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优异的高强铝合金及其制备方法专利

专利号:201710615086.2

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专利名称:性能优异的高强铝合金及其制备方法

技术领域:高强铝合金

IPC主分类号:C22C21/10

申请号:CN201710615086.2

公开日:2019-02-05

说明书

一种性能优异的高强铝合金及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及金属复合材料制备技术领域,特别涉及一种性能优异的高强铝合金及其制备方法。

背景技术

[0002] Al-Zn-Mg-Cu系高强铝合金由于易成型加工及具有高的比强度、优异的物理和化学性能,而被广泛应用于飞机、舰船舰艇中。但是随着航空、航天、海运的快速发展,人们对Al-Zn-Mg-Cu系高强铝合金提出了更高的要求,因此,获得高比强度、高比刚度、高断裂韧性、低裂纹扩展速率、抗疲劳、耐腐蚀和低成本等优点的Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金已成为世界各国材料开发的热点之一。通过向Al-Zn-Mg-Cu系高强铝合金中加入微量元素能够在一定程度上提高材料的性能,但国内外将稀土Ho与Zr共同添加的研究其性能没有见于报道。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种性能优异的Al-Zn-Mg-Cu-Ho-Zr高强铝合金。
[0004] 本发明的技术方案为:一种性能优异的高强铝合金,所述高强铝合金为Al-Zn-Mg-Cu-Ho-Zr合金,该合金化学成分按重量百分比组成:6%Zn、2.5%Mg、1.6%Cu、0.5%Ho、0.1~0.3%Zr,其余为Al。
[0005] 一种性能优异的高强铝合金的制备方法,包括以下步骤:
[0006] (1)以工业纯铝(99.99%)、纯锌(99.99%)、纯镁(99.99%)、纯铜(99.99%)、Al-10%Ho中间合金和Al-10%Zr中间合金为原料,利用切割机将上述原料分别切成小块,并用砂纸打磨,以去除原料表面的氧化膜、油污等部分杂质,并在150~200℃下预热,去除原料表面的水;
[0007] (2)首先将预热好的工业纯铝块置于石墨粘土坩埚并放入坩埚开式电阻炉内,调节炉温升高至770~780℃,待工业纯铝块熔化后调节炉温至750~760℃时加入纯铜块,并用搅拌棒进行搅拌,静置15~20min;调节炉温至730℃~740℃时,加入Al-10%Zr中间合金,搅拌并静置10~15min;接着加入Al-10%Ho中间合金搅拌,静置10~15min后开炉扒渣,加入纯锌块静置10~15min;最后加入纯镁块,待纯镁块熔入铝液中后搅拌静置10~15min后开炉扒渣,之后加入精炼剂15g精炼除气,搅拌均匀后静置15~20min,开炉检查液面是否有炉渣等杂质,扒干净液面后,控制炉温在720℃~730℃;
[0008] (3)将经步骤(2)熔炼好的合金液体浇铸于200~220℃预热好的金属磨具中,冷却脱模,制备成Al-Zn-Mg-Cu-Ho-Zr合金铸锭;
[0009] (4)将Al-Zn-Mg-Cu-Ho-Zr合金铸锭放入在箱式电阻炉中,先进行均匀化退火处理和后进行固溶处理,制得Al-Zn-Mg-Cu-Ho-Zr性能优异的高强铝合金。
[0010] 进一步地,每加入一种合金原料进行熔炼时,都在该合金熔液表面均匀撒上15g覆盖剂,所述覆盖剂为NaCl:KCl=1:1。
[0011] 进一步地,所述步骤(2)中的精炼剂为C2Cl6。
[0012] 进一步地,所述步骤(4)中的均匀化处理的温度为460℃,保温时间为24h,炉温的误差控制在±2℃,待保温结束后炉温降低至300℃时出炉空冷;所述固溶处理的炉温为470℃,保温1h,炉温的误差控制在±2℃,保温时间结束后取出Al-Zn-Mg-Cu-Ho-Zr合金铸锭用室温水淬火,淬火转移时间小于5s。
[0013] 本发明的有益效果是:对Al-Zn-Mg-Cu合金同时添加Ho、Zr后,由于Ho的净化作用与Zr的细化晶粒作用相结合,合金组织获得显著细化,且杂质减少,晶界得到净化;经均匀化退火处理和固溶处理后,有效提高合金的抗拉强度,合金综合力学性能得到显著提高。

附图说明

[0014] 图1为不同含量Ho和Zr的Al-Zn-Mg-Cu合金显微组织图。
[0015] 图2为实施例2中铸态和固溶态的Al-Zn-Mg-Cu-Ho-Zr合金表面形貌图。
[0016] 图3为不同含量Ho和Zr对Al-Zn-Mg-Cu合金抗拉强度的影响。
[0017] 附图标记:A、Al-Zn-Mg-Cu合金,B、Al-Zn-Mg-Cu-0.5%Ho合金,C、Al-Zn-Mg-Cu-0.5%Ho-0.2%Zr、a-铸态、b-固溶态。

