含Sc的高強(qiáng)度Al-Cu-Mg-Mn-Zr合金及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于有色金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種含Sc的Al-Cu-Mg-Mn-Zr合金及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]Al-Cu-Mg系合金具有高強(qiáng)度、抗疲勞、易加工等諸多優(yōu)點(diǎn)，作為結(jié)構(gòu)材料被廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸?shù)裙I(yè)領(lǐng)域。Al-Cu-Mg合金以Cu、Mg為主要合金元素，通過改變銅和鎂的成分配比及控制其他微量元素和雜質(zhì)元素而形成一系列硬鋁合金，而時(shí)效析出強(qiáng)化是其主要的強(qiáng)化方法。隨著高新技術(shù)的不斷發(fā)展，各工業(yè)領(lǐng)域?qū)τ趥鹘y(tǒng)鋁合金性能要求越來越高，為了進(jìn)一步提高Al-Cu-Mg合金力學(xué)性能，稀土微合金化的優(yōu)化研究逐漸受到金屬材料工作者的關(guān)注。
[0003]鈧位于元素周期表中的過渡區(qū)，化學(xué)性質(zhì)與鋁相似，具有兩性性質(zhì)。鈧密度只比鋁高了 11 %，但鈧是目前為止人們發(fā)現(xiàn)的對(duì)鋁合金最為有效的合金化元素，它對(duì)鋁合金的合金化作用非常顯著，只要加人千分之幾的鈧就能對(duì)鋁合金起強(qiáng)烈的變質(zhì)作用，使合金的結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生明顯變化。微量鈧加人到鋁合金中不僅能顯著細(xì)化鋁合金晶粒，抑制合金再結(jié)晶，而且可顯著提高合金的強(qiáng)度、塑性、高溫性能、抗蝕性能及焊接性能，甚至能增強(qiáng)抗中子輻照損傷性能。但是Sc較高的價(jià)格成本限制了其在鋁合金中的廣泛應(yīng)用，因此合金中引入亦具有細(xì)化晶粒和強(qiáng)化作用效果的Zr元素，而Μη元素的添加有助于抑制合金的再結(jié)晶行為。
[0004]20世紀(jì)70年代以來，前蘇聯(lián)和俄羅斯在含鈧鋁合金方面做了大量基礎(chǔ)研究，在世界該領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，而國(guó)內(nèi)研究較多的機(jī)構(gòu)則是中南大學(xué)和東北大學(xué)。
[0005]Jiang(J.Cent.South Univ.Techno 1.(2010)17:19-23)等研究表明微量Sc和Zr在2524鋁合金板材中主要以次生的Al3(Sc，Zr)粒子形式存在，，這種粒子與基體共格，釘扎位錯(cuò)和亞晶界，高溫固溶處理過程中仍然能夠部分抑制合金的再結(jié)晶。王華(輕合金加工技術(shù).(2008)36: 30-33)等研究了添加Sc、Zr對(duì)于2024鋁合金組織及性能的影響，當(dāng)分別加入
0.05wt % Sc和0.06wt % Zr時(shí)，合金屈服強(qiáng)度提高18MPa，而延伸率依然維持在2024鋁合金水平。
[0006]綜合閱讀該研究領(lǐng)域的相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，Al-Cu-Mg合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度一般在350-400MPa左右，因?yàn)橛斜匾阅芨叩腁l-Cu-Mg合金以滿足現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種含Sc的高強(qiáng)度Al-Cu-Mg-Mn-Zr合金及其制備方法。本發(fā)明制備方法能夠獲得較好綜合性能的合金，且制備方法簡(jiǎn)單，具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。
[0008]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的一種含Sc的高強(qiáng)度Al-Cu-Mg-Mn-Zr合金，由下列合金元素及其質(zhì)量百分含量組成:銅為3.7%-4.0%，鎂為1.4%-1.6%，鈧為0.2%-
0.3%,鋯為0.2%-0.3%,錳為0.3%-0.5%,余量為鋁;合金T6狀態(tài)下室溫抗拉強(qiáng)度為450-520MPa，屈服強(qiáng)度為370-450MPa，延伸率為6.5 % -11.5 %。
