专利名称：一种超高强度高韧性铝合金材料及其制备方法
技术领域：
本涉发明及一种铝合金，特别是强度在800MPa以上的高强高韧铝合金材料及其制备方法。
背景技术：
铝合金作为金属材料中最典型的轻质材料，具有比重低、易加工、成本低等优点，一直是一种关键的军民两用材料。
Al-Zn-Mg-Cu(7XXX)系合金是高强高韧铝合金中的典型代表，该合金系列是20世纪60年代国际上以航空航天用材为背景研制并发展起来的一类高强高韧铝合金材料。70年代以来，工业发达国家通过不断优化合金成分设计、改变7000系铝合金中各种微量元素的添加种类及含量、开发合金的新型热处理工艺等，在原始的几种7000系铝合金的基础上，进一步开发出了多种具有更佳使用性能的7000系铝合金，包括7075、7175、7475等，被广泛用于各种飞机的机身、机翼壳、翼梁、机舱壁板、飞机和火箭中高强度结构零件的制造。在开发各种7000系铝合金新产品的过程中，世界各国的科研工作者均发现通过提高7000系铝合金中Zn元素的含量，可有效地改善合金的综合性能，在这种思想指导下，工业发达国家相继开发出了7049、7050、7076、7178等具有较高Zn含量的7000系铝合金，并结合对传统铸造及变形加工、后续热处理工艺的不断优化改进，使7000系铝合金的极限抗拉强度(σb)范围从早期的500～580MPa提高至630～680MPa，同时材料的塑性、断裂韧性和耐腐蚀性能也得到了提高。但由于随着7000系铝合金中的Zn含量增加，材料中的宏观偏析和铸锭过程中的热裂倾向加大，严重影响到铸锭时的成材率和材料的最终使用性能，因此在采用传统铸造及变形加工工艺生产7000系铝合金时，材料中的含Zn量一般不能超过8wt％。到70年代末为止，由于国际上在7000系铝合金的制备、成形与加工技术的研究开发方面没有突破性进展，导致这类合金的极限抗拉强度(σb)很难突破700MPa这一大关。
九十年代初期，随着新一代快速凝固/粉末冶金工艺尤其是喷射成形技术走向大规模实用，使得在生产规模上制备各种实用化的超高强7000系铝合金材料及产品变为了现实。在7000系铝合金方面，以美国、日本、英国、德国、法国、意大利为代表的工业发达国家均在九十年代初采用快速凝固技术开发成功了含Zn量8wt％以上的新一代超高强7000系铝合金产品，并被用于制造各种航空航天器中的结构部件、高速列车挂钩、赛车和其它体育竞技器材中的零部件等，奠定了新一代超高强7000系铝合金在轻质高强材料发展过程中的重要地位。
但是，目前工业发达国家对喷射成形制备超高强7XXX系铝合金材料的全套技术目前仍采取KnowHow的形式予以保护，至今仍未形成任何专利。
发明内容
本发明的目的是提供一种极限抗拉强度在800MPa以上的超高强度高韧性铝合金材料，该新型合金比传统高强高韧铝合金强度提高30％以上。
本发明的另一目的是提供一种适用于制造极限抗拉强度在800MPa以上的超高强度高韧性铝合金材料的制备方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案本发明的极限抗拉强度在800MPa以上的超高强度高韧性铝合金材料按重量百分比计，合金成分为Zn 10～11wt％，Mg 2.7～3.0Wt％，Cu 1.7～2.0％，Zr 0.1～0.2％，Ni 0.1～0.2％，其余为Al。该材料显微组织均匀，晶粒细小，无明显的微观和宏观偏析现象发生。通过适当热处理，材料的主要力学性能达到σb＝800～820Mpa，σ0.2＝790～805MPa，δ5＝8～11％。
本发明的一种适用于制造极限抗拉强度在800MPa以上的超高强度高韧性铝合金材料的制备方法，该方法包括下述步骤(1)按合金成分，按重量百分比计，该合金成分为 Zn 10～11wt％，Mg 2.7～3.0wt％，Cu 1.7～2.0％，Zr 0.1～0.2％，Ni 0.1～0.2％，其余为Al，进行配料，配制预制合金锭；(2)升温将合金预制锭熔化后，采用惰性气体并通过雾化喷嘴进行雾化，雾化喷嘴以1～5HZ的频率高速扫描，雾化气体为高纯惰性气体，雾化压力为0.5～1.0Mpa；(3)在气雾化的同时，接收系统在变频电机的牵引下高速旋转，并以30～40°的角度和20～40mm/min的速度下拉，制成圆锭；(4)将圆锭扒皮、热挤压或热锻压变形加工，加工成所需的部件；(5)将该部件进行热处理，即得到超高强度高韧性铝合金材料。
