專利名稱：一種Al-Zn-Mg-Cu系超高強鋁合金及其制備工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于鋁合金材料領域，涉及一種超高強鋁合金材料，尤其是一種Al-Zn-Mg-Cu 系超高強鋁合金及其制備工藝。
背景技術：
作為高強高韌鋁合金的主體，Al-Zn-Mg-Cu系超高強度鋁合金因具有高的比強度 和硬度、較好的耐腐蝕性能和較高的韌性、優(yōu)良的加工性能及焊接性能，廣泛應用于航 空和航天領域，并成為該領域中重要的結構材料之一。目前，國內(nèi)外已開發(fā)出了強度達 600MPa級的Al-Zn-Mg-Cu系超高強鋁合金，并且已成功實現(xiàn)了工業(yè)化應用，如美國的7055 (Al-8Zn-2. OMg-2. 2Cu_0. IOZr)和 7068 (Al-7. 8Zn_2. 5Mg_2. OCu-O. IOZr)超高強鋁合金 以及前蘇聯(lián)的B96系超高強Al-Zn-Mg-Cu鋁合金(Al-8. 5Zn_2. 6Mg_2. 3Cu_0. 15Zr)0然而， 航空航天、交通運輸和兵器工業(yè)等技術的快速發(fā)展對Al-Zn-Mg-Cu系超高強鋁合金的性能 和成本提出了更高的要求。因此，有必要開發(fā)性能更高的Al-Zn-Mg-Cu系超高強度鋁合金。 本發(fā)明是一種700MPa級且成本相對較低的Al-Zn-Mg-Cu系超高強度鋁合金。[

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有良好力學性能且成本相對較低的Al-Zn-Mg-Cu超高 強鋁合金及其制備工藝。本發(fā)明提供的一種Al-Zn-Mg-Cu超高強鋁合金，各組份及其質量百分比為Zn 含量為 10-13%, Mg 含量為 1. 8-2. 6%, Cu 含量為 1. 8-2. 6%, Ce 含量為 0. 15-0. 35%, Sc 含 量 0. 05-0. 15%, Zr 含量為 0. 10-0. 20%,雜質元素 Si 含量;^ 0. 1%，F(xiàn)e 含量;^ 0. 15%, Ti 含 量< 0.05%，其它雜質元素總的含量< 0. 15%，Al為平衡元素。該發(fā)明提供的合金與現(xiàn)有 Al-Zn-Mg-Cu系超高強度鋁合金的不同之處在于復合添加了 Ce，Sc和&三種微合金化元 素。由于微量Ce具有細化鑄態(tài)晶粒尺寸、降低時效過程中析出物的生長速度和提高氫在鋁 合金中的固溶度等作用，從而使原有僅添加Sc和/或ττ的Al-Zn-Mg-Cu系超高強度鋁合 金的性能得到一步提高。本發(fā)明提供的一種Al-Zn-Mg-Cu超高強鋁合金的制備工藝，其主要包括以下步 驟
1)將Al、Zn、Mg、Cu、Ce、Sc和Zr所述的成分配料，其中Al、Mg和Zn以純度> 99. 99wt. % 的工業(yè)純Al、Mg和純Zn形式添加，Cu、Ce、Sc和Zr分別以Al_50wt. %Cu、Mg-29wt. %Ce、 Al-3wt. %Sc和Mg-31wt. %Zr中間合金的形式添加；合金熔煉在電阻爐中采用石墨坩堝 進行，當石墨坩堝的溫度達到150-250°C后，加入已預熱的純Al、純Zn和Al_50wt. %Cu和 Al-3wt. %Sc中間合金并將其熔化，熔化后升溫到720-740°C，然后加入已預熱的純Mg、 Mg-29wt. %Ce和Mg-31wt. %Zr中間合金，待這些中間合金熔化并攪拌后升溫到740_760°C， 然后用自制的復合細化精煉劑[10 30%氟化鈰(CeF)，4(T60%顆粒狀富鈰混合稀土 (稀土含 量大于90%，鈰含量大于60%，顆粒尺寸不大于1毫米)，10 30%六氯乙烷(C2Cl6)]處理5_10 分鐘，處理完畢后攪拌合金熔體并在750°C靜置25-40分鐘，靜置完畢后撈去合金熔體表面 的浮雜，然后進行鑄造；2)在鑄造過程中當合金的溫度降到固相線溫度以下的450-470°C均勻化處理溫度后， 將合金放入箱式電阻爐中保溫10_36h，然后將試樣取出空冷至室溫。