鋁合金材料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鋁合金材料，該鋁合金材料的主要成分為Zn、Mg、Cu、Sc、Zr、Y和Al。本發(fā)明通過向鋁合金中復(fù)合添加微量的Sc、Zr及Y微合金化元素，有效地改善了鋁合金材料的力學及焊接性能，解決了現(xiàn)存鋁合金材料一味追求高強度使得焊接性能較差或者焊接性能好而強度低造成的零件尺寸較厚以致于無法滿足高載荷和輕質(zhì)化要求的問題。本發(fā)明提供的新型可焊高強高韌鋁合金材料綜合性能好，較好地滿足了現(xiàn)代科技發(fā)展對鋁合金結(jié)構(gòu)件高載荷和輕質(zhì)化的要求。
【專利說明】f呂合金材料
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及合金制備【技術(shù)領(lǐng)域】，具體而言，涉及一種鋁合金材料。
【背景技術(shù)】
[0002]高強鋁合金具有強度高，塑性好，可焊性好以及耐腐蝕性能優(yōu)良等特點，被廣泛應(yīng)用于飛機的各種結(jié)構(gòu)件和其他強度要求高的高應(yīng)力焊接結(jié)構(gòu)件上，是目前許多軍用和民用飛機、交通運輸工具中不可缺少的重要結(jié)構(gòu)材料。隨著航天航空技術(shù)發(fā)展對材料要求的日益提聞，研究人員正著力開發(fā)強度更聞，綜合性能優(yōu)良的聞強度可焊招合金，目如為提聞焊接用的高強鋁合金的綜合性能，主要是在追求材料高強度的同時，降低由于強度提高對抗應(yīng)力腐蝕性能、斷裂韌性和疲勞強度等造成不良影響。
[0003] 隨著各行業(yè)對高強鋁合金的要求日益提高，并提出了高載荷、輕質(zhì)化、高強、高韌、高模量、良好的耐蝕性能及焊接性能等一系列要求，但是目前的研究在一味追求高強度、高韌性鋁合金時卻忽視了提高材料的焊接性能，使得現(xiàn)有的鋁合金材料要么強度高而焊接性能差或者焊接性能好但強度低，導(dǎo)致部分鋁合金結(jié)構(gòu)零件的尺寸選擇上偏向于尺寸較厚且焊接性能較好的材料。零件尺寸較厚主要由兩個方面原因:一方面由于強度低而達不到需要強度，因此借助厚度來解決所需的高載荷問題；另一方面現(xiàn)存的鋁合金大多都是追求高強度高韌性，而很少有在強度基礎(chǔ)上重視焊接性能的，因此在高強度鋁合金焊接方面的不足，使得鋁合金的結(jié)構(gòu)件在選擇上會偏向強度低而有較好的焊接性能的材料，從而會造成的零件尺寸較厚導(dǎo)致無法滿足鋁合金結(jié)構(gòu)件高載荷和輕質(zhì)化要求。
[0004]因此，目前迫切需要出現(xiàn)一種具有優(yōu)異焊接性能的新型輕質(zhì)高強鋁合金材料進行更新?lián)Q代。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明旨在提供一種鋁合金材料，該鋁合金材料同時兼具較好的力學和焊接性倉泛。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種鋁合金材料，該鋁合金材料的主要成分為Zn、Mg、Cu、Sc、Zr、Y和Al。
[0007]進一步地，按照質(zhì)量百分比計，鋁合金材料中包括:Sc0.1~0.2%，Zr0.1~0.2%和 Y0.15 ~0.25%。
[0008]進一步地，按照質(zhì)量百分比計，招合金材料包括以下組分:Zn7.5~9.0%,Mgl.5~
3.0%, Cul.0 ~2.0% ；Sc0.1 ~0.2%, Zr0.1 ~0.2%, Y0.15 ~0.25%, SiO ~0.05%, FeO ~0.05%，雜質(zhì)< 0.15%，余量為 Al。
[0009]進一步地，按照質(zhì)量百分比計，招合金材料包括以下組分:Zn8.0~9.0%,Mg2.0~
2.8%, Cul.4 ~2.0% ；Sc0.15 ~0.2%, Zr0.15 ~0.2%, Y0.15 ~0.20%, Si0.02 ~0.05%,Fe0.03 ~0.05%，雜質(zhì)< 0.15%，余量為 Al。