本发明所采用的Zn、Al、Cu、Mg、Zr、Ni分别是选取工业纯Zn、工业纯Al、电解Cu、工业纯Mg、Al-Zr中间合金、Al-Ni中间合金。
在本发明的方法的步骤(1)中，所述的配制预制合金锭的过程是在惰性气体保护下升温至850～900℃将原料熔化，待混合均匀后浇铸成预制合金锭。
在本发明的方法的步骤(2)中，所述的将合金预制锭熔化过程是将预制合金锭装入非真空喷射成形设备，在覆盖剂保护下感应加热至800～850℃将合金锭熔化，保温10～20min使合金熔体均匀化，并加除渣剂和精炼剂进行除气除渣精炼。所使用的覆盖剂是常规的覆盖剂。所使用的非真空喷射成形设备是开放式的，即感应加热熔炉、感应加热或电阻加热的中间包等设备不用密闭，是开放式的，不需要真空系统。
在本发明的方法的步骤(2)中，所述的进行雾化的过程是采用非限制式气流雾化喷嘴进行雾化。
在本发明的方法的步骤(2)中，所述的高纯惰性气体为氩气或氮气。
在本发明的方法的步骤(3)中，所述的制成圆锭的过程是通过控制雾化喷嘴的扫描、接收系统的形状和运动方式进行的，可以制备出具有典型快速凝固组织的圆锭(Φ200～300×300～1000mm)。
在本发明的方法的步骤(4)中，所述的将圆锭扒皮的过程是采用扒皮机加工扒皮，可以制备成一定规格的棒坯。并在360～420℃下保温2小时，再进行所述热挤压或热锻压成型的过程。
在本发明的方法的步骤(5)中，所述的将部件进行热处理的过程是进行双级固溶处理，使一次和二次析出相充分回溶，再进行T6峰时效处理。
该发明的关键在于合金成分设计，要求各元素含量准确，合金化程度高，主合金元素含量高，强调微合金化元素辅助强化，实现多强化相耦合强化。
该发明的另一关键因素是这种新型合金条件下的喷射成形制备技术，主要技术细节包括以下内容为保证合金成分准确，选用尽可能低的熔炼温度，同时在熔炼过程中加覆盖剂保护，浇注之前除气除渣。
在喷射成形过程中选用完全非限制式气雾化喷嘴，在工作过程中导流管与喷嘴之间采用的是分离配合方式，以便实现喷嘴高频扫描。为保证较高的冷却速度，雾化压力选用0.5～1.0MPa。雾化压力小，冷却速度低，材料显微组织粗大，晶界析出物多，雾化压力大，冷却速度高，材料显微组织细小，晶界析出物少，但是材料致密度低，而且实收率低，因此在具体实施过程中选用适中的雾化压力。专利号98201214.4名为“双层非限制式气流雾化喷嘴”专利文献中，记载了有关非限制式气流雾化喷嘴的技术内容，非限制式雾化喷嘴中的导流管和气流雾化喷嘴是采取分离配合方式。非限制式雾化喷嘴在应用时与喷射摆动机构安装在一起。喷射摆动机构是由喷嘴摆动凸轮、喷嘴摆动顶杆、转动轴构成，工作时，驱动机构带动喷嘴摆动凸轮，喷嘴摆动凸轮与喷嘴摆动顶杆配合通过转动轴带动非限制式雾化喷嘴中的气流雾化喷嘴按预先设定的摆动角度及摆动频率进行扫描摆动，形成雾化锥，使金属沉积成型。该非限制式气流雾化喷嘴是一种公知设备。该专利在上述非限制式气流雾化喷嘴的基础上又增加了辅助气流喷嘴形成双层非限制式气流雾化喷嘴。该双层非限制式气流雾化喷嘴的主要优点是消除了金属沉积成型过程中的反溅现象，延长气流雾化喷的使用寿命。在喷射成形过程中选用的非限制式气雾化喷嘴，可以是上述公知的非限制式气流雾化喷嘴，也可以是上述的双层非限制式气流雾化喷嘴。
为保证制备过程的连续进行，本发明研究了一种高纯度的SiN陶瓷导流管材料，该材料可耐1000℃以上的高温，并具有良好的抗冲刷能力和抗热振性能。
接收装置由接收盘、支撑轴、旋转牵引电机、升降牵引电机、传动机构、动密封系统组成，接收盘在旋转牵引电机和升降牵引电机的牵引下可实现高速旋转(0～120rpm)和无级变速下降(0～30mm/s)。在制备过程中，金属熔体流被高速飞行的雾化气体破碎成大量的细小的液滴，在重力和雾化气体的作用下被加速向前飞行，当雾化液滴发生凝固但还没完全凝固之前沉积到接收盘上，通过控制接收盘的旋转速度和下降速度，可以得到一定直径的圆锭。
