[发明专利]一种高强高断裂韧性铝合金

说明书

本发明属于铝合金材料技术领域，具体涉及一种高强高断裂韧性铝合金。解决的问题是提供一种高强度高断裂韧性的铝合金及其制备方法。具体的，采用的技术方案为：一种高强高断裂韧性铝合金，包括以下质量百分含量的成分：Sc0.2‑1%，Zn3‑6%，Mg1‑2%，Zr0.5‑1%，Fe<0.1%，余量为铝及不可避免的杂质。本发明通过严格控制Sc元素的含量在0.2‑1%，在于其他合金元素配合的情况下，实现了有效的提升铝合金断裂韧性的同时，将铝合金的强度也保持在500MPa以上。

技术领域

本发明属于铝合金材料技术领域，具体涉及一种高强高断裂韧性铝合金。

背景技术

铝合金材料以其比强度高、材料性能稳定、焊接性良好、耐受环境范围宽等特点，被广泛用于航空航天领域，如飞机蒙皮，桁条，襟翼等零部件，以及火箭舱体，燃料储箱，上面级，大型载人密封舱等结构。随着空间碎片的持续增多，太空环境持续恶化，航天器面临的被碰撞几率大幅增加，因此对材料的服役安全性提出了越来越高的要求。其中断裂韧性是评价裂纹萌生和扩展能力的关键因素，在安全性考核中占据了重要的地位。但是目前国内外常用铝合金的断裂韧性往往很低，如表1所示。传统的7XXX系和2XXX系铝合金的断裂韧性都只有30 MPa·m^1/2左右，远远不能满足日益恶劣的太空环境对服役安全的要求。因此，在考虑传统的高强度高韧性铝合金以外，还需开发同时具备良好断裂韧性的铝合金，即具有高综合性能的铝合金。

表1 国内外常见航空航天用铝合金的断裂韧性

通常来说，断裂韧性随着材料的强度提升而下降。如图1“材料的断裂韧性与屈服强度之间的关系”所示，对于钢、钛、铝、镁等金属及其合金而言，随着屈服强度的升高，断裂韧性都呈现下降趋势，因此，如何同时提高合金的强度、塑性和断裂韧性是目前研究的一个难点。对断裂韧性来说，它的影响因素主要包括杂质含量，第二相尺寸与分布，固溶元素的含量，再结晶的程度等等。其中最主要的是形成细小弥散的且与铝基体共格的第二相，被认为是开发高综合性能铝合金的最有效手段。

钪作为重要的稀土元素和过渡区元素，具有很高的熔点和沸点。钪（Sc）是迄今为止发现的对铝合金晶粒细化效果最好的元素，在铝合金中添加微量（千分之几）的Sc就能够显著地提高合金的性能。例如，与其他高强度铝合金相比，铝钪合金的机械强度可增加20％～50％，这是由于Sc元素的添加形成了大量弥散分布的初生A1₃Sc质点，为结晶提供了核心，而且A1₃Sc质点为L12晶体结构，与基体铝只有约1.5％的错配度，在基体中的密度较高，因此在共晶温度以下，初生A1₃Sc质点是α-Al的择优形核场所，是有效的非均质晶核，能够显著减小晶粒尺寸，形成极佳的细晶结构，在铸态状态下晶粒细化现象十分显著。所以，加入通过加入钪形成与基体铝基本共格的A1₃Sc，是开发高综合性能铝合金的最佳选择。其中，铝镁钪合金的焊接性能优异，热开裂现象减少，同时塑性、耐久性、成型率都有不同程度的提高，在高温区依然保持超塑性。尤其是对于铝镁合金而言，微量钪元素的添加(约为0.3％)对于细化铸态铝镁合金的晶粒效果显著，在提高强度、韧性、硬度、抗裂纹扩展能力以及其他机械性能的同时，还可以提高合金的热稳定性和可焊性。