具体实施方式

[0018] 实施例1
[0019] 一种性能优异的高强铝合金的制备方法,包括以下步骤:
[0020] 1.以工业纯铝(99.99%)、纯锌(99.99%)、纯镁(99.99%)、纯铜(99.99%)、Al-10%Ho中间合金和Al-10%Zr中间合金为原料,按重量百分比Al-6%Zn-2.5%Mg-1.6%Cu配制,稀土Ho加入含量为0.5%,在0.5%Ho的基础上分别加入0.1%Zr,利用切割机将上述原料分别切成小块,并用砂纸打磨,以去除原料表面的氧化膜、油污等部分杂质,并在150~200℃下预热,去除原料表面的水;
[0021] 2.首先将预热好的工业纯铝块置于石墨粘土坩埚并放入坩埚开式电阻炉内,调节炉温升高至770~780℃,待工业纯铝块熔化后调节炉温至750~760℃时加入纯铜块,并用搅拌棒进行搅拌,静置15~20min;调节炉温至730℃~740℃时,加入Al-10%Zr中间合金,搅拌并静置10~15min;接着加入Al-10%Ho中间合金搅拌,静置10~15min后开炉扒渣,加入纯锌块静置10~15min;最后加入纯镁块,待纯镁块熔入铝液中后搅拌静置10~15min后开炉扒渣,之后加入精炼剂(C2Cl6)15g精炼除气,搅拌均匀后静置15~20min,开炉检查液面是否有炉渣等杂质,扒干净液面后,控制炉温在720℃~730℃;以上每加入一种合金原料进行熔炼时,都在该合金熔液表面均匀撒上15g覆盖剂,所述覆盖剂为NaCl:KCl=1:1;
[0022] 3.将经步骤2熔炼好的合金液体浇铸于200~220℃预热好的金属磨具中,冷却脱模,制备成Al-Zn-Mg-Cu-Ho-Zr合金铸锭;
[0023] 4.将Al-Zn-Mg-Cu-Ho-Zr合金铸锭放入在箱式电阻炉中,先进行均匀化退火处理和后进行固溶处理,制得Al-Zn-Mg-Cu-Ho-Zr性能优异的高强铝合金;其中,均匀化处理的温度为460℃,保温时间为24h,炉温的误差控制在±2℃,待保温结束后炉温降低至300℃时出炉空冷;所述固溶处理的炉温为470℃,保温1h,炉温的误差控制在±2℃,保温时间结束后取出Al-Zn-Mg-Cu-Ho-Zr合金铸锭用室温水淬火,淬火转移时间小于5s。
[0024] 实施例2
[0025] 一种性能优异的高强铝合金的制备方法,包括以下步骤:
[0026] 1.以工业纯铝(99.99%)、纯锌(99.99%)、纯镁(99.99%)、纯铜(99.99%)、Al-10%Ho中间合金和Al-10%Zr中间合金为原料,按重量百分比Al-6%Zn-2.5%Mg-1.6%Cu配制,稀土Ho加入含量为0.5%,在0.5%Ho的基础上分别加入0.2%Zr,利用切割机将上述原料分别切成小块,并用砂纸打磨,以去除原料表面的氧化膜、油污等部分杂质,并在150~200℃下预热,去除原料表面的水;
[0027] 2.首先将预热好的工业纯铝块置于石墨粘土坩埚并放入坩埚开式电阻炉内,调节炉温升高至770~780℃,待工业纯铝块熔化后调节炉温至750~760℃时加入纯铜块,并用搅拌棒进行搅拌,静置15~20min;调节炉温至730℃~740℃时,加入Al-10%Zr中间合金,搅拌并静置10~15min;接着加入Al-10%Ho中间合金搅拌,静置10~15min后开炉扒渣,加入纯锌块静置10~15min;最后加入纯镁块,待纯镁块熔入铝液中后搅拌静置10~15min后开炉扒渣,之后加入精炼剂(C2Cl6)15g精炼除气,搅拌均匀后静置15~20min,开炉检查液面是否有炉渣等杂质,扒干净液面后,控制炉温在720℃~730℃;以上每加入一种合金原料进行熔炼时,都在该合金熔液表面均匀撒上15g覆盖剂,所述覆盖剂为NaCl:KCl=1:1;
[0028] 3.将经步骤2熔炼好的合金液体浇铸于200~220℃预热好的金属磨具中,冷却脱模,制备成Al-Zn-Mg-Cu-Ho-Zr合金铸锭;
[0029] 4.将Al-Zn-Mg-Cu-Ho-Zr合金铸锭放入在箱式电阻炉中,先进行均匀化退火处理和后进行固溶处理,制得Al-Zn-Mg-Cu-Ho-Zr性能优异的高强铝合金;其中,均匀化处理的温度为460℃,保温时间为24h,炉温的误差控制在±2℃,待保温结束后炉温降低至300℃时出炉空冷;所述固溶处理的炉温为470℃,保温1h,炉温的误差控制在±2℃,保温时间结束后取出Al-Zn-Mg-Cu-Ho-Zr合金铸锭用室温水淬火,淬火转移时间小于5s。
[0030] 实施例3
