本發(fā)明涉及一種鋁合金及其制備方法，具體涉及一種耐損傷鋁合金及其制備方法。
背景技術(shù)：
鋁合金是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料，其密度低，比強(qiáng)度高，同時(shí)具備優(yōu)良的導(dǎo)熱性、耐蝕性、焊接及加工等性能，廣發(fā)應(yīng)用于機(jī)械工程、航空航天等領(lǐng)域。
隨著新一代飛機(jī)耐久性/損傷容限設(shè)計(jì)思想的發(fā)展，對(duì)飛機(jī)機(jī)體主要結(jié)構(gòu)的可靠性、使用壽命、安全性以及可維修性等耐損傷性能要求日益提高，迫切需要采用具有高的斷裂韌性、抗疲勞性能和低的疲勞裂紋擴(kuò)展速率的新型耐損傷材料，尤其在機(jī)翼下壁板長(zhǎng)桁、中央翼梁下緣條等部位對(duì)耐損傷鋁合金型材需求迫切，現(xiàn)有材料很難滿足要求，主要原因是提高綜合性能難度很大，如片面追求提高材料強(qiáng)度，其斷裂韌性或抗疲勞性能會(huì)顯著下降。
CN103981410A中披露了一種高耐損傷鋁合金及其制備方法，但所開(kāi)發(fā)的合金及其制備方法僅針對(duì)薄板，不包括型材。
CN103710652A公開(kāi)了一種高耐損傷鋁合金型材的制備方法，添加了Li、Sc等合金化元素，由于Li合金元素極易氧化，需要在真空中進(jìn)行熔煉，需專用設(shè)備，而其，Sc價(jià)格昂貴，顯著增加了制造成本。此外，在實(shí)施例中，所得的鋁合金型材的主要性能近包含拉伸力學(xué)性能，無(wú)耐損傷性能指標(biāo)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種耐損傷鋁合金及其制備方法，通過(guò)調(diào)整主合金元素的含量和添加新的合金元素，獲得了抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力高、力學(xué)性能優(yōu)良的鋁合金，解決現(xiàn)有耐損傷鋁合金型材綜合性能難于提高的問(wèn)題。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
一種耐損傷鋁合金，以質(zhì)量百分比計(jì)包括下述組分：Cu：3.6～4.3％，Mg：1.0～1.6％，Mn：0.3～0.8％，Zr：0.1～0.15％，Er：0.1～0.2％，余量為Al以及微量雜質(zhì)元素，所述雜質(zhì)元素的總含量小于0.1％。
所述的一種耐損傷鋁合金的第一優(yōu)選方案，所述鋁合金以質(zhì)量百分比計(jì)包括下述組分：Cu：3.6％，Mg：1.0％，Mn：0.5％，Zr：0.11％，Er：0.15％，余量為Al以及微量雜質(zhì)元素，所述雜質(zhì)元素的總含量小于0.1％。
所述的一種耐損傷鋁合金的第二優(yōu)選方案，所述鋁合金以質(zhì)量百分比計(jì)包括下述組分：Cu：3.8％，Mg：1.1％，Mn：0.5％，Zr：0.12％，Er：0.15％，余量為Al以及微量雜質(zhì)元素，所述雜質(zhì)元素的總含量小于0.1％。
所述的一種耐損傷鋁合金的第三優(yōu)選方案，所述鋁合金以質(zhì)量百分比計(jì)包括下述組分：Cu：4.0％，Mg：1.1％，Mn：0.5％，Zr：0.13％，Er：0.13％，余量為Al以及微量雜質(zhì)元素，所述雜質(zhì)元素的總含量小于0.1％。
所述的一種耐損傷鋁合金的第四優(yōu)選方案，所述鋁合金以質(zhì)量百分比計(jì)包括下述組分：Cu：4.2％，Mg：1.0％，Mn：0.5％，Zr：0.13％，Er：0.15％，余量為Al以及微量雜質(zhì)元素，所述雜質(zhì)元素的總含量小于0.1％。
