一种压力容器用高性能5083铝合金中厚板及制造方法与流程

本发明属于铝合金生产，尤其涉及一种压力容器用高性能 5083铝合金中厚板及其制造方法。

背景技术：

1、压力容器是能够承受压力的密闭容器，按其功能可分为反应型、换热型、分离型和储运型，其通常在高于标准大气压的条件下服役，加工时需要进行较大程度的变形，且多用于盛装腐蚀性介质，因此对材料的强度、塑性和耐腐蚀性能均有较高的要求。

2、5083合金属于al-mg系不可热处理强化铝合金，广泛应用于铝制焊接压力容器领域，其中5083-h112态中厚板常用于制造高承压容器的筒体或结构件。该合金属于高镁型al-mg合金。主要通过在al基体中添加mg 元素，产生明显的固溶强化效果来获得所需力学性能。随着mg含量的增加，mg元素会以β相(al3mg2)形式从铝基体中析出，因β相的腐蚀电位(-1.085v)小于基体的腐蚀电位(-0.812v)，β相会优先于al基体被腐蚀，造成合金晶间腐蚀敏感性增加。当β相沿晶界连续析出时，会在晶界上形成腐蚀通道，降低合金的耐腐蚀性能。目前工业上制备5083-h112 中厚板，多采用控制热轧终轧温度以获得要求的力学性能，但该工艺不易控制降温时的冷却速率，常导致β相优先在晶界析出，进而增加了合金的晶间腐蚀敏感性，且其在终轧温度均匀性控制方面存在不足，会导致板材不同部位的力学性能波动大。这些问题导致5083铝合金中厚板在耐腐蚀性要求高的压力容器领域未能广泛应用。因此，高性能5083合金中厚板产品的开发应兼顾提高强度、高塑性和高耐腐蚀等多方面要求。

3、中国专利cn109022952b公开了一种高强高耐晶间腐蚀5083铝合金及制备方法。其组分重量百分比为：4.39-4.76％mg，1.65-1.83％zn， 0.78％mn，0.171-0.196％，zr，0.0029-0.005％sr，其余为al和少量杂质元素。通过熔铸、均匀化退火、热压缩、热轧、稳定化退火获得成品板材。其拉伸强度达到343-385mpa，延伸率达到14.7-17.6％，晶间腐蚀的最大腐蚀深度为41.7μm-72.1μm。在5083成分基础上添加zn元素，可在晶界处形成τ(mg32(al，zn)49)相来抑制β(al3mg2)相的生成，从而降低晶间腐蚀敏感性。但该方法需添加zn、zr、sr等微量元素，而且工艺过程比较复杂，并不适合工业化生产。

4、中国专利cn109355535b公开了一种5083铝合金板材的制备方法。其组分重量百分比为：0.05-0.10％si，0.05-0.30％fe，cu≤0.05％， 0.60-0.70％mn，4.5-4.9％mg，cr≤0.1％，zn≤0.01％，ti≤0.05％，余量为 al和少量杂质元素。通过熔铸，锯铣，热轧得到要求的成品厚度。后将冷却到室温的板材在85-105℃条件下进行退火，随后立即进行低温预拉伸，得到成品板材。该方法通过低温退火和低温预拉伸处理，有效缓解了合金的应变时效效应，从而消除了合金预拉伸时表面的滑移线，提升板材的表面质量。但板材耐腐蚀性能没有提升。

5、综上所述，现有的5083铝合金中厚板产品无法满足高端压力容器用铝材所需要的高强度、高塑性和良好的耐腐蚀性能。

技术实现思路

1、针对现有压力容器用5083中厚板制备工艺难以兼顾强度和抗腐蚀性以及工艺成本较高的问题，本发明的目的在于提供一种压力容器用高性能 5083铝合金中厚板及其制造方法，所述的5083铝合金中厚板厚度 12-100mm，具有高强度、高塑性和良好的腐蚀性能等特点，满足高性能压力容器对高性能铝材的需求，扩大铝合金在压力容器罐体、结构件、支撑件领域的应用。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案是：

3、一种压力容器用高性能5083铝合金中厚板，其化学成分质量百分比为：si 0.10-0.16％，fe 0.20-0.24％，cu＜0.08％，mn 0.62-0.69％，mg 4.60-4.80％，cr 0.07-0.10％，zn<0.18％，ti 0.01-0.14％，na<0.0003％，余量为al以及其它不可避免杂质；且，fe+mn+cr<1.05％。