在本发明的方法的步骤(4)中，所述的所述热挤压的过程，其挤压温度为360℃～420℃，要保温1.5h，挤压速度为1～5m/min，挤压比最高可达40∶1。
在本发明的方法的步骤(5)中，所述的将部件进行热处理包括固溶处理和时效处理工艺，固溶处理的主要目的是使喷射成形制备和热变形加工过程析出的一次和二次析出相充分回溶。
本发明中固溶处理可以是单级固溶，固溶温度为485～490℃/3h，也可以是双级固溶，固溶温度为435～440℃/5h+485～490℃/1h。时效温度可采用单级时效120℃/24h，也可采用双级时效120℃/24h+180℃/60min。经过时效处理后材料的极限抗拉强度可以达到800MPa以上。
本发明的优点是(1)材料合金成分准确，显微组织均匀细小，无明显缺陷和宏观偏析；(2)该材料具有良好的热变形加工能力；(3)该材料经过适当的热处理，材料的极限抗拉强度可达到800MPa以上，同时保持较高的塑性，是一种高性能的结构材料。
图1为本发明的非真空喷射成形设备结构示意2为本发明的接收装置结构示意3为本发明的合金块体材料微观组织照片图4为本发明所制备的圆锭照片具体实施方式
本发明可以采取下述的非真空喷射成形设备配合本发明的方法进行制备合金粉末。如图1所示，该非真空喷射成形设备是采用接收罐体2，接收罐体2的顶部外从上到下依次设有感应加热熔炉(未图式)、感应加热或电阻加热的中间包4。感应加热中间包4的进口上对感应加热熔炼炉的出口，而感应加热或电阻加热的中间包4的出口接导流管5，导流管5与水平面的垂线成30～40°角度，导流管5的出口通入接收罐体2内。在导流管5管壁的四周设有感应加热系统(未图式)，并在导流管5的出口处设有非限制式气流雾化喷嘴7，导流管5的出口段位于非限制式气流雾化喷嘴的中间，且导流管5与非限制式气流雾化喷嘴7之间采用的是分离配合方式。由于合金雾化温度很高，因此在气雾化过程中选用完全非限制式气雾化喷嘴，在工作过程中导流管与喷嘴之间采用的是分离配合方式。采用这种喷嘴进行气雾化合金粉末的制备，避免了高熔点合金雾化给限制式喷嘴使用时所带来的种种问题。由于在雾化时，雾化气体要从雾化喷嘴不断地流入(流量由喷嘴参数和雾化压力所决定)因此在接收罐体2的底部设有排风系统的接口，使雾化气体排出接收罐体2，并且要求排风系统气流量大于雾化气体流量。
在接收罐体2中安装制备圆锭的接收装置，该接收装置为公知设备。如图3所示，接收装置包括两部分，即旋转部21和升降部22，旋转部21是在接收座23上设有旋转牵引电机24、该旋转牵引电机24通过传动机构与支撑轴26动力连接，该支撑轴26上设有接收盘27；升降部22是在机座上设有升降牵引电机28，该升降电机通过传动机构29与丝杠30动力连接，并在机座上设有与丝杠30平行的光杠31，接收座23固接行程件32，行程件32上设有螺母和套管头，螺母与丝杠30螺接，套管头与光杠31套接，在制备过程中，启动旋转牵引电机24，高速旋转接收盘23，并启动升降牵引电机28，使丝杠30转动，螺母也随之移动，并以光杠31为轨道在光杠31上滑动，以一定的角度和速度下拉接收盘27，使雾化液滴直接沉积到接收盘27上，得到一定直径的圆锭。
上述制备装置是为了配合本发明的工艺方法，但完成本发明的方法并不局限于该制备装置，也可以采用其它方式的制备装置进行本发明的工艺方法。
实施例1配制合金预制锭以后，装入熔炼炉，升温至850℃，保温10min，除渣除气，进行喷射成形制备，采用高纯氩气进行，雾化压力1.0Mpa。如图2所示，开启旋转电机24、升降电机28，以转速为60～120rpm，高速旋转接收盘，导流管5与水平面的垂线成35°角度，下拉的速度为20～30mm/min，下拉接收盘27，使雾化液滴直接沉积到接收盘27上。一次性连续雾化150公斤新型合金，合金成分为Zn 10wtt％，Mg 2.7wt％，Cu 1.7％，Zr 0.1％，Ni 0.1％，其余为Al，制备出重100Kg的新型高强高韧铝合金圆锭，所制备的圆锭照片如图4所示。将该沉积坯件加工成一定规格的棒坯，在420℃保温2h，以25∶1的挤压比进行热挤压加工，挤压出φ40mm的圆棒，435～440℃/5h+485～490℃/1h固溶处理，时效制度可采用单级时效120℃/24h，极限抗拉强度为810MPa，同时延伸率为10％。如图3所示，该材料显微组织细小，无明显缺陷和宏观偏析。
