阅读说明：本技术 一种高强易焊Al-Mg-Zn-Cu合金及其制备方法 (High-strength easy-to-weld Al-Mg-Zn-Cu alloy and preparation method thereof ) 是由 张迪 潘艳林 张济山 庄林忠 于 2019-09-11 设计创作，主要内容包括：一种具有高强度的易焊Al-Mg-Zn-Cu合金及其制备方法,属于铝合金领域。合金质量百分比为：Mg 4.3～7.0％,Zn 2.5～5.0％,Cu 0.4～1.2％,Mn≤0.3％,Cr≤0.1％,Ti≤0.2％,Zr≤0.3％,其余为Al和不可避免杂质,其中Zn/Mg质量比≤1.0。合金板材制备工艺包括:合金成分选择—合金的熔铸—均匀化处理—热轧变形—中间退火—冷轧变形一固溶处理—时效处理。本发明合金通过固溶时效处理调控基体内均匀弥散分布强化相T-Mg<Sub>32</Sub>(Al,Zn,Cu)<Sub>49</Sub>相的尺寸和密度,使合金强度与高强7000系Al-Zn-Mg-Cu合金相当,通过调控晶界析出相的连续性以及无析出带(PFZ)控制其腐蚀性能；降低发明合金结晶温度区间,提高凝固末期液相分数含量,降低合金热裂敏感性。本发明合金焊接性能良好。具有强度高、耐腐蚀性能好、可焊接等特点。(An easily-welded Al-Mg-Zn-Cu alloy with high strength and a preparation method thereof belong to the field of aluminum alloys. The alloy comprises the following components in percentage by mass: 4.3 to 7.0 percent of Mg, 2.5 to 5.0 percent of Zn, 0.4 to 1.2 percent of Cu, less than or equal to 0.3 percent of Mn, less than or equal to 0.1 percent of Cr, less than or equal to 0.2 percent of Ti, less than or equal to 0.3 percent of Zr, and the balance of Al and inevitable impurities, wherein the mass ratio of Zn to Mg is less than or equal to 1.0. The preparation process of the alloy plate comprises the steps of alloy component selection, alloy casting, homogenization treatment, hot rolling deformation, intermediate annealing, cold rolling deformation, solution treatment and aging treatment. The alloy regulates and controls the size and density of a uniform dispersion distribution strengthening phase T-Mg32(Al, Zn, Cu)49 phase in a matrix through solution aging treatment, so that the alloy strength is equivalent to that of a high-strength 7000 series Al-Zn-Mg-Cu alloy, and the corrosion performance of the alloy is controlled through regulating and controlling the continuity of a grain boundary precipitated phase and a non-precipitated zone (PFZ); the crystallization temperature interval of the alloy is reduced, the liquid phase fraction content at the final stage of solidification is improved, and the hot cracking sensitivity of the alloy is reduced. The alloy of the invention has good welding performance. Has the characteristics of high strength, good corrosion resistance, weldability and the like.)

一种高强易焊Al-Mg-Zn-Cu合金及其制备方法

技术领域

本发明具体涉及一种高强易焊Al-Mg-Zn-Cu合金及由这种合金制备的板材。该合金具有强度高、耐腐蚀性能好、可焊接等特点，可用于飞机蒙皮、飞机机身板、飞机结构件、汽车结构件、装甲板、船板等材料。

背景技术

传统5xxx系Al-Mg合金具有一系列优异的性能，如耐腐蚀性能好、成形性好、可焊性好等，这些优异性能使其在海洋、装甲车辆运输以及国防军工中得到了广泛的应用。但传统Al-Mg合金属于不可热处理强化合金，不可通过时效析出进一步加强其力学性能，故而其属于中强合金，限制了其在飞机结构件、汽车结构件等方面的应用。高强7xxx系Al-Zn-Mg-Cu合金因具有高强度、高韧性、耐腐蚀等性能而被广泛用于航空航天领域，如机翼蒙皮，飞机结构件等。但其在成形性、可焊性等方面存在不足。

