zn-Mg-Cu系铝合金中的Mn和Cr元素，并加入少量Zr和Ti细化晶粒，以降低合金化程度；同时通过联合添加Ti、Zr、Sc元素增强细化效果和硬度，并改善铸态组织，提高Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的力学性能，Sc的添加显著的提高了挤压变形后的合金的抗拉强度和屈服强度；Er的添加使Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的力学性能得到了显著的增强；同时均采用高纯度原料进行铸造，最大程度的降低了杂质的含量，从而提高了Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的延伸率。
另外，由于Al-Zn-Mg-Cu系铝合金中添加了Zr，而部分溶解在铝基体中的Zr在420℃左右易析出生成弥散分布的二次Al3Zr纳米相。为了达到让Al3Zr纳米相更加弥散均匀分布，本发明在传统的均匀化制度前加上了先升温至385-420℃并保温10-14h的均质过程，从而形成了最终的均匀化处理制度。
现有Al-Zn-Mg-Cu系铝合金产品难以同时兼顾高强和高延展率的性能，特别是抗拉强度达到645MPa以上时，而本发明制备的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的抗拉强度可达到645-700MPa，同时延伸率可达到12-15％，且加工性能好，最高挤压速度能达到0.4mm/s，在航空航天产业铝合金构件领域具有重大的意义。
实施例2：
本实施例提供一种超强高塑性Al-Zn-Mg-Cu系铝合金及其制备工艺，本实施例中的超强高韧高延伸率Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的成分包括：按重量百分比计，Zn8.5-9.2％，Mg2.3-2.45％，Cu1.2-1.6％，Er 1.3-1.5％，Sc0.1-0.15％，Zr 0.1-0.2％，Ti0.01-0.05％，杂质0-0.1％，余量为Al；本实施例中上述组分的具体重量百分比为：Zn8.5％，Mg2.31％，Cu1.5％，Er1.3％，Sc0.12％，Zr0.11％，Ti0.03％，其余为Al和各含量小于0.1％的杂质。
上述超强高韧高延伸率Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的制备流程为：配料及熔化→成分检测→精炼除渣→铸造→均匀化处理→热挤压→固溶处理→时效处理，具体步骤如下：
(1)配料：以高纯铝、工业纯锌、工业纯镁、铝铜中间合金、铝钪中间合金、铝铒中间合金、铝锆中间合金、钛剂为原料，其中，高纯铝的纯度为99.95wt％，工业纯锌的纯度为99.95wt％，工业纯镁的纯度为99.99wt％，铝铜中间合金中铜的含量占比为50wt％，铝钪中间合金中钪含量占比为2wt％，铝铒中间合金中铒含量占比为10wt％，铝锆中间合金中锆的含量占比为5wt％，钛剂中钛含量占比为75wt％；按配比折算并称取上述原料，混合，置于高温炉内加热，熔化，获得熔体；
(2)成分检测：将步骤(1)中的熔体在炉内搅拌均匀后，炉前取样铁模铸造，使用光谱仪进行检测，根据实际成分偏差进行补料；
(3)精炼除渣：具体操作步骤为：第一次通氩气喷粉精炼→静置→扒渣→→第二次通氩气喷CCl4精炼→静置→扒渣→第三次通氩气喷CCl4精炼→静置→扒渣→通氩气搅拌；上述步骤中至少重复一次通氩气喷CCl4精炼、静置、扒渣工序，此步骤中的熔体温度为740℃；
(4)铸造：铸造操作温度为710℃，铸造操作过程中通过SLE测氢仪测定氢含量，以控制熔体氢含量为0.091ml/100g；
(5)均匀化处理：缓慢升温至420℃，保温10小时，再升温至465℃，保温24小时，随后铸锭随炉冷却至310℃，出炉空冷至室温；
(6)热挤压：热挤压时控制温度为440℃，控制挤压比为23.37；
(7)固溶处理：固溶处理时先升温至465℃并保温3小时，随后在室温水中淬火；
(8)时效处理：将固溶处理后的铸锭置于120℃条件下处理24h，获得铝合金成品。
实施例3：
本实施例提供一种超强高塑性Al-Zn-Mg-Cu系铝合金及其制备工艺，本实施例中的超强高韧高延伸率Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的成分包括：按重量百分比计，Zn8.6-9.0％，Mg2.3-2.4％，Cu1.40-1.55％，Er 1.3-1.4％，Sc0.1-0.12％，Zr 0.14-0.18％，Ti0.02-0.04％，杂质0-0.06％，余量为Al；本实施例中上述组分的具体重量百分比为：Zn8.7％，Mg2.36％，Cu1.5％，Er1.4％，Sc0.12％，Zr0.15％，Ti0.04％，其余为Al和各含量小于0.1％的杂质。
