一种铝合金结构材料及其制备方法技术

一种铝合金结构材料，其特征在于：该铝合金结构材料为Al-Mg-Si-Mn-Ti系合金，各元素的质量百分比为：Mg：10.5％～17.4％，并含Be：0.01%～0.05%，以镁炉料为基准；Si：1.0％～5.0％；Mn：0.3％～0.8％；Ti：0.15％～0.25％；Al及其它不可避免杂质：余量。制备时，将称量好的炉料放入中频熔炼炉进行合金熔炼、除气和净化处理，然后进行浇注、喷射沉积制得圆形锭坯；接着进行挤压加工、成品加工、热处理即为成品。本发明专利技术配方设计科学合理，采用喷射沉积技术制备低密度高强度铝合金冶金组织，制备工艺简单、流程短，制得的铝合金具有高强铝合金的力学性能特点、铝锂合金的低密度特点，可用于地面交通工具以及空间飞行器结构制品的制造。

【技术实现步骤摘要】
一种铝合金结构材料及其制备方法
本专利技术属于金属合金材料及制备
，具体涉及一种低密度高强度的铝合金结构材料及其制备方法，可适用于制造地面交通工具以及空间飞行器结构制品。
技术介绍
纯铝具有密度小、导热性好、可塑性和抗腐蚀性佳的特点，常用于制成各种型材、板材，但是纯铝的强度差，不宜作结构材料，因此，人们在纯铝中加入各种不同合金元素，以强化铝的性能，从而得到了一系列的铝合金。如今，人们通过向铝合金中添加镁、锂、硅等低密度合金元素来改善铝合金材料的强度与密度特性，取得了很好的效果。但受合金化、制备技术条件的制约，其增益有限。现有低密度铝合金，如5XXX系、6XXX系Al-Mg、Al-Mg-Si类合金受常规铸造冶金工艺及条件的制约，镁的加入量最高限于5.5%～9.6%，典型合金如5A06、6061密度小于2.7g/cm3。再高镁含量尽管密度降低幅度更大，但会产生严重的粗大化合物AlxMgy（如Al3Mg2、Al5Mg8）相，将导致合金力学性能急剧降低；而8XXX系Al-Li-Cu-Mg类合金受常规铸造冶金制备工艺及条件的制约，锂的加入量仅限于3%以下，再高锂含量会产生粗大脆性AlLi化合物相以及偏析严重，将导致塑性、韧性急剧降低，典型合金如8090、8091、CP276等密度小于2.65g/cm3；Al-Li-Mg类典型合金如1420、1421、1423可获得密度小于2.55g/cm3的技术效果；采用喷射沉积制备技术，可以获得密度更小的小于2.50g/cm3的铝锂合金如UL30、UL40等。但上述各类低密度铝合金都属于中强型铝合金，即合金拉伸强度量级在420MPa～500MPa。为增加强度，采用热扎＋退火处理＋大变形冷作硬化＋稳定化热处理工艺，结果强度得到进一步提高，但往往牺牲了材料的塑性，且工序复杂成本也很高，仅适用2～3mm以下厚度的薄板材，而对于其它复杂结构型材、管材、棒材、锻件以及大厚度板带材是难于大变形冷作硬化加工，结构材料的强度难于提高，大大局限了高强度铝合金结构产品的开发与应用。7XXX系合金如7A04、7A09以及7055等高强度合金，强度可达到520～680MPa，但该类合金密度太大约为2.78～2.86g/cm3，显然对减重设计不利。中国专利文献ZL200610069171.5公布了一种铝硅铜镁变形铝合金及其制备方法，该专利中合金含镁量很少为0.3%～0.6%，硅、铜含量高。显然合金的密度较大，强度也低至379MPa，满足不了减重设计要求。地面交通工具如汽车、摩托车、赛车以及空间飞行器等上的各类承力结构，如连杆、摆臂、转向节、仓段、壳体等通常是采用钢及2024、2618铝合金制造，虽然强度高，但是重量大，如能采用低密度高强度铝合金结构材料制造，替代钢以及2024、2618铝合金，将获得高经济性、低能耗、轻量化的多重效果。喷射成形技术是一种凝固冷却速度大，一次近净成型大尺寸锭坯的先进制备技术，可以获得细小均匀的微观组织，并可极大的拓宽合金元素的过饱和固溶度，为开发制备高镁、硅、锂含量的铝合金结构材料，提供解决制备问题的最佳技术方案。
