一种超高强度、高韧性Al-Zn-Mg-Cu铝合金及其制备方法

本发明属于新材料设计与开发技术领域，特别是提供了一种超高强度、高韧性al-zn-mg-cu铝合金及其制备方法，满足航空航天领域对高性能铝合金材料的需求。

背景技术：

高强高韧铝合金具有比强度高、耐蚀性强、可加工性和可回收性良好等优点，是航空航天、轨道交通等领域的关键结构材料。7050(us3881966)、7055(us5221377a)、7136(us7214281b2)等是目前代表性的高性能航空铝合金，工业生产条件下抗拉强度可达600～650mpa、断后伸长率8～10％、断裂韧性33～35mpa·m^1/2以上。随着飞机、高速铁路列车等运输工具向轻量化、超高速、低成本的方向发展，对高强高韧铝合金提出了更高的综合性能要求，例如，希望未来航空用高性能铝合金抗拉强度达到700～800mpa，而韧性、可加工性和耐蚀性等其他主要性能指标与目前广泛应用的先进7050和7055、7136铝合金相当。

目前，开发高性能航空用铝合金的主要途径为成分优化与工艺调控。通过进一步提高zn、mg、cu等主元素的含量，增加晶内析出相密度，可提高铝合金的强度，但主元素总含量的增加往往导致合金的塑性、断裂韧性急剧下降，从而降低材料的综合性能(us8961715b2)；添加稀土元素如sc(cn107058827a)、er(cn110042287a)、sr(cn101509091)，形成弥散相来钉扎晶界、亚晶界和位错，可起到弥散强化、细晶强化的效果，实现合金综合性能的提升，但稀土价格昂贵，并不适合大规模生产高强高韧铝合金结构材料；通过调控合金元素含量匹配关系有望提升合金性能，然而高强高韧铝合金的成分复杂，成分空间庞大，难以通过传统经验试错法寻找到合适的成分配比。

为此，本申请采用机器学习方法分析公开报道的al-zn-mg-cu系铝合金成分-性能数据，优化了合金中zn、mg、cu、cr、mn、zr、ti等元素含量，开发了一种常规工艺处理、不含稀土元素的超高强度、高韧性铝合金，合金抗拉强度>700mpa，延伸率>9％，断裂韧性>33mpa·mm^1/2，可以很好满足新一代航空用铝合金的力学性能需求。

技术实现要素：

本发明针对目前高强高韧铝合金的强度、塑性、韧性难以同时满足下一代航空用铝合金性能需求的问题，采用数据驱动的机器学习方法，开发了一种新型超高强、高韧性铝合金，简称超强高韧铝合金。

一种超强高韧al-zn-mg-cu铝合金，其特征在于：zn含量为8.30wt％-9.50wt％，mg含量为2.00wt％-2.50wt％，cu含量为1.30wt％-1.80wt％，mn含量为0.05wt％-0.15wt％，cr含量为0.10wt％-0.20wt％，zr含量为0.10wt％-0.20wt％，ti含量为0.05wt％-0.10wt％，fe、si杂质元素总和<0.25wt％，余量为al。

如上所述超强高韧al-zn-mg-cu铝合金的制备方法，其制备步骤如下：

(1)铸造：以纯铝、工业纯锌、工业纯镁、铝铜中间合金(al-50wt％cu)、铝锰中间合金(al-10wt％mn)、铝铬中间合金(al-5wt％cr)、铝锆中间合金(al-10wt％zr)、铝钛中间合金(al-10wt％ti)为原料，熔炼高强高韧铝合金，熔炼温度控制在700-750℃，然后浇铸成铸锭、脱膜空冷；

(2)均匀化：将(1)中熔炼的铸锭升温至380-420℃，保温20-30h，再升温至450-500℃，保温20-30h后，出炉空冷至室温；

(3)热挤压：将(2)中均匀化的铸锭在380-420℃保温1.5-2.5h进行挤压，挤压筒、模具、挤压垫的温度为400-450℃，挤压比为9-50；

(4)固溶处理：将(3)中获得热挤压加工后的坯料进行三级固溶处理；

(5)时效处理：将(4)中固溶处理后的坯料进行单级时效处理，获得超高强高韧铝合金。

进一步地，步骤(4)所述固溶处理工艺为：将步骤(3)中热挤压加工后的坯料升温至430-450℃，保温1-2h，然后继续升温至460-480℃，保温1-2h，最终升温至470-490℃，保温0.5-1h，随后室温水淬；

进一步地，步骤(5)所述时效处理温度为110-130℃，保温时间为10-50h。

本发明技术要点：

本发明采用机器学习方法分析了公开报道的al-zn-mg-cu系铝合金成分-性能数据，优化了合金中zn、mg、cu、cr、mn、zr、ti等元素含量，获得了合金优异的强塑性匹配综合性能。与“7050、7055、7136等高强高韧铝合金”相比，本发明提高了zn元素含量以提高合金强度，降低了cu、fe、si等元素含量以提高合金塑韧性，添加了cr、mn、ti等元素与主元素搭配，加之与其相匹配的热处理工艺，使得合金的显微组织形貌更加均匀、固溶组织中很少未熔相(见图1)，时效后合金形成多层次多尺度的析出强化相(见图2)以及新型al-zn-mg-cu系铝合金中典型gp区与η′相(见图3)，促使合金同时实现超高强度和高塑韧性。

本发明的优点：

(1)现有先进的7050、7055、7136等al-zn-mg-cu系高强高韧铝合金，难以保持高塑性、高韧性的同时，大幅度提升合金的抗拉强度，而本发明设计的al-zn-mg-cu铝合金在保持延伸率(>9％)和断裂韧性(>33mpa·mm^1/2)与7050、7055、7136等合金基本相同的条件下，大幅度提升合金强度(>700mpa)。

