一种Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金及制备方法技术

本发明专利技术涉及航空航天用超高强超高韧铝合金材料的成份调控、加工与热处理工艺，特别针对航空航天所需的高强高韧高淬透性的铝合金要求，提出一种Al‑Zn‑Mg‑Cu系超高强铝合金及制备方法，属于铝合金技术领域。所述铝合金各组分及其质量百分比为：Zn 7.2～9.5％,Mg 1.2～2.5％,Cu 1.3～1.9％,Zr 0.08～0.15％,Ti 0.05％,Mn 0.05％,Cr 0.04％,Fe

A Super High Strength Al-Zn-Mg-Cu Aluminum Alloy and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金及制备方法
本专利技术涉及航空航天用超高强超高韧铝合金材料的成份调控、加工与热处理工艺，特别针对航空航天所需的高强高韧高淬透性的铝合金要求，提出一种Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金及制备方法，属于铝合金

技术介绍
Al-Zn-Mg-Cu系铝合金由于具有高的比强度、比模量、良好的导电导热耐蚀性、优良的切削性能等特点，被广泛应用于航空航天、汽车、机械制造、船舶、化学工业及民用工业。随着世界航空航天事业广泛发展，对高强度铝合金的要求也越来越高。但强度提高一般会引起合金塑性下降，要得到高强度高塑性的合金，必须解决强度与韧性制约的矛盾，使得综合性能得以提升。同时，为满足大件航空航天用材的需求，必须保证铝合金在高强高韧的同时具有良好的淬透性，即强化相在析出的过程对温度梯度不能过于敏感。铝合金性能的优化与改善主要通过五种途径实现：一是主合金元素调控，实现对强化相类别的控制，从而调整合金宏观性质；二是微合金元素添加，通过微合金相的优先析出，细化与强化铝合金基体；三是成型方式，通过原位析出、复合植入或快冷成型以得到特定性能的改善；四是加工成形，利用形变细化晶粒并形成位错钉扎，改善合金性能；五是热处理工艺，通过析出相的扩散、回溶与析出，改善强化相的大小与分布，从而优化微观结构，提高合金性能。目前，国内外报道的铝合金成份调控多采用添加稀土元素形成弥散相来钉扎位错、亚晶界和晶界，起到弥散强化、亚结构强化的作用，实现性能的提升。但稀土价格昂贵，并不适合大量应用于结构材料。而热处理工艺，包括均匀化、固溶与时效，则通过单级或双级强化均匀化与固溶，并结合峰值时效完成，很难实现强度与韧性的双赢。文献调研表明，对Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的主合金元素调控与深冷热处理的具体工艺未见公开报道。
技术实现思路
本专利技术针对航空航天所需的大块件铝合金，提出一种Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金及其制备方法，所述铝合金通过调整主合金元素以优化铝合金的强化相类型，保证合金强度与韧性的同时，具有高的淬透性；并通过在传统热处理工艺上开发双深冷嵌入的多级热处理工艺，调整强化相的分布状态，提升基体亚稳态弥散分布密度，调控晶界稳定相断续分布与无析出带，从而实现超高强超高韧铝合金综合性能的提升。本专利技术采用的技术方案为：一种Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金，各组分及其质量百分比为：Zn7.2～9.5％,Mg1.2～2.5％,Cu1.3～1.9％,Zr0.08～0.15％,Ti0.05％,Mn0.05％,Cr0.04％,Fe<0.05％,Si<0.05％，杂质总量<0.15％，余量为Al。本专利技术将Cu元素含量在1.3～1.9％范围内，限制S相(Al2CuMg)相析出的最大体积分数；将Mg元素含量设置在1.2～2.5％范围内，调控合金中强化相的体积分数，满足强度和韧性的需求；将Zn元素含量调控在7.2～9.5％范围内，提高η相(MgZn2)的体积分数，并在析出过程中消耗Mg元素，抑制S相(Al2CuMg)的形成。本专利技术还提出一种以上铝合金的制备方法，包括以下步骤：(1)按合金成份经配料、熔炼(即合金化)、熔体净化及晶粒细化处理、浇铸成型形成铸锭、脱膜空冷。熔炼温度控制在750-770℃，若温度过高，合金的烧损将过大。熔体净化采用N2精炼，使其达到低的含氢量，避免氢致断裂。整个工艺流程中要做到“三纯”：一是Fe、Si等杂质含量低；二是氧化物Al2O3等氧化夹杂低；三是含氢夹杂低。尽量避免产生会严重影响合金的断裂韧性的(Fe,Cr)SiAl12、(Fe,Mn,Cu)Al6、Cu2FeAl7、Mg2Si等杂质相粗大粒子。