一种高强度高韧性铝合金及其制备方法
阅读说明:本技术 一种高强度高韧性铝合金及其制备方法 (High-strength and high-toughness 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高韧性铝合金及其制备方法,合金的组成成分按重量百分比包括:Mg:1.3-2.06%、Zn:6.18-7.1%、Cu:1.05-2%、RE:0.07-0.16%、Fe:0.08-0.15%、Si:0.11-0.23%、Zr:0.04-0.12%、Ti:0.01-0.23%、Cr:0.01-0.03%、Mn:0.1-0.24%、B:0.07-0.14%、Li:0.11-0.27%、Ag:0.28-0.42%、余量为Al;RE为Yb、Sc、Er、Y、Ce、La中的一种或多种的混合物。本发明提出的高强度高韧性铝合金的制备方法过程简单,得到的铝合金强度高,韧性和耐腐蚀性好。(The invention discloses a high-strength high-toughness aluminum alloy and a preparation method thereof, wherein the alloy comprises the following components in percentage by weight: mg: 1.3-2.06%, Zn: 6.18-7.1%, Cu: 1.05-2%, RE: 0.07-0.16%, Fe: 0.08-0.15%, Si: 0.11 to 0.23%, Zr: 0.04-0.12%, Ti: 0.01-0.23%, Cr: 0.01-0.03%, Mn: 0.1-0.24%, B: 0.07-0.14%, Li: 0.11-0.27%, Ag: 0.28-0.42 percent of Al; RE is one or a mixture of Yb, Sc, Er, Y, Ce and La. The preparation method of the high-strength high-toughness aluminum alloy provided by the invention is simple in process, and the obtained aluminum alloy is high in strength, good in toughness and corrosion resistance.)
技术领域
本发明涉及铝材技术领域,具体涉及一种高强度高韧性铝合金及其制备方法。
背景技术
铝合金比强度高、耐蚀性好、易成型,并具有良好的导电导热等优良特性,目前已被代替钢铁材料广泛应用。Al-Zn-Mg-Cu系铝合金是可热处理强化的铝合金,其是航空航天、船舶、桥梁、管道、车辆等领域中最重要的轻质结构材料之一,目前已被广泛应用。随着科学技术的发展,对铝合金的强度、韧性和耐腐蚀性的要求日益提高,现有的Al-Zn-Mg-Cu系列铝合金在获得良好的韧性和耐蚀性的同时往往会使强度下降,使铝合金制品在服役的过程中失效,限制了其应用;在维持铝合金高强度的同时,提高材料的韧性和耐腐蚀性,是铝合金研究领域中重要的课题之一。
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高韧性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,耐腐蚀性能优异。