3)將均勻化處理后得到的合金進行擠壓變形處理，具體工藝為擠壓模直徑為 45mm,擠壓嘴直徑為15mm，變形系數(shù)為9，擠壓溫度420°C。4)將擠壓變形處理后的合金進行固溶時效處理，具體工藝為(470°C X8h+水淬) 固溶處理+ (120°C X24h+空冷)時效處理。本合金熔煉時采用了復合細化精煉劑，所用的復合細化精煉劑中的氟化鈰和富鑭 混合稀土除了起變質作用和細化作用外，還有精煉除氣和除渣等作用。六氯乙烷主要起精 煉除氣和除渣作用，此外，其與鋁合金熔液反應產(chǎn)生的氣泡還可以對合金液起攪拌作用。而 這些對于合金熔體的質量及獲得細小的鑄態(tài)組織均有積極的作用，并反映到合金最終力學 性能的提高上。同時，本合金中的&以Mg_31wt%Zr中間合金形式添加，從而避免了原有含& 的Al-Zn-Mg-Cu系超高強度鋁合金以A1-&中間合金或鋯鹽形式添加帶來的問題，如以 Al-Zr形式添加易形成高熔點的AlJr化合物從而影響&的收得率；以鋯鹽形式添加會帶 進不需要的雜質元素，而這對于提高合金的力學性能也是有利的。此外，由于Al-Zn-Mg-Cu超高強鋁合金傳統(tǒng)均勻化處理均是在合金鑄造冷卻到室 溫后重新加熱到均勻化處理溫度條件下進行的。很明顯，這種傳統(tǒng)的均勻化處理方法存在 加熱和保溫時間長、能源消耗大等問題。此外，還必須嚴格控制加熱方式和加熱速度等工藝 因素，因為一旦加熱方式和加熱速度選擇不當，將會產(chǎn)生加熱不均從而難以達到均勻化處 理的目的，嚴重時甚至使合金產(chǎn)生過燒等缺陷，并最終導致合金的綜合力學性能受到影響。 相反，本合金在制備時采用的均勻化處理工藝則是在鑄造過程中當合金的溫度降到固相線 溫度以下的450-470°C均勻化處理溫度進行，不需要重新加熱。此外，這種均勻化處理方法 還可將凝固冷卻和均勻化處理連為一體，使得合金一直處于溫度較高的狀態(tài)，內(nèi)部原子的 擴散能力強，加之一些低熔點合金相還未完全析出，因此可以保證在較短的時間內(nèi)獲得較 大的過飽和固溶度，為后續(xù)固溶時效處理奠定了很好的組織基礎。同時，較短的均勻化保溫 時間帶來的成本效益也是十分顯著的。上述工藝的實施，保證了本合金具有優(yōu)良的力學性能。
具體實施例方式
以下通過具體的三個實施例對本發(fā)明的技術方案和效果作進一步的闡述。實施例1 合金的成分(重量百分比)為Zn含量為10%，Mg含量為2. 2%，Cu含量 為2. 6%, Ce含量為0. 20%, Sc含量0. 10%, Zr含量為0. 15%,雜質元素Si含量;^ 0. 1%，F(xiàn)e含 量< 0. 15%，Ti含量< 0. 05%，其它雜質元素總的含量< 0. 15%，Al為平衡元素。按上述成分配制合金，其中Al、Mg和Zn以純度> 99. 99wt. %的工業(yè)純Al、Mg 和純 Zn 形式添加，Cu、Ce、Sc 和 Zr 分別以 Al_50wt. %Cu、Mg-29wt. %Ce、Al_3wt. %Sc、和 Mg-31wt. %Zr中間合金的形式添加；合金熔煉在電阻爐中采用石墨坩堝進行，當石墨坩堝 的溫度達到200°C后，加入已預熱的純Al、純Zn和Al_50wt. %Cu和Al_3wt. %Sc中間合金并 將其熔化，熔化后升溫到730°C，然后加入已預熱的純Mg、Mg-29wt. %Ce和Mg_31wt. %Zr中間 合金，待這些中間合金熔化并攪拌后升溫到750°C，然后用復合細化精煉劑[1(Γ30%氟化鈰 (CeF), 40^60%顆粒狀富鈰混合稀土 (稀土含量大于90%，鈰含量大于60%，顆粒尺寸不大于1毫米)，1(Γ30%六氯乙烷(C2Cl6)]處理8分鐘，處理完畢后攪拌合金熔體并在750°C靜置30 分鐘，靜置完畢后撈去合金熔體表面的浮雜，然后進行鑄造；在鑄造過程中當合金的溫度降 到固相線溫度以下的450°C均勻化處理溫度后，將合金放入箱式電阻爐中保溫24h，然后將 試樣取出空冷至室溫。將均勻化處理后得到的合金進行擠壓變形處理，具體工藝為擠壓模 直徑為45mm，擠壓嘴直徑為15mm，變形系數(shù)為9，擠壓溫度420°C。將擠壓變形處理后的合 金進行固溶時效處理，具體工藝為470°C X8h+水淬固溶處理+120°C X24h+空冷時效處 理。