(2)对步骤(1)铸锭采用复合均匀化处理：430℃保温46小时后升温至467℃保温4h，然后出炉空冷。(3)对步骤(2)复合均匀化处理后的铸锭进行热挤压。挤压时，金属温度为400～440℃，加热时间为2h；挤压筒、模具、垫子的温度为440～480℃，加热时间为12h。(4)对步骤(3)所得的挤压件进行深冷处理：在-197℃下保温36小时。(5)对步骤(4)所得的深冷处理样品进行三级固溶：450～470℃保温20～40分钟后升温至470～480℃保温20分钟再升温至480～490℃保温20分钟，然后水淬或油淬。(6)对步骤(5)所得的固溶样品进行双级时效：120～135℃保温16小时后升温至190℃保温10分钟。(7)对步骤(6)所得的时效样品再次进行深冷处理：在-197℃下保温36小时。本专利技术基于以下原理：理论及实验研究表明，Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的主要强化相为η相(MgZn2)，同时易形成S相(Al2CuMg)和θ相(Al2Cu)。其中，S相(Al2CuMg)和η相(MgZn2)的析出温度相近。而η相(MgZn2)较S相(Al2CuMg)和θ相(Al2Cu)具有更大的形成焓，从热力学的角度η相(MgZn2)的析出驱动力更大，因此在铸造过程中，η相(MgZn2)与S相(Al2CuMg)竞争析出。同时，η相(MgZn2)较S相(Al2CuMg)和θ相(Al2Cu)具有更小的结合能，因而易于分解与扩散。并且热力学研究表明，η相(MgZn2)的析出没有S相(Al2CuMg)和θ相(Al2Cu)依赖于温度梯度的变化，因此在热处理过程，尤其是淬火过程中对温度的敏感性不强，而决定了它可以实现大块材料的高淬透性。本专利技术提出通过调整主合金元素以优化铝合金的强化相类型，保证合金强度与韧性的同时，具有高的淬透性。为了保证材料具有良好的固溶性和淬透性，成份设计需保证η相(MgZn2)的充分析出，并控制S相(Al2CuMg)的体积分数。即适当降低Cu含量，以控制脆性难溶S相(Al2CuMg)和θ相(Al2Cu)的析出。并以Mg含量为基准，提高Zn含量，保证η相(MgZn2)的体积分数，并在析出过程中消耗Mg元素，抑制S相(Al2CuMg)的形成。合金成份设计根据耐蚀性和强度性能需求，确定Cu元素含量在1.3～1.9％范围内，限制S相(Al2CuMg)相析出的最大体积分数。基于Al2CuMg相中的原子比AMg:ACu＝1:1，该相中两种元素质量比MMg:MCu＝1:2.7，若Cu元素均以Al2CuMg相析出，则该相中所需的Mg含量在0.5-0.7％范围内。基于MgZn2相中的原子比AMg:AZn＝1:2为基准，该相中两种元素的质量比MMg:MZn＝1:5.4。若0.5-0.7％的Mg在铸造过程中以Al2CuMg相析出，同时考虑Mg元素烧损0.1％，则MgZn2相中的Mg含量还剩0.6-1.7％，形成MgZn2相所需的Zn元素含量在3.2～9.0％范围内。本专利技术中Zn元素含量调控在7.2～9.5％范围内，以提高η相(MgZn2)的体积分数，并在析出过程中消耗Mg元素，抑制S相(Al2CuMg)的形成。此外，通过在传统热处理工艺上开发双深冷嵌入的多级热处理工艺，调整强化相的分布状态，让强化相在固溶后再次析出时，提升基体亚稳态弥散分布密度，晶界以稳定相断续分布，从而实现超高强超高韧铝合金综合性能的提升，所述双深冷嵌入的多级热处理工艺如下：第一步，形变后即深冷，目的是利用形变残余应力和收缩应力实现本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Al‑Zn‑Mg‑Cu系超高强铝合金的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：(1)按合金成份经配料、熔炼、熔体净化及晶粒细化处理、浇铸成型形成铸锭、脱膜空冷：熔炼温度控制在750‑770℃，熔体净化采用N2精炼；(2)对步骤(1)铸锭采用复合均匀化处理：430℃保温46小时后升温至467℃保温4h，然后出炉空冷；(3)对步骤(2)复合均匀化处理后的铸锭进行热挤压：挤压时，金属温度为400～440℃，加热时间为2h；挤压筒、模具、垫子的温度为440～480℃，加热时间为12h；(4)对步骤(3)所得的挤压件进行深冷处理：在‑197℃下保温36小时；(5)对步骤(4)所得的深冷处理样品进行三级固溶：450～470℃保温20～40分钟后升温至470～480℃保温20分钟再升温至480～490℃保温20分钟，然后水淬或油淬；(6)对步骤(5)所得的固溶样品进行双级时效：120～135℃保温12小时后升温至180～190℃保温10分钟再升温至190℃保温20分钟；(7)对步骤(6)所得的时效样品再次进行深冷处理：在‑197℃下保温36小时。

