阅读说明：本技术 一种高强度抗疲劳铝合金及其制备方法 (High-strength anti-fatigue aluminum alloy and preparation method thereof ) 是由 金义泉 于 2019-09-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高强度抗疲劳铝合金及其制备方法,合金的成分按质量百分比包括：Cu：3.6-4.1％、Mg：0.6-1.1％、Mn：0.57-0.69％、Ti+La：0.35-0.72％、Ni：0.15-0.31％、Fe：0.41-0.53％、Si：0.11-0.27％、Zr：0.04-0.13％、Ce：0.12-0.26％、W：0.1-0.18％、Y：0.12-0.19％、Ge：0.32-0.46％、Sn：0.03-0.12％、Pr+Nd+Er：0.16-0.29％、V：0.05-0.09％、余量为Al。本发明提出的铝合金的制备方法过程简单,得到的铝合金强度高、韧性好、热稳定性和抗疲劳性优异。(The invention discloses a high-strength anti-fatigue aluminum alloy and a preparation method thereof, wherein the alloy comprises the following components in percentage by mass: cu: 3.6-4.1%, Mg: 0.6-1.1%, Mn: 0.57-0.69%, Ti + La: 0.35-0.72%, Ni: 0.15-0.31%, Fe: 0.41-0.53%, Si: 0.11 to 0.27%, Zr: 0.04-0.13%, Ce: 0.12-0.26%, W: 0.1-0.18%, Y: 0.12-0.19%, Ge: 0.32-0.46%, Sn: 0.03-0.12%, Pr + Nd + Er: 0.16-0.29%, V: 0.05-0.09% and the balance of Al. The preparation method of the aluminum alloy provided by the invention has the advantages that the process is simple, and the obtained aluminum alloy has high strength, good toughness, excellent thermal stability and excellent fatigue resistance.)

一种高强度抗疲劳铝合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及铝材技术领域，具体涉及一种高强度抗疲劳铝合金及其制备方法。

背景技术

铝合金是以铝为基体元素的合金总称，其作为工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，具有密度小、强度高、塑性好、易加工、耐腐蚀、导电、导热和抗蚀性优良、易表面着色、可回收再生等优点，目前已被广泛应用于航空、航天、汽车、建筑包装、舰船及化学工业等领域。随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，对材料的性能提出了新的要求，铝合金型材正面临前所未有的挑战，尽管我国在铝合金研究方面确实取得了很多成果，目前市场上的铝合金种类繁多，但是与国外仍有一定的差距。现有铝合金型材的某些性能仍不是很理想，例如强度、抗疲劳性和耐热性，使铝合金构件在实际应用中易失效，使其应用范围受到了一定限制。

发明内容

为了解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种高强度抗疲劳铝合金及其制备方法，所述制备方法过程简单，得到的铝合金强度高、韧性好、热稳定性和抗疲劳性能优异，使用寿命长。

本发明提出的一种高强度抗疲劳铝合金，其成分按质量百分比包括：Cu：3.6-4.1％、Mg：0.6-1.1％、Mn：0.57-0.69％、Ti+La：0.35-0.72％、Ni：0.15-0.31％、Fe：0.41-0.53％、Si：0.11-0.27％、Zr：0.04-0.13％、Ce：0.12-0.26％、W：0.1-0.18％、Y：0.12-0.19％、Ge：0.32-0.46％、Sn：0.03-0.12％、Pr+Nd+Er：0.16-0.29％、V：0.05-0.09％、余量为Al。

优选地，其成分中，Cu、Mg、Ce、W的质量百分比满足以下关系式：Cu/Mg＝3.9-4.6，且0.31％≤Ce+W≤0.38％。

优选地，其成分中，Ti与La的质量百分比满足以下关系式：3×La≤Ti。

优选地，其成分中，Pr、Nd、Er的质量百分比满足以下关系式：Er≥2.2×(Pr+Nd)。

优选地，所述高强度抗疲劳铝合金，其成分按质量百分比包括：Cu：3.9％、Mg：1％、Mn：0.59％、Ti：0.49％、La：0.16％、Ni：0.22％、Fe：0.47％、Si：0.19％、Zr：0.09％、Ce：0.21％、W：0.12％、Y：0.17％、Ge：0.38％、Sn：0.08％、Pr：0.03％、Nd：0.06％、Er：0.2％、V：0.06％、余量为Al。

