【專(zhuān)利摘要】一種超高強(qiáng)鋁合金材料及其制備方法，其特征在于：具體成分的質(zhì)量百分比為Zn：12％-14％；Mg：2.4％-3.2％；Cu：1.0％-1.5％；Zr：0.2％-0.5％；Mn：0.1％-0.3％；Ni：0.1％-0.6％；余量為Al；制備時(shí)通過(guò)原材料熔煉，坯錠成型，坯錠加工變形，450℃1h+475℃2h固溶處理和在70℃-80℃下經(jīng)過(guò)240h-360h人工干預(yù)自然時(shí)效處理。本發(fā)明采用噴射沉積工藝進(jìn)行制備，合金經(jīng)過(guò)強(qiáng)化固溶處理后，改變了傳統(tǒng)的自然時(shí)效處理，而采用在70℃-80℃下經(jīng)過(guò)240h-360h的時(shí)效處理，這樣不僅縮減了自然時(shí)效時(shí)間，而且提高了合金的力學(xué)性能，同時(shí)使研制的超高強(qiáng)鋁合金組織均勻，細(xì)小，不存在宏觀偏析，其各項(xiàng)性能為抗拉強(qiáng)度在780MPa-820MPa之間，屈服強(qiáng)度在700MPa-740MPa之間，延伸率達(dá)到了9％-13％之間，斷裂韌性在30-35MPa·m1/2之間，其綜合性能達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

　　[0001]本發(fā)明屬于鋁合金【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種采用噴射沉積工藝研制的超高強(qiáng)鋁合金材料及其制備方法。

　　[0002]超高強(qiáng)鋁合金具有密度小，強(qiáng)度高，機(jī)加性能優(yōu)越，比強(qiáng)度高，耐腐蝕性能良好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)和民用工藝，是目前航空航天工業(yè)的主要結(jié)構(gòu)材料之一，同時(shí)在交通運(yùn)輸和其它工業(yè)部門(mén)也得到廣泛應(yīng)用。7000系鋁合金是20世紀(jì)40年代國(guó)際上以航空用材為背景研制并發(fā)展起來(lái)的一類(lèi)高強(qiáng)高韌鋁合金材料，傳統(tǒng)使用的7000系鋁合金材料一般是通過(guò)鑄錠、冷熱變形加工、熱處理等工序獲得最終的各種型材產(chǎn)品，長(zhǎng)期以來(lái)被廣泛用于各種飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼梁、機(jī)艙壁板和火箭中高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)零件等的制造，是世界各國(guó)航空航天工業(yè)中不可缺少的重要材料。目前全世界已開(kāi)發(fā)出了數(shù)十種不同合金成分標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)的7000系鋁合金產(chǎn)品，相應(yīng)的合金熱處理標(biāo)準(zhǔn)工藝更達(dá)數(shù)百種之多。隨著航空航天工業(yè)和民用工業(yè)的發(fā)展，科研人員逐漸認(rèn)識(shí)到高強(qiáng)鋁合金的塑性和斷裂韌性已經(jīng)成為制約該合金進(jìn)一步應(yīng)用的瓶頸。過(guò)去科研人員一味地追求高強(qiáng)度而忽略了塑性和斷裂韌性，隨著斷裂力學(xué)的發(fā)展，以及破損安全設(shè)計(jì)原則在實(shí)際工作中的應(yīng)用，人們對(duì)結(jié)構(gòu)材料特別是高強(qiáng)鋁合金斷裂韌性和塑性的重要性的認(rèn)識(shí)變得更加清楚。目前塑性和斷裂韌性指標(biāo)已和抗拉強(qiáng)度,抗腐蝕,抗疲勞強(qiáng)度并列為鋁合金的4項(xiàng)主要考核指標(biāo)。

　　[0003]然而塑性指標(biāo)往往和強(qiáng)度指標(biāo)是互相矛盾的，在塑性和韌性提高的同時(shí)強(qiáng)度往往會(huì)下降。例如，目前國(guó)際和國(guó)內(nèi)普遍采用雙級(jí)時(shí)效工藝來(lái)提高合金的塑性和斷裂韌性，但是采用該工藝來(lái)提高合金的塑性和斷裂韌性必然伴隨著合金抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的降低，因此尋求一種高強(qiáng)度和高塑性韌性共存的工藝一直是科研人員所努力的方向。