本實施例得到的合金，其室溫抗拉強度為730MPa，屈服強度為688MPa，延伸率為9. 1%。實施例2 合金的成分(重量百分比)為Zn含量為13%，Mg含量為2. 6%，Cu含量 為1. 8%, Ce含量為0. 35%, Sc含量0. 15%, Zr含量為0. 20%,雜質元素Si含量;≤0. 1%，F(xiàn)e含 量≤0. 15%，Ti含量≤ 0. 05%，其它雜質元素總的含量≤ 0. 15%，Al為平衡元素。按上述成分配制合金，其中Al、Mg和Zn以純度> 99. 99wt. %的工業(yè)純Al、Mg 和純 Zn 形式添加，Cu、Ce、Sc 和 Zr 分別以 Al_50wt. %Cu、Mg-29wt. %Ce、Al_3wt. %Sc、和 Mg-31wt. %Zr中間合金的形式添加；合金熔煉在電阻爐中采用石墨坩堝進行，當石墨坩堝 的溫度達到250°C后，加入已預熱的純Al、純Zn和Al_50wt. %Cu和Al_3wt. %Sc中間合金并 將其熔化，熔化后升溫到740 V，然后加入已預熱的純Mg、Mg-29wt. %Ce和Mg_31wt. %Zr中間 合金，待這些中間合金熔化并攪拌后升溫到760°C，然后用自制的復合細化精煉劑[1(Γ30% 氟化鈰(CeF)，4(T60%顆粒狀富鈰混合稀土 (稀土含量大于90%，鈰含量大于60%，顆粒尺寸 不大于1毫米)，1(Γ30%六氯乙烷(C2Cl6)]處理10分鐘，處理完畢后攪拌合金熔體并在 750°C靜置40分鐘，靜置完畢后撈去合金熔體表面的浮雜，然后進行鑄造；在鑄造過程中當 合金的溫度降到固相線溫度以下的470°C均勻化處理溫度后，將合金放入箱式電阻爐中保 溫18h，然后將試樣取出空冷至室溫。將均勻化處理后得到的合金進行擠壓變形處理，具體 工藝為擠壓模直徑為45mm，擠壓嘴直徑為15mm，變形系數(shù)為9，擠壓溫度420°C。將擠壓變 形處理后的合金進行固溶時效處理，具體工藝為470°C X8h+水淬固溶處理+120°C X24h+ 空冷時效處理。本實施例得到的合金，其室溫抗拉強度為748MPa，屈服強度為692MPa，延伸 率為8. 5%ο[實施例3合金的成分(重量百分比)為Zn含量為12%，Mg含量為2. 0%，Cu含 量為2. 0%, Ce含量為0. 15%, Sc含量0. 08%, Zr含量為0. 10%,雜質元素Si含量;≤ 0. 1%，F(xiàn)e 含量≤ 0. 15%，Ti含量≤ 0. 05%，其它雜質元素總的含量≤ 0. 15%，Al為平衡元素。按上述成分配制合金，其中Al、Mg和Zn以純度> 99. 99wt. %的工業(yè)純Al、Mg 和純 Zn 形式添加，Cu、Ce、Sc 和 Zr 分別以 Al_50wt. %Cu、Mg-29wt. %Ce、Al_3wt. %Sc、和 Mg-31wt. %Zr中間合金的形式添加；合金熔煉在電阻爐中采用石墨坩堝進行，當石墨坩堝 的溫度達到150°C后，加入已預熱的純Al、純Zn和Al_50wt. %Cu和Al_3wt. %Sc中間合金并 將其熔化，熔化后升溫到720°C，然后加入已預熱的純Mg、Mg-29wt. %Ce和Mg_31wt. %Zr中間 合金，待這些中間合金熔化并攪拌后升溫到760°C，然后用自制的復合細化精煉劑[1(Γ30% 氟化鈰(CeF)，4(T60%顆粒狀富鈰混合稀土 (稀土含量大于90%，鈰含量大于60%，顆粒尺寸 不大于1毫米)，10^30%六氯乙烷(C2Cl6)]處理5分鐘，處理完畢后攪拌合金熔體并在750 V 靜置25分鐘，靜置完畢后撈去合金熔體表面的浮雜，然后進行鑄造；在鑄造過程中當合金 的溫度降到固相線溫度以下的460°C均勻化處理溫度后，將合金放入箱式電阻爐中保溫 30h，然后將試樣取出空冷至室溫。將均勻化處理后得到的合金進行擠壓變形處理，具體工藝為擠壓模直徑為45mm，擠壓嘴直徑為15mm，變形系數(shù)為9，擠壓溫度420°C °C。將擠壓變 形處理后的合金進行固溶時效處理，具體工藝為470°C X8h+水淬固溶處理+120°C X24h+ 空冷時效處理。本實施例得到的合金，其室溫抗拉強度為724MPa，屈服強度為685MPa，延伸 率為8. 6%ο 從上面的結果可以看到，本發(fā)明所述的超高強鋁合金在所述的制備工藝下可穩(wěn)定 的制備出抗拉強度超過700MPa、屈服強度超過650MPa、延伸率超過8. 0%且成本相對較低的 Al-Zn-Mg-Cu超高強鋁合金，因而在航空航天、交通運輸和兵器工業(yè)等領域存在很大的應用 潛力。