目前已有部分专利就相关工作进行了探究。在我们申请授权的专利CN104313413.A中，基于A1-Zn-Mg(7xxx系)时效析出序列球状GP区→T'→T(A1₂Mg₃Zn₃)，引入时效强化的科学思想，在5xxx系Al-Mg合金中引入大量Zn来降低Mg的相对固溶含量，大量消耗Al-Mg析出相，合理调整合金的成分范围，成功开发出新型可时效析出强化Al-Mg-Zn合金，Al-Mg-Zn系合金的质量百分比(下文其他所述合金均为质量百分比)含量分别为4.0～5.7％Mg，2.5～4.0％Zn，0～0.4％Cu，0.4～1.2％Mn，0～0.1％Cr，0～0.15％Ti，0～0.25％Zr，0～0.4Fe％，0～0.4％Si，其余为Al；显著提高了合金的力学性能，抗拉强度最高可达500MPa，屈服强度为419MPa，延伸率可达14.3％。虽然专利发明的Al-Mg-Zn系合金的强度较传统Al-Mg合金的强度有了一定的提升，但与高强7000系合金相比仍有一定的差距，不能满足航天工业的需求。同样我们就怎样解决合金的成形问题申请了相关专利，在专利CN106148865.B中，通过合理成分设计和制备工艺，充分利用Cu和Zn同时析出达到协同强化的作用，解决了5xxx系铝合金在汽车板应用过程中存在的烤漆硬化性和抗凹痕性不足的问题。新设计的Al-Mg-Cu-Zn烤漆后的板材强度得到大幅度提高，增量可达100MPa以上，且成形性问题得以解决。设计合金成分Mg4.0～6.0％，Cu 0.30～1.0wt％，Zn 1.0～3.5wt％，Mn≤0.4wt％；Fe≤0.4wt％，Si≤0.4wt％，Cr≤0.4wt％，Ti≤0.1wt％，余量为A1及不可避免的杂质，发明合金主要用于汽车工业，且其强度不是很高，用途范围较为单一。

因此，为满足轻量化材料-铝合金日益增多的应用需求，通过进一步优化成分设计，开发新型强度高、耐腐蚀、可焊性好的Al-Mg-Zn-Cu铝合金，满足航空领域及汽车工业的需求具有十分重要意义。

发明内容

为满足轻量化材料-铝合金日益增多的应用需求，通过进一步优化成分设计，开发强度可达500MPa以上，Zn/Mg≤1.0，耐腐蚀、可焊性好的新型Al-Mg-Zn-Cu合金。

本发明通过相图成分设计和优化首先对Al-Mg-Zn-Cu合金的成分范围进行选择，然后通过熔炼铸造等加工工艺制备所设计的合金，并研究其力学性能、剥落腐蚀性能和焊接热裂敏感性，最终确定具有高强耐蚀易焊A1-Mg-Zn-Cu合金的成分。

本发明的第一目的在于提供一种具有高强度的易焊Al-Mg-Zn-Cu合金，其特征在于该合金的化学成分质量百分比含量为：

Mg 4.3～7.0％，Zn 2.5～5.0％,Cu 0.4～1.2％,Mn≤0.3％，Cr≤0.1％，Ti≤0.2％，Zr≤0.3％，其余为Al和不可避免杂质，其中Zn/Mg质量比≤1.0。

优选的，所述铝合金的质量百分比含量为，Mg 4.5～6.0％，Zn 3.0～4.6％,Cu0.5～1.0％,Mn0～0.15％，Cr 0.03～0.06％，Ti 0.03～0.1％，Zr 0.05～0.15％，其余为Al和不可避免杂质，其中Zn/Mg≤1.0。

本发明的第二目的在于提出一种上述高强易焊Al-Mg-Zn-Cu合金合金的制备方法。所述合金板材制备工艺如下:

合金成分选择—合金的熔铸—均匀化处理—热轧变形—中间退火—冷轧变形一固溶处理—时效处理。

所述均匀化处理工艺分为单级均匀化和双级均匀化，单级均匀化工艺为450～475℃/20～30h；双级均匀化工艺为420～450℃/6～18h+465～480℃/20～30h。