上述超强高韧高延伸率Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的制备流程为：配料及熔化→成分检测→精炼除渣→铸造→均匀化处理→热挤压→固溶处理→时效处理，具体步骤如下：
(1)配料：以高纯铝、工业纯锌、工业纯镁、铝铜中间合金、铝钪中间合金、铝铒中间合金、铝锆中间合金、钛剂为原料，其中，高纯铝的纯度为99.95wt％，工业纯锌的纯度为99.95wt％，工业纯镁的纯度为99.99wt％，铝铜中间合金中铜的含量占比为50wt％，铝钪中间合金中钪含量占比为2wt％，铝铒中间合金中铒含量占比为10wt％，铝锆中间合金中锆的含量占比为5wt％，钛剂中钛含量占比为75wt％；按配比折算并称取上述原料，混合，置于高温炉内加热，熔化，获得熔体；
(2)成分检测：将步骤(1)中的熔体在炉内搅拌均匀后，炉前取样铁模铸造，使用光谱仪进行检测，根据实际成分偏差进行补料；
(3)精炼除渣：具体操作步骤为：第一次通氩气喷粉精炼→静置→扒渣→→第二次通氩气喷CCl4精炼→静置→扒渣→第三次通氩气喷CCl4精炼→静置→扒渣→通氩气搅拌；上述步骤中至少重复一次通氩气喷CCl4精炼、静置、扒渣工序，此步骤中的熔体温度为745℃；
(4)铸造：铸造操作温度控制在700℃，铸造操作过程中通过SLE测氢仪测定氢含量，以控制熔体中氢含量为0.097ml/100g；，
(5)均匀化处理：缓速升温至400℃，保温12小时，再将其升温至465℃，保温24小时，随后铸锭随炉冷却至300℃，出炉空冷至室温；
(6)热挤压：热挤压时控制温度为445℃，控制挤压比为23.38；
(7)固溶处理：固溶处理时先升温至478℃并保温2.5小时，随后在室温水中淬火；
(8)时效处理：将固溶处理后的铸锭置于132℃条件下处理23h，获得铝合金成品。
对比例：
本对比例中，铝合金的各元素含量组成按重量百分比计分别为：Zn8.2％，Mg2.2％，Cu2％，Er 1.4％，Sc0.15％，Zr0.15％，Ti0.05％，其余为Al和各含量小于0.1％的杂质。
本对比例中的铝合金的制备工艺流程为：配料及熔化→成分检测→精炼除渣→铸造→均匀化处理→热挤压→固溶处理→时效处理，具体步骤如下：
(1)配料：以高纯铝、工业纯锌、工业纯镁、铝铜中间合金、铝钪中间合金、铝铒中间合金、铝锆中间合金、钛剂为原料，其中，高纯铝的纯度为99.95wt％，工业纯锌的纯度为99.95wt％，工业纯镁的纯度为99.99wt％，铝铜中间合金中铜的含量占比为50wt％，铝钪中间合金中钪含量占比为2wt％，铝铒中间合金中铒含量占比为10wt％，铝锆中间合金中锆的含量占比为5wt％，钛剂中钛含量占比为75wt％；按配比折算并称取上述原料，混合，置于高温炉内加热，熔化，获得熔体；
(2)成分检测：将步骤(1)中的熔体在炉内搅拌均匀后，炉前取样铁模铸造，使用光谱仪进行检测，根据实际成分偏差进行补料；
(3)精炼除渣：具体操作步骤为：第一次通氩气喷粉精炼→静置→扒渣→→第二次通氩气喷CCl4精炼→静置→扒渣→第三次通氩气喷CCl4精炼→静置→扒渣→通氩气搅拌；此步骤中的熔体温度为735℃；
(4)铸造：铸造操作温度控制在700℃，铸造操作过程中通过SLE测氢仪测定氢含量，以控制熔体氢含量为0.095ml/100g；
(5)均匀化处理：对步骤(4)中获得的铸锭进行均匀化处理，先升温至400℃，保温12h，再升温至465℃，保温24h后，随炉冷却至300℃，出炉空冷至室温；
(6)热挤压：热挤压时控制温度为440℃，控制挤压比为23.38。
(7)固溶处理：先升温至465℃，保温3h，随后在室温水中淬火；
(8)时效处理：将固溶处理后的铸锭置于120℃条件下，时效处理24h，获得铝合金成品。
对实施例2中获得的铝合金成品、实施例3中获得的铝合金成品和对比例中获得的铝合金成品均进行如下检测：试样尺寸依据GB/T16865-2013采用线切割加工，拉伸试验在DDL100电子拉伸机上进行，拉伸速率为2mm/min，每种制度下取5个平行样，结果取其平均值。
上述检测结果如表1所示。
表1实施例2、实施例3和对比例中获得的铝合金的检测结果
上述实施例2和实施例3相比，实施例2中的铝合金成品的抗拉强度和屈服强度均小于实施例3中铝合金成品的抗拉强度和屈服强度，而实施例2中的铝合金成品的延伸率大于实施例3中铝合金成品的延伸率，这是由于实施例3中Zn和Mg的含量高于实施例2中Zn和Mg的含量，所以相比之下Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的强度得到了提高，而延伸率相对降低；上述实施例2相比于对比例，在仅通过铝合金主成分优化的情况下，达到强度基本相当，但延伸率获得2％的提升，同时提高了合金的挤压加工速率，使得该合金的使用成本及应用前景更加具有竞争力。
如上即为本发明的实施例。上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。