[0031] 一种性能优异的高强铝合金的制备方法,包括以下步骤:
[0032] 1.以工业纯铝(99.99%)、纯锌(99.99%)、纯镁(99.99%)、纯铜(99.99%)、Al-10%Ho中间合金和Al-10%Zr中间合金为原料,按重量百分比Al-6%Zn-2.5%Mg-1.6%Cu配制,稀土Ho加入含量为0.5%,在0.5%Ho的基础上分别加入0.3%Zr,利用切割机将上述原料分别切成小块,并用砂纸打磨,以去除原料表面的氧化膜、油污等部分杂质,并在150~200℃下预热,去除原料表面的水;
[0033] 2.首先将预热好的工业纯铝块置于石墨粘土坩埚并放入坩埚开式电阻炉内,调节炉温升高至770~780℃,待工业纯铝块熔化后调节炉温至750~760℃时加入纯铜块,并用搅拌棒进行搅拌,静置15~20min;调节炉温至730℃~740℃时,加入Al-10%Zr中间合金,搅拌并静置10~15min;接着加入Al-10%Ho中间合金搅拌,静置10~15min后开炉扒渣,加入纯锌块静置10~15min;最后加入纯镁块,待纯镁块熔入铝液中后搅拌静置10~15min后开炉扒渣,之后加入精炼剂(C2Cl6)15g精炼除气,搅拌均匀后静置15~20min,开炉检查液面是否有炉渣等杂质,扒干净液面后,控制炉温在720℃~730℃;以上每加入一种合金原料进行熔炼时,都在该合金熔液表面均匀撒上15g覆盖剂,所述覆盖剂为NaCl:KCl=1:1;
[0034] 3.将经步骤2熔炼好的合金液体浇铸于200~220℃预热好的金属磨具中,冷却脱模,制备成Al-Zn-Mg-Cu-Ho-Zr合金铸锭;
[0035] 4.将Al-Zn-Mg-Cu-Ho-Zr合金铸锭放入在箱式电阻炉中,先进行均匀化退火处理和后进行固溶处理,制得Al-Zn-Mg-Cu-Ho-Zr性能优异的高强铝合金;其中,均匀化处理的温度为460℃,保温时间为24h,炉温的误差控制在±2℃,待保温结束后炉温降低至300℃时出炉空冷;所述固溶处理的炉温为470℃,保温1h,炉温的误差控制在±2℃,保温时间结束后取出Al-Zn-Mg-Cu-Ho-Zr合金铸锭用室温水淬火,淬火转移时间小于5s。
[0036] 为了进一步说明本发明的有益效果,分别制备对照组Al-Zn-Mg-Cu合金和Al-Zn-Mg-Cu-Ho合金;利用金相显微镜观察铸态以及固溶处理后下合金的晶粒大小和形貌,采用型号为Phenom ProX扫描电镜观察组织以及试样断口形貌,采用Instron8801万能材料试验机测定合金的抗拉强度。
[0037] 如图1所示,没有添加稀土Ho和Zr的Al-Zn-Mg-Cu合金组织晶粒大部分为柱状晶粒,而且存在于晶粒和晶界之间的共晶化合物比较粗大。而当添加了0.5%的稀土Ho之后,Al-Zn-Mg-Cu-Ho合金中的晶粒得到了一定的细化,存在于晶界和晶粒之间的共晶化合物细化尤为明显,晶界干净清晰;在加入0.5%稀土Ho的基础上,添加了0.2%Zr元素的Al-Zn-Mg-Cu-Ho-Zr合金(实施例2)组织晶粒更加的细化,且晶粒的形貌更加趋近于球形。
[0038] 如图2所示,经过固溶处理之后,一部分第二相粒子固溶于基体,另一部分由于加入了稀土Ho和Zr的微合金化作用,与晶界周围的Al、Cu、Zn等结合形成了能溶于基体的相,使得部分集中于晶界的第二相粗大粒子又重新溶入了基体,减少了Al-Zn-Mg-Cu合金的晶界偏析,改善组织,优化性能。
[0039] 如图3所示,对于铸态Al-Zn-Mg-Cu合金,加入稀土Ho之后合金的抗拉强度得到了提升。同时,在稀土Ho含量不变的情况下,随着Zr含量的增加,曲线呈先上升后下降的趋势,在含量为0.2%Zr时,抗拉强度达到最大值(328MPa)。这说明Al-Zn-Mg-Cu合金经过均匀化退火处理和固溶处理后,合金中的溶质元素溶入了基体,同时,部分偏聚的第二相粒子也融入了基体,使基体产生晶格畸变,阻碍了位错运动,从而提高了合金的强度,而Ho与Zr的加入形成的非自发晶核起到了细化晶粒的作用。当Ho含量不变时,随着Zr含量的增加,其细化晶粒和固溶强化的作用得到提高,从而使Al-Zn-Mg-Cu合金的抗拉强度得到较为明显提高。

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Q:办理专利转让的流程及所需资料

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