[0010]進一步地，按照質(zhì)量百分比計，招合金材料包括以下組分:Zn8.5%, Mg2.6%,Cul.8% ；Sc0.2%, Zr0.18%, Y0.2%, Si0.04%, Fe0.04%，雜質(zhì)≤ 0.15%，余量為 Al。
[0011]進一步地，按照質(zhì)量百分比計，鋁合金材料還包括0.02%的Er和0.01%的Ce。
[0012]進一步地，鋁合金材料的抗拉強度為610~720MPa，屈服強度580~700MPa，延伸率為8.6%~12%，焊接系數(shù)為0.74~0.87。
[0013]應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)方案，通過向鋁合金中復(fù)合添加微量的Sc、Zr及Y微合金化元素，有效地改善了鋁合金材料的力學及焊接性能，解決了現(xiàn)存鋁合金材料一味追求高強度使得焊接性能較差或者焊接性能好而強度低造成的零件尺寸較厚以致于無法滿足高載荷和輕質(zhì)化要求的問題。本發(fā)明提供的新型可焊高強高韌鋁合金材料綜合性能好，較好地滿足了現(xiàn)代科技發(fā)展對鋁合金結(jié)構(gòu)件高載荷和輕質(zhì)化的要求。 【具體實施方式】
[0014]需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將結(jié)合實施例來詳細說明本發(fā)明。
[0015]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的鋁合金材料無法滿足高強度和優(yōu)異焊接性能兼?zhèn)涞膯栴}，本發(fā)明提供了一種鋁合金材料，該鋁合金材料的主要成分為Zn、Mg、Cu、Sc、Zr、Y和Al。
[0016]本申請正是通過向招合金中復(fù)合添加微量的Sc、Zr及Y微合金化元素,有效地改善了鋁合金材料的力學及焊接性能，解決了現(xiàn)存鋁合金材料一味追求高強度使得焊接性能較差或者焊接性能好而強度低造成的零件尺寸較厚以致于無法滿足高載荷和輕質(zhì)化要求的問題。本發(fā)明提供的新型可焊高強高韌鋁合金材料綜合性能好，較好地滿足了現(xiàn)代科技發(fā)展對鋁合金結(jié)構(gòu)件高載荷和輕質(zhì)化的要求。
[0017]具體分析，Sc有強烈的變質(zhì)作用，能細化焊縫熔化區(qū)的晶粒，形成很大的晶格應(yīng)變，有效地阻止位錯的移動和晶粒的長大，抑制再結(jié)晶，進而顯著降低焊接裂紋傾向性。添加Sc元素可減少由于添加Cu元素造成合金焊接過程中的熱裂紋傾向，明顯改善合金的強度和焊接性能。選擇Zr和Sc同時加入到鋁合金內(nèi)，是因為Zr與Sc具有相輔相成的作用，從而使得組織結(jié)構(gòu)更為均勻，進而一定程度上提升其強度及焊接性能。
[0018]具體分析，Zr能較大程度低(高達50%)地溶于Al3Sc相中，并形成Al3 (Scl_xZrx)相，該相因其晶格類型、點陣參數(shù)與Al3Sc相差甚小，因此不僅保持了 Al3Sc的全部優(yōu)異性能，而且在高溫加熱下聚集傾向比Al3Sc相小得多，Al3(Scl-XZrx)相的形成很大程度上保證了強化效果和抑制再結(jié)晶效果。Al3(Scl-XZrx)金屬間化合物即使在450°C高溫退火，仍無明顯長大，且與基體保持共格關(guān)系，克服了一般時效硬化型高溫鋁合金在高溫時共格或半共格相向平衡相轉(zhuǎn)變而失去共格的缺點。因此，加入Sc的同時加入Zr，一方面可提高鋁合金的有益性能，另一方面還可以減少昂貴Sc的加入量。另外Zr還對鋁合金有單獨的作用，微量Zr可提高合金的強度、斷裂韌性和抗應(yīng)力腐蝕性能，由于其淬火敏感性較小，Zr還可以提高合金的淬透性和焊接性。