[0009 ] 制備上述含Sc的高強(qiáng)度A1 -Cu-Mg-Mn-Zr合金的制備方法，包括以下步驟:
[00?0]步驟一、以質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99.7wt.%的招錠、質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99.8wt.%的鎂錠、質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99.8wt.%猛錠，質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99.8wt.%的電解銅以及Al_2wt.%Sc中間合金錠和A1 -5wt.% Zr中間合金錠為熔煉原料，按鋁錠、鎂錠、錳錠、電解銅、Al-2wt.% Sc中間合金錠和六1-5￥1%21中間合金錠的質(zhì)量比為(0.66-0.75): (0.03-0.06): (0.005-0.015):(0.14-0.19):(0.015-0.035):(0.04-0.07)，采用真空氣氛電磁感應(yīng)熔煉方法熔煉合金，恪煉溫度控制在680-720°C，澆鑄于預(yù)熱至200°C的模具中，自然空冷成尺寸為200mmX 100mmX 20mm的合金鑄錠；
[0011]步驟二、將步驟一所得到的合金鑄錠放置于箱式電阻爐內(nèi)在490-500°C下進(jìn)行16-24h的均勻化處理；
[0012]步驟三、將步驟二均勻化后的合金鑄錠以熱乳+中間退火+冷乳方式完成乳制加工處理，合金熱乳后厚度至6.0mm，冷乳后厚度至2.8mm，且在熱乳前先在430°C下預(yù)熱lh ；
[0013]步驟四、將步驟二處理完畢的2.8mm厚的乳板在500°C進(jìn)行1.5h的固溶處理，然后立即進(jìn)行淬火處理，淬火時(shí)間在5-lOs，然后施加10%-40%的冷變形實(shí)驗(yàn)并在190°C下進(jìn)行l(wèi)-24h的人工時(shí)效處理，得到含Sc的高強(qiáng)度Al-Cu-Mg-Zr-Mn合金。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0015]本發(fā)明合金由常用工業(yè)鋁合金Al-Cu-Mg系添加Sc稀土元素以及Zr、Mn元素組成，合金制備方法簡(jiǎn)單，所得含Sc的Al-Cu-Mg-Mn-Zr合金晶粒明顯得到細(xì)化，組織中不存在枝晶，抗拉強(qiáng)度達(dá)到450-520MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到370_450MPa，延伸率6.5%~11.5%,獲得了較好的綜合力學(xué)性能。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1所制的含Sc的Al-Cu-Mg-Mn-Zr合金鑄態(tài)金相組織照片；
[0017]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1所制的含Sc的Al-Cu-Mg-Mn-Zr合金鑄態(tài)第二相掃描照片；
[0018]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1所制的含Sc的Al-Cu-Mg-Mn-Zr合金時(shí)效后晶界析出相的透射照片；
[0019]圖4為本發(fā)明實(shí)施例1所制的含Sc的Al-Cu-Mg-Mn-Zr合金拉伸后斷口形貌掃描照片。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述，所描述的具體實(shí)施例僅對(duì)本發(fā)明進(jìn)行解釋說明，并不用以限制本發(fā)明。
[0021]實(shí)施例1
[0022]步驟一、以質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99.7wt.%工業(yè)純招錠，質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99.8wt.%工業(yè)純鎂錠，質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99.8wt.%工業(yè)純猛錠，質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99.8wt.%電解銅以及A1-2wt.5Sc中間合金錠和Al-5wt.Zr中間合金錠為熔煉原料，按鋁錠、鎂錠、錳錠、電解銅、A1-2wt.% Sc中間合金錠和Al-5wt.%Zr中間合金錠的質(zhì)量比為70:5:1:17:2:5，在真空氣氛電磁感應(yīng)熔煉鑄造質(zhì)量成分為Cu為3.87 %、Mg為1.51、Sc為0.22、Zr為0.21、鋁余量的尺寸為200mm X 100mm X 20mm 的合金鑄徒。