【技术特征摘要】
1.一种Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：(1)按合金成份经配料、熔炼、熔体净化及晶粒细化处理、浇铸成型形成铸锭、脱膜空冷：熔炼温度控制在750-770℃，熔体净化采用N2精炼；(2)对步骤(1)铸锭采用复合均匀化处理：430℃保温46小时后升温至467℃保温4h，然后出炉空冷；(3)对步骤(2)复合均匀化处理后的铸锭进行热挤压：挤压时，金属温度为400～440℃，加热时间为2h；挤压筒、模具、垫子的温度为440～480℃，加热时间为12h；(4)对步骤(3)所得的挤压件进行深冷处理：在-197℃下保温36小时；(5)对步骤(4)所得的深冷处理样品进行三级固溶：450～470℃保温20～40分钟后升温至470～480℃保温20分钟再升温至480～490℃保温20分钟，然后水淬或油淬；(6)对步骤(5)所得的固溶样品进行双级时效：120～135℃保温12小时后升温至180～190℃保温10分钟再升温至190℃保温20分钟；(7)对步骤(6)所得的时效样品再次进行深冷处理：在-197℃下保温36小时。2.一种根据权利要求1所述方法制备的Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金，其特征在于：所述铝合金各组分及其质量百分比为：Zn7.2～9.5％,Mg1.2～2.5％,Cu1.3～1.9％,Zr0.08～0.15％,Ti0.05％,Mn0.05％,Cr0.04％,Fe<0.05％,Si<0.05％，杂质总量<0.15％，余量为Al。3.一种根据权利要求1所述方法制备的Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金，其特征在于：所述铝合金各组分及其质量百分比为：Zn8.5％,Mg2.0％,Cu1.5％,Zr0.12％,Ti0.05％,Mn0.05％,Cr0.04％,Fe<0.05％,Si<0.05％,杂质总量<0.15％，余量为Al。4.一种根据权利要求1所述方法制备的Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金，其特征在于：所述铝合金各组分及其质量百分比为：Zn9.5％,M...

【专利技术属性】
技术研发人员：李春梅，程南璞，蒋显全，唐剑锋，郭宁，李路，
申请(专利权)人：西南大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50