一種所述的高耐損傷鋁合金制備方法，方法包括以下步驟：
(1)按設(shè)計(jì)的組分分別配取純鋁、純鎂，Al-Cu中間合金、Al-Mn中間合金、Al-Zr中間合金、Al-Er中間合金，去除表面的雜質(zhì)再烘干，所述純鋁純度≥99.99％，所述純鎂純度≥99.99％：
(2)將金屬鋁升溫至793℃±5℃，當(dāng)爐料開(kāi)始軟化下榻時(shí)加入覆蓋劑形成表面有覆蓋劑的鋁熔體，其加入量為金屬總重量的0.5％～0.6％；
(3)依次加入Al-Zr中間合金，Al-Cu中間合金，Al-Mn中間合金攪拌熔化后，加入Al-Er中間合金，當(dāng)加入的Al-Er中間合金完全熔化后，攪拌均勻靜置10min，冷卻至713±5℃，加入純鎂，熔化后攪拌均勻保溫8min。
(4)加入精煉劑對(duì)鋁合金熔體進(jìn)行精煉處理，并扒出表面浮渣后，即可將熔體輸入到靜置爐，于730℃±5℃，保溫10min，然后通入氬氣，然后按照15-18Kg每噸鋁合金熔體加入除鈉劑，保溫10min，澆注，得到鋁合金鑄坯。
一種耐損傷鋁合金制備方法的第一優(yōu)選方案，所述的覆蓋劑是由以下重量份組分組成：30～35％的Al2O3、5～8％的CaO、32-35％的木炭、10～20％的KCl、5～10％的NaCl，其余為Na3AlF6。
一種耐損傷鋁合金制備方法的第二優(yōu)選方案，所述的精煉劑以下重量份組分組成：氯化鈉5～10％，氯化鉀10～15％，氟化鈣20-～25％，六氯乙烷20～30％，其余為草木灰。
一種耐損傷鋁合金制備方法的第三優(yōu)選方案，所述的除鈉劑由以下重量份組分組成：氯化鉀30-40％，活性炭酸鈣粉15-20％，氯化鎂20～25％，其余為六氯二碳。
一種耐損傷鋁合金制備方法的第四優(yōu)選方案，采用水霧化蒸汽加熱的方式對(duì)得到的鋁合金鑄錠坯料進(jìn)行均勻化處理，溫度為470-480℃，3-5小時(shí)，然后升溫至490～500℃保溫5-8小時(shí)。
一種耐損傷鋁合金制備方法的第五優(yōu)選方案，將均勻化處理的鋁合金圓鑄棒加熱至510～515℃，利用擠壓機(jī)模具擠壓成形，擠壓模具溫度270～280℃，擠壓速度3-6米/分鐘得到的型材快速放入水中進(jìn)行冷卻處理。
一種耐損傷鋁合金制備方法的第六優(yōu)選方案，對(duì)鋁合金型材拉直校形后，進(jìn)行淬火處理，淬火溫度為490～495℃，保溫時(shí)間30-40min，采用水霧淬火；淬火后15min內(nèi)進(jìn)行拉直校形，拉伸變形量為2～3％。
一種耐損傷鋁合金制備方法的第七優(yōu)選方案，將鋁合金型材進(jìn)行人工時(shí)效，所述的人工時(shí)效溫度為50～80℃，時(shí)間為8-16h。
與最接近的現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
1、通過(guò)調(diào)整合金元素Cu含量以及加入Er合金元素，有效抑制了易在晶界生成的粗大的富Cu相，降低了裂紋萌生的可能
2、通過(guò)本發(fā)明制備的耐損傷鋁合金型材可以有效降低材料中的Fe、Si等雜質(zhì)元素，有效抑制的含F(xiàn)e、含Si的第二相粒子的生成，降低了裂紋萌生的可能；
3、通過(guò)采用水霧化蒸汽加熱的方式進(jìn)行均勻化處理，縮短了均勻化時(shí)間，減少了第二相粒子尺寸，對(duì)提高材料斷裂韌性有顯著效果；
4、通過(guò)本發(fā)明制備高耐損傷鋁合金型材，工藝簡(jiǎn)單、成本較低，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)入員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