[0023](0.66-0.75):(0.03-0.06):(0.005-0.015):(0.14-0.19):(0.015-0.035):(0.04-0.07)
[0024]步驟二、將上述合金鑄錠放置于箱式電阻爐內(nèi)在500°C下進(jìn)行20h的均勻化處理；
[0025]步驟三、均勻化后的合金鑄錠以熱乳+中間退火+冷乳方式完成乳制加工處理，合金熱乳后厚度至6.0mm，冷乳后厚度至2.8mm，且在熱乳前先在430°C下預(yù)熱lh;
[0026]步驟四、將該2.8mm厚的乳板在500°C進(jìn)行1.5h的固溶處理完成后立即進(jìn)行淬火處理，淬火時(shí)間為10s，然后施加20%的冷變形實(shí)驗(yàn)并在190°C下進(jìn)行10h的人工時(shí)效處理，得到含Sc的高強(qiáng)度Al-Cu-Mg-Zr-Mn合金。
[0027]經(jīng)電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試實(shí)施例1制備得到的合金的力學(xué)性能是:抗拉強(qiáng)度488MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到401MPa，延伸率10.4%，抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度均在400MPa的情況下，延伸率維持在10%以上，綜合力學(xué)性能較好。
[0028]圖1示出了實(shí)施例1合金鑄態(tài)金相組織照片；圖2示出了實(shí)施例1合金鑄態(tài)第二相掃描照片；圖3示出了實(shí)施例1合金時(shí)效后晶界析出相的透射照片；圖4是實(shí)施例1所制的含Sc的A1 -Cu-Mg-Mn-Zr合金拉伸后斷口形貌掃描照片?？梢钥闯?，本發(fā)明制備所得含Sc的A1 -Cu-Mg-Mn-Zr合金晶粒明顯得到細(xì)化，組織中不存在枝晶。
[0029]實(shí)施例2
[0030]實(shí)施例2與實(shí)施例1基本相同，其不同僅在于:步驟四中，對(duì)淬火處理后的乳板施加10%的冷變形對(duì)照實(shí)驗(yàn)并在190°C下進(jìn)行14h的人工時(shí)效處理，得到含Sc的高強(qiáng)度Al-Cu-Mg -Z r -Μη 合金 。經(jīng)電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試實(shí)施例 2 制備得到的合金的力學(xué)性能是: 抗拉強(qiáng)度455MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到372MPa，延伸率11.4%。
[0031]實(shí)施例3
[0032]實(shí)施例2與實(shí)施例1基本相同，其不同僅在于:步驟四中，對(duì)淬火處理后的乳板施加30%的冷變形對(duì)照實(shí)驗(yàn)并在190°C下進(jìn)行10h的人工時(shí)效處理，得到含Sc的高強(qiáng)度Al-Cu-Mg -Z r -Μη 合金 。經(jīng)電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試實(shí)施例 2 制備得到的合金的力學(xué)性能是: 抗拉強(qiáng)度507MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到420MPa，延伸率8.8 %。
[0033]實(shí)施例4
