本发明涉及一种高强度铝合金线材及其制备方法与应用，尤其涉及一种高强度铝合金铆钉线材及其制备方法，属于铝合金。
背景技术：
1、7×××高强度铝合金具有高强度、高韧性和良好的淬透性，该系合金广泛应用于航空航天、轨道交通等领域。因铝合金的焊接性能较差，航空航天铝合金结构件多采用铆接的方式进行连接，al-zn-mg-cu系列铝合金由于具备较好的剪切强度和铆接性能，非常适合制造铆钉线材，然而目前高强铝合金铆钉线材的生产效率较低，难以通过自动化设备连续高效率地生产铝合金铆钉。如何实现高效率低成本生产制备大卷重无接头的航空航天用高强铝合金铆钉线材，是本领域迫切需要解决的问题。
2、目前制备高强度航空航天铝合金铆钉线材的工艺主要是通过半连续铸造+挤压制备线坯的方式，其存在成材率低、工序复杂、难以大规模生产的缺点。如cn106756333a公开了一种al-zn-mg-cu高强度航天铝合金铆钉线材的制备方法，该方法即采用上述工艺，通过半连续铸造+挤压制备线坯的方式制备得到铝合金铆钉线材。
3、因此，开发一种新型的高强度铝合金线材及其制备方法，成为了本领域亟待解决的问题之一。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种高强度铝合金线材及其制备方法与应用。本发明提供的高强度铝合金线材具有较高的强度，其制备方法具有成本低、适合大批量生产等优点，该高强度铝合金线材适合作为高强度铆钉线材。
2、为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种高强度铝合金线材，以所述高强度铝合金线材的总重量为100％计，其包括以下元素组成：zn 4.5-5.5％，mg 1.2-1.8％，cu1.5-1.8％，si≤0.05％，fe≤0.15％，mn≤0.05％，cr≤0.05％，ti 0.1-0.3％，余量为al和不可避免的杂质元素。
3、根据本发明的具体实施方式，优选地，以所述高强度铝合金线材的总重量为100％计，其包括以下元素组成：zn 4.5-5.5％，mg 1.2-1.8％，cu 1.5-1.8％，si 0.03-0.05％，fe 0.13-0.15％，mn 0.03-0.05％，cr 0.03-0.05％，ti 0.15-0.25％，余量为al和不可避免的杂质元素。
4、在上述的高强度铝合金线材中，优选地，以所述高强度铝合金线材的总重量为100％计，其元素组成中的单个杂质元素的含量≤0.03％，杂质元素的总含量≤0.2％；更优选地，单个杂质元素的含量≤0.03％，杂质元素的总含量≤0.15％。
5、根据本发明的具体实施方式，优选地，所述高强度铝合金线材是通过至少以下步骤制备得到的：按照所述高强度铝合金线材的元素组成及重量百分比，将原料至少进行熔炼、精炼、超声处理、连续铸造、连续轧制、退火处理、第一次拉拔、固溶处理、第二次拉拔、时效处理等步骤，制备得到所述的高强度铝合金线材。
6、在上述高强度铝合金线材中，优选地，在所述高强度铝合金线材的制备步骤中，所采用的原料包括铝锭、锌锭、镁锭、硅剂、铁剂、铝钛合金、铝铜合金、铝铬合金以及铝锰合金。
7、在上述高强度铝合金线材中，优选地，在所述高强度铝合金线材的制备步骤中，所述精炼包括炉内精炼和在线精炼。