實(shí)施例1：
(1)合金成分為：Cu：3.6％，Mg：1.0％，Mn：0.5％，Zr：0.11％，Er：0.15％余量為Al以及微量雜質(zhì)元素，所述雜質(zhì)元素的總含量小于0.1％。
(2)按設(shè)計(jì)的組分分別配取純鋁、純鎂，Al-Cu中間合金、Al-Mn中間合金、Al-Zr中間合金、Al-Er中間合金，去除表面的雜質(zhì)再烘干，所述純鋁純度≥99.99％，所述純鎂純度≥99.99％。
(2)將金屬鋁升溫至793℃±5℃，當(dāng)爐料開(kāi)始軟化下榻時(shí)，然后加入覆蓋劑，加入量為金屬總重量的0.55％，形成表面有覆蓋劑的鋁熔體。覆蓋劑是由以下重量份組分組成：33％的Al2O3、7％的CaO、35％的木炭、12％的KCl、8％的NaCl，5％的Na3AlF6。
(3)依次加入Al-Zr中間合金，Al-Cu中間合金、Al-Mn中間合金攪拌熔化后，加入Al-Er中間合金，當(dāng)加入的Al-Er中間合金完全熔化后，攪拌均勻靜置10min，冷卻至713±5℃，加入純鎂，熔化后攪拌均勻保溫8min。
(4)加入精煉劑對(duì)鋁合金熔體進(jìn)行精煉處理，精煉劑由以下重量份組分組成：氯化鈉8％、氯化鉀12％、氟化鈣25％、六氯乙烷30％，25％的草木灰，扒出表面浮渣后，即可將熔體輸入到靜置爐，鋁合金熔體進(jìn)入靜置爐后升溫至730℃±5℃，保溫10min，然后通入氬氣，然后按照16Kg每噸鋁合金熔體加入除鈉劑，除鈉劑由以下重量份組分組成：氯化鉀35％、活性炭酸鈣粉15％、氯化鎂25％，六氯二碳25％，保溫10min，澆注，得到鋁合金鑄坯。
(5)采用水霧化蒸汽加熱的方式對(duì)得到的鋁合金鑄錠坯料進(jìn)行均勻化處理，溫度為475℃，4小時(shí)，然后升溫至495℃保溫7小時(shí)。
(6)將均勻化處理的鋁合金圓鑄棒加熱至512℃，利用擠壓機(jī)模具擠壓成形，擠壓模具溫度275℃，擠壓速度3-6米/分鐘。將擠壓后獲得的型材快速放入水中進(jìn)行冷卻處理。
(7)對(duì)鋁合金型材拉直校形后，進(jìn)行淬火處理，淬火溫度為495℃，保溫時(shí)間35min，采用水霧淬火。淬火后15min內(nèi)進(jìn)行拉直校形，拉伸變形量為2～3％。
(8)將淬火后鋁合金型材進(jìn)行人工時(shí)效，所述的人工時(shí)效溫度為60℃，時(shí)間為10h。
(9)所得高耐損傷鋁合金型材室溫屈服強(qiáng)度為422MPa，抗拉強(qiáng)度為565MPa，延伸率為19.1％，斷裂韌度60.2MPa·m1/2，疲勞裂紋擴(kuò)展速率為1.34×10-3mm/cycle(ΔK＝30MPa·m1/2)。
實(shí)施例2：
(1)合金成分為：Cu：3.8％，Mg：1.1％，Mn：0.5％，Zr：0.12％，Er：0.15％，余量為Al以及微量雜質(zhì)元素，所述雜質(zhì)元素的總含量小于0.1％。
(2)按設(shè)計(jì)的組分分別配取純鋁、純鎂，Al-Cu中間合金、Al-Mn中間合金、Al-Zr中間合金、Al-Er中間合金，去除表面的雜質(zhì)再烘干，所述純鋁純度≥99.99％，所述純鎂純度≥99.99％。
(2)將金屬鋁升溫至793℃±5℃，當(dāng)爐料開(kāi)始軟化下榻時(shí)，然后加入覆蓋劑，加入量為金屬總重量的0.55％，形成表面有覆蓋劑的鋁熔體。覆蓋劑是由以下重量份組分組成：33％的Al2O3、7％的CaO、35％的木炭、12％的KCl、8％的NaCl，5％的Na3AlF6。
(3)依次加入Al-Zr中間合金，Al-Cu中間合金、Al-Mn中間合金攪拌熔化后，加入Al-Er中間合金，當(dāng)加入的Al-Er中間合金完全熔化后，攪拌均勻靜置10min，冷卻至713±5℃，加入純鎂，熔化后攪拌均勻保溫8min。