[0034]實(shí)施例3與實(shí)施例1基本相同，其不同僅在于:步驟四中，對(duì)淬火處理后的乳板施加40%的冷變形對(duì)照實(shí)驗(yàn)并在190°C下進(jìn)行8h的人工時(shí)效處理，得到含Sc的高強(qiáng)度Al-Cu-Mg-Zr-Mn合金。經(jīng)電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試實(shí)施例2制備得到的合金的力學(xué)性能是:抗拉強(qiáng)度518MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到452MPa，延伸率6.5%。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種含Sc的高強(qiáng)度Al-Cu-Mg-Mn-Zr合金，其特征在于，該合金由下列合金元素及其質(zhì)量百分含量組成:銅為3.7%-4.0%，鎂為1.4%-1.6%，鈧為0.2%-0.3%，鋯為0.2%-0.3%,錳為0.3%-0.5%,余量為鋁;合金T6狀態(tài)下室溫抗拉強(qiáng)度為450-520MPa，屈服強(qiáng)度為370-450MPa，延伸率為6.5 % -11.5 %。2.—種如權(quán)利要求1所述含Sc的高強(qiáng)度Al-Cu-Mg-Mn-Zr合金的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一、以質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99.7wt.%的招錠、質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99.8wt.%的鎂錠、質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99,8wt.%錳錠，質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99,8wt.%的電解銅以及Al_2wt.% Sc中間合金錠和A1-5wt.% Zr中間合金錠為熔煉原料，按鋁錠、鎂錠、錳錠、電解銅、A1 -2wt.% Sc中間合金錠和Al-5wt.%Zr中間合金錠的質(zhì)量比為(0.66-0.75): (0.03-0.06): (0.005-0.015): (0.14-0.19):(0.015-0.035):(0.04-0.07)，采用真空氣氛電磁感應(yīng)熔煉方法熔煉合金，熔煉溫度控制在680-720°C，澆鑄于預(yù)熱至200°C的模具中，自然空冷成尺寸為200mmX100mmX20mm的合金鑄錠； 步驟二、將步驟一所得到的合金鑄錠放置于箱式電阻爐內(nèi)在490-500°C下進(jìn)行16-24h的均勻化處理； 步驟三、將步驟二均勻化后的合金鑄錠以熱乳+中間退火+冷乳方式完成乳制加工處理，合金熱乳后厚度至6.0mm，冷乳后厚度至2.8mm，且在熱乳前先在430°C下預(yù)熱lh ； 步驟四、將步驟二處理完畢的2.8mm厚的乳板在500°C進(jìn)行1.5h的固溶處理，然后立即進(jìn)行淬火處理，淬火時(shí)間在5-lOs，然后施加10%-40%的冷變形實(shí)驗(yàn)并在190°C下進(jìn)行1-24h的人工時(shí)效處理，得到含Sc的高強(qiáng)度Al-Cu-Mg-Zr-Mn合金。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述含Sc的高強(qiáng)度Al-Cu-Mg-Mn-Zr合金的制備方法，其特征在于，步驟三中熱乳+中間退火+冷乳的工藝條件是:熱乳溫度為450°C，中間退火溫度為400°C，時(shí)間為2h，中間退火后自然冷卻至室溫進(jìn)行冷乳。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種含Sc的Al-Cu-Mg-Zr-Mn合金及其制備方法。該合金由常用工業(yè)鋁合金Al-Cu-Mg系添加Sc稀土元素以及Zr、Mn元素組成，制備過程包括：鑄造過程采用真空氣氛電磁感應(yīng)熔煉完成，熔煉溫度控制在680-720℃附近，鑄錠在箱式爐中溫度為490-500℃下進(jìn)行16-24h的均勻化處理后以熱軋+中間退火+冷軋方式完成軋制加工處理，在500℃/1.5h的固溶處理完成之后立即進(jìn)行淬火處理，淬火時(shí)間在5-10s，然后施加10％-40％的冷變形實(shí)驗(yàn)并在190℃下進(jìn)行1-24h的人工時(shí)效處理，得到含Sc的高強(qiáng)度Al-Cu-Mg-Zr-Mn合金。該方法能夠較好綜合性能的合金，且制備方法簡(jiǎn)單，具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。
【IPC分類】C22C21/16, C22C1/03, C22F1/057
【公開號(hào)】CN105441759
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510854938
【發(fā)明人】趙乃勤, 郭宇航, 何春年, 劉恩佐, 師春生
【申請(qǐng)人】天津大學(xué)
【公開日】2016年3月30日
【申請(qǐng)日】2015年11月27日