本发明还提出的一种所述高强度抗疲劳铝合金的制备方法，包括以下步骤：

S1、以Al-Cu中间合金、纯镁、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金、Al-La中间合金、Al-Ni中间合金、Al-Fe中间合金、Al-Si中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Ce中间合金、Al-W中间合金、Al-Y中间合金、纯锗、Al-Sn中间合金、Al-Pr中间合金、Al-Nd中间合金、Al-Er中间合金、Al-V中间合金和高纯铝为原料，将各原料进行熔炼，浇铸后得到合金铸锭；

S2、将合金铸锭依次进行均匀化处理、热轧、中间退火、冷轧、固溶处理、淬火和人工时效处理得到所述高强度抗疲劳铝合金。

优选地，在S2中，所述均匀化处理的工艺包括：以1-3℃/min的升温速率升温至230-270℃保温3.5-5h，然后以2-4℃/min的升温速率升温至420-450℃保温5.5-8.5h，然后以5-7℃/min的升温速率升温至525-533℃保温12-18h。

优选地，在S2中，所述热轧的温度为455-475℃；所述冷轧的变形量为63-72％。

优选地，在S2中，固溶处理的温度为540-555℃，时间为22-35min。

优选地，在S2中，所述人工时效处理的温度为180-190℃，时间为60-120min。

优选地，在S1中，所述高纯铝的纯度≥99.9％；所述纯镁的纯度≥99.99％。

优选地，在S2中，所述淬火为冷水淬火，所用冷水的温度为20-25℃。

优选地，在S2中，所述中间退火的温度为375-395℃，时间为50-120min。

本发明所述高强度抗疲劳铝合金，其添加了Cu、Mg、Mn、Ti、La、Ni、Fe、Si、Zr、Ce、W、Y、Ge、Sn、Pr、Nd、Er、V多种元素，并优化了合金的含量，调整了制备的工艺条件，使各元素发挥协同作用，使所得铝合金强度高、韧性好、耐热性和抗疲劳性能优异；具体的，控制了Cu、Mg的含量以及两者的比例，并加入了Ce、W、Y进行微合金化，且使Ce、W的质量含量满足0.31％≤Ce+W≤0.38％，调节了基体中S(Al₂CuMg)相、θ(Al₂Cu)、θ′(Al₂Cu)的含量，并形成了细小弥散的Al_x(Ce，W)、CeAl₄以及Al₈Cu₄等，改善了合金的显微组织，抑制了基体变形、晶界的移动以及晶粒的长大，防止了Al的挥发，使所得铝合金在高温下具有较高的强度，赋予铝合金优异的耐热性和强度；V与Sn配合加入体系中，两者具有协同作用，提高了合金的断裂韧性和抗疲劳能力；Ge、La加入体系中，与Si配合，促进了基体中S相的析出，同时降低了晶粒的长大速度，提高了合金的硬度和抗拉强度；Pr、Nd、Er加入体系中，并调节使三者的质量含量满足Er≥2.2×(Pr+Nd)，三者具有协同作用，进一步提高了合金的强度；Zr、Ti加入体系中，同时使Ti、La的质量含量满足3×La≤Ti，使Zr、Ti、La三者具有协同作用，细化了组织，调节了合金的再结晶温度，使所得铝合金强度和韧性好；在铝合金的制备方法中，控制了均匀化处理的工艺，消除了合金中的枝晶偏析，同时能使合金中因Er等的加入产生的较粗大的第二相颗粒溶解，提高了合金的疲劳裂纹扩展阻力，同时提高了合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率；具体选择455-475℃为热轧的温度，同时选择在540-555℃下固溶处理22-35min的固溶工艺，使合金发生动态再结晶，形成较多具有一定取向的再结晶织构，降低了合金的疲劳裂纹扩展速率，有效提高了合金的抗疲劳性能；具体控制了冷轧变形量为63-72％，产生了大量的交互作用强的位错，形成更加细小的晶粒，阻碍疲劳裂纹的扩展，进一步提高了基体的疲劳性能；在180-190℃下进行人工时效处理60-120min，在合金中形成了细小弥散并与合金基体呈共格界面特征的析出相，阻碍位错运动，在不降低疲劳性的条件下提高了合金的屈服强度。

具体实施方式

下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例1

一种高强度抗疲劳铝合金，其成分按质量百分比包括：Cu：4.1％、Mg：0.6％、Mn：0.69％、Ti：0.5％、La：0.1％、Ni：0.15％、Fe：0.46％、Si：0.11％、Zr：0.1％、Ce：0.12％、W：0.13％、Y：0.12％、Ge：0.37％、Sn：0.03％、Pr+Nd+Er：0.22％、V：0.05％、余量为Al。