本发明提出的一种高强度高韧性铝合金,其组成成分按重量百分比包括:Mg:1.3-2.06%、Zn:6.18-7.1%、Cu:1.05-2%、RE:0.07-0.16%、Fe:0.08-0.15%、Si:0.11-0.23%、Zr:0.04-0.12%、Ti:0.01-0.23%、Cr:0.01-0.03%、Mn:0.1-0.24%、B:0.07-0.14%、Li:0.11-0.27%、Ag:0.28-0.42%、余量为Al;其中,RE为Yb、Sc、Er、Y、Ce、La中的一种或者多种的混合物。
优选地,Si、Mg、Fe、B的重量百分比满足以下关系式:1.65%≤Si+Mg≤2.17%,且11≤(Fe+3×B+Mg)/Si≤14.2。
优选地,Zr、RE、Ti的重量百分比满足以下关系式:0.16%≤Zr+RE≤0.2%,且1.6×Ti≤Zr+RE。
优选地,Mg、Cu、Mn、Cr的重量百分比满足以下关系式:3.23%≤Mg+Cu+Mn+Cr≤3.63%。
优选地,Mg、Ag的重量百分比满足以下关系式:Mg/Ag=4.2-5.3。
本发明还提出的一种所述高强度高韧性铝合金的制备方法,包括以下步骤:
S1、按配比称取镁锭、锌锭、铝铜中间合金、Al-RE中间合金、铝铁中间合金、金属硅、铝锆中间合金、铝钛中间合金、铝铬中间合金、锰锭、铝硼中间合金、铝锂中间合金、铝锭和纯银;将金属硅、铝锭、镁锭、锌锭和锰锭加入熔炼炉中,在750-770℃下熔炼25-55min,然后加入剩余原料,熔化后精炼,浇铸后得到铝合金铸锭;
S2、将铝合金铸锭进行均匀化处理,然后在430-450℃下保温120-180min,热轧、退火后进行冷轧,然后进行深冷变形处理,固溶处理后水淬,然后进行时效处理得到所述高强度高韧性铝合金。
优选地,在S2中,所述均匀化处理的温度为450-480℃,时间为16-22h。
优选地,在S2中,所述热轧的温度为400-420℃,总变形量为75-85%;所述冷轧的总变形量为45-55%;所述固溶处理的温度为500-515℃,时间为100-120min。
优选地,在S2中,所述深冷变形处理的温度为-185℃至-135℃,保温时间为8-12min,深冷变形处理的变形量为35-65%。
优选地,在S2中,所述时效处理的具体工艺包括:在室温下将材料进行单向拉伸,变形量为5-7%,然后在冰水中保温20-30min,然后在95-105℃下保温5-9h,在115-135℃下保温3-8h,然后在145-150℃下保温3-8h,空冷。
本发明所述高强度高韧性铝合金,其组成成分具体选择了Mg、Zn、Cu、RE、Fe、Si、Zr、Ti、Cr、Mn、B、Li、Ag、Al,并调节了各成分的含量,同时优化了铝合金的制备方法,使得到的铝合金强度高、韧性好、耐腐蚀性和耐热性优异;具体地,加入了Zr、RE以及Ti,并控制了Zr、RE、Ti的重量百分比满足以下关系式:0.16%≤Zr+RE≤0.2%,且1.6×Ti≤Zr+RE,在铝合金中形成了尺寸细小、分布均匀的Al3(RE,Zr)等弥散相,有效阻止因位错和亚晶界迁移而导致的亚晶形成、合并和长大,从而稳定合金亚结构并且抑制再结晶,进而提高了合金的强度和韧性;加入了Mg和Ag,其能发生强烈的相互作用,形成了Ag-Mg原子团,通过控制Mg、Ag的重量百分比满足以下关系式:Mg/Ag=4.2-5.3,调节了合金中强化相的组成,使其能析出耐热析出相,同时控制了S相的形成,提高了合金的耐热性;加入了Si、Mg、Fe、B,控制了Si、Mg、Fe、B的重量百分比满足关系式1.65%≤Si+Mg≤2.17%,且11≤(Fe+3×B+Mg)/Si≤14.2,使四者之间发挥协同作用,其中的Si能取代铝晶格上的部分Al,增加铝基体的空位浓度,增加Fe的扩散速率,B对Si进行掺杂,增加了有效载流子数量,提高了合金的导电率,同时形成了含Fe、Si的第二相及MgSi系金属间化合物,细小弥散分布于基体中,提高了铝合金的韧性和强度,同时在热轧过程中,能减少裂纹的产生,并在时效的过程中有助于形成提高强度的时效析出物,使所得合金强度、韧性和电导率高;加入了Mg、Cu、Mn、Cr,并控制四者的重量百分比满足以下关系式:3.23%≤Mg+Cu+Mn+Cr≤3.63%,调节了体系中的S相,同时提高了合金的再结晶温度,进一步提高了合金的耐热性;在铝合金的制备方法中,将铝合金铸锭进行均匀化处理,控制了均匀化处理的温度和时间,消除了合金中存在的成分偏析、组织不均匀等缺陷,然后在430-450℃下保温120-180min,使合金整体温度均匀,能减少之后热轧过程中裂纹的产生;热轧、退火后进行冷轧,改善了合金的粗大组织,提高了合金的性能;在固溶处理之前进行了深冷变形处理,并控制了深冷变形处理的工艺参数,使晶粒不断细化,在同体积下晶界密度和晶界沉淀相分布密度升高,起到钉扎位错的作用,大大提高了位错在晶界处的滑移阻力,明显提高了合金的强度;在500-515℃下固溶处理100-120min后水淬,提高了铝合金的过饱和程度,减少了粗大的第二相粒子,之后进行时效处理析出了大量细小弥散的强化相,提高了铝合金的强度,在时效处理的过程中,优选在室温下将材料进行单向拉伸,并控制了时效的工艺参数,更有利于晶粒的细化,形成强化效果更大的强化相,同时得到了细小等轴晶,同时改善了合金的强度和耐腐蚀性。
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
一种高强度高韧性铝合金,其组成成分按重量百分比包括:Mg:1.3%、Zn:6.9%、Cu:1.05%、Yb:0.16%、Fe:0.08%、Si:0.11%、Zr:0.04%、Ti:0.23%、Cr:0.01%、Mn:0.24%、B:0.14%、Li:0.21%、Ag:0.28%、余量为Al。
本发明还提出的一种所述高强度高韧性铝合金的制备方法,包括以下步骤:
S1、按配比称取镁锭、锌锭、铝铜中间合金、Al-Yb中间合金、铝铁中间合金、金属硅、铝锆中间合金、铝钛中间合金、铝铬中间合金、锰锭、铝硼中间合金、铝锂中间合金、铝锭和纯银;将金属硅、铝锭、镁锭、锌锭和锰锭加入熔炼炉中,在770℃下熔炼25min,然后加入剩余原料,熔化后精炼,浇铸后得到铝合金铸锭;
S2、将铝合金铸锭进行均匀化处理,然后在450℃下保温120min,热轧、退火后进行冷轧,然后进行深冷变形处理,固溶处理后水淬,然后进行时效处理得到所述高强度高韧性铝合金。
实施例2
一种高强度高韧性铝合金,其组成成分按重量百分比包括:Mg:1.5%、Zn:7.1%、Cu:2%、Sc:0.01%、Er:0.07%、Fe:0.08%、Si:0.15%、Zr:0.12%、Ti:0.09%、Cr:0.03%、Mn:0.1%、B:0.07%、Li:0.27%、Ag:0.3%、余量为Al。
本发明还提出的一种所述高强度高韧性铝合金的制备方法,包括以下步骤:
S1、按配比称取镁锭、锌锭、铝铜中间合金、Al-Sc中间合金、Al-Er中间合金、铝铁中间合金、金属硅、铝锆中间合金、铝钛中间合金、铝铬中间合金、锰锭、铝硼中间合金、铝锂中间合金、铝锭和纯银;将金属硅、铝锭、镁锭、锌锭和锰锭加入熔炼炉中,在750℃下熔炼55min,然后加入剩余原料,熔化后精炼,浇铸后得到铝合金铸锭;
S2、将铝合金铸锭进行均匀化处理,然后在430℃下保温180min,热轧、退火后进行冷轧,然后进行深冷变形处理,固溶处理后水淬,然后进行时效处理得到所述高强度高韧性铝合金。
实施例3