4、本发明所述5083铝合金中厚板的抗拉强度rm≥320mpa，屈服强度rp0.2≥175mpa，延伸率a≥25％，抗剥落腐蚀等级均为pa级，晶间腐蚀失重量＜11mg/cm2。

5、在本发明所述5083铝合金中厚板的成分设计中：

6、mg：本发明所述铝合金属于不可热处理强化铝合金，通过加入所限定含量的mg，形成mg在al基体中的固溶体，达到固溶强化的效果。当 mg的质量分数低于本发明所确定的范围时，其固溶强化效果不足以保证期望的性能。当mg的质量分数高于本发明所确定范围时，合金的抗腐蚀能力显著下降，难以满足合金耐腐蚀性能要求。因此，在本发明所述铝合金对mg的质量百分比限定在4.65-4.80％。

7、mn：添加mn可以增加α(al)基体中的弥散相(如al6(mnfe))，弥散相具有钉扎位错和亚晶界的功能，可以有效抑制再结晶，引入亚结构强化，提升铝合金的强度。弥散相也可以使β相(al3mg2)的以更均匀的方式析出，提升合金的抗腐蚀和焊接性能，特别是合金的抗应力腐蚀性能。当 mn的质量百分比大于本发明所确定范围时，会导致粗大第二相数量增多，对铝合金板材的塑性带来不利影响。因此，在本发明所述的铝合金中对 mn的质量占比限定在0.62-0.69％。

8、cr：添加cr元素同样可以达到抑制再结晶、控制晶粒组织和第二相强化的效果。固溶于铝中的cr元素对铝的腐蚀电位几乎没有影响，少量的cr元素能提高合金的耐蚀性能。但cr元素易与fe、mn结合形成粗大结晶相，对板材塑性和成形性造成不利影响，因此，在本发明所述的铝合金中对cr的质量占比限定在0.07-0.10％。

9、ti：在铸造阶段加入ti元素主要起细化晶粒作用，通常以altib0.2 形式添加到熔体中，当ti的质量百分比小于0.01％时，ti的晶粒细化作用不明显；当ti的质量占比大于0.15％时，由于室温下ti在α(al)基体中的溶解度比较低，极易析出针状al3ti相，针状相在轧制过程中不易破碎，对铝合金强度和塑性带来不利影响。因此，本发明所述的铝合金板对ti 的质量占比限定在0.01-0.14％。

10、fe：fe元素在铝合金成分中属于难以避免的杂质元素。过量的fe易在凝固过程形成粗大的结晶相(例如β-alfesi相)，此类结晶相在后续工艺过程中难以消除，因此会对铝合金板材的强度、塑性和耐腐蚀性能产生不利影响。故将fe的质量分数限定为：0.20-0.24％。

11、si：si元素在铝合金成分中属于难以避免的杂质元素。在铝熔体凝固过程中，si会与mg结合形成mg2si相，由于mg含量过剩，降低了mg2si 相在基体中的溶解度，mg2si结晶相对合金强化作用不大，又会降低合金的塑性，且si元素会对降低合金耐腐蚀性能。故将si的质量分数限定为： 0.10-0.16％。

12、cu：cu元素的存在会对合金耐腐蚀性能带来不利影响，故控制其质量分数低于0.08％。

13、zn：zn也属于有害杂质元素，故控制其质量分数低于0.18％。

14、本发明所述的铝合金中对fe、mn、cr三种元素的质量分数总和有明确的上限控制。在铝熔体凝固阶段，fe、mn和cr元素之间易结合形成粗大结晶相，如alfemnsi，al18(crmn)2mg3等相。该类结晶相通常以针、片状形式存在于铝基体中，变形时不易破碎，严重损害合金的强度和塑性，故本发明对三种元素的总和加以控制，即fe+mn+cr<1.05％。

15、本发明所述铝合金对na元素有严格的控制。当na元素含量超出其固态溶解度时，na会以游离态形式聚集在晶界上，并形成脆性球状质点。严重损害合金的铸造和热加工性能，故要求na的质量分数不超过 0.0003％。