实施例2

一种高强度抗疲劳铝合金，其成分按质量百分比包括：Cu：3.6％、Mg：0.9％、Mn：0.57％、Ti：0.55％、La：0.17％、Ni：0.31％、Fe：0.53％、Si：0.27％、Zr：0.13％、Ce：0.26％、W：0.1％、Y：0.19％、Ge：0.46％、Sn：0.07％、Pr：0.02％、Nd：0.07％、Er：0.2％、V：0.09％、余量为Al。

本发明还提出的一种所述高强度抗疲劳铝合金的制备方法，包括以下步骤：

S1、以Al-Cu中间合金、纯镁、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金、Al-La中间合金、Al-Ni中间合金、Al-Fe中间合金、Al-Si中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Ce中间合金、Al-W中间合金、Al-Y中间合金、纯锗、Al-Sn中间合金、Al-Pr中间合金、Al-Nd中间合金、Al-Er中间合金、Al-V中间合金和高纯铝为原料，将各原料进行熔炼，浇铸后得到合金铸锭；

S2、将合金铸锭依次进行均匀化处理、热轧、中间退火、冷轧、固溶处理、淬火和人工时效处理得到所述高强度抗疲劳铝合金；其中，所述均匀化处理的工艺包括：以3℃/min的升温速率升温至270℃保温3.5h，然后以3℃/min的升温速率升温至420℃保温8.5h，然后以6℃/min的升温速率升温至525℃保温12h；所述热轧的温度为455℃；所述冷轧的变形量为72％；固溶处理的温度为540℃，时间为35min；所述人工时效处理的温度为180℃，时间为120min。

实施例3

一种高强度抗疲劳铝合金，其成分按质量百分比包括：Cu：3.8％、Mg：0.9％、Mn：0.62％、Ti：0.27％、La：0.08％、Ni：0.27％、Fe：0.41％、Si：0.19％、Zr：0.04％、Ce：0.17％、W：0.18％、Y：0.16％、Ge：0.32％、Sn：0.12％、Pr：0.03％、Nd：0.01％、Er：0.12％、V：0.06％、余量为Al。

本发明还提出的一种所述高强度抗疲劳铝合金的制备方法，包括以下步骤：

S1、以Al-Cu中间合金、纯镁、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金、Al-La中间合金、Al-Ni中间合金、Al-Fe中间合金、Al-Si中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Ce中间合金、Al-W中间合金、Al-Y中间合金、纯锗、Al-Sn中间合金、Al-Pr中间合金、Al-Nd中间合金、Al-Er中间合金、Al-V中间合金和高纯铝为原料，将各原料进行熔炼，浇铸后得到合金铸锭；

S2、将合金铸锭依次进行均匀化处理、热轧、中间退火、冷轧、固溶处理、淬火和人工时效处理得到所述高强度抗疲劳铝合金；其中，所述均匀化处理的工艺包括：以1℃/min的升温速率升温至240℃保温4h，然后以4℃/min的升温速率升温至450℃保温5.5h，然后以7℃/min的升温速率升温至533℃保温18h；所述热轧的温度为460℃；所述冷轧的变形量为65％；固溶处理的温度为555℃，时间为22min；所述人工时效处理的温度为190℃，时间为60min。

实施例4

一种高强度抗疲劳铝合金，其成分按质量百分比包括：Cu：3.6％、Mg：0.8％、Mn：0.61％、Ti：0.46％、La：0.14％、Ni：0.31％、Fe：0.53％、Si：0.19％、Zr：0.09％、Ce：0.13％、W：0.18％、Y：0.17％、Ge：0.38％、Sn：0.12％、Pr：0.07％、Nd：0.01％、Er：0.19％、V：0.06％、余量为Al。

本发明还提出的一种所述高强度抗疲劳铝合金的制备方法，包括以下步骤：

S1、以Al-Cu中间合金、纯镁、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金、Al-La中间合金、Al-Ni中间合金、Al-Fe中间合金、Al-Si中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Ce中间合金、Al-W中间合金、Al-Y中间合金、纯锗、Al-Sn中间合金、Al-Pr中间合金、Al-Nd中间合金、Al-Er中间合金、Al-V中间合金和高纯铝为原料，将各原料进行熔炼，浇铸后得到合金铸锭；

