一种高强韧耐蚀Al-Zn-Mg-Cu合金制备方法
阅读说明：本技术 一种高强韧耐蚀Al-Zn-Mg-Cu合金制备方法 (Preparation method of high-strength and high-toughness corrosion-resistant Al-Zn-Mg-Cu alloy ) 是由 曾元松 张新明 徐严谨 韩宝帅 朱玉涛 何克准 郑许 于 2021-01-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高强韧耐蚀Al-Zn-Mg-Cu合金制备方法,包括以下操作步骤：(1)设计合金的成分；(2)进行Al熔炼,待熔化完全后扒渣,并添加Zn、Mg、Cu,辅助电磁搅拌技术,取样检测成分合格后转到保温炉充入高纯混合气体精炼,扒渣后取样成分检测合格在高纯混合气体下进行二次精炼,得到铸造锭坯；(3)将铸造锭坯经均匀化处理,铸锭经热挤压成形板坯；板坯经8-12道次轧制特定厚度的板材；(4)对板材进行固溶处理,然后采用喷淋淬火处理,再对板材进行预拉伸处理消除残余应力,再进行时效处理,得到高强韧耐蚀Al-Zn-Mg-Cu合金。本发明提供的一种高强韧耐蚀Al-Zn-Mg-Cu合金制备方法,实现了力学性能与耐蚀性能的匹配,提高了铝合金的应用范围。(The invention discloses a preparation method of a high-strength and high-toughness corrosion-resistant Al-Zn-Mg-Cu alloy, which comprises the following operation steps: (1) designing the composition of the alloy; (2) carrying out Al smelting, slagging off after the Al is completely melted, adding Zn, Mg and Cu, assisting an electromagnetic stirring technology, transferring to a heat preservation furnace to be filled with high-purity mixed gas for refining after sampling and detecting components are qualified, and carrying out secondary refining under the high-purity mixed gas after slagging off and sampling and detecting components are qualified to obtain a cast ingot blank; (3) homogenizing the cast ingot blank, and performing hot extrusion on the cast ingot to form a plate blank; rolling the plate blank into a plate with a specific thickness by 8-12 passes; (4) the plate is subjected to solid solution treatment, then spray quenching treatment is adopted, pre-stretching treatment is carried out on the plate to eliminate residual stress, and then aging treatment is carried out to obtain the high-strength high-toughness corrosion-resistant Al-Zn-Mg-Cu alloy. The preparation method of the high-strength-toughness corrosion-resistant Al-Zn-Mg-Cu alloy provided by the invention realizes the matching of mechanical property and corrosion resistance, and improves the application range of the aluminum alloy.)
技术领域
本发明涉及合金制备技术领域，具体涉及一种高强韧耐蚀Al-Zn-Mg-Cu合金制备方法。
背景技术
随着航空设计与制造技术的发展以及飞机服役环境的多样化，飞机设计对铝合金性能的要求从最初的只有静强度要求，发展到现在不仅要求铝合金有高强度、高韧性还要有良好耐腐蚀性能、耐疲劳性能、高断裂韧性等高损伤容限特性。
在现有的Al-Zn-Mg-Cu合金中，尽管有些有些合金强度和疲劳性能达到要求，但断裂韧性达不到要求。目前常用的铝合金，如7075合金屈服强度435MPa，T7351回火状态下断裂韧性在接近24-27MPa·m1/2间，7050-T73651屈服强度455MPa，断裂韧性却显著地提高，29-35MPa·m1/2。
