一种铝合金结构材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于金属合金材料及制备技术领域，具体涉及一种低密度高强度的铝合金 结构材料及其制备方法，可适用于制造地面交通工具以及空间飞行器结构制品。
【背景技术】
[0002] 纯铝具有密度小、导热性好、可塑性和抗腐蚀性佳的特点，常用于制成各种型材、 板材，但是纯铝的强度差，不宜作结构材料，因此，人们在纯铝中加入各种不同合金元素，以 强化铝的性能，从而得到了一系列的铝合金。
[0003] 如今，人们通过向铝合金中添加镁、锂、硅等低密度合金元素来改善铝合金材料的 强度与密度特性，取得了很好的效果。但受合金化、制备技术条件的制约，其增益有限。现 有低密度铝合金，如5XXX系、6XXX系Al-Mg、Al-Mg-Si类合金受常规铸造冶金工艺及条件的 制约，镁的加入量最高限于5. 5%~9. 6%，典型合金如5A06、6061密度小于2. 7g/cm3。再高 镁含量尽管密度降低幅度更大，但会产生严重的粗大化合物AlxMgy (如Al3Mg2、Al5Mg8)相， 将导致合金力学性能急剧降低；而8XXX系Al-Li-Cu-Mg类合金受常规铸造冶金制备工艺及 条件的制约，锂的加入量仅限于3%以下，再高锂含量会产生粗大脆性AlLi化合物相以及偏 析严重，将导致塑性、韧性急剧降低，典型合金如8090、8091、CP276等密度小于2. 65g/cm3 ; Al-Li-Mg类典型合金如1420、1421、1423可获得密度小于2. 55g/cm3的技术效果；采用喷射 沉积制备技术，可以获得密度更小的小于2. 50g/cm3的铝锂合金如UL30、UL40等。但上述 各类低密度铝合金都属于中强型铝合金，即合金拉伸强度量级在420MPa~500MPa。为增加 强度，采用热扎+退火处理+大变形冷作硬化+稳定化热处理工艺，结果强度得到进一步 提高，但往往牺牲了材料的塑性，且工序复杂成本也很高,仅适用2~3mm以下厚度的薄板 材，而对于其它复杂结构型材、管材、棒材、锻件以及大厚度板带材是难于大变形冷作硬化 加工，结构材料的强度难于提高，大大局限了高强度铝合金结构产品的开发与应用。
[0004] 7XXX系合金如7A04、7A09以及7055等高强度合金，强度可达到520~680MPa， 但该类合金密度太大约为2. 78~2. 86g/cm3,显然对减重设计不利。中国专利文献 ZL200610069171. 5公布了一种铝硅铜镁变形铝合金及其制备方法，该专利中合金含镁量很 少为0. 3%~0. 6%，硅、铜含量高。显然合金的密度较大，强度也低至379MPa，满足不了减重 设计要求。
[0005] 地面交通工具如汽车、摩托车、赛车以及空间飞行器等上的各类承力结构，如连 杆、摆臂、转向节、仓段、壳体等通常是采用钢及2024、2618铝合金制造，虽然强度高，但是 重量大，如能采用低密度高强度铝合金结构材料制造，替代钢以及2024、2618铝合金，将获 得高经济性、低能耗、轻量化的多重效果。
[0006] 喷射成形技术是一种凝固冷却速度大，一次近净成型大尺寸锭坯的先进制备技 术，可以获得细小均匀的微观组织，并可极大的拓宽合金元素的过饱和固溶度，为开发制备 高镁、硅、锂含量的铝合金结构材料，提供解决制备问题的最佳技术方案。
【发明内容】
[0007] 本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种具有低密度、高强度的铝合金结构 材料，可用于制造地面交通工具以及空间飞行器结构制品。
[0008] 本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种具有低密度、高强度的铝合金结构 材料的制备方法，具有加工工艺简单、流程短的特点，制得的铝合金结构材料可用于制造地 面交通工具以及空间飞行器结构制品。
[0009] 本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种铝合金结构材料，其 特征在于：该铝合金结构材料为Al-Mg-Si-Mn-Ti系合金，原料中各元素的质量百分比为：
