一种防爆轰铝合金及其制备方法与流程

本发明属于铝合金，具体涉及一种防爆轰铝合金及其制备方法。

背景技术：

1、我国现有防地雷特种防护车辆的车底防护组件均质材料仅是防爆钢，但随着先进特种防护车辆轻量化和高机动性要求的不断提升，轻质防爆轰材料得到应用。经研究发现，铝合金吸收地雷的爆炸能量优于钢；与钢相比，采用铝合金作为防爆轰组件能够减少爆炸物和板材之间的距离，有利于车底到爆炸点距离的设计，但是目前我国没有研制出可应用的防爆轰均质铝合金材料。

技术实现思路

1、本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种中高强度、具有优异的塑韧性、耐冲击性、耐腐蚀性、变形加工等综合性能优异的防爆轰铝合金。

2、本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种防爆轰铝合金，其特征在于：该铝合金的质量百分比组成为zn：6.5～8.5wt％，mg：1.0～2.0wt％，cu：1.0～2.5wt％，zr：0.05～0.15wt％，sc：0.0001～0.15wt％，ti：0.0001～0.06wt％，fe≤0.08wt％，si≤0.05wt％，其余为al和不可避免的杂质。

3、作为优选，该铝合金的晶粒沿铝合金加工方向呈带状，晶粒的宽度12～60μm，各晶粒由多个亚晶粒组成，亚晶粒为多边形结构且呈条形，亚晶粒尺寸在0.5～4μm，亚晶粒的长度与铝合金加工方向一致。本发明中晶粒由多个亚晶粒组成，获得了较高屈服强度与高塑韧性的匹配，最终实现铝合金高冲击吸能作用。

4、作为优选，该铝合金的微观组织包括基体相、析出相，析出相包括η＇-mgzn2、η-mgzn2、al2cumg、al3sczr相，其中，晶内析出相占总相面积含量的27％～48％，晶内析出相粒子大小在2～20nm，晶界处析出相不连续分布在晶界处，晶界处析出相粒子大小在4～30nm。

5、析出相包括晶内析出相、晶界析出相。控制晶内析出相的大小、面积占比在该范围内主要是为了获得一定强塑性的匹配。晶界析出相是先于晶内析出相形成的(优先析出)，所以晶界析出相粒子尺寸会比晶内析出相粒子尺寸大，调控晶界析出相不连续析出分布提高合金的断裂韧性。

6、作为优选，所述晶内析出相粒子η＇-mgzn2占晶内析出相含量70％以上，该粒子与基体相呈现半共格或非共格关系。η＇-mgzn2主要贡献基体的强度，η＇-mgzn2与晶内析出相粒子配合使得基体中等强度，高速冲击吸能效果更好。

7、作为优选，该铝合金的抗拉强度为450～500mpa，屈服强度为380～450mpa，延伸率a≥14.0％，布氏硬度hbw≥130，冲击功ku2≥30j，断裂韧性值kic≥40mpa·m1/2。

8、本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种防爆轰铝合金的制备方法。

9、本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：一种防爆轰铝合金的制备方法，其特征在于：该铝合金的制备步骤程包括：

10、1)熔铸：按所需成分进行配料、熔炼，将熔体浇注获得铸锭；

11、2)均匀化退火：将铸锭在450～485℃下保温12～36h；

12、3)热轧：变形温度为400～450℃，总加工率≥75％，将铸锭加工成板材；

13、4)固溶淬火处理：将板材在450～485℃保温0.5～3h，常温水冷；

14、5)双级时效处理：一级时效工艺为将加热炉升温至100～150℃，板材放入加热炉内，待板材到温后保温3h～10h；二级时效工艺为将加热炉继续升温至160～190℃，待板材到温后保温6h～20h，出炉常温空冷。

15、双级时效处理工艺是实现铝合金具有优异的塑韧性、耐冲击性的关键控制手段，一级时效处理获得晶内细小的沉淀析出相和呈连续分布的部分晶界析出相，晶内析出相尺寸是＜10nm、体积含量是10％左右，其贡献合金所需的主要硬度和强度，此时的亚晶粒主要呈拉长的带状。在一级时效的基础上，二级时效处理进一步析出和熟化晶内沉淀析出相，使沉淀析出相保持一定的尺寸，尺寸在2～20nm，面积含量在27％～48％，析出相间距在20～40nm，使得晶内析出相呈现弥散强化，均匀分布在基体相中，进一步略微提升合金的强度同时获得较高的韧性。二级时效处理后，伴随进一步沉淀析出细小的析出相，多尺度的析出相进一步贡献合金的硬度和强度，同时粗化晶界析出相以不连续分布提高合金的断裂韧性。二级时效后亚晶粒的细化，多边形亚晶粒尺寸在0.5～4μm，获得较高的屈服强度，较高屈服强度与高塑韧性的匹配获得高冲击吸能作用。

