本發(fā)明涉及一種高比強(qiáng)高比模鋁合金材料、其制備方法及由該材料加工的構(gòu)件，屬于鋁合金材料及其制備加工技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

鋁合金作為僅次于鋼鐵的第二大金屬結(jié)構(gòu)材料，比重僅為鋼的1/3，同時(shí)具有質(zhì)輕、耐磨、耐腐蝕、比強(qiáng)度高，抗沖擊性能好、易表面著色、易加工、制造成本低、綜合性能良好、原材料資源量大、并且80％以上的鋁材可以回收再利用等特點(diǎn)，長(zhǎng)期以來(lái)在結(jié)構(gòu)件制造領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，是各種先進(jìn)裝備發(fā)展中不可缺少的重要支柱材料之一。隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展，特別是在航空航天、交通運(yùn)輸、電子器件等領(lǐng)域，除對(duì)材料的服役性能提出了更為嚴(yán)苛的要求，對(duì)其結(jié)構(gòu)件制造減重的需求也愈加迫切，急需發(fā)展高比強(qiáng)度、高比模量的鋁合金材料，即在繼續(xù)提升鋁合金材料高比強(qiáng)度的同時(shí)進(jìn)一步提高其彈性模量，以最大程度的滿足航空航天、交通運(yùn)輸、電子器件等現(xiàn)代制造業(yè)輕量化的需求。

在所有商用鋁合金材料中，Al-Zn-Mg-Cu系(7xxx系)、Al-Cu系(2xxx系)及部分Al-Mg-Si系(6xxx系)鋁合金等屬高強(qiáng)鋁合金范疇，其中，Al-Zn-Mg-Cu系(7xxx系)鋁合金具有最高的強(qiáng)度級(jí)別，Al-Cu系(2xxx系)鋁合金具有高強(qiáng)度及良好的耐損傷容限性，二者的強(qiáng)度級(jí)別均優(yōu)于Al-Mg-Si系(6xxx系)鋁合金，但Al-Mg-Si系鋁合金具有相對(duì)低的密度、優(yōu)異的耐腐蝕性能、焊接性能、成形性及經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)用范圍更為廣闊，在國(guó)際鋁業(yè)協(xié)會(huì)注冊(cè)的Al-Mg-Si系(6xxx系)鋁合金牌號(hào)目前已有97種之多。現(xiàn)有的7xxx系、2xxx系以及部分6xxx系鋁合金在比強(qiáng)度方面已達(dá)到了較好的水平，但在比彈性模量方面仍未取得明顯提升；在2xxx系等鋁合金中添加一定量的Li元素獲得的鋁鋰合金在彈性模量方面實(shí)現(xiàn)了一定的提升，但因2xxx鋁合金系列本身具有的密度偏高屬性，導(dǎo)致其比模量的提高有限。因此，迫切需要提升或開(kāi)發(fā)現(xiàn)有鋁合金材料在比強(qiáng)度、特別是比模量的性能水平。

近年來(lái)，鋁合金材料工作者對(duì)此雖開(kāi)展了不少探索研究工作，但仍未獲得相應(yīng)的理想材料，難以滿足當(dāng)前及未來(lái)航空航天、交通運(yùn)輸、電子器件等現(xiàn)代 制造業(yè)輕量化發(fā)展對(duì)鋁合金高比強(qiáng)度、高比模量的嚴(yán)苛要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有6xxx系鋁合金材料性能(特別是比模量和比強(qiáng)度)的不足，在現(xiàn)有常規(guī)鋁合金材料的基礎(chǔ)上，通過(guò)成分及制備加工工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為航空航天、交通運(yùn)輸、電子制造等領(lǐng)域提供一種高比強(qiáng)高比模鋁合金材料，作為現(xiàn)代制造業(yè)結(jié)構(gòu)件輕量化的一種理想選材。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種所述高比強(qiáng)高比模鋁合金材料的制備方法。