实施例2配制合金预制锭以后，装入熔炼炉，升温至800℃，保温10min，除渣除气，进行喷射成形制备，采用高纯氩气进行，雾化压力0.8MPa，一次性连续雾化100公斤新型合金，合金成分为Zn 11wt％，Mg 3.0wt％，Cu2.0％，Zr 0.2％，Ni 0.2％，其余为Al，制备出重70Kg的新型高强高韧铝合金圆锭，将该沉积坯件加工成一定规格的棒坯，在360℃保温2h，以39∶1的挤压比进行热挤压加工，挤压出Φ25mm的圆棒，435～440℃/5h+485～490℃/1h固溶处理，时效制度可采用单级时效120℃/24h，极限抗拉强度为820MPa，同时延伸率为8％。
权利要求
1.一种超高强度高韧性铝合金材料，其特征在于按重量百分比计，该合金成分为Zn 10～11wt％，Mg 2.7～3.0wt％，Cu 1.7～2.0％，Zr 0.1～0.2％，Ni 0.1～0.2％，其余为Al。
2.一种制备超高强度高韧性铝合金材料的方法，其特征在于该方法包括下述步骤(1)按合金成分，按重量百分比计，该合金成分为Zn 10～11wt％，Mg 2.7～3.0wt％，Cu1.7～2.0％，Zr 0.1～0.2％，Ni 0.1～0.2％，其余为Al，进行配料，配制预制合金锭；(2)升温将合金预制锭熔化后，采用惰性气体并通过雾化喷嘴进行雾化，雾化喷嘴以1～5HZ的频率高速扫描，雾化气体为高纯惰性气体，雾化压力为0.5～1.0Mpa；(3)在气雾化的同时，接收装置在变频电机的牵引下高速旋转，并以30～40°的角度和20～40mm/min的速度下拉，制成圆锭；(4)将圆锭扒皮、热挤压或热锻压变形加工，加工成所需的部件；(5)将该部件进行热处理，即得到超高强度高韧性铝合金材料。
3.根据权利要求2所述的制备超高强度高韧性铝合金材料的方法，其特征在于所述的高纯惰性气体为氩气或氮气。
4.根据权利要求2或3所述的制备超高强度高韧性铝合金材料的方法，其特征在于在上述步骤(2)中，所述的将合金预制锭熔化过程是在覆盖剂保护下感应加热至800～850℃将合金锭熔化。
5.根据权利要求4所述的制备超高强度高韧性铝合金材料的方法，其特征在于在上述步骤(2)中，所述的将合金预制锭熔化过程是将合金预制锭在感应加热熔炼炉中熔化，感应加热熔炼炉的温度控制为950～1050℃，再经感应加热或电阻加热的中间包加热，感应加热或电阻加热的中间包的温度控制为950～1050℃；所述雾化的过程是将熔化后的熔体通过与非限制式气流雾化喷嘴分离式配合的导流管，导流管为感应加热或电阻加热，导流管的温度控制为950～1050℃。
6.根据权利要求5所述的制备超高强度高韧性铝合金材料的方法，其特征在于所述的步骤(4)中，所述的将圆锭扒皮的过程是采用扒皮机加工扒皮，制备成一定规格的棒坯，并在360～420℃下保温2小时，再进行所述热挤压或热锻压成型的过程。
7.根据权利要求6所述的制备超高强度高韧性铝合金材料的方法，其特征在于所述的步骤(5)中，所述的将部件进行热处理的过程是进行双级固溶处理，使一次和二次析出相充分回溶，再进行T6峰时效处理。
全文摘要
本发明公开了一种超高强度高韧性铝合金材料及其制备方法，按重量百分比计，该合金成分为Zn10－11wt％，Mg2.7－3.0wt％，Cu1.7－2.0％，Zr0.1－0.2％，Ni0.1－0.2％，其余为Al。按合金成分配料，将原料熔化，浇铸成合金预制锭。在800℃将合金预制锭熔化，以惰性气体为雾化气体，进行快速凝固喷射成形制备，雾化压力为0.5－1.0MPa。本发明的高强高韧铝合金材料的合金成分均匀、显微组织均匀、组织细小、无偏析。该材经热挤压或热锻压变形加工，并经合理的热处理后材料的极限抗拉强度可达800MPa以上，同时材料的延伸率保持在8－11％。该材料可应用于航空航天、核工业、交通运输、军工等领域的关键结构部件。
文档编号C22C21/10GK1530455SQ0311960
公开日2004年9月22日 申请日期2003年3月14日 优先权日2003年3月14日
发明者石力开, 熊柏青, 张永安, 张济山, 朱宝宏, 刘红伟 申请人:北京有色金属研究总院