超強(qiáng)高韌耐蝕Al-Zn-Mg-Cu鋁合金材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種超強(qiáng)高韌耐蝕Al-Zn-Mg-Cu鋁合金材料及其制備方法，所述鋁合金成分及重量百分比含量是：Zn：8.0~9.0wt%，Mg：1.2~2.0wt%，Cu：1.9~3.3wt%，Zr：0.05~0.20wt%，Ti：0.01~0.05wt%，F(xiàn)e：0~0.05wt%，Si：0~0.05wt%，其余為Al；且Zn、Mg、Cu總體含量的重量百分比為11.0~13.2wt%，Zn與Mg的重量比為4~7.3。該合金具有高的強(qiáng)度，高的斷裂韌性和抗腐蝕性能，可應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、軍工等領(lǐng)域。
【專利說明】超強(qiáng)高韌耐蝕Al-Zn-Mg-Cu鋁合金材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新型超強(qiáng)高韌耐蝕Al-Zn-Mg-Cu鋁合金材料及其制備方法，屬于有色金屬【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]Al-Zn-Mg-Cu合金因具有高強(qiáng)度、低的密度、較好的耐腐蝕和抗疲勞性能而被廣泛用于航空航天領(lǐng)域。作為飛機(jī)機(jī)翼的主要結(jié)構(gòu)材料，現(xiàn)有的Al-Zn-Mg-Cu合金(例如，7150，7055,7449)能夠滿足當(dāng)前大型機(jī)翼結(jié)構(gòu)以及大的起飛重量對機(jī)翼結(jié)構(gòu)材料(主要為上翼結(jié)構(gòu)材料)所提出的性能要求，即能夠滿足飛機(jī)在飛行過程中上翼所需承受的高的壓應(yīng)力并具備一定程度的斷裂韌性。
[0003]然而，未來具有更大尺寸的超大型以及具備超大載荷能力的噴氣式飛機(jī)的發(fā)展對機(jī)翼結(jié)構(gòu)材料提出了新的要求以滿足其新的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。對這種全新的超大型飛機(jī)來說，其機(jī)翼上翼除了要滿足在飛行過程中所承受的高的壓應(yīng)力外，還要能夠滿足在降落過程中所承受的高的拉應(yīng)力，這種拉應(yīng)力源于更大更重的機(jī)翼和超大的機(jī)體重量使飛機(jī)在降落過程中所產(chǎn)生的向下的彎曲載荷。一般來說，航空鋁材在拉應(yīng)力長期作用的環(huán)境下應(yīng)具備較好的斷裂韌性，這也是飛機(jī)機(jī)翼下翼采用更高斷裂韌性的2XXX合金而沒有采用強(qiáng)度更高的7XXX合金的主要原因。當(dāng)前廣泛使用的Al-Zn-Mg-Cu合金雖然強(qiáng)度能達(dá)到超大型飛機(jī)對強(qiáng)度的要求，但其斷裂韌性在這種全新的使用環(huán)境下還顯不足，這一缺點(diǎn)制約著超大型飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前，為適應(yīng)新型大飛機(jī)機(jī)翼力學(xué)性能的要求，新型Al-Zn-Mg-Cu合金的開發(fā)偏向于更高的韌性以及較高的強(qiáng)度。
[0004]ΑΑ7085鋁合金是一款專門為大飛機(jī)(如空客Α380)機(jī)翼結(jié)構(gòu)而開發(fā)的新型鋁合金，該合金具有很高的韌性以及較高的強(qiáng)度和低淬火敏感性，可直接成型制作整體式的翼梁結(jié)構(gòu)，從而取代了傳統(tǒng)意義上的分部組裝式翼梁(上翼梁采用7ΧΧΧ鋁合金，下翼梁采用2ΧΧΧ鋁合金)。這種新型鋁合金的優(yōu)勢在于可以使大型零件由組裝式變?yōu)檎w式，從而節(jié)約了大量的結(jié)構(gòu)連接件、降低了零件整體重量及安裝成本，但是整體成型所帶來的材料利用率低以及7085合金本身并不具備較高的強(qiáng)度等缺點(diǎn)部分抵消了該合金帶來的成本優(yōu)勢。
