超高强铝合金材料及其制备方法技术

一种超高强铝合金材料及其制备方法，其特征在于：具体成分的质量百分比为Zn：12％-14％；Mg：2.4％-3.2％；Cu：1.0％-1.5％；Zr：0.2％-0.5％；Mn：0.1％-0.3％；Ni：0.1％-0.6％；余量为Al；制备时通过原材料熔炼，坯锭成型，坯锭加工变形，450℃1h+475℃2h固溶处理和在70℃-80℃下经过240h-360h人工干预自然时效处理。本发明专利技术采用喷射沉积工艺进行制备，合金经过强化固溶处理后，改变了传统的自然时效处理，而采用在70℃-80℃下经过240h-360h的时效处理，这样不仅缩减了自然时效时间，而且提高了合金的力学性能，同时使研制的超高强铝合金组织均匀，细小，不存在宏观偏析，其各项性能为抗拉强度在780MPa-820MPa之间，屈服强度在700MPa-740MPa之间，延伸率达到了9％-13％之间，断裂韧性在30-35MPa·m1/2之间，其综合性能达到了国际先进水平。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于铝合金
，尤其涉及一种采用喷射沉积工艺研制的超高强铝合金材料及其制备方法。
技术介绍
超高强铝合金具有密度小，强度高，机加性能优越，比强度高，耐腐蚀性能良好等优点，被广泛应用于航空航天工业和民用工艺，是目前航空航天工业的主要结构材料之一，同时在交通运输和其它工业部门也得到广泛应用。7000系铝合金是20世纪40年代国际上以航空用材为背景研制并发展起来的一类高强高韧铝合金材料，传统使用的7000系铝合金材料一般是通过铸锭、冷热变形加工、热处理等工序获得最终的各种型材产品，长期以来被广泛用于各种飞机机身、机翼梁、机舱壁板和火箭中高强度结构零件等的制造，是世界各国航空航天工业中不可缺少的重要材料。目前全世界已开发出了数十种不同合金成分标准牌号的7000系铝合金产品，相应的合金热处理标准工艺更达数百种之多。随着航空航天工业和民用工业的发展，科研人员逐渐认识到高强铝合金的塑性和断裂韧性已经成为制约该合金进一步应用的瓶颈。过去科研人员一味地追求高强度而忽略了塑性和断裂韧性，随着断裂力学的发展，以及破损安全设计原则在实际工作中的应用，人们对结构材料特别是高强铝合金断裂韧性和塑性的重要性的认识变得更加清楚。目前塑性和断裂韧性指标已和抗拉强度，抗腐蚀，抗疲劳强度并列为铝合金的4项主要考核指标。 然而塑性指标往往和强度指标是互相矛盾的，在塑性和韧性提高的同时强度往往会下降。例如，目前国际和国内普遍采用双级时效工艺来提高合金的塑性和断裂韧性，但是采用该工艺来提高合金的塑性和断裂韧性必然伴随着合金抗拉强度和屈服强度的降低，因此寻求一种高强度和高塑性韧性共存的工艺一直是科研人员所努力的方向。 目前唯一能使强度和塑性韧性同时提高的工艺是细化晶粒，因此要想提高合金的塑性和韧性就必须使该合金的晶粒细化。而目前使合金的晶粒细化的主要工艺就是快速凝固工艺，喷射沉积工艺作为快速凝固工艺的典型代表，近年来被广泛应用。在长期的科研中，科研人员发现通过提高7000系铝合金中Zn元素的含量，可有效改善合金的综合性能，但是当合金中Zn元素的含量超过8％时，由于这类合金的结晶范围宽、析出相与基体之间比重差异大，在采用传统的工艺生产这类高Zn含量的铝合金时，容易造成合金中的晶粒粗大，且存在明显的宏观偏析，铸锭内部容易产生热裂现象，因此采用传统的工艺生产的7000系铝合金的Zn含量一般不超过8％，同时也使传统工艺生产的7000系铝合金的极限抗拉强度很难突破700MPa这一大关。 喷射沉积技术的出现，使得各国工业界突破传统8％Zn含量的限制，研制开发新一代7000系超高强铝合金变为现实，采用喷射沉积技术制备含Zn量超过8％的铝合金时，由于合金中的晶粒被显著细化，各种宏观和微观偏析受到抑制，可有效控制沉积坯件凝固过程中内部产生热裂的倾向，同时由于凝固速度加快，使得坯件中各种合金元素的过饱和度增加，后续热处理过程中各种沉淀相的析出更加充分，有利于材料获得更加优越的力学性能。 国内从事喷射沉积超合金化7000系铝合金的研究单位主要有北京有色金属研究院、北京科技大学、北京航空航天大学等单位。如北科大研究的喷射沉积7000系铝合金的成分为Al-8.8％Zn-3.0％Mg-1.7％Cu-1.0％Mn-0.12％Zr，采用峰时效工艺；中南大学的喷射沉积7000系铝合金的成分为Al-8.3％Zn-2.04％Mg-2.3％Cu-0.16％Zr，采用峰时效工艺即120℃24h，其抗拉强度，屈服强度和延伸率分别达到648MPa,630MPa和11.2％；内蒙古工业大学采用喷射沉积工艺研制的7000系铝合金的成分为Al-11.3％Zn-2.4％Mg-1.0％Cu-0.3％Zr-0.5％Ni，采用峰时效工艺即130℃24h，抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为849MPa、796MPa和3.3％。目前在公开的报道中涉及的时效工艺有峰时效，双级时效和回归再时效，没有涉及自然时效的工艺报道。
技术实现思路
本专利技术所要解决的第一个技术问题是提供一种综合性能优良的超高强铝合金材料。 本专利技术所要解决的第二个技术问题是提供一种工艺简单、易操作的超高强铝合金材料的制备方法，采用强化固溶处理结合人工干预自然时效处理，制得的铝合金不仅具有高强度和高韧性，同时又大大缩减了自然时效时间。 本专利技术解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种超高强铝合金材料，其特征在于：该铝合金材料具体成分的质量百分比为Zn：12％-14％；Mg：2.4％-3.2％；Cu：1.0％-1.5％；Zr：0.2％-0.5％；Mn：0.1％-0.3％；Ni：0.1％-0.6％；余量为Al。 本专利技术解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种超高强铝合金材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤： 1)称重量百分比为Zn：12％-14％；Mg：2.4％-3.2％；Cu：1.0％-1.5％；Zr：0.2％-0.5％；Mn：0.1％-0.3％；Ni：0.1％-0.6％；余量为Al的材料作为该合金的原材料，其中Cu采用Al-50Cu中间合金，Ni采用Al-20Ni中间合金，其余均为纯金属； 2)将上述称好的合金原材料Al、Al-50Cu中间合金、Al-Ni中间合金放入中频感应炉中，通电加入直至坩埚中的金属溶化，将熔体温度升至720℃-740℃时加入Zr颗粒和纯Mn片，充分搅拌后将熔体温度升至800℃-820℃，断电后采用石墨压勺压入纯Zn和纯Mg，充分搅拌，将熔体温度升至720℃-750℃； 3)采用精炼剂及变质剂和C2Cl6除气剂对熔体进行变质和精炼处理； 4)将熔体倾入喷射沉积设备中喷射沉积成坯锭； 5)将上述喷射沉积后的坯锭车皮去端面进行挤压变形处理； 6)接着将变形棒材切成长150mm的棒料，车皮后进行固溶处理，固溶处理工艺为：440～460℃50～70min+465～485℃1.5～2.5h，之后进行室温水淬； )将淬火后的铝合金材料放入炉温为70℃-80℃的烘箱中，放置240h～360h进行人工干预自然时效处理。 作为优选，所述步骤3)精炼剂及变质剂的加入量占熔体质量的0.4-0.6％。 作为改进，所述步骤3)变质和精炼处理后还要对熔体进行扒渣，之后将熔体静置10min-15min，将熔体温度升至800℃-830℃本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超高强铝合金材料，其特征在于：该铝合金材料具体成分的质量百分比为Zn：12％‑14％；Mg：2.4％‑3.2％；Cu：1.0％‑1.5％；Zr：0.2％‑0.5％；Mn：0.1％‑0.3％；Ni：0.1％‑0.6％；余量为Al。

