一种超高强度高韧性铝合金材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种超高强度高韧性铝合金材料及其制备方法，按重量百分比计，该合金成分为Ｚｎ１０－１１ｗｔ％，Ｍｇ２．７－３．０ｗｔ％，Ｃｕ１．７－２．０％，Ｚｒ０．１－０．２％，Ｎｉ０．１－０．２％，其余为Ａｌ。按合金成分配料，将原料熔化，浇铸成合金预制锭。在８００℃将合金预制锭熔化，以惰性气体为雾化气体，进行快速凝固喷射成形制备，雾化压力为０．５－１．０ＭＰａ。本发明专利技术的高强高韧铝合金材料的合金成分均匀、显微组织均匀、组织细小、无偏析。该材经热挤压或热锻压变形加工，并经合理的热处理后材料的极限抗拉强度可达８００ＭＰａ以上，同时材料的延伸率保持在８－１１％。该材料可应用于航空航天、核工业、交通运输、军工等领域的关键结构部件。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本涉专利技术及一种铝合金，特别是强度在800MPa以上的高强高韧铝合金材料及其制备方法。
技术介绍
铝合金作为金属材料中最典型的轻质材料，具有比重低、易加工、成本低等优点，一直是一种关键的军民两用材料。Al-Zn-Mg-Cu(7XXX)系合金是高强高韧铝合金中的典型代表，该合金系列是20世纪60年代国际上以航空航天用材为背景研制并发展起来的一类高强高韧铝合金材料。70年代以来，工业发达国家通过不断优化合金成分设计、改变7000系铝合金中各种微量元素的添加种类及含量、开发合金的新型热处理工艺等，在原始的几种7000系铝合金的基础上，进一步开发出了多种具有更佳使用性能的7000系铝合金，包括7075、7175、7475等，被广泛用于各种飞机的机身、机翼壳、翼梁、机舱壁板、飞机和火箭中高强度结构零件的制造。在开发各种7000系铝合金新产品的过程中，世界各国的科研工作者均发现通过提高7000系铝合金中Zn元素的含量，可有效地改善合金的综合性能，在这种思想指导下，工业发达国家相继开发出了7049、7050、7076、7178等具有较高Zn含量的7000系铝合金，并结合对传统铸造及变形加工、后续热处理工艺的不断优化改进，使7000系铝合金的极限抗拉强度(σb)范围从早期的500～580MPa提高至630～680MPa，同时材料的塑性、断裂韧性和耐腐蚀性能也得到了提高。但由于随着7000系铝合金中的Zn含量增加，材料中的宏观偏析和铸锭过程中的热裂倾向加大，严重影响到铸锭时的成材率和材料的最终使用性能，因此在采用传统铸造及变形加工工艺生产7000系铝合金时，材料中的含Zn量一般不能超过8wt％。到70年代末为止，由于国际上在7000系铝合金的制备、成形与加工技术的研究开发方面没有突破性进展，导致这类合金的极限抗拉强度(σb)很难突破700MPa这一大关。九十年代初期，随着新一代快速凝固/粉末冶金工艺尤其是喷射成形技术走向大规模实用，使得在生产规模上制备各种实用化的超高强7000系铝合金材料及产品变为了现实。在7000系铝合金方面，以美国、日本、英国、德国、法国、意大利为代表的工业发达国家均在九十年代初采用快速凝固技术开发成功了含Zn量8wt％以上的新一代超高强7000系铝合金产品，并被用于制造各种航空航天器中的结构部件、高速列车挂钩、赛车和其它体育竞技器材中的零部件等，奠定了新一代超高强7000系铝合金在轻质高强材料发展过程中的重要地位。但是，目前工业发达国家对喷射成形制备超高强7XXX系铝合金材料的全套技术目前仍采取KnowHow的形式予以保护，至今仍未形成任何专利。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种极限抗拉强度在800MPa以上的超高强度高韧性铝合金材料，该新型合金比传统高强高韧铝合金强度提高30％以上。本专利技术的另一目的是提供一种适用于制造极限抗拉强度在800MPa以上的超高强度高韧性铝合金材料的制备方法。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案本专利技术的极限抗拉强度在800MPa以上的超高强度高韧性铝合金材料按重量百分比计，合金成分为Zn 10～11wt％，Mg 2.7～3.0Wt％，Cu 1.7～2.0％，Zr 0.1～0.2％，Ni 0.1～0.2％，其余为Al。该材料显微组织均匀，晶粒细小，无明显的微观和宏观偏析现象发生。