[0005]然而，近年來一些新型焊接技術(shù)相繼投入實(shí)際應(yīng)用，例如激光焊接技術(shù)以及攪拌摩擦焊技術(shù)。以這些新型焊接方式連接所生產(chǎn)出來的翼梁，具備了分部組裝式翼梁和整體式翼梁各自的優(yōu)點(diǎn)，即可以使用多種不同牌號及不同熱處理工藝的合金進(jìn)行焊接，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢以減少各部件重量及原材料使用量，同時(shí)又幾乎不需采用連接件，減少了零件整體的重量以及安裝成本。
[0006] 在這種新型焊接技術(shù)開始廣泛應(yīng)用到航空工業(yè)的背景下，一種新型的7ΧΧΧ鋁合金的需求相應(yīng)出現(xiàn)，該型鋁合金需要具有高的韌性、高的強(qiáng)度、較好的抗腐蝕性能，能夠滿足超大型/超大載荷大飛機(jī)對機(jī)翼(上翼)的力學(xué)性能要求，充分利用焊接技術(shù)為7ΧΧΧ鋁合金的航空應(yīng)用帶來新動(dòng)力。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明旨在至少解決上述技術(shù)缺陷之一。
[0008]為此，本發(fā)明的第一個(gè)目的在于提出一種超強(qiáng)高韌耐蝕鋁合金材料，其特征在于所述超強(qiáng)高韌耐蝕鋁合金材料中各成分的重量百分比為:Zn:8.0~9.0wt%, Mg:1.2~
2.0wt%, Cu:1.9 ~3.3wt%, Zr:0.05 ~0.20wt%, Ti:0.01 ~0.05wt%, Fe:0 ~0.05wt%, Si:O~0.05wt%，其余為Al ;且Zn,Mg, Cu總體含量的重量百分比為11.0~13.2wt%，Zn與Mg的重量比為4~7.3。
[0009]本發(fā)明的第二個(gè)目的在于提出一種超強(qiáng)高韌耐蝕鋁合金材料的制備方法，其特征在于:該方法包括下述步驟:
[0010](I)按合金成分:Zn:8.0 ~9.0wt%, Mg: 1.2 ~2.0wt%, Cu:1.9 ~3.3wt%, Zr:0.05 ~0.20wt%, Ti:0.01 ~0.05wt%，其余為 Al，進(jìn)行配料，其中 Al、Zn、Mg、Cu、Zr 分別是
選取高純鋁、純鋅、純鎂、鋁銅中間合金、鋁鋯中間合金作為原料；
[0011](2)將高純鋁完全熔化后，先后加入鋁銅中間合金、鋁鋯中間合金、純鋅、純鎂，待所加原料充分溶解后對熔體進(jìn)行攪拌；之后加入精煉劑對熔體進(jìn)行精煉，消除熔體內(nèi)的氣體及非金屬夾雜物，使熔體凈化；扒渣后加入細(xì)化劑Al-T1-B，靜置后進(jìn)行澆注，制備出鑄錠； [0012](3)對鑄錠進(jìn)行均勻化熱處理；
[0013](4)鑄錠去表皮后，進(jìn)行熱軋成型，獲得半成品；
[0014](5)將步驟(4)獲得的半成品進(jìn)行固溶處理、時(shí)效熱處理，獲取超強(qiáng)高韌耐蝕鋁合金材料。
[0015]優(yōu)選地，所述的高純鋁為純度大于99.99%的高純Al、純鋅為工業(yè)純Zn、純鎂為工業(yè)純Mg。
[0016]優(yōu)選地，所述的步驟(2)中，熔體溫度控制在740~780°C，澆注溫度為710~730。。。
[0017]優(yōu)選地，所述的步驟(3)中，均勻化熱處理為在450~475°C下的雙級均勻化工藝，均勻化時(shí)間為20-60h。
[0018]優(yōu)選地，所述的步驟(4)中，所述熱軋成型的軋前保溫及熱軋溫度范圍同為400~450°C，保溫時(shí)間為4-8h，所述熱軋成型為多道次熱軋。
[0019]優(yōu)選地，所述的步驟(5)中，固溶處理溫度范圍為460~480°C，處理時(shí)間為0.5~4h，且固溶至室溫水淬轉(zhuǎn)移時(shí)間為5-20秒。
[0020]優(yōu)選地，所述的步驟(5)中，所述半成品的時(shí)效熱處理工藝為T76或T77工藝。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的超強(qiáng)高韌耐蝕Al-Zn-Mg-Cu鋁合金，具有高的強(qiáng)度，高的斷裂韌性和抗腐蝕性能，可應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、軍工等領(lǐng)域。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明及現(xiàn)有技術(shù)中合金的主合金元素成分分布。圖1a標(biāo)明了本發(fā)明及現(xiàn)有技術(shù)中合金的Zn-Mg成分分布，圖1b標(biāo)明了本發(fā)明及現(xiàn)有技術(shù)中合金的Zn-Cu成分分布。[0023]其中，圖1a和圖1b中同時(shí)標(biāo)注了當(dāng)前經(jīng)典的高強(qiáng)Al-Zn-Mg-Cu合金(7055、7056、7085、7136、7449)的成分分布以及本發(fā)明合金(Invention)的成分分布。