[0019]Y具有和Sc類似的性能，也對Cu元素造成合金焊接過程中的熱裂紋傾向有改善作用，Y也可以與Zr共同作用以改善鋁合金的抗拉強度、耐熱耐震和抗腐蝕能力，同時又可以提高其導(dǎo)電性能改善焊接性，而不會影響鋁合金材料的導(dǎo)電性能，從而明顯地改善鋁合金的強度和焊接性能，又可以起到一定的凈化去氫的作用，改善鋁合金的組織結(jié)構(gòu)。同時Y與Al、Cu等形成彌散分布的高熔點化合物，也提升了鋁合金材料的熱穩(wěn)定性與耐熱性。[0020]考慮到如果添加的稀土元素含量太低，對于性能的提升并不明顯，隨著含量的提高，其對于材料的綜合性能的改善也逐步加強，但是當稀土元素的添加量達到一定值后，過多添加的Sc、Zr和Y等稀土元素可能會轉(zhuǎn)變成為一些雜質(zhì)物質(zhì)，對晶粒結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響，從而使得材料的綜合性能不升反降。優(yōu)選地，按照質(zhì)量百分比計，鋁合金材料中包括:Sc0.1~0.2%, Zr0.1~0.2%和Y0.15~0.25%。只要鋁合金材料中含有上述含量的Sc、Zr和Y就能夠提升鋁合金材料的綜合性能。
[0021]優(yōu)選地，按照質(zhì)量百分比計，鋁合金材料包括以下組分:Zn7.5~9.0%，Mgl.5~
3.0%, Cul.0 ~2.0% ；Sc0.1 ~0.2%, Zr0.1 ~0.2%, Y0.15 ~0.25%, SiO ~0.05%, FeO ~0.05%，雜質(zhì)< 0.15%，余量為 Al。
[0022]如當添加的Zr元素的質(zhì)量含量低于0.2%時，Zr元素的添加能夠改善材料的強度、斷裂韌性和抗應(yīng)力腐蝕性能，并且隨著Zr含量的升高，其對材料性能的提升也會有所提高，但當Zr含量超過0.2%時，在鑄錠中將形成粗大一次晶金屬化合物(Al3Zr),該化合物對合金的塑性和與此有關(guān)的其他性能具有不利影響，故綜合考慮，本發(fā)明將Zr含量控制在0.2%以下。同時，Zr與Sc的綜合作用也局限了 Zr的加入量，因為Zr與Sc的比例限制在一定的范圍內(nèi)，優(yōu)選為1:1的質(zhì)量比添加量時具有較佳的效果，這樣既不會浪費Zr也不會多添Sc。因此，本發(fā)明經(jīng)過綜合考慮，將微合金化元素Sc、Y和Zr的添加量限定在上述范圍內(nèi)并與其他組分相互配合，有效地改善了力學強度及焊接性能的平衡，解決了現(xiàn)存鋁合金材料因焊接性能差或強度低造成的零件尺寸較厚以致于無法滿足高載荷和輕質(zhì)化要求的問題。
[0023]進一步優(yōu)選地，按照質(zhì)量百分比計，鋁合金材料包括以下組分:Zn8.0~9.0%，Mg2.0 ~2.8%, Cul.4 ~2.0% ；Sc0.15 ~0.2%, Zr0.15 ~0.2%, Y0.15 ~0.20%, Si0.02 ~0.05%,Fe0.03~0.05%，雜質(zhì)< 0.15%，余量為Al。最優(yōu)選地，按照質(zhì)量百分比計，鋁合金材料包括以下組分:Zn8.5%, Mg2.6%, Cul.8% ；Sc0.2%, Zr0.18%, Y0.2%, Si0.04%, Fe0.04%，雜質(zhì)< 0.15%，余量為Al。
[0024]除了上述組分外，按照質(zhì)量百分比計，鋁合金材料還包括0.02%的Er和0.01%的Ce。Er與Ce可以起到凈化熔體的作用，通過Er與Ce的添加能夠減少熔體中的雜質(zhì)含量，同時細化組織結(jié)構(gòu)。同時Er與Sc具有相似的作用，還能夠在一定程度上提高鋁合金材料的力學性能。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供了一種鋁合金部件，該鋁合金部件由上述任一種的鋁合金材料制備而成。采用上述配方制作的鋁合金部件，其顯微組織均勻、性能穩(wěn)定。經(jīng)檢測，本發(fā)明制備的鋁合金材料的抗拉強度為625~704MPa，屈服強度550~688MPa，延伸率為7.5%~13.6%，焊接系數(shù)為0.62~0.85，可見，經(jīng)稀土改性后得到了具有優(yōu)異焊接性能的聞強聞朝招合金材料。
[0026]本發(fā)明制備鋁合金材料的方法為常規(guī)方法，大致步驟包括:備料、配料、熔煉、鑄錠、淬火，之后均勻化熱處理，大變形比熱擠壓/熱軋制，后續(xù)加工處理和固溶時效處理，最后形成不同規(guī)格的稀土改性可焊高強高韌鋁合金材料。
