一种轻质高强耐蚀铝合金材料及其制备方法与流程

本发明属于铝合金及其制备加工，特别涉及al-mg-zn-si系列铝合金。更具体地，本发明涉及一种轻质高强耐蚀al-mg-zn-si系列铝合金材料及其制备方法。

背景技术：

1、铝合金具有比重轻、比强度高、易加工、成本低等特点，在航空航天、交通运输等领域有着十分广泛的应用。为更好地支撑铝合金结构件的减重设计，需要进一步开发具有低密度、高强度、耐腐蚀、耐损伤特征的新型铝合金。

2、现有的商用变形铝合金主要包括2xxx系（al-cu-mg）、3xxx系（al-mn）、4xxx系（al-si）、5xxx系（al-mg）、6xxx系（al-mg-si）和7xxx系（al-zn-mg-cu）铝合金。其中，5xxx系铝合金（al-mg系铝合金）以mg为主要合金元素，具有中等强度、优良的耐腐蚀性能和焊接性能，是用量仅次于6xxx系的第二大铝合金品种。国内外常用的al-mg系铝合金主要有5052、5056、5083、5182、5a02、5a06等，其mg含量一般在2.5~5.5wt.%之间，在所有商用变形铝合金中mg含量最高、密度最低，且mg含量每增加1wt.%，密度降低近0.4%。

3、mg与al之间的原子半径差为13%，在正常mg含量（2.5~5.5wt.%）范围内，通过mg原子固溶在al基体中造成晶格畸变、实现合金的固溶强化，以及在变形过程中实现合金的加工硬化，是al-mg系铝合金的主要强化机制。当mg含量超出正常范围进一步升高时，合金基体内会产生大量沿晶界析出呈网状分布的β-al3mg2相，其与基体不共格、不能产生弥散强化效果，且β相的自腐蚀电位为-1.085v，较α-al基体的自腐蚀电位-0.812v更负，会先于基体发生腐蚀，造成严重的剥落腐蚀与晶间腐蚀。因此，对于al-mg系铝合金来说，想简单地通过提升mg含量来提高合金强度，一般会造成合金综合性能严重恶化。如果能够在提升al-mg系铝合金中mg含量的同时，通过添加适当的合金元素，使其与过量的mg元素形成沉淀强化相，有效抑制沿晶界析出呈网状分布β相形成，则有可能使al-mg系铝合金在保持低密度特征的同时，使其强度大幅提升、避免耐腐蚀性能严重恶化。

4、为了使 al-mg 系铝合金能够实现时效沉淀强化，现有研究表明，可以通过添加ag和zn两种合金化元素，分别形成 t-mg32(al,ag)49和t-mg32(al,zn)49沉淀强化相。从上世纪六十年代开始，先后有研究发现和证实，在al-mg合金中添加微量ag元素会析出t-mg32(al,ag)49沉淀强化相，t相与α-al基体的取向关系为(010)t∥(112)α和(001)t∥(110)α，晶格参数a=1.41nm。尽管添加ag能有效改善al-mg合金析出强化反应，并通过预处理和时效处理的合理结合可使al-mg-ag合金获得良好的强度和塑性匹配，但由于ag元素价格昂贵，难以大量应用于工业生产。本世纪初开始，有研究发现在常规al-mg 系铝合金中添加zn元素后，可通过强韧化热处理在合金晶内-晶界形成t-mg32(al,zn)49沉淀相，抑制β相的形成，从而可有效提高al-mg 系铝合金的强度、避免其耐腐蚀性能的严重恶化，展现出重要的应用价值。例如：专利文献cn104694800a公开了一种高强、轻质al-mg-zn合金，其基本成分范围为：mg:6.0~10.0wt%，zn: 3.0~5.0 wt%，cu＜2.0 wt%，mn＜1.2 wt%，fe＜0.3 wt%，si＜0.3 wt%，加入cr、ti、zr、sc、hf、la、ce、pr、nd 中的至少一种元素，单种元素加入量小于0.5wt%，该合金t6 状态下抗拉强度超过530mpa。专利文献cn104862551a公开了一种al-mg-cu-zn 系铝合金及铝合金板材制备方法，其基本成分范围为：mg:4.0~6.0wt%、cu:0.30~1.0wt%、zn:1.0~3.5wt%、mn≤0.4wt%、fe≤0.4wt%、si≤0.4wt%、cr≤0.2wt%、ti≤0.1wt%，余量为al 及不可避免的杂质，该合金在aa5182和aa5023合金的基础上提高合金中的cu含量，并同时添加了zn，充分利用al-mg-cu系中s相的过渡相和al-mg-zn系中t相的过渡相的析出强化，可用于汽车内板在180℃/30min烤漆处理过程中实现强度的显著提升。专利文献cn110541096a公开了一种具有高强度的易焊al-mg-zn-cu合金及其制备方法，其基本成分范围为：mg:4.3~7.0wt％、zn: 2.5~5.0 wt％、cu: 0.4~1.2 wt％、mn≤0.3 wt％、cr≤0.1 wt％、ti≤0.2wt％、zr≤0.3 wt％，其余为al和不可避免杂质，其中zn/mg质量比≤1.0，该合金强度与传统7xxx系铝合金基本相当。专利文献cn103866167a公开了一种铝合金及其合金板材、以及合金板材的制备方法，其基本成分范围为：mg: 5.5~6.0 wt％、zn:0.6~1.2wt％、cu:0.1~0.2wt％、mn:0.6~1.0wt％、zr:0.05~0.25wt％、cr≤0.1wt％、ti≤0.15wt％、fe≤0.25wt％、si≤0.2wt％，其余为al，该合金通过添加zn，大大降低了al3mg2在晶界的连续析出的能力，与传统的aa5059-h321 以及aa5059-h131板材相比表现出较高的强度和耐蚀性能。专利文献cn104152759a公开了一种高强度耐腐蚀al-mg合金及其制备工艺，其基本成分范围为：mg: 5.0~6.5 wt％、zn: 1.2~2.5 wt％、mn: 0.4~1.2 wt％、zr:0.05~0.25 wt％、cu≤0.4 wt％、cr≤0.1wt％、ti≤0.15 wt％、fe≤0.4wt％、si≤0.4 wt％，余量为al 及不可避免的杂质，该合金与传统的aa5083、aa5059 等船舶用铝合金相比，在保持一定力学性能及剥落腐蚀性能不变的前提下，显著提高了合金的抗晶间腐蚀性能。专利文献cn114438356a公开了一种高强耐蚀高韧al-mg-zn-ag(-cu)铝合金，其基本成分范围为：mg:4.0~6.5 wt％、zn: 3.0~5.5 wt％、ag: 0.05~0.8 wt％、cu≤1.0 wt％、mn≤0.15 wt％、ti≤0.15 wt％、zr≤0.20 wt％，余量为al及不可避免的杂质，该合金在获得了强度的提升，晶间腐蚀3级。