本發(fā)明的再一個(gè)目的在于提供由所述高比強(qiáng)高比模鋁合金材料加工而成的構(gòu)件。

本發(fā)明通過(guò)大量研究和實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有Al-Mg-Si系(6xxx系)鋁合金中，調(diào)整Mg和Si含量及其配比、以主合金元素的形式添加適量的Li，并輔以適宜的制備加工工藝對(duì)合金沉淀析出行為及多層次組織進(jìn)行精確控制、實(shí)現(xiàn)了多時(shí)效析出序列共同強(qiáng)化，利于合金材料在獲得低密度、高彈性模量的同時(shí)，最大程度地提升其強(qiáng)度水平，可使合金材料在基本保持Al-Mg-Si系鋁合金優(yōu)良綜合性能的同時(shí)，獲得了高的比強(qiáng)度和比模量性能。本發(fā)明還發(fā)現(xiàn)，通過(guò)添加多種合金元素，配合制備加工工藝的優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)合金多相組織的調(diào)控，有利于進(jìn)一步提升合金的比強(qiáng)度性能。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種高比強(qiáng)高比模鋁合金材料，鋁合金的成分組成為：Mg 0.60-1.70wt％，Si 0.85-1.80wt％，Li 0.80-2.40wt％，Mn≤0.50wt％，Cu≤0.50wt％，Zn≤0.50wt％，F(xiàn)e≤0.50wt％，Cr≤0.50wt％，Ti≤0.25wt％，Zr≤0.25wt％，其他元素的含量分別≤0.05wt％，且其他元素的總含量≤0.15wt％，余量為A1。

作為本發(fā)明的第一個(gè)優(yōu)選技術(shù)方案，所述鋁合金的成分組成為：Mg 0.70-1.50wt％，Si 0.85-1.70wt％，Li 0.90-2.20wt％，Mn≤0.50wt％，Cu≤0.50wt％，Zn≤0.50wt％，F(xiàn)e≤0.50wt％，Cr≤0.50wt％，Ti≤0.25wt％，Zr≤0.25wt％，其他元素的含量分別≤0.05wt％，且其他元素的總含量≤0.15wt％，余量為A1。

作為本發(fā)明的第二個(gè)優(yōu)選技術(shù)方案，所述鋁合金的成分組成為：Mg0.80-1.40wt％，Si 0.90-1.50wt％，Li 1.10-1.90wt％，Mn≤0.50wt％，Cu≤0.50wt％，Zn≤0.50wt％，F(xiàn)e≤0.50wt％，Cr≤0.50wt％，Ti≤0.25wt％，Zr≤0.25wt％，其 他元素的含量分別≤0.05wt％，且其他元素的總含量≤0.15wt％，余量為A1。

基于以上技術(shù)方案，優(yōu)選地，所述鋁合金中含有：Fe≤0.25wt％，Cr≤0.25wt％。優(yōu)選地，Mn≤0.25wt％，Ti≤0.10wt％。

優(yōu)選地，所述鋁合金中含有：Zn 0.10-0.25wt％。

優(yōu)選地，所述鋁合金中含有：Zr 0.05-0.15wt％。

一種所述高比強(qiáng)高比模鋁合金材料的制備方法，其制備流程為：合金配制及熔煉→鑄造制備鑄錠→鑄錠的均勻化熱處理→變形加工(擠壓、軋制、鍛造、拉拔)得到變形加工材→固溶處理及預(yù)變形處理→時(shí)效處理→成品，具體包括以下步驟：

(1)按照鋁合金的成分組成制造合金鑄錠；

(2)對(duì)所得合金鑄錠進(jìn)行均勻化熱處理；

(3)對(duì)經(jīng)均勻化熱處理的鑄錠進(jìn)行變形加工，得到所需規(guī)格的合金材料；

(4)對(duì)合金材料進(jìn)行固溶熱處理，并將完成處理的合金材料迅速冷卻到室溫；

(5)對(duì)合金材料進(jìn)行時(shí)效熱處理以獲得良好的性能匹配。

其中，在步驟(1)中，采用真空或氣氛保護(hù)進(jìn)行熔煉，經(jīng)除氣和除夾雜處理，以半連續(xù)鑄造的方式制備得到鑄錠；在熔煉過(guò)程中，以Li為核心來(lái)精確控制元素含量，通過(guò)在線成分檢測(cè)分析，進(jìn)行合金元素含量的快速調(diào)整。

在步驟(2)中，所述均勻化熱處理為：在400-555℃范圍內(nèi)，進(jìn)行總時(shí)間為12-64h的單級(jí)或多級(jí)均勻化熱處理。

在步驟(3)中，所述變形加工包括熱變形和冷變形，采用選自軋制、擠壓、拉拔、鍛造及其組合的方式進(jìn)行，熱變形加工的預(yù)熱溫度為420-490℃。

在步驟(4)中，所述固溶熱處理為：在465-560℃范圍內(nèi)對(duì)制品進(jìn)行總時(shí)間為0.05-8h的單級(jí)或多級(jí)固溶熱處理；使用選自冷卻介質(zhì)噴淋式淬火、強(qiáng)風(fēng)冷卻、浸沒(méi)式淬火及其組合的方式將合金材料迅速冷卻至室溫。