所述铝合金板材的热轧变形工艺具体为:将试样加热到420～480℃保温2h以上，进行变形量为85％以上的热变形，终轧温度大于330℃。

所述铝合金板材的中间退火工艺具体为:将试样加热到350～450℃保温30min～120min，然后空冷。

所述铝合金板材的冷轧变形工艺具体为:试样冷轧变形量为20～85％。

所述铝合金板材的固溶处理工艺具体为:将试样在455～485℃的空气炉中保温15～120min，然后直接进行水淬。

所述铝合金板材的时效处理工艺具体为：70～120℃的热处理炉中进行12～60h的第一级时效处理，然后再在100～180℃进行10～30h的第二级时效处理。

与现有技术相比，本发明具有以下突出优点和有益效果:

本发明的新型高强易焊Al-Mg-Zn-Cu合金，通过固溶时效处理调控基体内均匀弥散分布强化相T-Mg₃₂(Al,Zn,Cu)₄₉相的尺寸和密度，使合金强度与高强7000系Al-Zn-Mg-Cu合金相当，强度提升显著。通过调控晶界析出相的连续性以及无析出带(PFZ)控制其腐蚀性能。

降低发明合金结晶温度区间，提高凝固末期液相分数含量，降低合金热裂敏感性，合金焊接性能良好。

本发明合金具有强度高、耐腐蚀性能好、可焊接等特点，非常适用于飞机蒙皮、飞机机身板、飞机结构件、汽车结构件、装甲板、船板等材料的进一步开发和生产。

附图说明

图1为合金焊接冷却过程非平衡凝固曲线。

图2为合金剥落腐蚀性能示意图。

图3为合金焊接热裂敏感性示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施案例对本发明进行作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

本发明在实验室条件下采用高纯铝、工业纯Mg、工业纯Zn，中间合金Al～50wt％Cu,Al～10wt％Mn,Al～l0wt％Ti，Al-5wt％Cr，Al-10％Zr为原料熔铸而成。设计合金具体化学成分见表1。其中7075为对比合金，1#,2#,3#,4#,5#为发明合金，下面将以1#,2#,3#,4#为具体实施案例对本发明进行详细说明。

表1合金具体化学成分

比较例

将浇铸成型的7075铸锭进行单级均匀化处理，具体工艺为：试样以30℃/h升温速率开始从室温升温至470℃并保温24h，然后再以30℃/h降温速率随炉降温至室温，铣面后在430℃进行热轧，热轧总压下率大于85％，得到厚度为5mm的热轧板，再进行冷轧，冷轧总压下率为50％，先进行第一冷轧得到4mm冷轧板，然后在360℃下保温90min的中间退火过程，之后进行第二冷轧得到最终板厚为2.5mm冷轧板。将冷轧板在475℃的空气炉保温60min，然后直接进行水淬，水淬后在120℃的热处理炉中进行24h时效处理，将时效处理后的合金进行室温力学性能试验、剥落腐蚀试验以及焊接热裂敏感性实验，力学试验结果如表2所示，剥落腐蚀实验和焊接热裂敏感性结果分别如图2、3所示

实施案例1

将浇铸成型的1#铸锭进行单级均匀化处理，具体工艺为：试样以30℃/h升温速率开始从室温升温至470℃并保温24h，然后再以30℃/h降温速率随炉降温至室温，铣面后在430℃进行热轧，热轧总压下率大于85％，得到厚度为5mm的热轧板，再进行冷轧，冷轧总压下率为50％，先进行第一冷轧得到4mm冷轧板，然后在380℃下保温60min的中间退火过程，之后进行第二冷轧得到最终板厚为2.5mm冷轧板。将冷轧板在475℃的空气炉保温30min，然后直接进行水淬，水淬后在90℃的热处理炉中进行48h的第一级时效处理，然后再在140℃进行15h的第二级时效处理，将双级时效处理后的合金进行室温力学性能试验、剥落腐蚀实验以及焊接热裂敏感性实验，力学试验结果如表2所示，剥落腐蚀实验和焊接热裂敏感性结果分别如图2、3所示