[0027]本發(fā)明通過添加微量的Sc、Zr及Y等微合金化元素，并通過優(yōu)化的強化固溶處理+RRA三級時效處理后， 在一定程度上解決鋁合金強度、耐蝕及焊接性能之間的矛盾關(guān)系，從而有效提高鋁合金的強度、相關(guān)耐蝕性能及焊接性能，使得高強鋁合金的強度得到進一步提高，解決了現(xiàn)有高強鋁合金因焊接性能差或強度低造成零件尺寸較厚，無法滿足高載荷和輕質(zhì)化要求的問題?？捎糜诤娇蘸教臁⒑斯I(yè)、交通運輸、機械電子、兵器等領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)元件。
[0028]下面結(jié)合具體實施例和對比例進一步說明本發(fā)明的有益效果。
[0029]實施例1至6和對比例I和對比例2的原料及組成配比具體見表1，其中Zn、Mg和Cu的純度為99-99.9%，Sc、Zr、Y均采用中間合金的形式加入，Sc采用Al_2%Sc，Zr采用Al-40%Zr, Y采用A1-10%Y。Al為一般工業(yè)用鋁及不可避免的雜質(zhì)。
[0030]按照表1中的原料及配比以及常規(guī)工藝制備出鋁合金錠，經(jīng)過熱擠壓和軋制出樣品尺寸為12.26mmX 4.27mm，厚度為5mm的板材，然后依照GB/T228-2010測試，主要性能指標數(shù)據(jù)見表2。
[0031]表1
[0032]
【權(quán)利要求】
1.一種鋁合金材料，其特征在于，所述鋁合金材料的主要成分為Zn、Mg、Cu、Sc、Zr、Y和Al。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金材料，其特征在于，按照質(zhì)量百分比計，所述鋁合金材料中包括:Sc0.1 ~0.2%, Zr0.1 ~0.2% 和 Y0.15 ~0.25%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金材料，其特征在于，按照質(zhì)量百分比計，所述鋁合金材料包括以下組分:
Zn7.5 ~9.0%, Mgl.5 ~3.0%, Cul.0 ~2.0% ；Sc0.1 ~0.2%, Zr0.1 ~0.2%, Y0.15 ~0.25%, SiO ~0.05%, FeO ~0.05%，雜質(zhì)< 0.15%，余量為 Al。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鋁合金材料，其特征在于，按照質(zhì)量百分比計，所述鋁合金材料包括以下組分:
Zn8.0 ~9.0%,Mg2.0 ~2.8%, Cul.4 ~2.0% ；Sc0.15 ~0.2%, Zr0.15 ~0.2%, Y0.15 ~0.20%, Si0.02 ~0.05%, Fe0.03 ~0.05%，雜質(zhì)≤ 0.15%，余量為 Al。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鋁合金材料，其特征在于，按照質(zhì)量百分比計，所述鋁合金材料包括以下組分:
Zn8.5%, Mg2.6%, Cul.8% ；Sc0.2%, Zr0.18%, Y0.2%, Si0.04%, Fe0.04%,雜質(zhì)≤ 0.15%,余量為Al。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金材料，其特征在于，按照質(zhì)量百分比計，所述鋁合金材料還包括0.02%的Er和0.01%的Ce。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金材料，其特征在于，所述鋁合金材料的抗拉強度為610~720MPa，屈服強度580~700MPa，延伸率為8.6%~12%，焊接系數(shù)為0.74~0.87。
【文檔編號】C22C21/00GK103572106SQ201310594713
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年11月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月22日
【發(fā)明者】朱劍軍, 唐文杰, 王志堅, 劉華, 宋覺敏, 成勇, 龍曾 申請人:湖南稀土金屬材料研究院