一种高强度高韧性铝合金,其组成成分按重量百分比包括:Mg:1.99%、Zn:6.18%、Cu:1.1%、RE:0.07%、Fe:0.15%、Si:0.18%、Zr:0.09%、Ti:0.01%、Cr:0.02%、Mn:0.12%、B:0.07%、Li:0.11%、Ag:0.42%、余量为Al;其中,RE为Y、Ce、La的混合物,且Y、Ce、La的重量比为1∶3∶3。
本发明还提出的一种所述高强度高韧性铝合金的制备方法,包括以下步骤:
S1、按配比称取镁锭、锌锭、铝铜中间合金、Al-RE中间合金、铝铁中间合金、金属硅、铝锆中间合金、铝钛中间合金、铝铬中间合金、锰锭、铝硼中间合金、铝锂中间合金、铝锭和纯银;将金属硅、铝锭、镁锭、锌锭和锰锭加入熔炼炉中,在755℃下熔炼50min,然后加入剩余原料,熔化后精炼,浇铸后得到铝合金铸锭;
S2、将铝合金铸锭进行均匀化处理,然后在445℃下保温130min,热轧、退火后进行冷轧,然后进行深冷变形处理,固溶处理后水淬,然后进行时效处理得到所述高强度高韧性铝合金;其中,所述均匀化处理的温度为480℃,时间为16h;所述热轧为3道热轧,温度为410℃,总变形量为80%;所述退火的温度为400℃,时间为100min,条件为水淬;所述冷轧为5道冷轧,总变形量为45%;所述固溶处理的温度为510℃,时间为110min;所述深冷变形处理的温度为-185℃,保温时间为8min,深冷变形处理的变形量为35%;所述时效处理的具体工艺包括:在室温下将材料进行单向拉伸,变形量为5%,然后在冰水中保温30min,然后在95℃下保温9h,在115℃下保温8h,然后在145℃下保温8h,空冷。
实施例4
一种高强度高韧性铝合金,其组成成分按重量百分比包括:Mg:1.76%、Zn:6.3%、Cu:1.2%、Ce:0.05%、Y:0.02%、Fe:0.08%、Si:0.16%、Zr:0.09%、Ti:0.01%、Cr:0.03%、Mn:0.24%、B:0.14%、Li:0.11%、Ag:0.35%、余量为Al。
本发明还提出的一种所述高强度高韧性铝合金的制备方法,包括以下步骤:
S1、按配比称取镁锭、锌锭、铝铜中间合金、Al-Ce中间合金、Al-Y中间合金、铝铁中间合金、金属硅、铝锆中间合金、铝钛中间合金、铝铬中间合金、锰锭、铝硼中间合金、铝锂中间合金、铝锭和纯银;将金属硅、铝锭、镁锭、锌锭和锰锭加入熔炼炉中,在765℃下熔炼30min,然后加入剩余原料,熔化后精炼,浇铸后得到铝合金铸锭;
S2、将铝合金铸锭进行均匀化处理,然后在435℃下保温170min,热轧、退火后进行冷轧,然后进行深冷变形处理,固溶处理后水淬,然后进行时效处理得到所述高强度高韧性铝合金;其中,所述均匀化处理的温度为450℃,时间为22h;所述热轧的温度为400℃,总变形量为85%;所述冷轧的总变形量为55%;所述固溶处理的温度为515℃,时间为100min;所述深冷变形处理的温度为-165℃,保温时间为9min,深冷变形处理的变形量为55%;所述时效处理的具体工艺包括:在室温下将材料进行单向拉伸,变形量为7%,然后在冰水中保温20min,然后在105℃下保温5h,在135℃下保温3h,然后在150℃下保温3h,空冷。
实施例5
一种高强度高韧性铝合金,其组成成分按重量百分比包括:Mg:1.54%、Zn:6.18%、Cu:1.5%、Er:0.16%、Fe:0.08%、Si:0.14%、Zr:0.04%、Ti:0.11%、Cr:0.01%、Mn:0.23%、B:0.07%、Li:0.27%、Ag:0.3%、余量为Al。
本发明还提出的一种所述高强度高韧性铝合金的制备方法,包括以下步骤:
S1、按配比称取镁锭、锌锭、铝铜中间合金、Al-Er中间合金、铝铁中间合金、金属硅、铝锆中间合金、铝钛中间合金、铝铬中间合金、锰锭、铝硼中间合金、铝锂中间合金、铝锭和纯银;将金属硅、铝锭、镁锭、锌锭和锰锭加入熔炼炉中,在760℃下熔炼40min,然后加入剩余原料,熔化后精炼,浇铸后得到铝合金铸锭;