　　[0004]目前唯一能使強(qiáng)度和塑性韌性同時(shí)提高的工藝是細(xì)化晶粒，因此要想提高合金的塑性和韌性就必須使該合金的晶粒細(xì)化。而目前使合金的晶粒細(xì)化的主要工藝就是快速凝固工藝，噴射沉積工藝作為快速凝固工藝的典型代表，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用。在長(zhǎng)期的科研中，科研人員發(fā)現(xiàn)通過(guò)提高7000系鋁合金中Zn元素的含量，可有效改善合金的綜合性能，但是當(dāng)合金中Zn元素的含量超過(guò)8%時(shí)，由于這類(lèi)合金的結(jié)晶范圍寬、析出相與基體之間比重差異大，在采用傳統(tǒng)的工藝生產(chǎn)這類(lèi)高Zn含量的鋁合金時(shí)，容易造成合金中的晶粒粗大，且存在明顯的宏觀偏析，鑄錠內(nèi)部容易產(chǎn)生熱裂現(xiàn)象，因此采用傳統(tǒng)的工藝生產(chǎn)的7000系鋁合金的Zn含量一般不超過(guò)8 %，同時(shí)也使傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的7000系鋁合金的極限抗拉強(qiáng)度很難突破700MPa這一大關(guān)。

　　[0005]噴射沉積技術(shù)的出現(xiàn)，使得各國(guó)工業(yè)界突破傳統(tǒng)8% Zn含量的限制，研制開(kāi)發(fā)新一代7000系超高強(qiáng)鋁合金變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，采用噴射沉積技術(shù)制備含Zn量超過(guò)8%的鋁合金時(shí)，由于合金中的晶粒被顯著細(xì)化，各種宏觀和微觀偏析受到抑制，可有效控制沉積坯件凝固過(guò)程中內(nèi)部產(chǎn)生熱裂的傾向，同時(shí)由于凝固速度加快，使得坯件中各種合金元素的過(guò)飽和度增加，后續(xù)熱處理過(guò)程中各種沉淀相的析出更加充分，有利于材料獲得更加優(yōu)越的力學(xué)性能。

　　[0006]國(guó)內(nèi)從事噴射沉積超合金化7000系鋁合金的研究單位主要有北京有色金屬研究院、北京科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等單位。如北科大研究的噴射沉積7000系鋁合金的成分為Al-8.8% Zn-3.0 % Mg-1.7% Cu-L O % Mn-0.12% Zr，采用峰時(shí)效工藝；中南大學(xué)的噴射沉積7000系鋁合金的成分為Al-8.3% Zn-2.04% Mg-2.3% Cu-0.16% Zr，采用峰時(shí)效工藝即120°C 24h，其抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度和延伸率分別達(dá)到648MPa，630MPa和11.2% ；內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)采用噴射沉積工藝研制的7000系鋁合金的成分為A1-11.3% Zn-2.4%Mg-1.0% Cu-0.3% Zr-0.5% Ni，采用峰時(shí)效工藝即130°C 24h，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率分別為849MPa、796MPa和3.3%。目前在公開(kāi)的報(bào)道中涉及的時(shí)效工藝有峰時(shí)效，雙級(jí)時(shí)效和回歸再時(shí)效，沒(méi)有涉及自然時(shí)效的工藝報(bào)道。

　　[0007]本發(fā)明所要解決的第一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提供一種綜合性能優(yōu)良的超高強(qiáng)鋁合金材料。

　　[0008]本發(fā)明所要解決的第二個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提供一種工藝簡(jiǎn)單、易操作的超高強(qiáng)鋁合金材料的制備方法，采用強(qiáng)化固溶處理結(jié)合人工干預(yù)自然時(shí)效處理，制得的鋁合金不僅具有高強(qiáng)度和高韌性，同時(shí)又大大縮減了自然時(shí)效時(shí)間。

　　[0009]本發(fā)明解決上述第一個(gè)技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為:一種超高強(qiáng)鋁合金材料，其特征在于:該鋁合金材料具體成分的質(zhì)量百分比為Zn:12% -14%；Mg:2.4% -3.2%；Cu:

　　[0010]本發(fā)明解決上述第二個(gè)技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為:一種超高強(qiáng)鋁合金材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟:

　　[0012]2)將上述稱(chēng)好的合金原材料Al、Al-50Cu中間合金、Al-Ni中間合金放入中頻感應(yīng)爐中，通電加入直至坩堝中的金屬溶化，將熔體溫度升至720°C _740°C時(shí)加入Zr顆粒和純Mn片，充分?jǐn)嚢韬髮⑷垠w溫度升至800°C _820°C，斷電后采用石墨壓勺壓入純Zn和純Mg，充分?jǐn)嚢?，將熔體溫度升至720V -750 0C ；

