[发明专利]一种新型超高强高韧铝合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及有色金属材料领域，特别涉及一种新型超高强高韧铝合金及其制备方法。

背景技术

近几十年来，铝合金大致向两个方向发展：一是发展超高强高韧铝合金新材料，以满足航空和航天需要；二是发展一系列可以满足各种使用条件的民用铝合金材料。超高强高韧铝合金一般指抗拉强度在500MPa以上的铝合金，其主体是Al-Zn-Mg-Cu系铝合金。Al-Zn-Mg-Cu系超高强度铝合金具有高的比强度和硬度、较好的耐腐蚀性能和较高的韧性、优良的加工性能及焊接性能，是航空航天结构部件重要材料之一。美铝公司(Alcoa)1991年研制成功了号称“王牌铝合金”的7055合金，已经用于制造波音777上翼蒙皮、龙骨架和空客A380上翼蒙皮。最近十年来，欧美国家陆续研发了抗拉强度超过650MPa的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金，如7168、7136和7056等，其中7056-T7951合金将替代7449铝合金，用于制造A380-800F飞机上翼面板。然而，航空航天、交通运输和兵器工业等技术的快速发展对Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金的性能和成本提出了更高的要求。因此，有必要开发强度更高(抗拉强度超过700MPa)的、且综合性能(包括韧性、塑性、耐腐蚀性能等)的Al-Zn-Mg-Cu系超高强度铝合金。

近年来，为了进一步提高Al-Zn-Mg-Cu合金的综合性能，人们通过采用微合金化的途径，在该系合金中添加Zr、Cr、Mn、Ti、Er、Ag和Sc等微量元素，有效地改善了该系合金的强度与韧性。

到目前为止，Sc是人们所发现的对铝合金最为有效的合金化元素，它对铝合金的合金化作用非常明显，只要加入千分之几的Sc就能对铝合金起强烈的变质作用，是铝合金的机构和性能发生明显变化。有研究表明，在Al-Zn-Mg铝合金中添加微量Sc或同时添加Sc和Zr能产生多重强化作用：添加微量Sc和Zr可明显细化合金的铸态晶粒，并显著提高合金的力学性能，其作用机理为一次析出Al₃(Sc，Zr)弥散相所引起的细晶强化，二次析出Al₃(Sc，Zr)相所引起的亚结构强化。因此从Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr铝合金的强化机理可以看出，此种合金的强韧性受热处理工艺的影响加大。基体析出相、晶间析出相，晶界无析出带和抑制再结晶化合物的大小、分布及均匀性最终决定了合金的力学性能，合理确定合金中的成分比及合适的热处理工艺对合金性能至关重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr超高强高韧铝合金及其制备工艺，通过优化合金成分，合理提高合金中Zn和Mg元素含量，优化Zn/Mg值，Cu/Mg值，并优化合金的热处理工艺，显著提高合金的强度及韧性。

为实现上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种超高强、高韧Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金，各组分及其质量百分比为：Zn含量为8.0～9.0％，Mg含量为2.4～2.8％，Cu含量为1.5～1.9％，Sc含量为0.15～0.25％，Zr含量为0.10～0.20％，杂质元素Si含量≦0.1％，杂质元素Fe≤0.15％，其它杂质元素总含量≤0.15％，其余组分为Al。其中Zn与Mg的重量百分比为3∶1～4∶1，Cu与Mg的重量百分比为0.5∶1～0.8∶1。

一种超高强、高韧Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金的制备方法，步骤如下所述：

(1)准备原料：取纯度为99.98％的Al，99.94％的Zn，99.9％的Mg，中间合金为Al-48％Cu，Al-30％Sc，Mg-31Zr作为原料；

(2)熔炼：真空气氛保护熔炼炉抽真空，通入氦气气氛，当温度达到730℃时，先后加入Al，Zn，Mg及Al-48％中间合金；温度升至750℃，加入Al-30％Sc、Mg-31％Zr中间合金，充分熔化；对完全熔化的金属液体进行精炼，精炼时金属温度维持在740℃的范围内，精炼后应进行充分静置，静置时间不低于25分钟；

(3)铸造：当温度降至720℃，将充分静置后的合金熔液浇入完成预热且温度为420℃的金属模具内，即可获得合金铸锭；

(4)均匀化处理：对合金铸坯进行三级均匀化处理，第一阶段合金铸坯在320～380℃保温15～35h，将完成第一阶段均匀化处理的合金铸坯在400～450℃保温10～25h，完成第二阶段均匀化处理，将完成第二阶段均匀化处理的合金铸坯在450～480℃保温10～25h，完成第三阶段均匀化处理；