權利要求
一種Al Zn Mg Cu超高強鋁合金，各組份及其質量百分比為Zn含量為10 13%, Mg含量為1.8 2.6%，Cu含量為1.8 2.6%，Ce含量為0.15 0.35%，Sc含量0.05 0.15%，Zr含量為0.10 0.20%，雜質元素Si含量≤0.1%，F(xiàn)e含量≤0.15%，Ti含量≤0.05%，其它雜質元素總的含量≤0.15%，Al為平衡元素。
2.根據(jù)權利要求1所述的Al-Zn-Mg-Cu超高強鋁合金，其特征在于其中Ce含量為 0. 30%, Sc 含量 0. 15%、Zr 含量為 0. 20%。
3.權利要求1所述的Al-Zn-Mg-Cu超高強鋁合金的制備方法，包括以下三個步驟1)將Al、Zn、Mg、Cu、Ce、Sc和Zr按權利要求1所述的成分配料，其中AUMg和Zn以純 度> 99. 99wt. %的工業(yè)純Al、Mg和純Zn形式添加，Cu、Ce、Sc和Zr分別以Al_50wt. %Cu、 Mg-29wt. %Ce、Al-3wt. %Sc和Mg_31wt. %Zr中間合金的形式添加；合金熔煉在電阻爐中 采用石墨坩堝進行，當石墨坩堝的溫度達到200-250°C后，加入已預熱的純Al和 Al-50wt. %Cu和Al-3wt. %Sc中間合金并將其熔化，熔化后升溫到720_740°C，然后加入已預 熱的純Mg、Mg-29wt. %Ce和Mg_31wt. %Zr中間合金，待這些中間合金熔化并攪拌后升溫到 740-760°C，然后細化精煉處理5-10分鐘，處理完畢后攪拌合金熔體并在750°C靜置25-40 分鐘，靜置完畢后撈去合金熔體表面的浮雜，然后進行鑄造；2)在鑄造過程中當合金的溫度降到固相線溫度以下的均勻化處理溫度后，將合金放入 箱式電阻爐中保溫，然后將試樣取出空冷至室溫；3)將鑄造和均勻化處理后得到的合金進行擠壓變形處理；4)將擠壓變形處理得到的合金進行固溶和時效處理。
4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于所述的均勻化處理溫度是450°C-470°C，合 金放入箱式電阻爐中保溫的時間為10-36h。
5.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于所述的細化精煉處理采用復合細化精煉 劑，其組成為10 30%氟化鈰、4(Γ60%顆粒狀富鈰混合稀土和1(Γ30%六氯乙烷，其中富鈰混 合稀土中的稀土含量大于90%，鈰含量大于60%，顆粒尺寸不大于1毫米。
6.根據(jù)權利要求3所述的均勻化處理方法，其特征在于所述復合細化精煉劑的重量 百分比組成為30%氟化鈰、40%顆粒狀富鈰混合稀土、30%六氯乙烷，其中顆粒狀富鈰混合稀 土的稀土含量大于90%，顆粒尺寸不大于1毫米，鈰含量大于60%。
全文摘要
本發(fā)明提供的一種Al-Zn-Mg-Cu系超高強鋁合金，各組份及其質量百分比為Zn含量為10-13%,Mg含量為1.8-2.6%，Cu含量為1.8-2.6%，Ce含量為0.15-0.35%，Sc含量0.05-0.15%，Zr含量為0.10-0.20%，雜質元素Si含量≤0.1%，F(xiàn)e含量≤0.15%，Ti含量≤0.05%，其它雜質元素總的含量≤0.15%，Al為平衡元素。本發(fā)明還提出該合金的制備方法，本合金具有優(yōu)良的力學性能和較低的制備成本。
文檔編號C22C21/10GK101979692SQ201010556640
公開日2011年2月23日 申請日期2010年11月24日 優(yōu)先權日2010年11月24日
發(fā)明者吳護林, 張昭林, 張隆平, 李忠盛, 楊明波, 賈代金, 陳韻如 申請人:中國兵器工業(yè)第五九研究所