(4)加入精煉劑對(duì)鋁合金熔體進(jìn)行精煉處理，精煉劑由以下重量份組分組成：氯化鈉8％、氯化鉀12％、氟化鈣25％、六氯乙烷30％，25％的草木灰，扒出表面浮渣后，即可將熔體輸入到靜置爐，鋁合金熔體進(jìn)入靜置爐后升溫至730℃±5℃，保溫10min，然后通入氬氣，然后按照16Kg每噸鋁合金熔體加入除鈉劑，除鈉劑由以下重量份組分組成：氯化鉀35％、活性炭酸鈣粉15％、氯化鎂25％，六氯二碳25％，保溫10min，澆注，得到鋁合金鑄坯。
(5)采用水霧化蒸汽加熱的方式對(duì)得到的鋁合金鑄錠坯料進(jìn)行均勻化處理，溫度為475℃，4小時(shí)，然后升溫至495℃保溫7小時(shí)。
(6)將均勻化處理的鋁合金圓鑄棒加熱至512℃，利用擠壓機(jī)模具擠壓成形，擠壓模具溫度275℃，擠壓速度3-6米/分鐘。將擠壓后獲得的型材快速放入水中進(jìn)行冷卻處理。
(7)對(duì)鋁合金型材拉直校形后，進(jìn)行淬火處理，淬火溫度為495℃，保溫時(shí)間35min，采用水霧淬火。淬火后15min內(nèi)進(jìn)行拉直校形，拉伸變形量為2～3％。
(8)將淬火后鋁合金型材進(jìn)行人工時(shí)效，所述的人工時(shí)效溫度為60℃，時(shí)間為10h。
(9)所得高耐損傷鋁合金型材室溫屈服強(qiáng)度為432MPa，抗拉強(qiáng)度為571MPa，延伸率為17.1％，斷裂韌度58.2MPa·m1/2，疲勞裂紋擴(kuò)展速率為1.28×10-3mm/cycle(ΔK＝30MPa·m1/2)。
實(shí)施例3：
(1)合金成分為：Cu：4.0％，Mg：1.1％，Mn：0.5％，Zr：0.13％，Er：0.13％，余量為Al以及微量雜質(zhì)元素，所述雜質(zhì)元素的總含量小于0.1％。
(2)按設(shè)計(jì)的組分分別配取純鋁、純鎂，Al-Cu中間合金、Al-Mn中間合金、Al-Zr中間合金、Al-Er中間合金，去除表面的雜質(zhì)再烘干，所述純鋁純度≥99.99％，所述純鎂純度≥99.99％。
(2)將金屬鋁升溫至793℃±5℃，當(dāng)爐料開(kāi)始軟化下榻時(shí)，然后加入覆蓋劑，加入量為金屬總重量的0.55％，形成表面有覆蓋劑的鋁熔體。覆蓋劑是由以下重量份組分組成：33％的Al2O3、7％的CaO、35％的木炭、12％的KCl、8％的NaCl、5％的Na3AlF6。
(3)依次加入Al-Zr中間合金，Al-Cu中間合金、Al-Mn中間合金攪拌熔化后，加入Al-Er中間合金，當(dāng)加入的Al-Er中間合金完全熔化后，攪拌均勻靜置10min，冷卻至713±5℃，加入純鎂，熔化后攪拌均勻保溫8min。
(4)加入精煉劑對(duì)鋁合金熔體進(jìn)行精煉處理，精煉劑由以下重量份組分組成：氯化鈉8％、氯化鉀12％、氟化鈣25％、六氯乙烷30％、25％的草木灰，扒出表面浮渣后，即可將熔體輸入到靜置爐，鋁合金熔體進(jìn)入靜置爐后升溫至730℃±5℃，保溫10min，然后通入氬氣，然后按照16Kg每噸鋁合金熔體加入除鈉劑，除鈉劑由以下重量份組分組成：氯化鉀35％、活性炭酸鈣粉15％、氯化鎂25％、六氯二碳25％，保溫10min，澆注，得到鋁合金鑄坯。
(5)采用水霧化蒸汽加熱的方式對(duì)得到的鋁合金鑄錠坯料進(jìn)行均勻化處理，溫度為475℃，4小時(shí)，然后升溫至495℃保溫7小時(shí)。
(6)將均勻化處理的鋁合金圓鑄棒加熱至512℃，利用擠壓機(jī)模具擠壓成形，擠壓模具溫度275℃，擠壓速度3-6米/分鐘。將擠壓后獲得的型材快速放入水中進(jìn)行冷卻處理。
(7)對(duì)鋁合金型材拉直校形后，進(jìn)行淬火處理，淬火溫度為495℃，保溫時(shí)間35min，采用水霧淬火。淬火后15min內(nèi)進(jìn)行拉直校形，拉伸變形量為2～3％。