　　[0013]3)采用精煉劑及變質(zhì)劑和C2C16除氣劑對(duì)熔體進(jìn)行變質(zhì)和精煉處理；

　　[0017])將淬火后的鋁合金材料放入爐溫為70°C-80°C的烘箱中，放置240h~360h進(jìn)行人工干預(yù)自然時(shí)效處理。

　　[0018]作為優(yōu)選，所述步驟3)精煉劑及變質(zhì)劑的加入量占熔體質(zhì)量的0.4-0.6%。

　　[0019]作為改進(jìn)，所述步驟3)變質(zhì)和精煉處理后還要對(duì)熔體進(jìn)行扒渣，之后將熔體靜置10min-15min，將熔體溫度升至800°C _830°C以備噴射沉積工藝。

　　[0020]作為改進(jìn)，所述步驟4)噴射沉積的具體工藝為:霧化壓力為0.5-0.7MPa，掃描頻率為23.0~24.0ΗΖ，沉積盤(pán)旋轉(zhuǎn)頻率為3.15-3.20HZ，將熔體沉積成直徑為270-300mm，高度大于300mm的還錠。

　　[0021]作為改進(jìn)，所述步驟5)的擠壓變形的工藝為:將坯錠加熱至380°C _420°C，在3000t反向擠壓機(jī)上進(jìn)行擠壓變形處理，擠壓比為8.5~9.5:1。

　　[0024]自然時(shí)效的特點(diǎn)在于其強(qiáng)度和塑性都保持較高的水平，原因在于采用自然時(shí)效工藝時(shí)，時(shí)效時(shí)間充足時(shí)，在合金的晶粒內(nèi)部析出均勻細(xì)小的G.P區(qū)和MgZn2相，該組織分布對(duì)合金的強(qiáng)度和塑性韌性都有較有利的影響。若采用人工時(shí)效，由于晶粒內(nèi)部的析出向都轉(zhuǎn)變?yōu)镸gZn2’相或MgZn2相，合金的抗拉強(qiáng)度有所提高，但是卻大幅降低了合金的塑性和韌性。為了獲得自然時(shí)效時(shí)合金優(yōu)良的綜合性能同時(shí)又希望大幅縮短自然時(shí)效的時(shí)間特發(fā)明本時(shí)效工藝，稱(chēng)為人工干預(yù)自然時(shí)效。

　　[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:采用噴射沉積工藝進(jìn)行制備，合金元素包括微量元素的總含量超過(guò)16%，合金經(jīng)過(guò)強(qiáng)化固溶處理后，改變了傳統(tǒng)的自然時(shí)效處理，而采用在70°C -80°C下經(jīng)過(guò)240h-360h的時(shí)效處理，這樣不僅大大縮減了自然時(shí)效時(shí)間，而且合金性能更佳；采用噴射沉積工藝不僅增加了鋁合金中合金元素的固溶度，在后續(xù)的時(shí)效時(shí)提高了時(shí)效動(dòng)力，提高了合金的力學(xué)性能，同時(shí)使研制的超高強(qiáng)鋁合金組織均勻，細(xì)小，不存在宏觀偏析。本發(fā)明的超高強(qiáng)鋁合金晶粒尺寸在4-6um之間，合金材料經(jīng)過(guò)人工干預(yù)自然時(shí)效后，其各項(xiàng)性能為抗拉強(qiáng)度在780MPa-820MPa之間，屈服強(qiáng)度在700MPa_740MPa之間，延伸率達(dá)到了 9% -13%之間，斷裂韌性在30-35MPa.m1/2之間，其綜合性能達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，同時(shí)提高了生產(chǎn)效率。