5、虽然近年来al-mg-zn系列合金的研发工作已经取得了一定的成绩，但是在合金低密度-高强度-耐腐蚀-耐损伤等关键性能的优良匹配方面，仍具有较大的改善空间，例如：绝大部分研究工作仍集中在基于正常（或略高）mg含量范围的al-mg系铝合金中添加zn元素等，导致在合金（强度）性能提高的同时，由于高密度zn元素和其它元素的添加，使al-mg 系铝合金失去了其固有的低密度优势，其比强度性能与传统2xxx系和7xxx系铝合金相比，竞争力优势并不明显；而在一些高mg含量al-mg系铝合金研究工作中，由于合金元素添加种类、添加量等不尽合理，导致合金中仍析出了较高数量的β-al3mg2相、沿晶界呈网状分布，恶化了合金的耐腐蚀性能。

6、因此，有必要进一步研究发展具有低密度-高强度-耐腐蚀-耐损伤等关键性能优良匹配的新型al-mg 系铝合金材料。

技术实现思路

1、本发明通过大量研究和工业实践发现，现有al-mg-zn系列铝合金主要以mg、zn为主要强化组元、以mg32(al,zn)49相为主要强化相，其析出序列和主要强化相类型相对单一，难以获得理想的轻质-高强-耐腐蚀-耐损伤综合性能匹配。如果在现有al-mg-zn系列铝合金中，显著提高mg含量、并以主合金元素形式添加适量si，将会使合金进一步轻质化的同时，新增加一个时效析出序列，能显著增强合金的时效强化响应能力，同时进一步抑制当mg含量大幅度提升后β-al3mg2相的生成，有效避免合金腐蚀性能的恶化；进一步辅助采用zr、mn、sc、cu等元素进行微合金化有利于材料组织的细化、析出相的增强、材料性能的提升。对该合金的成分范围及各元素配比进行精细优化设计，是保证其获得优异性能匹配的重要保障。通过合理的设计，可以使合金在保证质轻的情况下，在时效过程中协同析出mg32(al,zn)49和mg2si结构的沉淀强化相，并减少高mg情况下过多β-al3mg2相的析出，从而使本发明的al-mg-zn-si系列合金获得高强韧性的同时保持较好的耐腐蚀性能。

2、本发明的目的在于克服现有al-mg-zn系列铝合金材料综合性能匹配的不足，在现有合金的基础上，通过成分及制备加工工艺的优化设计，进一步提高其综合性能匹配，为高端制造业提供一种轻质的、兼顾强韧性及耐蚀性的al-mg-zn-si系列铝合金的理想选材。

