專利名稱：一種超高強(qiáng)高淬透性Al-Zn-Mg-Cu合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬合金技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種超高強(qiáng)高淬透性Al-Zn-Mg-Cu合金。
背景技術(shù)：
超高強(qiáng)鋁合金主體是Al-Zn-Mg-Cu系(簡稱7000系)合金，該系鋁合金具有良好的塑性、韌性、抗應(yīng)力腐蝕性能和加工性能，可以通過軋制、擠壓和鍛造等方式加工成各種棒材、線材、型材、板材與航空用鈦合金及現(xiàn)代航空工業(yè)非常關(guān)注的樹脂基復(fù)合材料相比超高強(qiáng)鋁合金成本相對較低，廣泛用于航空航天和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的各種輕量化結(jié)構(gòu)件的制 造。近30年來，現(xiàn)代航空航天工業(yè)迅速發(fā)展，科技水平不斷提高，為減少構(gòu)件焊接和鉚接帶來的諸多問題，提高裝備的整體性能和可靠性，進(jìn)一步減輕裝備重量提高效能，應(yīng)對 近年來在航空航天領(lǐng)域鋁合金材料面臨更加輕量化樹脂基復(fù)合材料的巨大挑戰(zhàn)，以美國鋁業(yè)公司、德國鋁業(yè)公司為代表，與國際上著名的波音、空客飛機(jī)制造公司合作，成功開發(fā)了大型整體式鋁合金構(gòu)件，用于取代傳統(tǒng)中由多種不同成分的鋁合金散件拼裝而成的組合式飛機(jī)構(gòu)件，贏得了 10%-20%的減重效果，降低了成木，提高了部件的整體性能。隨著現(xiàn)代飛機(jī)制造用大型化、整體化結(jié)構(gòu)件尺寸的不斷增加，大厚度制品在淬火過程中表現(xiàn)出較高的淬火敏感性。7075、7050、7055合金的成分設(shè)計只能滿足厚度在120mm以下結(jié)構(gòu)件制造的要求，在厚度大于120mm之后，制品表面與心部性能差異較大，難以滿足航空航天對超大截面鋁合金材料的需求。因此，為解決航空工業(yè)對整體式結(jié)構(gòu)件日益緊迫的需要同超高強(qiáng)度鋁合金制品性能不均一之間的矛盾，必須開發(fā)適用于生產(chǎn)大型、整體化結(jié)構(gòu)件的低淬火敏感性合金，提高鋁合金構(gòu)件的淬透深度。針對淬火敏感性的難題，各主要航空用鋁合金生產(chǎn)和研究企業(yè)投入大量資金，詳細(xì)研究了鋁合金的淬火敏感性，通過調(diào)整主合金元素(Zn、Mg、Cu)的成分配比、減少淬火敏感性合金元素(Cu、Cr等)含量、進(jìn)一步降低和控制雜質(zhì)元素(Fe、Si)含量等手段，在開展常規(guī)厚度超高強(qiáng)高韌鋁合金研制工作的同時，著重開展了適于超大截面尺寸工件生產(chǎn)的、具有優(yōu)良綜合性能的新型低淬火敏感性超高強(qiáng)鋁合金的研究工作。與目前大量使用的7050及7150合金相比，以7085、7081合金為代表的新一代低淬火敏感性合金提高了合金中主合金元素Zn的含量，降低了 Mg和Cu的含量，同時對合金微量元素Zr也進(jìn)行了小幅調(diào)整。但是由于7085合金中主合金元素Mg的含量偏低，與7050合金相比，其強(qiáng)度性能并無優(yōu)勢，因此，7085合金也不能成為全面取代7x50合金的升級換代產(chǎn)品。7XXX鋁合金是典型的時效強(qiáng)化合金，其強(qiáng)化效果與η’相的析出形態(tài)有直接關(guān)系，細(xì)小均勻的H’析出相能起到很好的彌散強(qiáng)化作用。有研究表明，高Zn/Mg比能提高GPII的比例并且提高GPII向η’的相變趨勢，低合金元素總含量、低Cu含量、用Zr代替Cr能有效降低合金的淬火敏感性。另一方面,在冷卻速率較小時,仍有出大平衡的η相在Al3Zr上析出，降低溶質(zhì)過飽和度，削弱后續(xù)時效強(qiáng)化效果，這是淬火敏感性產(chǎn)生的主要原因。另外有研究表明，Er在Al-Mg和Al-Zn-Mg合金中能形成Al3Er相，Al3Er相與Al3Sc、Al3Zr性質(zhì)相似，均與基體共格或半共格，強(qiáng)化機(jī)制主要有細(xì)晶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化及亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化。在稀土鋁合金研究中，考慮到成本原因，Er是繼Sc之后有望改變鋁合金性能的有效合金元素，但是Er的加入量不能太高，否則會影響材料的性能
