本發(fā)明涉及一種高比強高比模鋁合金材料、其制備方法及由該材料加工的構(gòu)件，屬于鋁合金材料及其制備加工技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

鋁合金作為僅次于鋼鐵的第二大金屬結(jié)構(gòu)材料，比重僅為鋼的1/3，同時具有質(zhì)輕、耐磨、耐腐蝕、比強度高，抗沖擊性能好、易表面著色、易加工、制造成本低、綜合性能良好、原材料資源量大、并且80％以上的鋁材可以回收再利用等特點，長期以來在結(jié)構(gòu)件制造領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，是各種先進裝備發(fā)展中不可缺少的重要支柱材料之一。隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展，特別是在航空航天、交通運輸、電子器件等領(lǐng)域，除對材料的服役性能提出了更為嚴苛的要求，對其結(jié)構(gòu)件制造減重的需求也愈加迫切，急需發(fā)展高比強度、高比模量的鋁合金材料，即在繼續(xù)提升鋁合金材料高比強度的同時進一步提高其彈性模量，以最大程度的滿足航空航天、交通運輸、電子器件等現(xiàn)代制造業(yè)輕量化的需求。

在所有商用鋁合金材料中，Al-Zn-Mg-Cu系(7xxx系)、Al-Cu系(2xxx系)及部分Al-Mg-Si系(6xxx系)鋁合金等屬高強鋁合金范疇，其中，Al-Zn-Mg-Cu系(7xxx系)鋁合金具有最高的強度級別，Al-Cu系(2xxx系)鋁合金具有高強度及良好的耐損傷容限性，二者的強度級別均優(yōu)于Al-Mg-Si系(6xxx系)鋁合金，但Al-Mg-Si系鋁合金具有相對低的密度、優(yōu)異的耐腐蝕性能、焊接性能、成形性及經(jīng)濟性，應(yīng)用范圍更為廣闊，在國際鋁業(yè)協(xié)會注冊的Al-Mg-Si系(6xxx系)鋁合金牌號目前已有97種之多?，F(xiàn)有的7xxx系、2xxx系以及部分6xxx系鋁合金在比強度方面已達到了較好的水平，但在比彈性模量方面仍未取得明顯提升；在2xxx系等鋁合金中添加一定量的Li元素獲得的鋁鋰合金在彈性模量方面實現(xiàn)了一定的提升，但因2xxx鋁合金系列本身具有的密度偏高屬性，導(dǎo)致其比模量的提高有限。因此，迫切需要提升或開發(fā)現(xiàn)有鋁合金材料在比強度、特別是比模量的性能水平。

近年來，鋁合金材料工作者對此雖開展了不少探索研究工作，但仍未獲得相應(yīng)的理想材料，難以滿足當(dāng)前及未來航空航天、交通運輸、電子器件等現(xiàn)代 制造業(yè)輕量化發(fā)展對鋁合金高比強度、高比模量的嚴苛要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有6xxx系鋁合金材料性能(特別是比模量和比強度)的不足，在現(xiàn)有常規(guī)鋁合金材料的基礎(chǔ)上，通過成分及制備加工工藝的優(yōu)化設(shè)計，為航空航天、交通運輸、電子制造等領(lǐng)域提供一種高比強高比模鋁合金材料，作為現(xiàn)代制造業(yè)結(jié)構(gòu)件輕量化的一種理想選材。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種所述高比強高比模鋁合金材料的制備方法。