(2)与7050、7055、7136等合金相比，本发明通过显著降低cu元素的含量、提高cr元素的含量，以及其它合金成分的合理匹配，经固溶+时效处理后，合金基体中几乎不存在未熔微米级颗粒相，同时形成多层次多尺度的析出强化相，促使合金同时实现超高强度和高韧性。

(3)本发明铝合金采用常规铝合金材料工业生产工艺制造：铸造→均匀化→热挤压→固溶处理→时效处理，且合金不含昂贵的稀土元素，适合大规模工业化生产和应用。

附图说明

图1为新型al-zn-mg-cu系铝合金的固溶显微组织形貌，

图2为新型al-zn-mg-cu系铝合金中典型析出相形貌，

图3为新型al-zn-mg-cu系铝合金中典型gp区与η′相形貌。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

实施例1：

一种超强高韧al-zn-mg-cu铝合金，其特征在于：zn含量为8.30wt％，mg含量为2.38wt％，cu含量为1.75wt％，mn含量为0.05wt％，cr含量为0.10wt％，zr含量为0.10wt％，ti含量为0.08wt％，fe含量为0.01wt％，si含量为0.01wt％，余量为al。

本发明合金的制备方法如下：

(1)铸造：以纯铝、工业纯锌、工业纯镁、铝铜中间合金(al-50wt％cu)、铝锰中间合金(al-10wt％mn)、铝铬中间合金(al-5wt％cr)、铝锆中间合金(al-10wt％zr)、铝钛中间合金(al-10wt％ti)为原料，熔炼高强高韧铝合金，熔炼温度控制在725℃，然后浇铸成铸锭、脱膜空冷；

(2)均匀化：将(1)中熔炼的铸锭升温至400℃，保温24h，再升温至470℃，保温24h后，出炉空冷至室温；

(3)挤压：将(2)中均匀化的铸锭在400℃保温2h进行挤压，挤压筒、模具、挤压垫的温度分别为420℃，挤压比为9；

(4)固溶处理：将(3)中热挤压加工后的坯料升温至440℃，保温1h，然后继续升温至460℃，保温1h，最终升温至480℃，保温0.5h，随后室温水淬；

(5)时效处理：将(4)中固溶处理后的坯料在120℃保温24h进行时效处理，获得超高强高韧铝合金材料。

合金综合性能为：抗拉强度＝710±6mpa，延伸率＝9.5±0.4％，断裂韧性＝33.9±0.5mpa·mm^1/2。

实施例2：

一种超强高韧al-zn-mg-cu系铝合金，其特征在于：zn含量为8.95wt％，mg含量为2.30wt％，cu含量为1.76wt％，mn含量为0.10wt％，cr含量为0.15wt％，zr含量为0.10wt％，ti含量为0.06wt％，fe含量为0.02wt％，si含量为0.01wt％，余量为al。

本发明合金的制备方法如下：

(1)铸造：以纯铝、工业纯锌、工业纯镁、铝铜中间合金(al-50wt％cu)、铝锰中间合金(al-10wt％mn)、铝铬中间合金(al-5wt％cr)、铝锆中间合金(al-10wt％zr)、铝钛中间合金(al-10wt％ti)为原料，熔炼高强高韧铝合金，熔炼温度控制在730℃，然后浇铸成铸锭、脱膜空冷；

(2)均匀化：将(1)中熔炼的铸锭升温至400℃，保温24h，再升温至475℃，保温24h后，出炉空冷至室温；

(3)挤压：将(2)中均匀化的铸锭在410℃保温2h进行挤压，挤压筒、模具、挤压垫的温度为430℃，挤压比为12；

(4)固溶处理：将(3)中热挤压加工后的坯料升温至445℃，保温1h，然后继续升温至475℃，保温1h，最终升温至485℃，保温0.5h，随后室温水淬；

(5)时效处理：将(4)中固溶处理后的坯料在120℃保温24h进行时效处理，获得超高强高韧铝合金材料。

合金综合性能：抗拉强度＝725±5mpa，延伸率＝9.0±0.2％，断裂韧性＝33.2±0.2mpa·mm^1/2。

实施例3：

一种超强高韧al-zn-mg-cu系铝合金，其特征在于：zn含量为9.31wt％，mg含量为2.10wt％，cu含量为1.70wt％，mn含量为0.11wt％，cr含量为0.17wt％，zr含量为0.12wt％，ti含量为0.07wt％，fe含量为0.02wt％，si含量为0.01wt％，余量为al。

本发明合金的制备方法如下：

(1)铸造：以纯铝、工业纯锌、工业纯镁、铝铜中间合金(al-50wt％cu)、铝锰中间合金(al-10wt％mn)、铝铬中间合金(al-5wt％cr)、铝锆中间合金(al-10wt％zr)、铝钛中间合金(al-10wt％ti)为原料，熔炼高强高韧铝合金，熔炼温度控制在740℃，然后浇铸成铸锭、脱膜空冷；

(2)均匀化：将(1)中熔炼的铸锭升温至410℃，保温24h，再升温至480℃，保温24h后，出炉空冷至室温；

(3)挤压：将(2)中均匀化的铸锭在410℃保温2h进行挤压，挤压筒、模具、挤压垫的温度分别为440℃，挤压比为18；

(4)固溶处理：将(3)中热挤压加工后的坯料升温至450℃，保温1h，然后继续升温至470℃，保温1h，最终升温至480℃，保温0.5h，随后室温水淬；

(5)时效处理：将(4)中固溶处理后的坯料在120℃保温24h进行时效处理，获得超高强高韧铝合金材料。

合金综合性能：抗拉强度＝732±6mpa，延伸率＝9.2±0.1％，断裂韧性＝33.0±0.3mpa·mm^1/2。