3、本发明要解决的首要技术问题在于提出一种轻质-高强-耐腐蚀-耐损伤铝合金材料，本发明要解决的第二个技术问题在于提出该铝合金材料的制备方法；本发明要解决的第三个技术问题在于提出该铝合金材料与本身或其它合金焊接在一起，形成新的产品；本发明要解决的第四个技术问题在于提出该铝合金材料通过各种表面处理、冲压成形、机加工方式，被加工为最终构件；本发明要解决的第五个技术问题在于提出所述的最终构件的应用。

4、本发明涉及一种轻质高强耐蚀铝合金材料，所述铝合金含有：mg 6.0~10.0wt％，zn 1.0~3.5wt％，si 0.1~1.3wt％，和总含量不超过0.8wt%的mn、cu、zr、sc、ti元素中的至少一种，余者为al以及不可避免的杂质。

5、本发明的第一优选方案为：所述铝合金含有：mg 6.3~9.9wt％，zn 1.1~2.9wt％，si 0.15~1.0wt％，和总含量不超过0.6wt%的mn、cu、zr、sc、ti元素中的至少一种，余者为al以及不可避免的杂质。

6、作为本发明的第二优选方案，所述铝合金含有：mg 6.6~9.0wt％，zn 1.3~2.9wt％，si 0.15~0.8wt％。

7、作为本发明的第三优选方案，所述铝合金含有：mg 7.1~8.8wt％，zn 1.5~2.8wt％，si 0.25~0.7wt％。

8、作为本发明的第四优选方案，所述铝合金含有：mg 7.3~8.5wt％，zn 1.5~2.7wt％，si 0.4~0.6wt％。

9、作为本发明的第五优选方案，在所述铝合金中，mg、zn、si的含量满足关系式：2.5≤(9×mg)/[(1×si)+(8×zn)]≤6。

10、作为本发明的第六优选方案，所述铝合金含有：mn 0.10~0.50wt％。

11、作为本发明的第七优选方案，所述铝合金含有：cu 0.10~0.50wt％。

12、作为本发明的第八优选方案，所述铝合金含有：ti 0.01~0.15wt％。

13、作为本发明的第九优选方案，所述铝合金含有：zr 0.05~0.25wt％。

14、作为本发明的第十优选方案，所述铝合金含有：sc 0.05~0.30wt％；优选满足：同时含有zr 0.05~0.20wt％；进一步优选sc和zr 的含量和满足：0.15 wt％≤ (sc+zr) wt％≤ 0.35 wt％。

15、作为本发明的第十优选方案，上述铝合金所包含的不可避免的杂质包括在制造合金锭坯过程中作为杂质无意带入的元素，需满足：fe≤0.40wt％，其它杂质元素每种≤0.20wt％，总和≤0.50wt％。优选满足：fe≤0.20wt％，其它杂质元素每种≤0.10wt％，总和≤0.25wt％。进一步优选满足：fe≤0.10wt％。

16、本发明还涉及生产上述铝合金材料的制备方法。所述铝合金变形加工材的过程可描述为“合金配制及熔炼－半连续铸造制备铸锭－铸锭的均匀化热处理－热变形加工－（中间退火）－（冷变形加工）－固溶处理－（预变形或矫直）－时效处理－供货产品”；所述铝合金铸件的基本制备过程可以描述为“合金配制及熔炼－铸件的铸造成型－固溶处理－时效处理－供货产品”。

17、其中，生产该铝合金变形加工材的制备方法，包括以下步骤：

18、（1）制造如本发明所述的半连续铸造铸锭；

19、（2）对所得铸锭进行均匀化热处理和/或预热；

20、（3）通过选自挤压、轧制和锻造中的一种或多种热变形加工方法，将铸锭热变形加工成需要的加工材形式，或热变形加工成预加工材；

21、（4）可选地对预加工材进行再加热处理，经冷变形加工成需要的加工材形式；

22、（5）对所述加工材进行固溶热处理；

23、（6）将经固溶热处理的加工材迅速冷却到室温；和

24、（7）对冷却后的加工材进行自然时效或人工时效处理获得合金时效态加工材。

25、其中，在步骤（1）中，采用熔炼、除气、除夹杂及半连续铸造的方式进行铸锭的制造；在熔炼过程中，以mg、zn为核心来精确控制元素含量，通过在线成分检测分析，快速补充调整合金元素之间的配比，并完成全部的铸锭制造过程。在一个优选方面，熔炼时以al-be中间的形式加入0.0002~0.005wt%的be，以改变氧化膜性质减少氧化烧损和夹杂。在另一个优选方面，其中在步骤（1）中，还包括在结晶器部位或其附近施加电磁场、超声场或机械搅拌。