本發(fā)明的再一個目的在于提供由所述高比強高比模鋁合金材料加工而成的構(gòu)件。

本發(fā)明通過大量研究和實踐發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有Al-Mg-Si系(6xxx系)鋁合金中，調(diào)整Mg和Si含量及其配比、以主合金元素的形式添加適量的Li，并輔以適宜的制備加工工藝對合金沉淀析出行為及多層次組織進行精確控制、實現(xiàn)了多時效析出序列共同強化，利于合金材料在獲得低密度、高彈性模量的同時，最大程度地提升其強度水平，可使合金材料在基本保持Al-Mg-Si系鋁合金優(yōu)良綜合性能的同時，獲得了高的比強度和比模量性能。本發(fā)明還發(fā)現(xiàn)，通過添加多種合金元素，配合制備加工工藝的優(yōu)化，可實現(xiàn)合金多相組織的調(diào)控，有利于進一步提升合金的比強度性能。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種高比強高比模鋁合金材料，鋁合金的成分組成為：Mg 0.60-1.70wt％，Si 0.85-1.80wt％，Li 0.80-2.40wt％，Mn≤0.50wt％，Cu≤0.50wt％，Zn≤0.50wt％，F(xiàn)e≤0.50wt％，Cr≤0.50wt％，Ti≤0.25wt％，Zr≤0.25wt％，其他元素的含量分別≤0.05wt％，且其他元素的總含量≤0.15wt％，余量為A1。

作為本發(fā)明的第一個優(yōu)選技術(shù)方案，所述鋁合金的成分組成為：Mg 0.70-1.50wt％，Si 0.85-1.70wt％，Li 0.90-2.20wt％，Mn≤0.50wt％，Cu≤0.50wt％，Zn≤0.50wt％，F(xiàn)e≤0.50wt％，Cr≤0.50wt％，Ti≤0.25wt％，Zr≤0.25wt％，其他元素的含量分別≤0.05wt％，且其他元素的總含量≤0.15wt％，余量為A1。

作為本發(fā)明的第二個優(yōu)選技術(shù)方案，所述鋁合金的成分組成為：Mg0.80-1.40wt％，Si 0.90-1.50wt％，Li 1.10-1.90wt％，Mn≤0.50wt％，Cu≤0.50wt％，Zn≤0.50wt％，F(xiàn)e≤0.50wt％，Cr≤0.50wt％，Ti≤0.25wt％，Zr≤0.25wt％，其 他元素的含量分別≤0.05wt％，且其他元素的總含量≤0.15wt％，余量為A1。

基于以上技術(shù)方案，優(yōu)選地，所述鋁合金中含有：Fe≤0.25wt％，Cr≤0.25wt％。優(yōu)選地，Mn≤0.25wt％，Ti≤0.10wt％。

優(yōu)選地，所述鋁合金中含有：Zn 0.10-0.25wt％。

優(yōu)選地，所述鋁合金中含有：Zr 0.05-0.15wt％。

一種所述高比強高比模鋁合金材料的制備方法，其制備流程為：合金配制及熔煉→鑄造制備鑄錠→鑄錠的均勻化熱處理→變形加工(擠壓、軋制、鍛造、拉拔)得到變形加工材→固溶處理及預(yù)變形處理→時效處理→成品，具體包括以下步驟：

(1)按照鋁合金的成分組成制造合金鑄錠；

(2)對所得合金鑄錠進行均勻化熱處理；

(3)對經(jīng)均勻化熱處理的鑄錠進行變形加工，得到所需規(guī)格的合金材料；

(4)對合金材料進行固溶熱處理，并將完成處理的合金材料迅速冷卻到室溫；

(5)對合金材料進行時效熱處理以獲得良好的性能匹配。

其中，在步驟(1)中，采用真空或氣氛保護進行熔煉，經(jīng)除氣和除夾雜處理，以半連續(xù)鑄造的方式制備得到鑄錠；在熔煉過程中，以Li為核心來精確控制元素含量，通過在線成分檢測分析，進行合金元素含量的快速調(diào)整。

在步驟(2)中，所述均勻化熱處理為：在400-555℃范圍內(nèi)，進行總時間為12-64h的單級或多級均勻化熱處理。

在步驟(3)中，所述變形加工包括熱變形和冷變形，采用選自軋制、擠壓、拉拔、鍛造及其組合的方式進行，熱變形加工的預(yù)熱溫度為420-490℃。

在步驟(4)中，所述固溶熱處理為：在465-560℃范圍內(nèi)對制品進行總時間為0.05-8h的單級或多級固溶熱處理；使用選自冷卻介質(zhì)噴淋式淬火、強風(fēng)冷卻、浸沒式淬火及其組合的方式將合金材料迅速冷卻至室溫。