16、本发明所述的压力容器用高性能5083铝合金中厚板的制造方法，其包括以下步骤：

17、1)熔铸

18、按照前述铝合金化学成分准备原材料，在720-750℃的条件下进行熔炼，在熔体温度700-730℃条件下经过在线精炼和过滤，要求熔体的h 含量≤0.12ml/100gal，并在熔体温度680-700℃条件下铸成扁铸锭；

19、2)锯切铣面

20、将铝合金铸锭切头尾、铣面，头尾切除量保证在100mm及以上，铣面时大面单侧铣面量为10-15mm，小面单侧铣面量为8-10mm；

21、3)均匀化

22、将铝合金铸锭在加热炉中加热到460～500℃，保温10～16h，然后出炉；

23、4)热轧

24、将铝合金铸锭在热轧机上轧至成品厚度的铝合金板材，终轧温度 310-330℃，热轧结束后在1个小时内冷却到200℃以下。

25、5)退火

26、将铝合金板材在退火炉中加热至330-355℃，退火保温时间0.5-1h；

27、6)预拉伸

28、将铝合金板材进行拉伸度1.5-2.5％的预拉伸，退火后的停放时间不超过 8h。

29、优选的，步骤1)熔铸中，熔化过程中开启电磁搅拌；当铝合金原材料全部熔化后，加入mg、mn合金添加剂，并进行扒渣、成分测试及调整；熔体转移至保温炉后，进行炉内cl2+ar混合气体精炼，成分合格后，熔体静置10-40分钟。

30、优选的，所述步骤2)锯切铣面中，将铝合金铸锭切头尾，头尾切除量保证在100mm及以上，铣面时大面单侧铣面量为10-15mm，小面单侧铣面量为8-10mm。

31、本发明要求5083铝合金铸锭在热轧前进行均匀化处理。均匀化过程可以消除或减少晶内偏析以及快速冷却所产生的内应力，促进低熔点共晶相回溶，改善铸锭的热塑性，并促进含mn、cr弥散相的析出。为避免晶粒和弥散相长大，应将均匀化温度控制在460～500℃之间，均匀化时间不宜超过16h。

32、退火后对板材进行预拉伸，不仅可以改善板形，且能在材料内部引入大量位错，为β相(al3mg2)提供更多形核位置，促进其在晶内和晶界均匀析出，避免造成β相沿晶界连续析出而形成腐蚀通道，降低合金的剥落腐蚀(exco)和晶间腐蚀(igc)敏感性。

33、本发明的有益效果：

34、本发明对合金中fe、si元素质量分数进行了严格限制，从而降低组织中fe、si粗大硬脆相的占比，从常规情况下的0.040降低到0.023(相分数/％)，从而提升了合金塑性和耐腐蚀性能。

35、本发明对合金中fe、mn、cr元素的质量分数总和加以限制，减少上述元素结合形成的粗大化合物占比，提升材料的强度和塑性。

36、本发明所述制造方法在熔体熔炼铸造过程中，熔体净化采用炉内及在线精炼，双级陶瓷板过滤及晶粒细化等工艺，使铸锭冶金质量满足：晶粒度1级；[h]≤0.12ml/100gal；na<0.0003％。产品力学性能达到了抗拉强度 rm≥320mpa，屈服强度rp0.2≥175mpa，延伸率a≥25％，明显优于普通 5083合金力学性能要求(抗拉强度rm≥275mpa，屈服强度 rp0.2≥125mpa，延伸率a≥10％)。

37、本发明采用热轧+退火+预拉伸的制造工艺，退火后对板材进行预拉伸，不仅可以改善板形，且能在材料内部引入大量位错，为β相(al3mg2) 提供更多形核位置，促进其在晶内和晶界均匀析出，避免β相沿晶界连续析出而形成腐蚀通道，降低合金的剥落腐蚀(exco)和晶间腐蚀(igc)敏感性。按照astm g66验证板材抗剥落腐蚀能力，腐蚀评级均为pa级。按照astm g67验证板材的抗晶间腐蚀能力，失重量为6.2-10.9mg/cm2，满足抗晶间腐蚀材料的要求(失重量1-15mg/cm2)。本发明制造工艺可以使产品性能更稳定，更均匀，可获得高品质的压力容器用5083铝合金中厚板，具有广泛的市场前景和显著的经济效益。