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具有低密度、高强度的铝合金结构材料，可用于制造地面交通工具以及空间飞行器结构制品。本专利技术所要解决的第二个技术问题是提供一种具有低密度、高强度的铝合金结构材料的制备方法，具有加工工艺简单、流程短的特点，制得的铝合金结构材料可用于制造地面交通工具以及空间飞行器结构制品。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：一种铝合金结构材料，其特征在于：该铝合金结构材料为Al-Mg-Si-Mn-Ti系合金，原料中各元素的质量百分比为：Mg：10.5％～17.4％，并含Be：0.01%～0.05%，以镁炉料为基准；Si：1.0％～5.0％；Mn：0.3％～0.8％；Ti：0.15％～0.25％；Al及其他不可避免的杂质：余量。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：一种铝合金结构材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1）通过密度与强度预估计算方法设定铝合金结构材料的组分配比，选择纯铝炉料、含Be0.01wt%～0.05wt%的纯镁炉料以及铝硅、铝锰、铝钛中间合金炉料作为原料，按元素质量百分比：Mg：10.5％～17.4％；Si：1.0％～5.0％；Mn：0.3％～0.8％；Ti：0.15％～0.25％；Al及其他不可避免的杂质：余量；进行称量配料；2）熔炼、除气与净化处理：将步骤1）称取的炉料在中频熔炼炉进行合金熔炼，熔炼时，先加入纯铝炉料以及铝锰、铝硅以及铝钛中间合金炉料，熔化后升温到680℃～720℃用钟罩或压瓢将经过预热温度120℃～150℃的含Be0.01wt%～0.05wt%的纯镁炉料压入铝熔体中，镁全部熔化后升温到730℃～750℃，采用氩气精炼，通氩气后，净置15～20min，去除铝合金熔体中氧化物和气体，控制铝合金熔体温度达到780℃～820℃进行浇注；3）喷射沉积：将步骤2）得到的铝合金熔体浇注到漏斗控制导流，进入喷射沉积雾化器进行雾化沉积，在雾化气体作用下产生高度雾化的高速半固态溅射流，高速溅射沉积到接收底盘上，通过接收底盘向下的移动速度与雾化器摆角的匹配，制备出不同直径的圆形锭坯；4）接着进行挤压加工和成品加工；5）最后进行热处理即为成品。作为改进，所述步骤2）中的采用氩气精炼的氩气压力为0.05～0.07Pa，通氩气时间在5～10min，通氩气流量在0.2～0.3Nm3/min。作为改进，所述步骤2）中的浇注时的金属流量为6～8Kg/Min。作为改进，所述步骤3）中的喷射沉积的工艺参数为：氮气流量：13～23Nm3/Min；氮气压力：6.5～8.5atm；雾化器扫描速度：20.9～23.3Hz；接收底盘旋转速度：2.45～3.16r/s；接收底盘移动速度：0.57～0.70mm/s；喷射沉积高度：670～730mm。再改进，所述步骤4）的挤压加工是采用挤压机进行热挤压变形加工，是将圆形锭坯切割下料成要求的挤压坯，加热到挤压温度，保温一定时间，送入到挤压机中挤压成形管材、棒材、型材及扁板材成品或半成品，其中挤压工艺为:挤压比9～15；挤压速度1.2～1.5m/Min；挤压坯加热温度360℃～400℃。作为优选，所述挤压加工中的保温时间为：当挤压坯直径Φ≤50mm时，保温时间τ＝1.5Φmin；当挤压坯直径Φ≥100mm时，保温时间τ＝2Φmin；当挤压坯直径Φ在50～100mm时，保温时间τ＝1.5Φ＋0.01(Φ－50)Φmin。