S2、将合金铸锭依次进行均匀化处理、热轧、中间退火、冷轧、固溶处理、淬火和人工时效处理得到所述高强度抗疲劳铝合金；其中，所述均匀化处理的工艺包括：以2℃/min的升温速率升温至230℃保温5h，然后以2℃/min的升温速率升温至430℃保温7h，然后以5℃/min的升温速率升温至530℃保温14h；所述热轧的温度为475℃；所述冷轧的变形量为63％；固溶处理的温度为545℃，时间为28min；所述人工时效处理的温度为185℃，时间为110min。

实施例5

一种高强度抗疲劳铝合金，其成分按质量百分比包括：Cu：4.1％、Mg：1.05％、Mn：0.57％、Ti：0.3％、La：0.05％、Ni：0.17％、Fe：0.47％、Si：0.11％、Zr：0.07％、Ce：0.21％、W：0.17％、Y：0.13％、Ge：0.41％、Sn：0.05％、Pr：0.01％、Nd：0.01％、Er：0.23％、V：0.08％、余量为Al。

本发明还提出的一种所述高强度抗疲劳铝合金的制备方法，包括以下步骤：

S1、以Al-Cu中间合金、纯镁、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金、Al-La中间合金、Al-Ni中间合金、Al-Fe中间合金、Al-Si中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Ce中间合金、Al-W中间合金、Al-Y中间合金、纯锗、Al-Sn中间合金、Al-Pr中间合金、Al-Nd中间合金、Al-Er中间合金、Al-V中间合金和高纯铝为原料，将各原料进行熔炼，浇铸后得到合金铸锭；

S2、将合金铸锭依次进行均匀化处理、热轧、中间退火、冷轧、固溶处理、淬火和人工时效处理得到所述高强度抗疲劳铝合金；其中，所述均匀化处理的工艺包括：以2.5℃/min的升温速率升温至260℃保温4.5h，然后以3.5℃/min的升温速率升温至430℃保温6h，然后以6℃/min的升温速率升温至525℃保温17h；所述热轧的温度为460℃；所述冷轧的变形量为65％；固溶处理的温度为548℃，时间为25min；所述人工时效处理的温度为182℃，时间为115min。

实施例6

一种高强度抗疲劳铝合金，其成分按质量百分比包括：Cu：3.9％、Mg：1％、Mn：0.59％、Ti：0.49％、La：0.16％、Ni：0.22％、Fe：0.47％、Si：0.19％、Zr：0.09％、Ce：0.21％、W：0.12％、Y：0.17％、Ge：0.38％、Sn：0.08％、Pr：0.03％、Nd：0.06％、Er：0.2％、V：0.06％、余量为Al。

本发明还提出的一种所述高强度抗疲劳铝合金的制备方法，包括以下步骤：

S1、以Al-Cu中间合金、纯镁、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金、Al-La中间合金、Al-Ni中间合金、Al-Fe中间合金、Al-Si中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Ce中间合金、Al-W中间合金、Al-Y中间合金、纯锗、Al-Sn中间合金、Al-Pr中间合金、Al-Nd中间合金、Al-Er中间合金、Al-V中间合金和高纯铝为原料，将各原料进行熔炼，浇铸后得到合金铸锭；

S2、将合金铸锭依次进行均匀化处理、热轧、中间退火、冷轧、固溶处理、淬火和人工时效处理得到所述高强度抗疲劳铝合金；其中，所述均匀化处理的工艺包括：以2℃/min的升温速率升温至255℃保温4h，然后以3℃/min的升温速率升温至428℃保温8h，然后以6℃/min的升温速率升温至530℃保温16h；所述热轧的温度为470℃；所述冷轧的变形量为70％；固溶处理的温度为543℃，时间为32min；所述人工时效处理的温度为188℃，时间为70min。

对本发明实施例中的高强度抗疲劳铝合金进行性能检测，其抗拉强度为567-588MPa，屈服强度为457-471MPa，延伸率为21-24％；在200℃下热暴露500h后的室温拉伸强度为469-487MPa，屈服强度为385-396MPa，延伸率为13-16％；在250℃的抗拉强度可以达到303MPa以上，300℃的抗拉强度可以达到197MPa以上；当ΔK＝30MPa·m^1/2时，裂纹扩展速率为1×10^-3-1.3×10^-3mm/cycle。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。