26、在步骤（2）中，所述均匀化热处理通过选自下组的方式进行：（1）在360~490℃范围内，进行总时间为12~60 h的单级均匀化热处理；和（2）在360~500℃范围内，进行总时间为12~60 h的双级或多级均匀化热处理。

27、在步骤（3）和（4）中，每一次热变形加工前的预热温度、再加热温度为370~460℃，且处理时间为1~8 h；在一个优选方面，冷变形道次间还包括增加350~450℃/0.5~6 h的中间退火处理。

28、在步骤（5）中，所述固溶热处理需根据性能要求进一步调控材料中亚晶尺寸和再结晶组织比例，并通过选自下组的方式进行：（1）在440~500℃范围内，进行总时间为0.5~8h的单级、双级或多级固溶热处理；和（2）在440~500℃范围内，进行总时间为0.5~5 h的连续升温固溶热处理。在一个优选方面，其中采用连续升温固溶热处理，升温速率≤60℃/min。

29、在步骤（6）中，使用选自冷却介质喷淋式淬火、浸没式淬火、强风冷却及其组合的方式将加工材迅速冷却至室温。

30、在步骤（7）中，所述人工时效热处理通过选自下组的方式进行：（1）完成淬火冷却后在室温下进行自然时效，时间≥48 h；（2）完成淬火冷却后2 h内，在70~240℃范围内进行人工时效处理，总时间为6~60 h；和（3）完成淬火冷却后，采用自然时效和人工时效相结合的方式进行，人工时效温度70~240℃，时间6~60 h。

31、在步骤（6）和（7）之间，还可包括以下步骤：对经冷却的加工材进行矫直处理和/或预变形处理，使用辊式矫直、拉伸矫直、拉伸弯曲矫直及其组合的方式进行矫直处理以提高加工材平直度，使用拉伸、压缩及其组合的方式进行预变形以消减淬火冷却形成的残余应力，便于后续加工和应用。

32、通过本发明涉及的制备方法，所述的加工材为线材、棒材、管材、薄板、厚板、或锻件产品。

33、其中，本发明的轻质高强耐蚀铝合金材料的密度≤2.68g/cm3，抗拉强度≥400mpa，剥落腐蚀性能不低于ea级。优选所述铝合金材料的密度≤2.66g/cm3，抗拉强度≥410mpa，剥落腐蚀性能不低于ea级。进一步优选所述铝合金材料的密度≤2.64g/cm3，抗拉强度≥420mpa，剥落腐蚀性能不低于pc级。

34、本发明还涉及生产该铝合金铸件的制备方法，包括以下步骤：

35、（1）采用熔炼、除气、除夹杂及砂型模、或金属型模浇铸、或压铸方式制备铝合金铸件；在熔炼过程中，以mg、zn为核心来精确控制元素含量，通过在线成分检测分析，快速补充调整合金元素之间的配比，并完成全部的铸件制备过程；

36、（2）对所得铝合金铸件进行固溶热处理：包括在440~500℃范围内对铝合金铸件进行总时间为0.5~8 h的单级、双级或多级固溶热处理，或者在440~500℃范围内对铝合金铸件进行总时间为0.5~5 h的连续升温固溶热处理；

37、（3）对铝合金铸件进行自然时效、或人工时效热处理；自然时效在室温下进行，时间≥48 h；人工时效处理在70~240℃范围内进行，总时间为6~60 h；或采用自然时效和人工时效相结合的方式进行，人工时效温度70~240℃，时间6~60 h。

38、如本发明所述铝合金材料，其与本身或其它合金焊接在一起，形成新的产品；焊接方式包括搅拌摩擦焊、熔化焊、钎焊、电子束焊、激光焊。还可以通过各种表面处理、冲压成形、机加工，被加工为最终构件；所述的最终构件为承力结构件。

39、本发明的有益效果在于：

40、（1）通过对al-mg-zn-si系铝合金进行成分优化设计，并辅以相匹配的制备方法，实现了高mg含量、以及mg32(al,zn)49和mg2si结构相双时效析出序列协同强化，显著提升了合金强化响应能力，使该材料在保证质轻的同时获得高的强韧性能，同时兼具良好的耐蚀性。材料表现出优异的综合性能，是各类承力结构件用理想材料，能满足各类高端制造对轻质高性能铝合金材料提出的苛刻要求。

41、（2）本发明通过合金元素si的添加，既实现了mg2si结构相新时效序列的引入，又为进一步提高al-mg系铝合金中的mg含量提供了基础，进一步发掘出了合金的时效强化潜力，有利于推动航空航天、交通运输、汽车舰船等领域轻量化的发展，具有重要的社会效益和经济效益。

42、（3）本发明材料性能优越、价格适中，制备方法简单实用、可操作性强，易于产业化推广，市场前景可观。