發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的是提供一種新的合金，在不影響其他性能的條件下，其淬透性有較明確的提高，尤其針對7085合金犧牲強(qiáng)度換取淬透性提升的這一缺憾，通過對比調(diào)整鋅鎂t匕、銅含量和添加微合金元素Er等手段，使合金在盡可能保證強(qiáng)度的情況下，降低淬火敏感性，增加淬透深度，本發(fā)明優(yōu)選合金成分使其厚板綜合性能達(dá)到最佳。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為，一種超高強(qiáng)高淬透性Al-Zn-Mg-Cu合金，其特征在于，該合金為 Al-10. OZn-1. 6Mg_l. 4Cu_0. 12Zr。本發(fā)明的技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)在Al-Zn-Mg-Cu合金中，正確選擇主合金元素的比值可以讓淬透性提高。針對7085合金強(qiáng)度性能不足的問題，通過適當(dāng)調(diào)整Zn/Mg比例，控制淬火敏感元素Cu的含量，提高新型超高強(qiáng)度鋁合金的淬透性。通過調(diào)整合金元素含量，本發(fā)明合金的淬硬度下降3. 3%的情況下，淬透深度提升32%，微量合金元素對淬透性的改善作用不明顯，提高鋅鎂比和控制銅含量可以在不顯著提高成本的情況下降低合金的淬火敏感性。


圖I棒材制備示意圖；圖2端淬示意圖；圖3樣品切割不意圖；圖4 對比例 I 的 Al-10. OZn-1. 9Mg_l. 7Cu_0. 12Zr 合金的端淬曲線；圖5 對比例 2 的 Al-10. OZn-1. 9Mg_l. 7Cu_0. 12Zr-0. 06Er 合金的端淬曲線；圖6 本發(fā)明 Al-10. OZn-1. 6Mg_l. 4Cu_0. 12Zr 合金的端淬曲線；圖7三種合金的端淬曲線對比。
具體實施例方式在Al-Zn-Mg-Cu合金中，正確選擇主合金元素的比值可以讓淬透性提高。針對7085合金強(qiáng)度性能不足的問題，通過適當(dāng)調(diào)整Zn/Mg比例，控制淬火敏感元素Cu的含量，力口入微量合金元素Er等方法，提高新型超高強(qiáng)度鋁合金的淬透性。第一種合金比起7085，適當(dāng)提高了主強(qiáng)化元素Mg的含量，同時提高Zn含量來保證高鋅鎂比。第二種合金在此基礎(chǔ)上相比加入微合金元素Er ;本發(fā)明合金在此基礎(chǔ)上減少了鎂含量，并降低了銅含量，使得總合金元素的含量降低。先后經(jīng)過固溶、端淬和時效等熱處理得到三種合金的端淬曲線，對比結(jié)果可以看出選擇最優(yōu)的合金成分即為本發(fā)明的合金。I)主合金元素對淬透性的影響對比例I合金I的成分為Al-10. OZn-1. 9Mg-l. 7Cu-0. 12Zr (質(zhì)量百分?jǐn)?shù))。本發(fā)明合金3 (Al-10. OZn-1. 6Mg_l. 4Cu_0. 12Zr，質(zhì)量百分?jǐn)?shù))在此基礎(chǔ)上，保持高鋅含量不變，減少M(fèi)g含量來獲得更高的鋅鎂比，同時降低了淬火敏感元素Cu的含量；2)微合金元素對淬透性的影響對比例2成分(Al-10. OZn-1. 9Mg_l. 7Cu_0. 12Zr-O. 06Er)的合金2相對于對比例I,主合金元素含量保持不變,通過添加O. 