另外，Al-Zn-Cu-Mg作为高强铝合金，不可避免的具有抗盐雾腐蚀比较差的特点。铝合金由于化学性质比较活泼，容易与氧气发生化学反应，例如在工业污染潮湿环境、海洋环境等卤化物含量比较高的环境下，卤化物会破坏铝合金表面致密的氧化膜，使内部金属暴露在腐蚀介质中，从而腐蚀介质可沿着合金的晶界或晶内不断深入腐蚀，使铝合金力学性能、抗疲劳性能急剧下降。这为飞机主要结构部件在抗腐蚀性能提出很大的挑战。因此，目前急需设计一款能在强度、韧性、疲劳以及耐应力腐蚀方面都表现出众的铝合金板材，满足未来飞机的需求。
发明内容
近年来对航空航天用铝合金的新要求，就是必须保持强度和韧性的前提下还具有良好的抗海洋盐雾腐蚀性能。而在铝合金的研发过程中，强度与抗腐蚀性能往往呈现出一定的矛盾性，此消彼长，因此，如何协同提高合金的强度与抗腐蚀性是高强铝合金研究亟需解决的关键性问题，也是高性能耐腐蚀性铝合金开发的难点所在。目前在高强度耐海洋盐雾腐蚀铝合金方面的研究不多，主要停留在传统合金的成分微调和传统热处理制度改善，尚未有专门开发的耐蚀铝合金。基于此，本发明设计了一种Al-Zn-Cu-Mg合金成分、并开发了制备与加工工艺，来综合优化铝合金的力学性能与耐蚀性能，满足航空工业的发展对耐蚀铝合金的需求。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种高强韧耐蚀Al-Zn-Mg-Cu合金制备方法，包括以下操作步骤：
(1)设计合金的成分：包括5.5-6.1wt.％的Zn、2.5-3.2wt.％的Mg、1.5-2.0wt.％的Cu、0.03-0.05wt.％的Cr、0.03-0.05wt.％的Mn、Si含量小于0.005wt.％，Fe含量小于0.05wt.％，余量为Al；
(2)将炉内熔炼温度设定在720-760℃，进行Al熔炼，待熔化完全后扒渣，并添加Zn、Mg、Cu，辅助电磁搅拌技术，取样检测成分合格后转到保温炉充入高纯混合气体精炼，精炼温度为720-740℃，扒渣后取样成分检测合格在高纯混合气体下进行二次精炼，加入精炼剂，进行过滤除渣，然后铸造，得到铸造锭坯，铸造温度设定为730-750℃，铸造速度40-80mm/min，成形铸锭直径为460mm；
(3)将铸造锭坯经均匀化处理，铸锭经热挤压成形板坯，板坯厚度为420-450mm；板坯经8-12道次轧制特定厚度的板材，单次轧制压下量在20mm以上，板材最终轧制厚度为25-100mm；
(4)对板材进行固溶处理，然后采用喷淋淬火处理，再对板材进行预拉伸处理消除残余应力，再进行时效处理，得到高强韧耐蚀Al-Zn-Mg-Cu合金。
具体地，上述步骤(1)中，Al选用纯度为99.8％的高纯铝锭、Al-50Cu、Al-Zr5中的任意一种，所述Cu选用电解铜，所述Zn的质量分数为99.5％，所述镁的质量分数为99.92％。
具体地，上述步骤(2)中，精炼剂为Al-Ti5％-B0.2％丝。
具体地，上述步骤(3)中，均匀化处理的工艺为420-440℃保温10-14h、460-475℃保温18-24h。
具体地，上述步骤(4)中，固溶处理的具体工艺为：450-460℃保温2-3h，470-480℃保温1-2h。
具体地，上述步骤(4)中，喷淋淬火处理时，淬火转移时间≤5s，冷却速度≥10℃/s。
具体地，上述步骤(4)中，时效处理的具体工艺为120℃保温6-8h，150-170℃保温20-35h。
由以上的技术方案可知，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种高强韧耐蚀Al-Zn-Mg-Cu合金制备方法，通过设计合理的合金配方，并结合本申请提供的制备工艺，实现了力学性能与耐蚀性能的匹配，提高了铝合金的应用范围。本申请通过减少Al-Zn-Mg-Cu合金中的Mn、Cr、Ti、Si、Fe的含量，有效的提升了Al-Zn-Mg-Cu合金的耐腐蚀性能，同时能保证Al-Zn-Mg-Cu合金具有一定的力学性能。本发明所采用的制备方法，通过采用一定的熔炼温度、精炼温度、铸造温度，并通过均匀化处理、喷淋淬火处理、时效处理，有效的降低Al-Zn-Mg-Cu合金中的杂质含量。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。
实施例1
一种高强韧耐蚀Al-Zn-Mg-Cu合金制备方法，包括以下操作步骤：
(1)设计合金的成分：包括5.5wt.％的Zn、2.5wt.％的Mg、1.5-2.0wt.％的Cu、0.03-wt.％的Cr、0.03wt.％的Mn、Si含量小于0.005wt.％，Fe含量小于0.05wt.％，余量为Al，其中Al选用纯度为99.8％的高纯铝锭，所述Cu选用电解铜，所述Zn的质量分数为99.5％，所述镁的质量分数为99.92％；
(2)将炉内熔炼温度设定在720℃，进行Al熔炼，待熔化完全后扒渣，并添加Zn、Mg、Cu，辅助电磁搅拌技术，取样检测成分合格后转到保温炉充入高纯混合气体精炼，精炼温度为720℃，扒渣后取样成分检测合格在高纯混合气体下进行二次精炼，加入精炼剂Al-Ti5％-B0.2％丝，进行过滤除渣，然后铸造，得到铸造锭坯，铸造温度设定为730℃，铸造速度40mm/min，成形铸锭直径为460mm；