S2、将铝合金铸锭进行均匀化处理,然后在440℃下保温150min,热轧、退火后进行冷轧,然后进行深冷变形处理,固溶处理后水淬,然后进行时效处理得到所述高强度高韧性铝合金;其中,所述均匀化处理的温度为470℃,时间为20h;所述热轧的温度为400℃,总变形量为85%;所述冷轧的总变形量为50%;所述固溶处理的温度为500℃,时间为120min;所述深冷变形处理的温度为-135℃,保温时间为12min,深冷变形处理的变形量为65%;所述时效处理的具体工艺包括:在室温下将材料进行单向拉伸,变形量为6%,然后在冰水中保温25min,然后在100℃下保温8h,在130℃下保温5h,然后在148℃下保温6h,空冷。
实施例6
一种高强度高韧性铝合金,其组成成分按重量百分比包括:Mg:1.7%、Zn:7.1%、Cu:1.6%、Y:0.11%、Fe:0.15%、Si:0.19%、Zr:0.09%、Ti:0.09%、Cr:0.012%、Mn:0.11%、B:0.08%、Li:0.13%、Ag:0.325%、余量为Al。
本发明还提出的一种所述高强度高韧性铝合金的制备方法,包括以下步骤:
S1、按配比称取镁锭、锌锭、铝铜中间合金、Al-Y中间合金、铝铁中间合金、金属硅、铝锆中间合金、铝钛中间合金、铝铬中间合金、锰锭、铝硼中间合金、铝锂中间合金、铝锭和纯银;将金属硅、铝锭、镁锭、锌锭和锰锭加入熔炼炉中,在758℃下熔炼32min,然后加入剩余原料,熔化后精炼,浇铸后得到铝合金铸锭;
S2、将铝合金铸锭进行均匀化处理,然后在440℃下保温165min,热轧、退火后进行冷轧,然后进行深冷变形处理,固溶处理后水淬,然后进行时效处理得到所述高强度高韧性铝合金;其中,所述均匀化处理的温度为470℃,时间为17h;所述热轧的温度为405℃,总变形量为80%;所述冷轧的总变形量为50%;所述固溶处理的温度为505℃,时间为115min;所述深冷变形处理的温度为-170℃,保温时间为8min,深冷变形处理的变形量为45%;所述时效处理的具体工艺包括:在室温下将材料进行单向拉伸,变形量为6%,然后在冰水中保温25min,然后在100℃下保温6h,在130℃下保温4h,然后在145℃下保温7h,空冷。
对比例1
与实施例6的唯一不同仅在于:在铝合金的制备方法中,在S2中,不进行深冷变形处理,冷轧后直接进行固溶处理。
对比例2
与实施例6的唯一不同仅在于:在铝合金的制备方法中,在S2中,先固溶处理后水淬,然后进行深冷变形处理。
对比例3
与实施例6的唯一不同仅在于:在铝合金的制备方法中,在S2中,所述时效处理的具体工艺包括:在100℃下保温6h,在130℃下保温4h,然后在145℃下保温7h,空冷。
对比例4
与实施例6的唯一不同仅在于:其组成成分中不含有Si。
对比例5
与实施例6的唯一不同仅在于:其组成成分中不含有Zr。
对比例6
与实施例6的唯一不同仅在于:其组成成分中不含有Cr和Mn。
对比例7
与实施例6的唯一不同仅在于:其组成成分中不含有Ag。
对本发明实施例6以及对比例1-7的性能进行检测,其中,力学性能按照GB/T 228-2002的标准进行测试,剥落腐蚀测试按照GB/T 22639-2008的标准进行测试,电导率按照GB/T 12966-2008的标准进行测试,测试结果如下表所示:
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。
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