8、更优选地，所述炉内精炼包括：通入高纯氩气在730～740℃对熔炼后的熔体进行炉内精炼，炉内精炼的时间为10～15分钟；然后对熔体进行扒渣以将表面浮渣彻底扒净，之后调整熔体的温度为700～710℃，静置30～40分钟。在本发明的上述温度范围(即，730～740℃)进行炉内精炼，既有利于熔体除气除渣精炼，又不会形成氮化物导致熔体质量下降。
9、更优选地，所述在线精炼包括：对炉内精炼后的熔体进行在线除气和在线过滤。进一步优选地，所述在线精炼包括：使用旋转喷吹除气箱对炉内精炼后的熔体进行在线除气，以及使用双级泡沫陶瓷过滤板对在线除气后的熔体进行在线过滤，从而进一步提高熔体洁净度。其中，更优选地，所述旋转喷吹除气箱的除气介质为体积比为98:2的氩气和氯气的混合气体，喷嘴转速为400～500r/min。经在线除气可使熔体中氢含量＜0.12ml/100g，并且本发明的在线除气具有良好的除钠效果。更优选地，所述双级泡沫陶瓷过滤板的孔隙率为20/60ppi。所述双级泡沫陶瓷过滤板即为双层泡沫陶瓷过滤板，采用上层网孔大(20ppi)、下层网孔小(60ppi)的两层泡沫陶瓷材料制成，在一块过滤板上同时拥有两种不同ppi网孔，具有过滤范围更广、过滤精度更高的优点。
10、在上述高强度铝合金线材中，优选地，在所述高强度铝合金线材的制备步骤中，所述超声处理包括：对精炼后的熔体进行在线超声处理，超声波功率为1～4kw，频率为18～22khz。本发明对在线精炼后的熔体进行在线超声处理，利用超声波在熔体中造成的局部过冷形成大量异质形核核心，使熔体在铸造时形成细小均匀的晶粒组织，改善合金铸造性能和塑性加工性能。
11、在上述高强度铝合金线材中，优选地，在所述高强度铝合金线材的制备步骤中，所述连续铸造包括：使经超声处理后的熔体进入轮式结晶器，对熔体进行连续铸造，所述轮式结晶器具有液位自动控制系统和结晶轮分区独立冷却系统，熔体在轮式结晶器内冷却，凝固，形成铸坯。本发明所采用的连续铸造设备为现有技术中存在的设备，本领域技术人员可以根据本发明的上述限定在现有的连续铸造设备中进行选择。更优选地，浇铸温度为690～700℃，铸造速度为6～10m/min，冷却水温度为15～40℃，冷却水压力为0.3～0.6mpa。更优选地，所述铸坯的截面积为1800～2400mm2。采用本发明的连续铸造工艺能够确保铸态合金的冶金组织均匀稳定。
12、在上述高强度铝合金线材中，优选地，在所述高强度铝合金线材的制备步骤中，所述连续轧制包括：对所述铸坯进行在线铣面以去除表面氧化皮，随后使铸坯进入连轧机组进行连续轧制，并控制入轧温度为460～470℃，经在线冷却后，得到铝合金杆材。更优选地，连轧机组为12机架二辊轧机，所述轧机为独立动力传动，采用平-立交替布置，相邻机架轧辊孔型分别为椭圆和圆形。更优选地，所述在线冷却采用在线冷却水进行冷却。本发明所采用的连续轧制设备为现有技术中存在的设备，本领域技术人员可以根据本发明的上述限定在现有的连续轧制设备中进行选择。更优选地，所述铝合金杆材的直径为9～10mm。
13、在上述高强度铝合金线材中，优选地，在所述高强度铝合金线材的制备步骤中，所述退火处理包括：对所述铝合金杆材进行退火处理，退火温度为370～420℃，保温时间为3～5h，保温结束后缓慢冷却至室温，得到退火处理后的铝合金杆材。经过本发明的退火软化，大幅提高了铝合金杆材的塑性，便于后序进行拉拔加工。
14、在上述高强度铝合金线材中，优选地，在所述高强度铝合金线材的制备步骤中，所述第一次拉拔包括：采用四连拉设备(例如，四连拉丝机)对所述退火处理后的铝合金杆材进行拉拔加工，道次变形量在10～25％，得到铝合金线坯。更优选地，所述铝合金线坯的直径为5～7mm。
