CN107058827A - 具有优异力学性能的Al‑Zn‑Mg‑Cu‑Sc‑Zr合金板材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有优异力学性能的Al‑Zn‑Mg‑Cu‑Sc‑Zr合金板材及其制备方法。各元素质量百分比含量为2.24%Cu;1.95%Mg;7.82%Zn;0.16%Zr和0.25%Sc。采用铸造工艺，浇注温度为730℃；随后进行温度为470℃的均匀化处理，均匀化处理时间为时间为24小时；然后进行多道次的热轧制变形，变形温度470℃，总变形量为50%‑90%，最后进行固溶和人工时效处理。本发明的Al‑Zn‑Mg‑Cu‑Sc‑Zr合金板材具有强度高、塑性适中、热稳定性强的优点，其屈服强度为550‑590MPa，最大抗拉强度为620‑680MPa，拉伸延伸率为10%‑13%。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有优异力学性能的Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金板材及其制备方法。
背景技术
变形铝合金因其高比强度、高韧性、优异耐腐蚀性能等优异力学或物理性能而被广泛应用于航空、航天、轨道交通、国防等领域。目前，人们已经开发出8大系列千余个牌号的商用铝合金。其中Al-Zn-Mg-Cu（7系）合金，由于其超高的强度已被广泛应用于航天、航空、轨道交通及国防等关键领域。随着社会进步和工业发展，某些特殊领域对结构材料的力学性能及密度提出了越来越高的要求。因此需要进一步提高7系合金强度及韧性，以解决某些关键领域对高性能、低密度结构材料的重大需求。
人们发现微量稀土元素钪（Sc）可以非常有效地细化铝合金的微观组织，优化其力学性能。关于含Sc铝合金的研究与工程应用大多集中在5系合金中。近年来，到目前为止，Sc对含Cu、Zr的超高强7系铝合金微观结构及力学性能影响的研究还未得到研究者的普遍关注。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有优异力学性能的Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金板材及其制备方法。本发明主要是利用7055铝合金（各组分质量百分比含量为：2.24% Cu; 1.95%Mg; 7.82% Zn; 0.16% Zr）、工业纯锌、Al-50Mg中间合金、Al-10Zr中间合金、Al-50Cu中间合金和Al-2Sc中间合金作为原料，借助于熔炼、铸造、热处理、轧制等手段，可得到具有优异力学性能的Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金板材。
本发明的技术方案如下：
一、本发明的Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金板材各元素质量百分比含量为2.24% Cu; 1.95%Mg; 7.82% Zn; 0.16% Zr和0.25% Sc，屈服强度为550-590MPa，最大抗拉强度为620-680MPa，拉伸延伸率为10%-13%。
二、上述Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金板材的制备方法：
（1）原材料：7055铝合金锭（各元素质量百分比含量为：2.24% Cu; 1.95% Mg; 7.82%Zn; 0.16% Zr）、工业纯Zn、Al-50Mg中间合金、Al-10Zr中间合金、Al-50Cu中间合金和Al-2Sc中间合金。
（2）铸造Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金：将1g Al-10Zr、2.5g Al-50Cu和50g Al-2Sc中间合金在电阻炉中进行熔炼，熔炼温度为800℃，坩埚为石墨坩埚，无需气氛保护及真空环境。熔炼30分钟后，将350g 7055铝合金锭沉入熔池，降低炉内温度至750℃，保温60分钟后，将4g工业纯Zn和2g Al-50Mg中间合金沉入熔池，降低炉温至730℃，保温20分钟后进行浇注。铸型为石墨铸型。制备出各元素质量百分比含量为2.24% Cu; 1.95% Mg; 7.82% Zn;0.16% Zr和0.25% Sc的Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金铸锭。
（3）Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金均匀化处理：将步骤（2）所得铸造态Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金在475℃环境下保温24小时后随炉冷却。
（4）Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金轧制变形：将步骤（3）所得均匀化后的Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金进行多道次的轧制变形，变形温度为470℃，总变形量为70%。
（5）Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金固溶时效处理：将步骤（4）所得轧制获得的Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金板材进行固溶处理，固溶温度为470℃，保温2小时后水冷。对固溶后的Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金板材进行120℃或150℃的人工时效处理，处理时间为12-48小时。
本发明与现有市面商用铝合金相比具有如下优点：1）本发明的铝合金强度高，屈服强度为550-590MPa，最大抗拉强度为620-680MPa、2）塑性适中，最大延伸率为10%-13%、3）合金热稳定性高，在150℃环境下可长时间保持较高硬度。
附图说明
图1为本发明实施例1获得的Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金板材的金相图。
具体实施方式
实施例1:
（1）将1g Al-10Zr、2.5g Al-50Cu和50g Al-2Sc中间合金在电阻炉中进行熔炼，熔炼温度为800℃，坩埚为石墨坩埚，无需气氛保护及真空环境，熔炼30分钟后，将350g 7055铝合金（各元素质量百分比含量为2.24% Cu; 1.95% Mg; 7.82% Zn; 0.16% Zr）锭沉入熔池，降低炉内温度至750℃，保温60分钟后，将4g工业纯Zn和2g Al-50Mg中间合金沉入熔池，降低炉温至730℃，保温20分钟后进行浇注，铸型为石墨铸型，制备出各元素质量百分比含量为2.24% Cu; 1.95% Mg; 7.82% Zn; 0.16% Zr和0.25% Sc的Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金铸锭。
（2）将铸造态Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金在475℃环境下保温24小时后随炉冷却。