16、为形成元素zn、mg、cu、zr、sc、ti固溶的liquid-al熔体，作为优选，所述步骤1)中，熔炼工艺为将al～cu中间合金和al加入加热炉中，加热炉升温至720℃～760℃将炉内物料充分熔化，随后将加热炉升温至770℃～800℃，加入al～sc和al～zr中间合金，充分熔化后保温，再将炉温降至740～750℃后精炼除气除渣，再降至720℃～730℃后加入zn和mg，静置5～20分钟后浇注，在导流槽中在线添加ti丝，获得铸锭。

17、与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明在al-zn-mg-cu系变形铝合金的基础上利用较大的zn/mg比和适量cu及微量sc、zr、ti元素复合添加，调控合金强韧性匹配，并提升本发明合金的加工性能和可焊性。本发明合金采用较大的zn/mg比配合添加适量cu获得尺寸细小的可热处理回溶的al2cu相和al2cumg相来替代消除如7050等铝合金中粗大不可热处理回溶的al2cumg相，并获得一定量mgzn2主强化相。微量sc的添加提高铝合金中溶质原子过饱和度，与微量zr复合二次析出al3sczr相，起到粒子弥散强化作用。微量sc元素有利于提升高zn合金化铝合金的加工性能，尤其改善本发明合金的可焊性。该铝合金的抗拉强度为450～500mpa，屈服强度为380～450mpa，延伸率a≥14.0％，布氏硬度hbw≥130，冲击功ku2≥30j，断裂韧性值kic≥40mpa·m1/2，具有中高强度、优异的塑韧性、耐冲击性、耐腐蚀性及变形加工性能等特点。目前，该合金均质板材有效防御6kgtnt当量地雷爆轰冲击面密度为81kg/m2，相比616和685防爆钢板109kg/m2面密度减重25％，适用于特种防护车辆的车底防护组件，显著提升我国特种防护车辆抵御地雷和简易爆炸物的防护性能和轻量化水平。

技术特征：

1.一种防爆轰铝合金，其特征在于：该铝合金的质量百分比组成为zn：6.5～8.5wt％，mg：1.0～2.0wt％，cu：1.0～2.5wt％，zr：0.05～0.15wt％，sc：0.0001～0.15wt％，ti：0.0001～0.06wt％，fe≤0.08wt％，si≤0.05wt％，其余为al和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的防爆轰铝合金，其特征在于：该铝合金的晶粒沿铝合金加工方向呈带状，晶粒的宽度12～60μm，各晶粒由多个亚晶粒组成，亚晶粒为多边形结构且呈条形，亚晶粒尺寸在0.5～4μm，亚晶粒的长度与铝合金加工方向一致。

3.根据权利要求1所述的防爆轰铝合金，其特征在于：该铝合金的微观组织包括基体相、析出相，析出相包括η＇-mgzn2、η-mgzn2、al2cumg、al3sczr相，其中，晶内析出相占总相面积含量的27％～48％，晶内析出相粒子大小在2～20nm，晶界处析出相不连续分布在晶界处，晶界处析出相粒子大小在4～30nm。

4.根据权利要求3所述的防爆轰铝合金，其特征在于：所述晶内析出相粒子η＇-mgzn2占晶内析出相含量70％以上，该粒子与基体相呈现半共格或非共格关系。

5.根据权利要求1至4任一权利要求所述的防爆轰铝合金，其特征在于：该铝合金的抗拉强度为450～500mpa，屈服强度为380～450mpa，延伸率a≥14.0％，布氏硬度hbw≥130，冲击功ku2≥30j，断裂韧性值kic≥40mpa·m1/2。

6.一种权利要求1至5任一权利要求所述的防爆轰铝合金的制备方法，其特征在于：该铝合金的制备步骤程包括：

7.根据权利要求6所述的防爆轰铝合金的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，熔炼工艺为将al～cu中间合金和al加入加热炉中，加热炉升温至720℃～760℃将炉内物料充分熔化，随后将加热炉升温至770℃～800℃，加入al～sc和al～zr中间合金，充分熔化后保温，再将炉温降至740～750℃后精炼除气除渣，再降至720℃～730℃后加入zn和mg，静置5～20分钟后浇注，在导流槽中在线添加ti丝，获得铸锭。

技术总结
本发明公开了一种防爆轰铝合金，其特征在于：该铝合金的质量百分比组成为Zn：6.5～8.5wt％，Mg：1.0～2.0wt％，Cu：1.0～2.5wt％，Zr：0.05～0.15wt％，Sc：0.0001～0.15wt％，Ti：0.0001～0.06wt％，Fe≤0.08wt％，Si≤0.05wt％，其余为Al和不可避免的杂质。该铝合金具有中高强度、优异的塑韧性、耐冲击性、耐腐蚀性及变形加工性能等特点。目前，该合金均质板材有效防御6kgTNT当量地雷爆轰冲击面密度为81kg/m<supgt;2</supgt;，相比616和685防爆钢板109kg/m<supgt;2</supgt;面密度减重25％，适用于特种防护车辆的车底防护组件，显著提升我国特种防护车辆抵御地雷和简易爆炸物的防护性能和轻量化水平。

技术研发人员：郎玉婧,周古昕,杜秀征,李金宝,毛华,李经纬,王生,蔡虹,潘艳林,韩峰,朱新杰
受保护的技术使用者：中国兵器科学研究院宁波分院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13