再改进，所述步骤4）的成品加工是在挤压加工后的半成品、成品上切割、加工获得；或者是挤压加工后的半成品、成品上切割下料，再进行热成型加工。进一步改进，所述步骤5）的热处理是在热处理炉中进行的固溶处理及人工时效处理或自然时效处理，其中固溶处理的温度为400℃～430℃，保温时间0.5～2.5h；人工时效温度95℃～120℃，人工时效时间8～12h；或自然时效时间20～28h。最后，所述密度与强度预估计算方法是密度ρ简化为ρ=G/Σ(Wi/ρi)（1）其中G为成分配方总量，为计算方便以100%计；Wi为成分配方中各组元加入重量百分数计；ρi为成分配方中各本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铝合金结构材料，其特征在于：该铝合金结构材料为Al‑Mg‑Si‑Mn‑Ti系合金，原料中各元素的质量百分比为：Mg：10.5％～17.4％，并含Be：0.01%～0.05%，以镁炉料为基准；Si：1.0％～5.0％；Mn：0.3％～0.8％；Ti：0.15％～0.25％；Al及其他不可避免的杂质：余量。

【技术特征摘要】
1.一种铝合金结构材料，其特征在于：采用喷射沉积法并结合常规热挤压技术以及后继短流程固溶+人工或自然时效处理而得的铝合金结构材料为Al-Mg-Si-Mn-Ti系合金，原料中各元素的质量百分比为：Mg：10.5％～17.4％，并含Be：0.01％～0.05％，以镁炉料为基准；Si：1.0％～5.0％；Mn：0.3％～0.8％；Ti：0.15％～0.25％；Al及其他不可避免的杂质：余量。2.一种铝合金结构材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1)通过密度与强度预估计算方法设定铝合金结构材料的组分配比，选择纯铝炉料、含Be0.01wt％～0.05wt％的纯镁炉料以及铝硅、铝锰、铝钛中间合金炉料作为原料，按元素质量百分比：Mg：10.5％～17.4％；Si：1.0％～5.0％；Mn：0.3％～0.8％；Ti：0.15％～0.25％；Al及其他不可避免的杂质：余量；进行称量配料；2)熔炼、除气与净化处理：将步骤1)称取的炉料在中频熔炼炉进行合金熔炼，熔炼时，先加入纯铝炉料以及铝锰、铝硅以及铝钛中间合金炉料，熔化后升温到680℃～720℃用钟罩或压瓢将经过预热温度120℃～150℃的含Be0.01wt％～0.05wt％的纯镁炉料压入铝熔体中，镁全部熔化后升温到730℃～750℃，采用氩气精炼，通氩气后，净置15～20min，去除铝合金熔体中氧化物和气体，控制铝合金熔体温度达到780℃～820℃进行浇注；3)喷射沉积：将步骤2)得到的铝合金熔体浇注到漏斗控制导流，进入喷射沉积雾化器进行雾化沉积，在雾化气体作用下产生高度雾化的高速半固态溅射流，高速溅射沉积到接收底盘上，通过接收底盘向下的移动速度与雾化器摆角的匹配，制备出不同直径的圆形锭坯；4)接着进行挤压加工和成品加工；所述步骤4)的挤压加工是采用挤压机进行热挤压变形加工，是将圆形锭坯切割下料成要求的挤压坯，加热到挤压温度，保温一定时间，送入到挤压机中挤压成形管材、棒材、型材及扁板材成品或半成品，其中挤压工艺为:挤压比9～15；...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙廷富，薛跃军，彭银江，陈耘，郭安振，崔崇亮，郭峰，翟景，张涛，元涛，
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