在步驟(5)中，對(duì)合金材料采用自然時(shí)效與人工時(shí)效相結(jié)合的方式進(jìn)行，自然時(shí)效溫度≤60℃，保溫0.1-720h；之后在60-240℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行人工時(shí)效處理，總時(shí)間為0.5-192h。

在步驟(4)和(5)之間，還可以包括以下步驟：對(duì)經(jīng)冷卻的合金制品進(jìn)行變形總量在1.0-6.0％范圍內(nèi)的預(yù)拉伸或預(yù)壓縮冷變形處理，并配合矯直處理， 以有效消減材料中的殘余內(nèi)應(yīng)力和控制材料的尺寸精度，同時(shí)獲得強(qiáng)度性能的提升。

一種由所述鋁合金材料加工而成的構(gòu)件，可以通過(guò)選自機(jī)械加工、化學(xué)加工、激光加工、電火花加工、表面處理及其組合的方式加工。

作為所述構(gòu)件，可以為飛行器部件、車(chē)輛部件、船舶部件或電子產(chǎn)品部件。

本發(fā)明的有益效果在于：

(1)本發(fā)明通過(guò)添加Li、對(duì)Al-Mg-Si系鋁合金進(jìn)行成分優(yōu)化設(shè)計(jì)，并輔以相匹配的制備方法，實(shí)現(xiàn)了多時(shí)效析出序列共同強(qiáng)化，有利于該材料在獲得低密度、高彈性模量的同時(shí)，最大程度地提升了其強(qiáng)度水平，使該材料在基本保持Al-Mg-Si系鋁合金優(yōu)良綜合性能匹配的同時(shí)，獲得了高的比強(qiáng)度和比模量性能，是現(xiàn)代制造業(yè)結(jié)構(gòu)件輕量化的一種理想選材，能較好地滿足對(duì)鋁合金材料高比強(qiáng)度、高比模量提出的苛刻要求。

(2)本發(fā)明在無(wú)需改變鋁加工廠現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備及規(guī)范的情況下進(jìn)一步發(fā)掘出了鋁合金性能潛力，且材料性能優(yōu)越、價(jià)格適中，制備方法實(shí)用可行，易于產(chǎn)業(yè)化推廣，市場(chǎng)前景可觀。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例3中本發(fā)明合金板材的比強(qiáng)度-比模量性能匹配情況與其它幾種參照合金的對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

以下通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述，但發(fā)明的實(shí)施方式不僅限于此。

實(shí)施例1

在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上制備合金，合金的成分組成如表1所示。通過(guò)業(yè)內(nèi)所周知的合金熔煉、除氣、除夾雜、并模擬半連續(xù)鑄造條件制備70×250×360mm的小型方錠，鑄錠的均勻化退火制度選擇為520-535℃/12-24h，在鹽浴槽中進(jìn)行，隨后在空氣中緩冷。經(jīng)剝皮、鋸切后得到50×220×300mm的熱軋坯料，將熱軋坯料在480±10℃下預(yù)熱6h，隨后軋制變形加工為成截面為2.5mm×250mm規(guī)格的薄板。對(duì)這些合金薄板定尺裁剪后，進(jìn)行(470±5℃/0.1h)+(500±5℃/1h)+(535±5℃/0.2h)的固溶熱處理，兩級(jí)間升溫速率不超過(guò)60℃/h；完成固溶處理后立即水淬，并在4h內(nèi)進(jìn)行拉伸和彎矯處理，變形量控制在1.0-2.0％之間；完成拉矯處 理，對(duì)板帶進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)為48h的自然時(shí)效處理，隨后根據(jù)合金成分的不同分別采用適宜的時(shí)效工藝(170±5℃/12-24h)對(duì)合金薄板進(jìn)行時(shí)效處理，緩冷。依照GB/T 228.1-2010、GB/T 22315-2008、GB/T 1423-1996測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，分別對(duì)合金的室溫拉伸性能、彈性模量及材料密度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