【技术特征摘要】
1.一种超高强铝合金材料，其特征在于：该铝合金材料具体成分的质量百分比为
Zn：12％-14％；Mg：2.4％-3.2％；Cu：1.0％-1.5％；Zr：0.2％-0.5％；Mn：0.1％-0.3％；
Ni：0.1％-0.6％；余量为Al。
2.一种超高强铝合金材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)称重量百分比为Zn：12％-14％；Mg：2.4％-3.2％；Cu：1.0％-1.5％；Zr：0.2％-0.5％；
Mn：0.1％-0.3％；Ni：0.1％-0.6％；余量为Al的材料作为该合金的原材料，其中Cu采
用Al-50Cu中间合金，Ni采用Al-20Ni中间合金，其余均为纯金属；
2)将上述称好的合金原材料Al、Al-50Cu中间合金、Al-Ni中间合金放入中频感
应炉中，通电加入直至坩埚中的金属溶化，将熔体温度升至720℃-740℃时加入Zr颗粒
和纯Mn片，充分搅拌后将熔体温度升至800℃-820℃，断电后采用石墨压勺压入纯Zn
和纯Mg，充分搅拌，将熔体温度升至720℃-750℃；
3)采用精炼剂及变质剂和C2Cl6除气剂对熔体进行变质和精炼处理；
4)将熔体倾入喷射沉积设备中喷射沉积成坯锭；
5)将上述喷射沉积后的坯锭车皮去端面进行挤压变形处理；
6)接着将变形棒材切成长150mm的棒料，车皮后进行固溶处理，固溶处理工艺为：
...

【专利技术属性】
技术研发人员：章国伟，陈伟，翟景，马力，陈刚，辛海鹰，郭安振，
申请(专利权)人：中国兵器工业第五二研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33