[0024]圖2為本發(fā)明合金以及現(xiàn)有技術(shù)合金(7085、7081、7055、Benedictus及6、7、8號合金)的強(qiáng)度-韌性曲線(TYS-UPE curve)ο
【具體實(shí)施方式】
[0025]本發(fā)明中的超強(qiáng)高韌耐蝕Al-Zn-Mg-Cu鋁合金的合金成分包括:Zn、Mg、Cu、Zr、T1、Al以及生產(chǎn)過程中帶了的雜質(zhì)Fe、Si，各成分的重量百分比為:Zn:8.0~9.0wt%,Mg: 1.2 ~2.0wt%，Cu: 1.9 ~3.3wt%，Zr:0.05 ~0.20wt%，T1:0.01 ~0.05wt%，F(xiàn)e:0 ~0.05wt%，Si:0~0.05wt%，其余為Al ;其中，Zn、Mg、Cu總體含量的重量百分比為11.0-
13.2wt%, Zn與Mg的重量比為4~7.3。
[0026]實(shí)施例1
[0027]本實(shí)施例中超強(qiáng)高韌耐蝕Al-Zn-Mg-Cu鋁合金的合金成分的重量百分比為:Zn:8.52wt%，Mg:1.47wt%,Cu:1.92wt%,Zr:0.llwt%，T1:0.02wt%，其余為 Al,以及 Fe,Si 雜質(zhì)。
[0028]在后的合金編號為I。
[0029]實(shí)施例2
[0030]本實(shí)施例中超強(qiáng)高韌耐蝕Al-Zn-Mg-Cu鋁合金的合金成分的重量百分比為:Zn:8.74wt%，Mg:1.50wt%,Cu:2.45wt%,Zr:0.llwt%，T1:0.02wt%，其余為 Al,以及 Fe,Si 雜質(zhì)。
[0031]在后的合金編號為2。
[0032]實(shí)施例3
[0033]本實(shí)施例中超強(qiáng)高韌耐蝕Al-Zn-Mg-Cu鋁合金的合金成分的重量百分比為:Zn:8.73wt%，Mg:1.41wt%，Cu:2.90wt%,Zr:0.llwt%，T1:0.03wt%，其余為 Al,以及 Fe、Si 雜質(zhì)。
[0034]在后的合金編號為3。
[0035]實(shí)施例4
[0036]本實(shí)施例中超強(qiáng)高韌耐蝕Al-Zn-Mg-Cu鋁合金的合金成分的重量百分比為:Zn:
8.50wt%，Mg:1.37wt%,Cu:3.24wt%,Zr:0.10wt%，T1:0.03wt%，其余為 Al,以及 Fe,Si 雜質(zhì)。
[0037]在后的合金編號為4。
[0038]實(shí)施例5
[0039]本實(shí)施例中超強(qiáng)高韌耐蝕Al-Zn-Mg-Cu鋁合金的合金成分的重量百分比為:Zn:
8.44wt%，Mg:1.89wt%,Cu:2.73wt%,Zr:0.10wt%，T1:0.03wt%，其余為 Al,以及 Fe,Si 雜質(zhì)。
[0040]在后的合金編號為5。
[0041]實(shí)施例6
[0042]本實(shí)施例中超強(qiáng)高韌耐蝕Al-Zn-Mg-Cu鋁合金的合金成分的重量百分比為:Zn:
8.26wt%，Mg:1.46wt%,Cu:1.96wt%,Zr:0.llwt%，T1:0.02wt%，其余為 Al,以及 Fe,Si 雜質(zhì)。
[0043]在后的合金編號為9。
[0044]上述實(shí)施例中的超強(qiáng)高韌耐蝕Al-Zn-Mg-Cu鋁合金的制備方法包括以下步驟:
[0045]步驟一、按合金成分:Zn:8.0 ~9.0wt%, Mg: 1.2 ~2.0wt%, Cu: 1.9 ~3.3wt%,Zr:0.05 ~0.20wt%, T1:0.01 ~0.05wt%，其余為 Al，進(jìn)行配料，其中 Al、Zn、Mg、Cu、Zr 分
別是選取高純鋁、純鋅、純鎂、鋁銅中間合金、鋁鋯中間合金作為原料。所述的高純鋁為純度大于99.99%的高純Al、純鋅為工業(yè)純Zn、純鎂為工業(yè)純Mg。