在步驟(5)中，對合金材料采用自然時效與人工時效相結(jié)合的方式進行，自然時效溫度≤60℃，保溫0.1-720h；之后在60-240℃的溫度范圍內(nèi)進行人工時效處理，總時間為0.5-192h。

在步驟(4)和(5)之間，還可以包括以下步驟：對經(jīng)冷卻的合金制品進行變形總量在1.0-6.0％范圍內(nèi)的預(yù)拉伸或預(yù)壓縮冷變形處理，并配合矯直處理， 以有效消減材料中的殘余內(nèi)應(yīng)力和控制材料的尺寸精度，同時獲得強度性能的提升。

一種由所述鋁合金材料加工而成的構(gòu)件，可以通過選自機械加工、化學(xué)加工、激光加工、電火花加工、表面處理及其組合的方式加工。

作為所述構(gòu)件，可以為飛行器部件、車輛部件、船舶部件或電子產(chǎn)品部件。

本發(fā)明的有益效果在于：

(1)本發(fā)明通過添加Li、對Al-Mg-Si系鋁合金進行成分優(yōu)化設(shè)計，并輔以相匹配的制備方法，實現(xiàn)了多時效析出序列共同強化，有利于該材料在獲得低密度、高彈性模量的同時，最大程度地提升了其強度水平，使該材料在基本保持Al-Mg-Si系鋁合金優(yōu)良綜合性能匹配的同時，獲得了高的比強度和比模量性能，是現(xiàn)代制造業(yè)結(jié)構(gòu)件輕量化的一種理想選材，能較好地滿足對鋁合金材料高比強度、高比模量提出的苛刻要求。

(2)本發(fā)明在無需改變鋁加工廠現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備及規(guī)范的情況下進一步發(fā)掘出了鋁合金性能潛力，且材料性能優(yōu)越、價格適中，制備方法實用可行，易于產(chǎn)業(yè)化推廣，市場前景可觀。

附圖說明

圖1為實施例3中本發(fā)明合金板材的比強度-比模量性能匹配情況與其它幾種參照合金的對比圖。

具體實施方式

以下通過具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細描述，但發(fā)明的實施方式不僅限于此。

實施例1

在實驗室規(guī)模上制備合金，合金的成分組成如表1所示。通過業(yè)內(nèi)所周知的合金熔煉、除氣、除夾雜、并模擬半連續(xù)鑄造條件制備70×250×360mm的小型方錠，鑄錠的均勻化退火制度選擇為520-535℃/12-24h，在鹽浴槽中進行，隨后在空氣中緩冷。經(jīng)剝皮、鋸切后得到50×220×300mm的熱軋坯料，將熱軋坯料在480±10℃下預(yù)熱6h，隨后軋制變形加工為成截面為2.5mm×250mm規(guī)格的薄板。對這些合金薄板定尺裁剪后，進行(470±5℃/0.1h)+(500±5℃/1h)+(535±5℃/0.2h)的固溶熱處理，兩級間升溫速率不超過60℃/h；完成固溶處理后立即水淬，并在4h內(nèi)進行拉伸和彎矯處理，變形量控制在1.0-2.0％之間；完成拉矯處 理，對板帶進行時長為48h的自然時效處理，隨后根據(jù)合金成分的不同分別采用適宜的時效工藝(170±5℃/12-24h)對合金薄板進行時效處理，緩冷。依照GB/T 228.1-2010、GB/T 22315-2008、GB/T 1423-1996測試標(biāo)準(zhǔn)，分別對合金的室溫拉伸性能、彈性模量及材料密度進行測試，結(jié)果如表2所示。