　　[0029]圖4為本發(fā)明實(shí)施例1中噴射沉積超高強(qiáng)鋁合金室溫自然時(shí)效態(tài)360h時(shí)的組織；

　　[0030]圖5為本發(fā)明實(shí)施例1中噴射沉積超高強(qiáng)鋁合金人工干預(yù)自然時(shí)效態(tài)240h時(shí)的組織；

　　[0031]圖6為本發(fā)明實(shí)施例2中噴射沉積超高強(qiáng)鋁合金人工干預(yù)自然時(shí)效態(tài)360h時(shí)的組織。

　　[0034]分別稱(chēng)取84.2kgAl、12kgZn、2.4kgMg、l.0kgCu0.2kgZr、0.lkgMn、0.1kgNi 放入爐中熔煉，其中Cu采用A1-50CU中間合金，Ni采用Al-20Ni中間合金，其余均為純金屬，熔煉過(guò)程為:將上述稱(chēng)好的合金包括Al，A1-50CU中間合金，Al-Ni中間合金放入中頻感應(yīng)爐中，通電加入直至坩堝中的金屬溶化，將熔體溫度升至720°C _740°C時(shí)加入Zr顆粒和純Mn片，充分?jǐn)嚢韬髮⑷垠w溫度升至800°C _820°C，斷電后采用石墨壓勺壓入純Zn和純Mg，充分?jǐn)嚢?，將熔體溫度升至720V _750°C;采用精煉劑及變質(zhì)劑(重量百分比0.5% )和C2Cl6除氣劑對(duì)熔體進(jìn)行變質(zhì)和精煉處理。處理后對(duì)熔體進(jìn)行扒渣，之后將熔體靜置10min-15min，將熔體溫度升至800°C _830°C以備噴射沉積工藝；將熔體傾入噴射沉積設(shè)備中，其中霧化壓力為0.5-0.7MPa，掃描頻率為23.4HZ，沉積盤(pán)旋轉(zhuǎn)頻率為3.15-3.20HZ，將熔體沉積成直徑為270-300mm，高度大于300mm的坯錠；將研制的噴射沉積坯錠車(chē)皮去端面，將坯錠加熱至380°C -420°C，在3000t反向擠壓機(jī)上進(jìn)行擠壓變形處理，擠壓比為9:1 ;在變形棒材切成長(zhǎng)150mm的棒料，車(chē)皮后進(jìn)行固溶處理，固溶處理工藝為:450°C lh+475°C 2h，之后進(jìn)行室溫水淬；將淬火后的鋁合金放入爐溫為70V _80°C的烘箱中，放置時(shí)間為240h，同時(shí)將另一批鋁合金放在室溫進(jìn)行室溫自然時(shí)效處理。將鋁合金料按照國(guó)標(biāo)進(jìn)行拉伸試樣加工，最后進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。

　　[0035]其中圖1為其沉積態(tài)的微觀組織，圖2為噴射沉積超高強(qiáng)鋁合金擠壓態(tài)組織，圖3為噴射沉積超高強(qiáng)鋁合金淬火態(tài)組織，圖4為噴射沉積超高強(qiáng)鋁合金室溫自然時(shí)效態(tài)360h時(shí)的組織，圖5為噴射沉積超高強(qiáng)鋁合金人工干預(yù)自然時(shí)效態(tài)240h時(shí)的組織。

　　[0036]從圖中可以看出，超高強(qiáng)鋁合金的沉積態(tài)組織中存在微孔和氣孔，這是由于噴射沉積工藝固有特性決定的，沉積態(tài)的晶粒尺寸在5-10um之間，組織中存在析出的第二相。從擠壓態(tài)組織中可以看出，坯錠變形后組織成纖維狀，沒(méi)有發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。從淬火態(tài)組織中可以看出，合金經(jīng)過(guò)淬火后，組織中除了粗大的第二相外，其余細(xì)小的析出相都固溶進(jìn)合金基體中，說(shuō)明該固溶工藝滿(mǎn)足熱處理要求。從人工干預(yù)自然時(shí)效240h的合金組織中可以看出，合金組織晶粒內(nèi)析出了及其細(xì)小的聚集相或第二相，該組織稱(chēng)為G.P區(qū)，正是由于該相的存在，合金的強(qiáng)度才得以大幅度的提高。從室溫自然時(shí)效態(tài)的組織中可以看出，雖然室溫自然時(shí)效的時(shí)間長(zhǎng)于人工干預(yù)自然時(shí)效時(shí)間，但是該組織中的G.P區(qū)很少，遠(yuǎn)少于人工干預(yù)自然時(shí)效240h的合金組織。

　　[0037] 對(duì)以上兩種合金材料進(jìn)行力學(xué)性能分析，結(jié)果顯示室溫自然時(shí)效的合金其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率和斷裂韌性分別為745MPa，675MPa，8.5%和28MPa.m1/2，而人工干預(yù)自然時(shí)效合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率和斷裂韌性分別為790MPa，705MPa，9.5%和32MPa.m1/2，因此人工干預(yù)自然時(shí)效的合金性能優(yōu)于室溫自然時(shí)效的合金。