[0046]步驟二、將配置好的高純鋁錠裝入熔煉爐中，待純鋁完全熔化后，先后加入鋁銅中間合金、鋁鋯中間合金、純鋅、純鎂，待所加原料充分溶解后對熔體進(jìn)行攪拌，取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，若所測成分與設(shè)計(jì)成分有所偏離，進(jìn)一步加入相應(yīng)原料進(jìn)行成分調(diào)整，使之達(dá)到所需成分范圍要求。加入精煉劑對熔體進(jìn)行精煉，以消除熔體內(nèi)的氣體及非金屬夾雜物，使熔體凈化。扒渣后加入細(xì)化劑Al-T1-B，靜置一段時(shí)間，進(jìn)行澆注，制備出表面質(zhì)量合格、無明顯鑄造缺陷的鑄錠。其中，熔體溫度一般控制在740~780°C，澆注溫度為710~730°C。
[0047]步驟三、對鑄錠進(jìn)行均勻化熱處理。該步驟中的均勻化熱處理為在450~475°C下的雙級均勻化，均勻化時(shí)間為20-60h。
[0048]步驟四、鑄錠去表皮后，進(jìn)行熱軋成型。軋前保溫及熱軋溫度為400~450°C，保溫時(shí)間可依據(jù)軋件尺寸確定(如4-8h)，隨后經(jīng)多道次熱軋后獲得半成品。
[0049]步驟五、將該半成品進(jìn)行固溶處理、時(shí)效熱處理，得到本發(fā)明的一種超強(qiáng)高韌耐蝕鋁合金材料。其中的固溶處理溫度范圍為460~480°C，處理時(shí)間為0.5~4h，且固溶至室溫水淬轉(zhuǎn)移時(shí)間為5-20秒；時(shí)效熱處理過程是T76或T77時(shí)效。
[0050]對比實(shí)施例1
[0051]為了對合金性能進(jìn)行比對，現(xiàn)鑄造出一批本發(fā)明的新型Al-Zn-Mg-Cu合金(合金編號為1_5)以及一批傳統(tǒng)合金(合金編號為6-8),鑄錠厚110mm。合金組成列于表1中，所有鑄錠滿足Fe〈0.02%, Si〈0.02%。鑄錠在460°C下均勻化24h，接著升溫到475°C并繼續(xù)保溫24h，隨后空冷以模仿工業(yè)均勻化工藝。均勻化后，將鑄錠去表皮取心部厚度90mm，在430°C下預(yù)熱大約8h后,在430°C進(jìn)行多道次熱軋，最終熱軋至6mm厚。對6mm厚熱軋板進(jìn)行475°C /Ih固溶處理和120°C /6h+160°C /4~24h過時(shí)效熱處理，即將固溶處理后的熱軋板在120°C進(jìn)行6小時(shí)的時(shí)效熱處理，再升溫至160°C進(jìn)行4-24小時(shí)的實(shí)效處理。
[0052]合金強(qiáng)度測試參照ASTM E8-2011，從6mm厚板材的中間厚度取2mm厚的Rectangular Tension (Gage Length25mm)試樣,拉伸試樣沿板材軋制方向(L向)。材料的韌性用Kahn撕裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果來表征。Kahn撕裂測試結(jié)果能夠很好的表征鋁合金材料的斷裂韌性。Kahn撕裂測試獲得的撕裂強(qiáng)度和材料屈服強(qiáng)度的比值(TS/Rp)能夠反映出材料的切口韌性，該比值是表征鋁合金斷裂韌性的一個(gè)良好指標(biāo)。同時(shí)，Kahn撕裂測試所獲得的單位面積裂紋擴(kuò)展能(UPE)可反映出試樣橫截面上裂紋擴(kuò)展所需要的能量，UPE越高，裂紋擴(kuò)展越難，材料的韌性越好。在本發(fā)明中，材料的Kahn撕裂測試依據(jù)ASTM B871-01進(jìn)行，測試方向是L-T向。材料的抗剝落腐蝕性能參照ASTM G34-01進(jìn)行測量。
[0053]綜合考慮現(xiàn)有高強(qiáng)高韌7xxx招合金及2xxx招合金的綜合性能,候選合金的性能結(jié)果必須符合以下要求:屈服強(qiáng)度至少530MPa，抗拉強(qiáng)度至少560MPa，TS/Rp比值至少1.4，且UPE至少200kJ/m2，電導(dǎo)率E.C.>36%IACS,抗剝落腐蝕性能EB級以上。
[0054]為滿足所要求的材料性能，對合金化學(xué)成分進(jìn)行了仔細(xì)權(quán)衡。從本實(shí)施例結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)高的(Cu+Mg)含量對合金的斷裂韌性是有害的，反之，低的Cu、Mg含量會降低合金的強(qiáng)度水平。
[0055] 表1實(shí)施例合金的成分(wt.%)及熱處理狀態(tài)
[0056].