通过适当热处理，材料的主要力学性能达到σb＝800～820Mpa，σ0.2＝790～805MPa，δ5＝8～11％。本专利技术的一种适用于制造极限抗拉强度在800MPa以上的超高强度高韧性铝合金材料的制备方法，该方法包括下述步骤(1)按合金成分，按重量百分比计，该合金成分为 Zn 10～11wt％，Mg 2.7～3.0wt％，Cu 1.7～2.0％，Zr 0.1～0.2％，Ni 0.1～0.2％，其余为Al，进行配料，配制预制合金锭；(2)升温将合金预制锭熔化后，采用惰性气体并通过雾化喷嘴进行雾化，雾化喷嘴以1～5HZ的频率高速扫描，雾化气体为高纯惰性气体，雾化压力为0.5～1.0Mpa；(3)在气雾化的同时，接收系统在变频电机的牵引下高速旋转，并以30～40°的角度和20～40mm/min的速度下拉，制成圆锭；(4)将圆锭扒皮、热挤压或热锻压变形加工，加工成所需的部件；(5)将该部件进行热处理，即得到超高强度高韧性铝合金材料。本专利技术所采用的Zn、Al、Cu、Mg、Zr、Ni分别是选取工业纯Zn、工业纯Al、电解Cu、工业纯Mg、Al-Zr中间合金、Al-Ni中间合金。在本专利技术的方法的步骤(1)中，所述的配制预制合金锭的过程是在惰性气体保护下升温至850～900℃将原料熔化，待混合均匀后浇铸成预制合金锭。在本专利技术的方法的步骤(2)中，所述的将合金预制锭熔化过程是将预制合金锭装入非真空喷射成形设备，在覆盖剂保护下感应加热至800～850℃将合金锭熔化，保温10～20min使合金熔体均匀化，并加除渣剂和精炼剂进行除气除渣精炼。所使用的覆盖剂是常规的覆盖剂。所使用的非真空喷射成形设备是开放式的，即感应加热熔炉、感应加热或电阻加热的中间包等设备不用密闭，是开放式的，不需要真空系统。在本专利技术的方法的步骤(2)中，所述的进行雾化的过程是采用非限制式气流雾化喷嘴进行雾化。在本专利技术的方法的步骤(2)中，所述的高纯惰性气体为氩气或氮气。在本专利技术的方法的步骤(3)中，所述的制成圆锭的过程是通过控制雾化喷嘴的扫描、接收系统的形状和运动方式进行的，可以制备出具有典型快速凝固组织的圆锭(Φ200～300×300～1000mm)。在本专利技术的方法的步骤(4)中，所述的将圆锭扒皮的过程是采用扒皮机加工扒皮，可以制备成一定规格的棒坯。并在360～420℃下保温2小时，再进行所述热挤压或热锻压成型的过程。在本专利技术的方法的步骤(5)中，所述的将部件进行热处理的过程是进行双级固溶处理，使一次和二次析出相充分回溶，再进行T6峰时效处理。该专利技术的关键在于合金成分设计，要求各元素含量准确，合金化程度高，主合金元素含量高，强调微合金化元素辅助强化，实现多强化相耦合强化。该专利技术的另一关键因素是这种新型合金条件下的喷射成形制备技术，主要技术细节包括以下内容为保证合金成分准确，选用尽可能低的熔炼温度，同时在熔炼过程中加覆盖剂保护，浇注之前除气除渣。在喷射成形过程中选用完全非限制式气雾化喷嘴，在工作过程中导流管与喷嘴之间采用的是分离配合方式，以便实现喷嘴高频扫描。为保证较高的冷却速度，雾化压力选用0.5～1.0MPa。雾化压力小，冷却速度低，材料显微组织粗大，晶界析出物多，雾化压力大，冷却速度高，材料显微组织细小，晶界析出物少，但是材料致密度低，而且实收率低，因此在具体实施过程中选用适中的雾化压力。专利号98201214.4名为“双层非限制式气流雾化喷嘴”专利文献中，记载了有关非限制式气流雾化喷嘴的
技术实现思路
，非限制式雾化喷嘴中的导流管和气流雾化喷嘴是采取分离配合方式。非限制式雾化喷嘴在应用时与喷射摆动机构安装在一起。喷射摆动机构是由喷嘴摆动凸轮、喷嘴摆动顶杆、转动轴构成，工作时，驱动机构带动喷嘴摆动凸轮，喷嘴摆动凸轮与喷嘴摆动顶杆配合通过转动轴带动非限制式雾化喷嘴中的气流雾化喷嘴按预先设定的摆动角度及摆动频率进行扫描摆动，形成雾化锥本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超高强度高韧性铝合金材料，其特征在于：按重量百分比计，该合金成分为Ｚｎ１０～１１ｗｔ％，Ｍｇ２．７～３．０ｗｔ％，Ｃｕ１．７～２．０％，Ｚｒ０．１～０．２％，Ｎｉ０．１～０．２％，其余为Ａｌ。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：石力开，熊柏青，张永安，张济山，朱宝宏，刘红伟，
申请(专利权)人：北京有色金属研究总院，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]