(8)將淬火后鋁合金型材進(jìn)行人工時(shí)效，所述的入工時(shí)效溫度為60℃，時(shí)間為10h。
(9)所得高耐損傷鋁合金型材室溫屈服強(qiáng)度為428MPa，抗拉強(qiáng)度為565MPa，延伸率為19.5％，斷裂韌度57.4MPa·m1/2，疲勞裂紋擴(kuò)展速率為1.22×10-3mm/cyclc(ΔK＝30MPa·m1/2)。
實(shí)施例4：
(1)合金成分為：Cu：4.2％，Mg：1.0％，Mn：0.5％，Zr：0.13％，Er：0.15％，余量為Al以及微量雜質(zhì)元素，所述雜質(zhì)元素的總含量小于0.1％。
(2)按設(shè)計(jì)的組分分別配取純鋁、純鎂，Al-Cu中間合金、Al-Mn中間合金、Al-Zr中間合金、Al-Er中間合金，去除表面的雜質(zhì)再烘干，所述純鋁純度≥99.99％，所述純鎂純度≥99.99％。
(2)將金屬鋁升溫至793℃±5℃，當(dāng)爐料開(kāi)始軟化下榻時(shí)，然后加入覆蓋劑，加入量為金屬總重量的0.55％，形成表面有覆蓋劑的鋁熔體。覆蓋劑是由以下重量份組分組成：33％的Al2O3、7％的CaO、35％的木炭、12％的KCl、8％的NaCl，5％的Na3AlF6。
(3)依次加入Al-Zr中間合金，Al-Cu中間合金、Al-Mn中間合金攪拌熔化后，加入Al-Er中間合金，當(dāng)加入的Al-Er中間合金完全熔化后，攪拌均勻靜置10min，冷卻至713±5℃，加入純鎂，熔化后攪拌均勻保溫8min。
(4)加入精煉劑對(duì)鋁合金熔體進(jìn)行精煉處理，精煉劑由以下重量份組分組成：氯化鈉8％、氯化鉀12％、氟化鈣25％、六氯乙烷30％、25％的草木灰，扒出表面浮渣后，即可將熔體輸入到靜置爐，鋁合金熔體進(jìn)入靜置爐后升溫至730℃±5℃，保溫10min，然后通入氬氣，然后按照16Kg每噸鋁合金熔體加入除鈉劑，除鈉劑由以下重量份組分組成：氯化鉀35％、活性炭酸鈣粉15％、氯化鎂25％，六氯二碳25％、保溫10min，澆注，得到鋁合金鑄坯。
(5)采用水霧化蒸汽加熱的方式對(duì)得到的鋁合金鑄錠坯料進(jìn)行均勻化處理，溫度為475℃，4小時(shí)，然后升溫至495℃保溫7小時(shí)。
(6)將均勻化處理的鋁合金圓鑄棒加熱至512℃，利用擠壓機(jī)模具擠壓成形，擠壓模具溫度275℃，擠壓速度3-6米/分鐘。將擠壓后獲得的型材快速放入水中進(jìn)行冷卻處理。
(7)對(duì)鋁合金型材拉直校形后，進(jìn)行淬火處理，淬火溫度為495℃，保溫時(shí)間35min，采用水霧淬火。淬火后15min內(nèi)進(jìn)行拉直校形，拉伸變形量為2～3％。
(8)將淬火后鋁合金型材進(jìn)行人工時(shí)效，所述的人工時(shí)效溫度為60℃，時(shí)間為10h。
(9)所得高耐損傷鋁合金型材室溫屈服強(qiáng)度為420MPa，抗拉強(qiáng)度為562MPa，延伸率為18.5％，斷裂韌度58.4MPa·m1/2，疲勞裂紋擴(kuò)展速率為1.05×10-3mm/cycle(ΔK＝30MFa·m1/2)。
各實(shí)施例性能匯總?cè)缦卤恚?/p>
專利文獻(xiàn)公開(kāi)號(hào)為CN103981410A。
以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，參照上述實(shí)施例可以對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換均在申請(qǐng)待批的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。