【權(quán)利要求】
1.一種超強(qiáng)高韌耐蝕鋁合金材料，其特征在于所述超強(qiáng)高韌耐蝕鋁合金材料中各成分的重量百分比為:Zn:8.0~9.0wt%, Mg:1.2~2.0wt%, Cu:1.9~3.3wt%, Zr:0.05~0.20wt%, Ti:0.01-0.05wt%, Fe:0~0.05wt%, S1:0~0.05wt%，其余為 Al ;且 Zn、Mg、Cu 總體含量的重量百分比為11.0~13.2wt%, Zn與Mg的重量比為4~7.3。
2.超強(qiáng)高韌耐蝕鋁合金材料的制備方法，其特征在于，該方法包括下述步驟:
(1)按合金成分:Zn:8.0~9.0wt%,Mg: 1.2~2.0wt%, Cu:1.9~3.3wt%, Zr:0.05~0.20wt%,Ti:0.01-0.05wt%，其余為Al，進(jìn)行配料，其中Al、Zn、Mg、Cu、Zr分別是選取高純鋁、純鋅、純鎂、鋁銅中間合金、鋁鋯中間合金作為原料； (2)將高純鋁完全熔化后，先后加入鋁銅中間合金、鋁鋯中間合金、純鋅、純鎂，待所加原料充分溶解后對熔體進(jìn)行攪拌；之后加入精煉劑對熔體進(jìn)行精煉，消除熔體內(nèi)的氣體及非金屬夾雜物，使熔體凈化；扒渣后加入細(xì)化劑Al-T1-B，靜置后進(jìn)行澆注，制備出鑄錠； (3)對鑄錠進(jìn)行均勻化熱處理； (4)鑄錠去表皮后，進(jìn)行熱軋成型，獲得半成品； (5)將步驟(4)獲得的半成品進(jìn)行固溶處理、時(shí)效熱處理，獲取超強(qiáng)高韌耐蝕鋁合金材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備適合超強(qiáng)高韌耐蝕鋁合金材料的方法，其特征在于，所述的高純鋁為純度大于99.99%的高純Al、純鋅為工業(yè)純Zn、純鎂為工業(yè)純Mg。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備超強(qiáng)高韌耐蝕鋁合金材料的方法，其特征在于，所述的步驟(2)中，熔體溫度控制在740-780°C，澆注溫度為710-730°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備超強(qiáng)高韌耐蝕鋁合金材料的方法，其特征在于，所述的步驟(3)中，均勻化熱處理為在450-475°C下的雙級均勻化工藝，均勻化時(shí)間為20-60 h。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備超強(qiáng)高韌耐蝕鋁合金材料的方法，其特征在于，所述的步驟(4)中，所述熱軋成型的軋前保溫及熱軋溫度范圍同為400-450℃，保溫時(shí)間為4-8 h，所述熱軋成型為多道次熱軋。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備超強(qiáng)高韌耐蝕鋁合金材料的方法，其特征在于，所述的步驟(5)中，固溶處理溫度范圍為460-480°C，處理時(shí)間為0.5^4 h，且固溶至室溫水淬轉(zhuǎn)移時(shí)間為5-20秒。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備超強(qiáng)高韌耐蝕鋁合金材料的方法，其特征在于，所述的步驟(5)中，所述半成品的時(shí)效熱處理工藝為T76或T77工藝。
【文檔編號】C22F1/053GK103898382SQ201410119930
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月27日
【發(fā)明者】張濟(jì)山, 舒文祥, 侯隴剛, 劉君城, 莊林忠 申請人:北京科技大學(xué)