　　[0039]分別稱(chēng)取79.9kgAl、14kgZn、3.2kgMg、l.5kgCu、0.5kgZr、0.3kgMn、0.6kgNi 放入爐中，其中Cu采用A1-50CU中間合金，Ni采用Al-20Ni中間合金，其余均為純金屬。按照實(shí)施例1中的步驟完成原材料熔煉，坯錠成型，坯錠加工變形，鋁合金固溶處理和人工干預(yù)自然時(shí)效處理，其中人工干預(yù)自然時(shí)效處理時(shí)間分別為360h和480h。圖6為噴射沉積超高強(qiáng)鋁合金人工干預(yù)自然時(shí)效態(tài)360h時(shí)的組織。

　　[0040]從圖6中可以看到，人工干預(yù)自然時(shí)效360h的組織中存在大量的GP區(qū)，同時(shí)還出現(xiàn)MgZn2(V)相，該相的出現(xiàn)能使該合金的各項(xiàng)性能達(dá)到峰值。對(duì)以上兩種時(shí)效時(shí)間的合金進(jìn)行力學(xué)性能分析，結(jié)果表明人工干預(yù)自然時(shí)效360h合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率和斷裂韌性分別為820MPa，740MPa，13%和35MPa.m1/2，人工干預(yù)自然時(shí)效480h合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率和斷裂韌性分別為815MPa，720MPa，12.7%和34MPa.m1/2，可以看出，人工干預(yù)自然時(shí)效360h的合金其綜合性能達(dá)到了最佳，繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)效時(shí)間其力學(xué)性能有所下降。

　　2.一種超高強(qiáng)鋁合金材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟: 1)稱(chēng)重量百分比為Zn:12 % -14 % ；Mg:2.4 % -3.2 % ；Cu:1.0 % -1.5 % ；Zr:0.2% -0.5%；Mn:0.1% -0.3%；N1:0.1% _0.6%;余量為Al的材料作為該合金的原材料，其中Cu采用A1-50CU中間合金，Ni采用Al-20Ni中間合金，其余均為純金屬； 2)將上述稱(chēng)好的合金原材料Al、A1-50CU中間合金、Al-Ni中間合金放入中頻感應(yīng)爐中，通電加入直至坩堝中的金屬溶化，將熔體溫度升至720V _740°C時(shí)加入Zr顆粒和純Mn片，充分?jǐn)嚢韬髮⑷垠w溫度升至800°C _820°C，斷電后采用石墨壓勺壓入純Zn和純Mg，充分?jǐn)嚢?，將熔體溫度升至720 V -750 0C ； 3)采用精煉劑及變質(zhì)劑和C2C16除氣劑對(duì)熔體進(jìn)行變質(zhì)和精煉處理； 4)將熔體傾入噴射沉積設(shè)備中噴射沉積成坯錠； 5)將上述噴射沉積后的坯錠車(chē)皮去端面進(jìn)行擠壓變形處理； 6)接著將變形棒材切成長(zhǎng)150mm的棒料，車(chē)皮后進(jìn)行固溶處理，固溶處理工藝為:440~460°C 50~70min+465~485°C 1.5~2.5h，之后進(jìn)行室溫水淬； 7)將淬火后的鋁合金材料放入爐溫為70°C_80°C的烘箱中，放置240h~360h進(jìn)行人工干預(yù)自然時(shí)效處理。

　　3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于:所述步驟3)精煉劑及變質(zhì)劑的加入量占熔體質(zhì)量的0.4-0.6%。

　　4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于:所述步驟3)變質(zhì)和精煉處理后還要對(duì)熔體進(jìn)行扒渣，之后將熔體靜置10min-15min，將熔體溫度升至800°C _830°C以備噴射沉積工藝。

　　5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于:所述步驟4)噴射沉積的具體工藝為:霧化壓力為0.5-0.7MPa，掃描頻率為23.0~24.0ΗΖ，沉積盤(pán)旋轉(zhuǎn)頻率為3.15-3.20HZ,將熔體沉積成直徑為270-300mm，高度大于300mm的坯錠。

　　6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于:所述步驟5)的擠壓變形的工藝為:將坯錠加熱至380°C -420°C，在3000t反向擠壓機(jī)上進(jìn)行擠壓變形處理，擠壓比為8.5~9.5:1。

　　7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于:所述步驟6)的固溶處理工藝為:450 °C lh+475°C 2h

　　8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于:所述步驟7)的人工干預(yù)自然時(shí)效處理時(shí)間為360h。

　　【發(fā)明者】章國(guó)偉, 陳偉, 翟景, 馬力, 陳剛, 辛海鷹, 郭安振 申請(qǐng)人:中國(guó)兵器工業(yè)第五二研究所

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