15、在上述高强度铝合金线材中，优选地，在所述高强度铝合金线材的制备步骤中，所述固溶处理包括：对所述铝合金线坯进行固溶处理，固溶温度为430～450℃，保温时间为2～3h，得到固溶处理后的铝合金线坯。本发明的固溶处理一方面使合金元素回溶形成过饱和固溶体，另一方面使冷作硬化的铝合金线坯发生再结晶，改善线坯塑性，便于后序继续进行拉拔加工。
16、在上述高强度铝合金线材中，优选地，在所述高强度铝合金线材的制备步骤中，所述第二次拉拔包括：对所述固溶处理后的铝合金线坯进行拉拔并同步进行剥皮，拉拔的道次变形量在10～15％，剥皮的厚度为0.02～0.05mm，得到铝合金线材。经本发明的第二次拉拔后，得到光亮的铝合金线材。更优选地，所述铝合金线材的直径为2～5mm。
17、在上述高强度铝合金线材中，优选地，在所述高强度铝合金线材的制备步骤中，所述时效处理包括：对第二次拉拔得到的铝合金线材进行时效处理，时效温度为120～140℃，保温时间为10～15h，得到所述的高强度铝合金线材。
18、根据本发明的具体实施方式，优选地，所述高强度铝合金线材的抗拉强度≥500mpa、剪切强度≥300mpa、延伸率≥7.0％。更优选地，所述高强度铝合金线材的抗拉强度≥540mpa、剪切强度≥350mpa、延伸率≥7.5％。
19、本发明第二方面提供了一种上述的高强度铝合金线材的制备方法，其包括以下步骤：按照所述高强度铝合金线材的元素组成及重量百分比，将原料至少进行熔炼、精炼、超声处理、连续铸造、连续轧制、退火处理、第一次拉拔、固溶处理、第二次拉拔、时效处理等步骤，制备得到所述的高强度铝合金线材；
20、其中，所述固溶处理的温度为430～450℃，保温时间为2～3h；
21、所述时效处理的温度为120～140℃，保温时间为10～15h。
22、在上述的制备方法中，优选地，所述精炼包括炉内精炼和在线精炼。
23、更优选地，所述炉内精炼包括：通入高纯氩气在730～740℃对熔炼后的熔体进行炉内精炼，炉内精炼的时间为10～15分钟；然后对熔体进行扒渣，之后调整熔体的温度为700～710℃，静置30～40分钟。
24、更优选地，所述在线精炼包括：对炉内精炼后的熔体进行在线除气和在线过滤。进一步优选地，所述在线精炼包括：使用旋转喷吹除气箱对炉内精炼后的熔体进行在线除气，以及使用双级泡沫陶瓷过滤板对在线除气后的熔体进行在线过滤，从而进一步提高熔体洁净度。其中，更优选地，所述旋转喷吹除气箱的除气介质为体积比为98:2的氩气和氯气的混合气体，喷嘴转速为400～500r/min。经在线除气可使熔体中氢含量＜0.12ml/100g，并且本发明的在线除气具有良好的除钠效果。更优选地，所述双级泡沫陶瓷过滤板的孔隙率为20/60ppi。所述双级泡沫陶瓷过滤板即为双层泡沫陶瓷过滤板，采用上层网孔大(20ppi)、下层网孔小(60ppi)的两层泡沫陶瓷材料制成，在一块过滤板上同时拥有两种不同ppi网孔，具有过滤范围更广、过滤精度更高的优点。
25、在上述的制备方法中，优选地，所述超声处理包括：对精炼后的熔体进行在线超声处理，超声波功率为1～4kw，频率为18～22khz。
26、在上述的制备方法中，优选地，所述连续铸造包括：使经超声处理后的熔体进入轮式结晶器，对熔体进行连续铸造，所述轮式结晶器具有液位自动控制系统和结晶轮分区独立冷却系统，熔体在轮式结晶器内冷却，凝固，形成铸坯。更优选地，浇铸温度为690～700℃，铸造速度为6～10m/min，冷却水温度为15～40℃，冷却水压力为0.3～0.6mpa。更优选地，所述铸坯的截面积为1800～2400mm2。