06%的Er,來抑制低冷卻速度下的再結(jié)晶形核和長大，降低材料的淬火敏感性；3)對三種合金固溶處理后進(jìn)行末端淬火，經(jīng)過人工時效再測試硬度繪制端淬曲線，對結(jié)果進(jìn)行對比討論得到通過調(diào)整合金元素含量，本發(fā)明淬硬度下降3. 3%的情況下，淬透深度提升32% ;微量合金元素對淬透性的改善作用不明顯，提高鋅鎂比和控制銅含量可以在不顯著提高成本的情況下降低合金的淬火敏感性。淬透性實驗方案 I)材料制備選擇的三種合金成分分別為對比例I的Al-10. OZn-1. 9Mg-l. 7Cu_0. 12Zr、對比例 2 的 Al-10. OZn-1. 9Mg-l. 7Cu_0. 12Zr-0. 06Er、本發(fā)明的Al-10. OZn-1. 6Mg-l. 4Cu_0. 12Zr (質(zhì)量百分?jǐn)?shù))，將擠壓態(tài)合金(擠壓比為15.4 : I),沿擠壓方向(L)切割成Φ 25_ X 140mm圓棒狀試樣,參見圖I的棒材制備示意圖。2)固溶處理將切割好的試樣進(jìn)行固溶熱處理，固溶機(jī)制為470°C X3h ；3)末端淬火淬火轉(zhuǎn)移時間不超過10秒,淬火介質(zhì)為室溫水,端淬噴水嘴Φ 15mm,水柱自由高度為100 110mm，水流量足夠大與端淬面垂直，不能飛濺碰到棒材側(cè)面，端淬時間為300秒；見圖2的端淬示意圖。4)時效處理淬火完成之后在8h之內(nèi)進(jìn)行T6峰值時效，時效機(jī)制為120°C X24h，時效完成后隨爐冷卻到室溫；5)性能測試采用線切割的方法，將圓棒試樣每隔IOmm等間距截取成14個小圓柱體，從淬火端面開始測試截面的硬度值，樣品切割見示意圖3，每個截面隨機(jī)選取十個點(diǎn)測試硬度，去掉最高值和最低值，剩下八個值求平均作為該截面的硬度；6)結(jié)果分析繪制硬度-離淬火端距離的端淬曲線，規(guī)定硬度下降10%為淬透深度，分別測定三種成分合金的淬透深度。對比例I合金Al-10. OZn-1. 9Mg-1.7Cu-0. 12Zr的棒材經(jīng)固溶、端淬、時效和切割等步驟后，測試截面的硬度，其對比結(jié)果如表I所示。水淬端硬度216HV，最遠(yuǎn)端硬度為187HV，硬度下降絕對值為29，下降百分比為13. 4%，單端淬透深度約為62mm。表1A1-10. OZn-1. 9Mg_l. 7Cu_0. 12Zr 的端淬硬度測試結(jié)果
\^離 mm O I 10 I 20 I 30 I 40 I 50 I 60 I 70 I 80 I 90 I 100 I 110 120 130
T6 時效 216 210 207 205 200 196 194 193192 192 191190 189 187對比例2將合金Al-10. OZn-1. 9Mg_l. 7Cu_0. 12Zr_0. 06Er的棒材經(jīng)過同樣的方法處理，得到其端淬硬度值如表2所示。水淬端硬度214HV，最遠(yuǎn)端硬度為187HV，硬度下降絕對值為27HV，下降百分比為12. 6%，單端淬透深度約為63mm。表2A1-10. OZn-1. 9Mg_l. 7Cu_0. 12Zr_0. 06Er 的端淬硬度測試結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種超高強(qiáng)高淬透性Al-Zn-Mg-Cu合金，其特征在于，該合金為Al-10. OZn-1. 6Mg-l. 4Cu-0. 12Zr。
全文摘要
一種超高強(qiáng)高淬透性A1-Zn-Mg-Cu合金，屬于金屬合金技術(shù)領(lǐng)域。該合金為Al-10.0Zn-1.6Mg-1.4Cu-0.12Zr。本發(fā)明合金的淬硬度下降3.3％的情況下，淬透深度提升32％，微量合金元素對淬透性的改善作用不明顯，提高鋅鎂比和控制銅含量可以在不顯著提高成本的情況下降低合金的淬火敏感性。
文檔編號C22C21/10GK102703782SQ201210118458
公開日2012年10月3日 申請日期2012年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月20日
發(fā)明者聶祚仁, 肖功杰, 陳子勇 申請人:北京工業(yè)大學(xué)