一種高強度高淬透性超高強鋁合金及其製備方法與流程
2024-02-17 05:36:15
本發明涉及一種高強度高淬透性超高強鋁合金及其製備方法，屬於有色金屬技術領域。
背景技術：
超高強鋁合金具有密度低、強度高、熱加工性能好等優點，廣泛應用於航空航天領域重要的結構部件。隨著航空航天工業的發展，為解決結構件焊接與鉚接帶來的諸多問題，提高裝備的整體性能和可靠性，進一步減輕裝備重量，對超厚截面(150mm以上)Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金鍛件與預拉伸厚板提出了緊迫的要求，即要求新型超高強鋁合金材料除了應具有較高的強度，還應具有較好的淬透性以及良好的疲勞性能等綜合性能。
目前，國外航空厚板用超高強鋁合金牌號有AA7075、AA7X50、AA 7085等鋁合金，其中AA7085鋁合金目前較為先進的合金，具有高淬透性高韌性等綜合性能，成功地應用於在波音787飛機起落架支撐件和空客A380飛機的翼梁等重要承力部件。但是，AA7085鋁合金強度相對較低，因而也降低了飛機的安全係數。其原因是：合金中的Mg元素含量較低，主要強化相MgZn2形成的數量較少，因而合金的強度較低。
為了提高飛機的使用壽命，增加飛機的安全係數，需要研製出綜合性能更加優異的超高強鋁合金及其相應的製備方法，使其同時具備高強度高淬透性，提高飛機整體性能與服役可靠性，降低飛機的製造成本。
技術實現要素：
本發明克服了現有技術中的缺點，提供了一種高強度高淬透性超高強鋁合金及其製備方法，以解決目前航空超厚截面用超高強鋁合金在綜合性能方面，特別是高強度高淬透性方面的不足。
為了解決上述技術問題，本發明是通過以下技術方案實現的：
一種高強度高淬透性超高強鋁合金，其成分的重量百分比為：Zn：5.8～6.4wt％，Mg：1.8～2.6wt％，Cu：1.0～1.2wt％，Zr：0.06～0.20wt％，Fe：≤0.08wt％，Si：≤0.06wt％，其餘組分為Al和不可避免的雜質。
進一步，還含有微量元素Mn、Cr、Ti中的一種或幾種，其中微量元素單個含量≤0.05wt％，總含量≤0.15wt％。
進一步，Zn與Mg的重量百分比為3∶1～5∶1，Cu與Mg的重量百分比為0.4∶1～0.9∶1。
一種高強度高淬透性超高強鋁合金的製備方法，包括以下步驟：
(1)首先按照配比進行配料，在720～780℃進行熔煉；
(2)對完全熔化的金屬液進行精煉，精煉時金屬溫度維持在700℃～740℃的範圍內，精煉後應進行充分靜置，靜置時間不低於25分鐘；
(3)充分靜置後開始澆鑄，爐口溫度維持在680℃～720℃的範圍內；
(4)對合金鑄坯進行三級均勻化，第一階段在360～420℃下保溫3～15h，第二階段在420～450℃下保溫15～35h，第三階段在450～480℃下保溫15～35h；
(5)對均勻化後的鑄坯進行溫軋，開軋溫度為250～320℃，總變形率90％以上，終軋溫度控制在200℃以上；
(6)對溫軋後的板材在460～480℃進行固溶，固溶時間1～4h，室溫水淬；
(7)在淬火後的4h內對板材進行1.5～3％變形量的預拉伸；
(8)對預拉伸後的板材立即進行時效處理。
其中，步驟(8)中時效處理採用峰值時效熱處理工藝為：在100℃～170℃加熱10～64小時。
其中，步驟(8)中時效處理採用過時效熱處理工藝為：第一級時效溫度100～130℃，時效時間為4～20h，第二級時效溫度為150～180℃，時效時間為4～20h。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：
本發明所述一種高強度高淬透性超高強鋁合金及其製備方法，合理控制合金中Zn、Mg、Cu含量，Zn/Mg值，Cu/Mg值，相比AA7075，AA7085等鋁合金，合金有效強化相得到顯著優化，因此合金保持AA7085鋁合金的淬透性，同時合金的強度明顯高於AA7085等鋁合金；
通過控制均勻化熱處理工藝，使合金枝晶間第二相充分分解，提高合金可強化元素含量；使Al3Zr在組織中均勻彌散析出，起到在溫軋及固溶過程中最大程度地阻礙再結晶的作用，進一步提高了合金的綜合性能。
具體實施方式
以下對本發明的優選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優選實施例僅用於說明和解釋本發明，並不用於限定本發明。
以下將結合實施例對本發明技術方案作進一步地詳述：
表1給出了本發明所提出的新型超高強鋁合金化學成分及重量百分比實施例。
表1：新型超高強鋁合金化學成分及重量百分比
表1
該合金的製備工藝的步驟是：
(1)按合金的化學成分及重量百分比要求配料；
(2)在熔煉爐內進行熔化，熔化溫度為720～780℃；
(3)對完全熔化的金屬液進行精煉，精煉時金屬溫度維持在700℃～740℃的範圍內；
(4)精煉後應進行充分靜置，靜置時間不低於25分鐘；
(5)充分靜置後開始澆鑄，爐口溫度維持在680℃～720℃的範圍內，澆鑄出240mm×80mm×10mm方錠；
(4)對合金鑄坯進行三級均勻化，第一階段在360～420℃下保溫3～15h，第二階段在420～450℃下保溫15～35h，第三階段在450～480℃下保溫15～35h；
(5)對均勻化後的鑄坯進行溫軋，開軋溫度為250～320℃，總變形率90％以上，終軋溫度控制在200℃以上；
(6)對溫軋後的板材在460～480℃進行固溶，固溶時間1～4h，室溫水淬；
(7)在淬火後的4h內對板材進行1.5～3％變形量的預拉伸；
(8)對預拉伸後的板材立即進行時效處理，選擇時效工藝為下述之一：
①峰值時效熱處理工藝為：在100℃～170℃加熱10～64小時；
②過時效熱處理工藝為：第一級時效溫度100～130℃，時效時間為4～20h，第二級時效溫度為150～180℃，時效時間為4～20h。
表2為不同時效工藝的板材性能。
表2
本發明合金的時效態性能與AA7150、AA7085等合金進行對比，如表3所示。
表3各合金的綜合性能對比
表3
表3中：上標①數據來源於SAE AMS。
表3中：上標②數據為：
表3中：上標②數據由合金分別進行室溫水冷和空氣淬火後峰值時效後，兩者抗拉強度差與室溫水冷峰值時效抗拉強度的比值。
由表3可以看出，本發明合金的淬透性明顯高於AA7050鋁合金，略優越於AA7085鋁合金，且拉伸強度明顯高於AA7085鋁合金。
綜上所述，本發明合金具有較高的強度與淬透性，綜合性能優異，適合製造飛機大型部件，有利於提高飛機的整體性與可靠性，獲得顯著經濟效益。
最後應說明的是：以上僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，儘管參照實施例對本發明進行了詳細的說明，對於本領域的技術人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換，但是凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。