[0010]Mg:10. 5%~17. 4%，并含Be:0? 01% ~0.05%，以镁炉料为基准；
[0011]Si:1. 0%~5. 0%;
[0012] Mn:0? 3%~0? 8% ;
[0013]Ti:0? 15%~0? 25%;
[0014]A1及其他不可避免的杂质：余量。
[0015] 本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种铝合金结构材料的制 备方法，其特征在于包括以下步骤：
[0016]1)通过密度与强度预估计算方法设定铝合金结构材料的组分配比，选择纯铝炉 料、含BeO.Olwt%~0. 05wt%的纯镁炉料以及铝硅、铝锰、铝钛中间合金炉料作为原料，按元 素质量百分比：Mg:10. 5%~17. 4%;Si:1. 0%~5. 0%;Mn:0? 3%~0? 8%;Ti:0? 15%~ 0. 25% ;A1及其他不可避免的杂质：余量；进行称量配料；
[0017] 2)熔炼、除气与净化处理：将步骤1)称取的炉料在中频熔炼炉进行合金熔炼， 熔炼时，先加入纯铝炉料以及铝锰、铝硅以及铝钛中间合金炉料，熔化后升温到680°C~ 720°C用钟罩或压瓢将经过预热温度120°C~150°C的含BeO.Olwt%~0. 05wt%的纯镁炉料 压入铝熔体中，镁全部熔化后升温到730°C~750°C，采用氩气精炼，通氩气后，净置15~ 20min，去除铝合金熔体中氧化物和气体，控制铝合金熔体温度达到780°C~820°C进行浇 注；
[0018] 3)喷射沉积：将步骤2)得到的铝合金熔体浇注到漏斗控制导流，进入喷射沉积雾 化器进行雾化沉积，在雾化气体作用下产生高度雾化的高速半固态溅射流，高速溅射沉积 到接收底盘上，通过接收底盘向下的移动速度与雾化器摆角的匹配，制备出不同直径的圆 形锭坯；
[0019] 4)接着进行挤压加工和成品加工；
[0020] 5)最后进行热处理即为成品。
[0021] 作为改进，所述步骤2)中的采用氩气精炼的氩气压力为0? 05~0? 07Pa，通氩气时 间在5~lOmin，通氦气流量在0? 2~0? 3Nm3/min。
[0022] 作为改进，所述步骤2)中的浇注时的金属流量为6~8Kg/Min。
[0023] 作为改进，所述步骤3)中的喷射沉积的工艺参数为：氮气流量：13~23Nm3/Min; 氮气压力：6. 5~8. 5atm;雾化器扫描速度：20. 9~23. 3Hz;接收底盘旋转速度：2. 45~ 3. 16r/s;接收底盘移动速度：0. 57~0. 70mm/s;喷射沉积高度：670~730mm。
[0024] 再改进，所述步骤4)的挤压加工是采用挤压机进行热挤压变形加工，是将圆形锭 坯切割下料成要求的挤压坯，加热到挤压温度，保温一定时间，送入到挤压机中挤压成形管 材、棒材、型材及扁板材成品或半成品，其中挤压工艺为：挤压比9~15;挤压速度1. 2~ 1. 5m/Min;挤压坯加热温度360°C~400°C。
[0025] 作为优选，所述挤压加工中的保温时间为：当挤压坯直径〇彡50mm时，保温时间 t= 1. 5C>min;当挤压述直径彡100mm时，保温时间t= 2C>min;当挤压述直径在 50 ~100mm时，保温时间t= 1. 5C> + 0? 01(C> - 50)C>min。
[0026] 再改进，所述步骤4)的成品加工是在挤压加工后的半成品、成品上切割、加工获 得；或者是挤压加工后的半成品、成品上切割下料，再进行热成型加工。
[0027] 进一步改进，所述步骤5)的热处理是在热处理炉中进行的固溶处理及人工时效处 理或自然时效处理，其中固溶处理的温度为400°C~430°C，保温时间0. 5~2. 5h;人工时 效温度95°C~120°C，人工时效时间8~12h;或自然时效时间20~28h。
[0028] 最后，所述密度与强度预估计算方法是密度P简化为
[0029] p =G/1：(Wj/ P i) (1)
[0030] 其中G为成分配方总量，为计算方便以100%计；
[0031]Wi为成分配方中各组元加入重量百分数计；
[0032] P i为成分配方中各组元的密度值。
[0033] 强度Rm简化为：
[0034] R^SSMPa/Q/oXW