(3)将铸造锭坯经均匀化处理，铸锭经热挤压成形板坯，板坯厚度为420mm；板坯经10道次轧制特定厚度的板材，单次轧制压下量在20mm以上，板材最终轧制厚度为25-100mm，其中均匀化处理的工艺为420℃保温14h、460℃保温24h；
(4)对板材进行固溶处理，然后采用喷淋淬火处理，淬火转移时间≤5s，冷却速度≥10℃/s，再对板材进行预拉伸处理消除残余应力，再进行时效处理，得到高强韧耐蚀Al-Zn-Mg-Cu合金，其中固溶处理的具体工艺为：450℃保温3h，480℃保温1h，时效处理的具体工艺为120℃保温8h，160℃保温24h。
实施例2
一种高强韧耐蚀Al-Zn-Mg-Cu合金制备方法，包括以下操作步骤：
(1)设计合金的成分：包括5.8wt.％的Zn、3.0wt.％的Mg、1.7wt.％的Cu、0.04wt.％的Cr、0.04wt.％的Mn、Si含量小于0.005wt.％，Fe含量小于0.05wt.％，余量为Al，其中Al选用纯度为Al-50Cu，所述Cu选用电解铜，所述Zn的质量分数为99.5％，所述镁的质量分数为99.92％。；
(2)将炉内熔炼温度设定在740℃，进行Al熔炼，待熔化完全后扒渣，并添加Zn、Mg、Cu，辅助电磁搅拌技术，取样检测成分合格后转到保温炉充入高纯混合气体精炼，精炼温度为735℃，扒渣后取样成分检测合格在高纯混合气体下进行二次精炼，加入精炼剂Al-Ti5％-B0.2％丝，进行过滤除渣，然后铸造，得到铸造锭坯，铸造温度设定为745℃，铸造速度60mm/min，成形铸锭直径为460mm；
(3)将铸造锭坯经均匀化处理，铸锭经热挤压成形板坯，板坯厚度为420mm；板坯经8道次轧制特定厚度的板材，单次轧制压下量在20mm以上，板材最终轧制厚度为25mm，其中均匀化处理的工艺为420℃保温10h、460℃保温18h；
(4)对板材进行固溶处理，然后采用喷淋淬火处理，淬火转移时间≤5s，冷却速度≥10℃/s，再对板材进行预拉伸处理消除残余应力，再进行时效处理，得到高强韧耐蚀Al-Zn-Mg-Cu合金，其中固溶处理的具体工艺为：450℃保温3h，480℃保温2h，时效处理的具体工艺为120℃保温6h，150℃保温20h。
实施例3
一种高强韧耐蚀Al-Zn-Mg-Cu合金制备方法，包括以下操作步骤：
(1)设计合金的成分：包括6.1wt.％的Zn、3.2wt.％的Mg、2.0wt.％的Cu、0.05wt.％的Cr、0.05wt.％的Mn、Si含量小于0.005wt.％，Fe含量小于0.05wt.％，余量为Al，其中Al选用纯度为99.8％的高纯铝锭，所述Cu选用电解铜，所述Zn的质量分数为99.5％，所述镁的质量分数为99.92％。；
(2)将炉内熔炼温度设定在760℃，进行Al熔炼，待熔化完全后扒渣，并添加Zn、Mg、Cu，辅助电磁搅拌技术，取样检测成分合格后转到保温炉充入高纯混合气体精炼，精炼温度为740℃，扒渣后取样成分检测合格在高纯混合气体下进行二次精炼，加入精炼剂Al-Ti5％-B0.2％丝，进行过滤除渣，然后铸造，得到铸造锭坯，铸造温度设定为750℃，铸造速度80mm/min，成形铸锭直径为460mm；
(3)将铸造锭坯经均匀化处理，铸锭经热挤压成形板坯，板坯厚度为450mm；板坯经12道次轧制特定厚度的板材，单次轧制压下量在20mm以上，板材最终轧制厚度为50mm，其中均匀化处理的工艺为440℃保温10h、475℃保温18h；
(4)对板材进行固溶处理，然后采用喷淋淬火处理，淬火转移时间≤5s，冷却速度≥10℃/s，再对板材进行预拉伸处理消除残余应力，再进行时效处理，得到高强韧耐蚀Al-Zn-Mg-Cu合金，其中固溶处理的具体工艺为：460℃保温2.5h，477℃保温1.5h，时效处理的具体工艺为120℃保温6h，155℃保温30h。
分别对各实施例制得的高强韧耐蚀Al-Zn-Mg-Cu合金进行性能测试，测试结果如表1所示：
表1高强韧耐蚀Al-Zn-Mg-Cu合金性能测试结果
实施例1制备的高强韧耐蚀Al-Zn-Mg-Cu合金不同厚度处的成分如表2所示，高强韧耐蚀Al-Zn-Mg-Cu合金成分符合设定范围，且不同厚度位置差别很小；杂质含量如表3所示，氢含量与渣含量均小于业内水平。
表2高强韧耐蚀Al-Zn-Mg-Cu合金成分(wt.％)
合金
Zn
Mg
Cu
Mn
Cr
Ti
Si
Fe
7075
5.1-6.1
2.1-2.9
1.2-2.0
0.3
/
0.2
0.4
0.5
7050
5.7-6.7
1.9-2.6
2.0-2.6
0.1
0.08-0.15
0.06
0.12
0.15
板材表面
5.957
2.646
1.573
0.030
0.041
0.041
<0.005
0.017
板材1/4厚度
5.721
2.638
1.516
0.032
0.047
0.047
<0.005
0.026
板材1/2厚度
5.836
2.515
1.436
0.031
0.047
0.047
<0.005
0.021
表3高强韧耐蚀Al-Zn-Mg-Cu合金杂质含量
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
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