表1實(shí)驗(yàn)合金成分

表2合金薄板的性能測(cè)試結(jié)果

從表2中可以看出，本發(fā)明合金1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#的薄板表現(xiàn)出輕質(zhì)、高彈性模量的特點(diǎn)，獲得了高的比強(qiáng)度和比模量，數(shù)值分別達(dá)到120和28.5以上，同時(shí)在相同熱處理?xiàng)l件下，合金的比強(qiáng)度-比模量匹配性明顯優(yōu)于11#、12#、13#、14#、15#、16#、17#合金(其中，11#合金、16#合金、17#合金成分分別與AA6061、AA2197、AA2024的成分相符)，且具有較高的延伸率，這是由于在本發(fā)明合金中通過(guò)成分設(shè)計(jì)并輔以相匹配的制備方法，實(shí)現(xiàn)了多相組織的調(diào)控，使合金在獲得低密度、高彈性模量的同時(shí)顯著提升了其強(qiáng)度水平，本發(fā)明合金材料表現(xiàn)出更為優(yōu)異的高比強(qiáng)高比模性能。

實(shí)施例2

在實(shí)驗(yàn)室制備鋁合金擠壓棒材，實(shí)驗(yàn)合金成分組成如表3所示。通過(guò)業(yè)內(nèi)所周知的合金熔煉、除氣、除夾雜、并模擬半連續(xù)鑄造條件制備Φ200mm的圓型鑄錠，鑄錠在馬弗爐中進(jìn)行(420±10℃/12h)+(500±5℃/8h)+(530±5℃/12h)的均勻化退火處理，風(fēng)冷，經(jīng)剝皮、銑面、鋸切后得到Φ160mm的坯料。將坯料在445±10℃下預(yù)熱4h，隨后在600噸擠壓機(jī)上擠壓成截面為Φ20mm規(guī)格的擠壓棒材。隨后，在鹽浴槽中對(duì)棒材進(jìn)行溫度(550±5℃/0.5h)的單級(jí)固溶熱處理，水淬后立即進(jìn)行拉伸變形與矯直處理，變形量控制在1.25-2.50％以內(nèi)；完成拉矯處理后，完成拉矯處理后，對(duì)合金擠壓棒材進(jìn)行168h的自然時(shí)效處理，隨后在170-180℃范圍內(nèi)采用適宜的時(shí)效工藝對(duì)合金棒材進(jìn)行時(shí)效處理，空冷。依照 GB/T 228.1-2010、GB/T 22315-2008、GB/T 1423-1996測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，分別對(duì)合金的室溫拉伸性能、彈性模量及材料密度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表4所示。

表3實(shí)驗(yàn)合金成分

表4合金擠壓棒材的性能測(cè)試結(jié)果

從表4中可以看出，本發(fā)明的18#合金在具有高比強(qiáng)的同時(shí)，表現(xiàn)出優(yōu)良的高比模性能。

實(shí)施例3

選擇本發(fā)明合金6#和對(duì)比的常用合金11#、16#、17#，利用中試條件制備合金。通過(guò)合金熔煉、精煉、除氣除雜、半連續(xù)鑄造制備160mm厚度規(guī)格的扁錠，經(jīng)525±10℃/18h均勻化熱處理后，剝皮和鋸切后得到120mm厚度規(guī)格的軋制變形坯料，將坯料在480±10℃下預(yù)熱4-8h，初軋溫度為450℃，經(jīng)7-13道次最終獲得約18mm厚度的板材，終軋溫度375℃。隨后，在輥底淬火爐中進(jìn)行溫度(505±5℃/1h)+(540±5℃/0.5h)的雙級(jí)固溶熱處理，噴淋淬火后立即進(jìn)行1.5-2.0％拉伸變形處理，對(duì)板帶進(jìn)行48h的自然時(shí)效處理，隨后在170-180℃范圍內(nèi)采用適宜的時(shí)效工藝對(duì)合金板材進(jìn)行時(shí)效處理，空冷。依照GB/T 228.1-2010、GB/T 22315-2008、GB/T 1423-1996測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，分別對(duì)合金的室溫拉伸性能、彈性模量及材料密度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表5所示。

表5合金板材的性能測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表5所列合金6#(本發(fā)明合金)、合金11#(與AA6061成分相符)、 合金16#(與AA2197成分相符)、合金17#(與AA2024成分相符)的性能測(cè)試結(jié)果，圖1給出了本發(fā)明合金板材的比強(qiáng)度-比模量性能匹配情況與其它3種參照合金的對(duì)比。由圖1可以看出，與經(jīng)相同條件制備的現(xiàn)有典型的AA6061、AA2197、AA2024鋁合金相比，本發(fā)明合金材料顯示出了在高比強(qiáng)度-高比模量性能匹配方面的優(yōu)勢(shì)。