表1實驗合金成分

表2合金薄板的性能測試結(jié)果

從表2中可以看出，本發(fā)明合金1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#的薄板表現(xiàn)出輕質(zhì)、高彈性模量的特點，獲得了高的比強度和比模量，數(shù)值分別達到120和28.5以上，同時在相同熱處理條件下，合金的比強度-比模量匹配性明顯優(yōu)于11#、12#、13#、14#、15#、16#、17#合金(其中，11#合金、16#合金、17#合金成分分別與AA6061、AA2197、AA2024的成分相符)，且具有較高的延伸率，這是由于在本發(fā)明合金中通過成分設(shè)計并輔以相匹配的制備方法，實現(xiàn)了多相組織的調(diào)控，使合金在獲得低密度、高彈性模量的同時顯著提升了其強度水平，本發(fā)明合金材料表現(xiàn)出更為優(yōu)異的高比強高比模性能。

實施例2

在實驗室制備鋁合金擠壓棒材，實驗合金成分組成如表3所示。通過業(yè)內(nèi)所周知的合金熔煉、除氣、除夾雜、并模擬半連續(xù)鑄造條件制備Φ200mm的圓型鑄錠，鑄錠在馬弗爐中進行(420±10℃/12h)+(500±5℃/8h)+(530±5℃/12h)的均勻化退火處理，風(fēng)冷，經(jīng)剝皮、銑面、鋸切后得到Φ160mm的坯料。將坯料在445±10℃下預(yù)熱4h，隨后在600噸擠壓機上擠壓成截面為Φ20mm規(guī)格的擠壓棒材。隨后，在鹽浴槽中對棒材進行溫度(550±5℃/0.5h)的單級固溶熱處理，水淬后立即進行拉伸變形與矯直處理，變形量控制在1.25-2.50％以內(nèi)；完成拉矯處理后，完成拉矯處理后，對合金擠壓棒材進行168h的自然時效處理，隨后在170-180℃范圍內(nèi)采用適宜的時效工藝對合金棒材進行時效處理，空冷。依照 GB/T 228.1-2010、GB/T 22315-2008、GB/T 1423-1996測試標(biāo)準(zhǔn)，分別對合金的室溫拉伸性能、彈性模量及材料密度進行測試，結(jié)果如表4所示。

表3實驗合金成分

表4合金擠壓棒材的性能測試結(jié)果

從表4中可以看出，本發(fā)明的18#合金在具有高比強的同時，表現(xiàn)出優(yōu)良的高比模性能。

實施例3

選擇本發(fā)明合金6#和對比的常用合金11#、16#、17#，利用中試條件制備合金。通過合金熔煉、精煉、除氣除雜、半連續(xù)鑄造制備160mm厚度規(guī)格的扁錠，經(jīng)525±10℃/18h均勻化熱處理后，剝皮和鋸切后得到120mm厚度規(guī)格的軋制變形坯料，將坯料在480±10℃下預(yù)熱4-8h，初軋溫度為450℃，經(jīng)7-13道次最終獲得約18mm厚度的板材，終軋溫度375℃。隨后，在輥底淬火爐中進行溫度(505±5℃/1h)+(540±5℃/0.5h)的雙級固溶熱處理，噴淋淬火后立即進行1.5-2.0％拉伸變形處理，對板帶進行48h的自然時效處理，隨后在170-180℃范圍內(nèi)采用適宜的時效工藝對合金板材進行時效處理，空冷。依照GB/T 228.1-2010、GB/T 22315-2008、GB/T 1423-1996測試標(biāo)準(zhǔn)，分別對合金的室溫拉伸性能、彈性模量及材料密度進行測試，結(jié)果如表5所示。

表5合金板材的性能測試結(jié)果

根據(jù)表5所列合金6#(本發(fā)明合金)、合金11#(與AA6061成分相符)、 合金16#(與AA2197成分相符)、合金17#(與AA2024成分相符)的性能測試結(jié)果，圖1給出了本發(fā)明合金板材的比強度-比模量性能匹配情況與其它3種參照合金的對比。由圖1可以看出，與經(jīng)相同條件制備的現(xiàn)有典型的AA6061、AA2197、AA2024鋁合金相比，本發(fā)明合金材料顯示出了在高比強度-高比模量性能匹配方面的優(yōu)勢。