（3）将均匀化后的Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金进行多道次的轧制变形，变形温度为470℃，总变形量为70%。
（4）将轧制获得的Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金板材进行固溶处理，固溶温度为470℃，保温2小时后水冷，对固溶后的Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金板材进行120℃人工时效处理24小时。
实施例2:
（1）将1g Al-10Zr、2.5g Al-50Cu和50g Al-2Sc中间合金在电阻炉中进行熔炼，熔炼温度为800℃，坩埚为石墨坩埚，无需气氛保护及真空环境。熔炼30分钟后，将350g 7055铝合金（各元素质量百分比含量为2.24% Cu; 1.95% Mg; 7.82% Zn; 0.16% Zr）锭沉入熔池，降低炉内温度至750℃，保温60分钟后，将4g工业纯Zn和2g Al-50Mg中间合金沉入熔池，降低炉温至730℃，保温20分钟后进行浇注。铸型为石墨铸型。制备出各元素质量百分比含量为2.24% Cu; 1.95% Mg; 7.82% Zn; 0.16% Zr和0.25% Sc的Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金铸锭。
（2）将铸造态Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金在475℃环境下保温24小时后随炉冷却。
（3）将均匀化后的Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金进行多道次的轧制变形，变形温度为470℃，总变形量为70%。
（4）将轧制获得的Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金板材进行固溶处理，固溶温度为470℃，保温2小时后水冷。对固溶后的Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金板材进行120℃人工时效处理48小时。
实施例3:
（1）将1g Al-10Zr、2.5g Al-50Cu和50g Al-2Sc中间合金在电阻炉中进行熔炼，熔炼温度为800℃，坩埚为石墨坩埚，无需气氛保护及真空环境。熔炼30分钟后，将350g 7055铝合金（各元素质量百分比含量为2.24% Cu; 1.95% Mg; 7.82% Zn; 0.16% Zr）锭沉入熔池，降低炉内温度至750℃，保温60分钟后，将工业纯4g Zn和2g Al-50Mg中间合金沉入熔池，降低炉温至730℃，保温20分钟后进行浇注。铸型为石墨铸型。制备出各元素质量百分比含量为2.24% Cu; 1.95% Mg; 7.82% Zn; 0.16% Zr和0.25% Sc的Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金铸锭。
（2）将铸造态Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金在475℃环境下保温24小时后随炉冷却。
（3）将均匀化后的Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金进行多道次的轧制变形，变形温度为470℃，总变形量为70%。
（4）将轧制获得的Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金板材进行固溶处理，固溶温度为470℃，保温2小时后水冷。对固溶后的Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金板材进行150℃人工时效处理24小时。
对最终得到的变形铝合金进行力学性能测试。力学性能测试在室温条件下，在万能力学试验机下进行。本发明变形铝合金的屈服强度≥550MPa，最大抗拉强度≥620MPa，抗拉延伸率≥10%。测试的具体数据见表1。
表1: 本发明获得的合金力学性能测试结果
| 编号 | 屈服强度（MPa） | 最大抗拉强度（MPa） | 抗拉延伸率（%） | 来源 |
| 实施例1 | 590 | 680 | 10 | 实测 |
| 实施例2 | 550 | 620 | 13 | 实测 |
| 实施例3 | 580 | 660 | 11 | 实测 |
Claims (2)
1.一种Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金板材，其特征在于Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金板材各元素质量百分比含量为2.24% Cu; 1.95% Mg; 7.82% Zn; 0.16% Zr和0.25% Sc，屈服强度为550-590MPa，最大抗拉强度为620-680MPa，拉伸延伸率为10%-13%。
2.根据权利要求1所述的Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金板材的制备方法，其特征在于具体步骤为：
（1）原材料：7055铝合金锭、工业纯Zn、Al-50Mg中间合金、Al-10Zr中间合金、Al-50Cu中间合金和Al-2Sc中间合金；其中：7055铝合金锭各元素质量百分比含量为：2.24% Cu;1.95% Mg; 7.82% Zn; 0.16% Zr；
（2）将1g Al-10Zr、2.5g Al-50Cu和50g Al-2Sc中间合金在电阻炉中进行熔炼，熔炼温度为800℃，坩埚为石墨坩埚，无需气氛保护及真空环境；熔炼30分钟后，将350g 7055铝合金锭沉入熔池，降低炉内温度至750℃，保温60分钟后，将4g工业纯Zn和2g Al-50Mg中间合金沉入熔池，降低炉温至730℃，保温20分钟后进行浇注；铸型为石墨铸型；制备出各元素质量百分比含量为2.24% Cu; 1.95% Mg; 7.82% Zn; 0.16% Zr和0.25% Sc的Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金铸锭；
（3）将步骤（2）所得铸造态Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金在475℃环境下保温24小时后随炉冷却；
（4）将步骤（3）所得均匀化后的Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金进行多道次的轧制变形，变形温度为470℃，总变形量为70%；
（5）将步骤（4）所得轧制获得的Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金板材进行固溶处理，固溶温度为470℃，保温2小时后水冷；对固溶后的Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金板材进行120℃或150℃的人工时效处理，处理时间为12-48小时。
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