27、在上述的制备方法中，优选地，所述连续轧制包括：对所述铸坯进行在线铣面(以去除表面氧化皮)，随后使铸坯进入连轧机组进行连续轧制，并控制入轧温度为460～470℃，经在线冷却后，得到铝合金杆材。更优选地，所述连轧机组为12机架二辊轧机，所述轧机为独立动力传动，采用平-立交替布置，相邻机架轧辊孔型分别为椭圆和圆形。更优选地，所述在线冷却采用在线冷却水进行冷却。更优选地，所述铝合金杆材的直径为9～10mm。
28、在上述的制备方法中，优选地，所述退火处理包括：对所述铝合金杆材进行退火处理，退火温度为370～420℃，保温时间为3～5h，保温结束后缓慢冷却至室温，得到退火处理后的铝合金杆材。
29、在上述的制备方法中，优选地，所述第一次拉拔包括：采用四连拉设备(例如，四连拉丝机)对退火处理后的铝合金杆材进行拉拔加工，道次变形量在10～25％，得到铝合金线坯。更优选地，所述铝合金线坯的直径为5～7mm。
30、在上述的制备方法中，优选地，所述固溶处理包括：对所述铝合金线坯进行固溶处理，固溶温度为430～450℃，保温时间为2～3h，得到固溶处理后的铝合金线坯。
31、在上述的制备方法中，优选地，所述第二次拉拔包括：对固溶处理后的铝合金线坯进行拉拔并同步进行剥皮，拉拔的道次变形量在10～15％，剥皮的厚度为0.02～0.05mm，得到铝合金线材。本发明的第二次拉拔可以采用本领域常规的拉拔与剥皮设备，本发明不对其进行具体限定。更优选地，所述铝合金线材的直径为2～5mm。
32、在上述的制备方法中，优选地，所述时效处理包括：对第二次拉拔得到的铝合金线材进行时效处理，时效温度为120～140℃，保温时间为10～15h，得到所述的高强度铝合金线材。
33、本发明第三方面提供了一种上述的高强度铝合金线材作为高强度铝合金铆钉线材的应用。
34、本发明提供了一种高强度铝合金线材及其制备方法与应用，尤其是提供了一种高强度铝合金铆钉线材及其制备方法。本发明提供的高强度铝合金线材的抗拉强度≥500mpa、剪切强度≥300mpa、延伸率≥7.0％，且具有良好的表面质量。本发明研发了高强度铝合金线材的特定元素组成，通过调控合金元素和杂质元素的含量在本发明的范围内，能够降低铸态合金硬度，并使合金具有较好的铸造性能和塑性加工性能。并且，本发明采用连铸连轧工艺制备杆坯，克服了当前采用的挤压工艺存在的成材率低、工序复杂、难以大规模生产的缺点，可以批量化生产具有均匀性能和表面质量的铆钉线材。同时，在铸造过程中，由于铝合金材料凝固范围宽、热裂倾向较高，本发明还引入超声波在线处理进行晶粒细化，超声波在熔体中造成的局部过冷形成大量异质形核核心，使熔体在铸造时形成细小均匀的晶粒组织，结合本发明的铸造工艺，确保铸态晶粒尺寸细小、均匀，避免铸坯发生铸造裂纹，改善合金铸造性能和塑性加工性能。此外，本发明的第一次拉拔和第二次拉拔均采用冷拔工艺，该过程中产生的大量合金内部位错为析出提供了形核点，促进了析出强化效应，通过加工硬化和时效强化相结合的方式，使本发明提供的高强度铝合金线材获得了良好的抗拉强度、剪切强度和伸长率的综合性能。因此，本发明提供的高强度铝合金线材具有较高的强度，其制备方法具有成本低、适合大批量生产等优点，该高强度铝合金线材适合作为高强度铆钉线材。