实施案例2

将浇铸成型的2#铸锭进行单级均匀化处理，具体工艺为：试样以25℃/h升温速率开始从室温升温至470℃并保温24h，然后再以25℃/h降温速率随炉降温至室温，铣面后在430℃进行热轧，热轧总压下率大于85％，得到厚度为5mm的热轧板，再进行冷轧，冷轧总压下率为50％，先进行第一冷轧得到4mm冷轧板，然后在375℃下保温75min的中间退火过程，之后进行第二冷轧得到最终板厚为2.5mm冷轧板。将冷轧板在475℃的空气炉保温30min，然后直接进行水淬，水淬后在90℃的热处理炉中进行48h的第一级时效处理，然后再在140℃进行14h的第二级时效处理，将双级时效处理后的合金进行室温力学性能试验、剥落腐蚀实验以及焊接热裂敏感性实验，力学试验结果如表2所示，剥落腐蚀实验和焊接热裂敏感性结果分别如图2、3所示

实施案例3

将浇铸成型的3#铸锭进行单级均匀化处理，具体工艺为：试样以35℃/h升温速率开始从室温升温至465℃并保温24h，然后再以35℃/h降温速率随炉降温至室温，铣面后在460℃进行热轧，热轧总压下率大于85％，得到厚度为5mm的热轧板，再进行冷轧，冷轧总压下率为50％，先进行第一冷轧得到3.5mm冷轧板，然后在380℃下保温60min进行中间退火，之后进行第二冷轧得到最终板厚为2.5mm冷轧板。将冷轧板在465℃的空气炉中保温30min，然后直接进行水淬，水淬后在90℃的热处理炉中进行24h的第一级时效处理，然后再在140℃进行14h的第二级时效处理，将双级时效处理后的合金进行室温力学性能试验、剥落腐蚀实验以及焊接热裂敏感性实验，力学试验结果如表2所示，剥落腐蚀实验和焊接热裂敏感性结果分别如图2、3所示。

实施案例4

将浇铸成型的4#铸锭进行双级均匀化处理，具体工艺为：将熔铸后的合金以30℃/h升温速率开始从室温升温至420℃保温12h，然后再以30℃/h升温速率随炉升温至470℃保温24h，最后以30℃/h降温速率随炉降温至室温，铣面后在450℃进行热轧，热轧总压下率大于85％，得到厚度为5mm的热轧板，再进行冷轧，冷轧总压下率为50％，先进行第一冷轧得到4mm冷轧板，然后在375℃下保温75min进行中间退火，之后进行第二冷轧得到最终板厚为2.5mm冷轧板。将冷轧板在空气炉中进行固溶处理，处理工艺为480℃保温30min，然后直接进行水淬，水淬后在90℃的热处理炉中进行48h的第一级时效处理，然后再在140℃进行9h的第二级时效处理，将双级时效处理后的合金进行室温力学性能试验、剥落腐蚀实验以及焊接热裂敏感性实验，力学试验结果如表2所示，剥落腐蚀实验和焊接热裂敏感性结果分别如图2、3所示。

由表2可以看出，根据本发明的合金成分和制备工艺所获得合金板材时效析出强化效果明显，抗拉强度均可达500MPa以上，且延伸率较高；通过控制Zn、Cu的添加量以及Zn/Mg比，可以获得性能更加优异的合金板材。从图2可以看出,对比7075合金剥落腐蚀性能为EB级，发明合金1-4剥落腐蚀性能分别为EA^-,EA,EA^-,EB；与7075相比，剥落腐蚀性能相当甚至更优；从图3可以明显看出，焊接后发明合金均未出现热裂纹，可焊接性能良好。综上所述，本发明所设计的合金成分和制备工艺，在利用时效析出提高强度的同时，充分利用合金结晶温度区间较低和凝固末期液相分数高的特点，抑制了热裂纹的发展，可焊接性能良好。

尽管本发明具体给出了部分实施案例，但这仅仅是本发明的优选实施方式。应当指出的是，在不脱离本发明原理的前提下做出若干修改和变型也应视为本发明的保护范围。

表2合金力学性能