储舱用铝合金板材及其制备方法、焊接接头与流程

本发明涉及铝合金，具体而言，涉及一种储舱用铝合金板材及其制备方法、焊接接头。

背景技术：

1、在节能减排的背景下，商用船舶领域开始使用对环境更加友好，碳排放更低的液化天然气(lng)作为动力燃料。由于lng为低温液体，因此需要特殊的储舱进行存储，而铝合金具有较好的低温性、耐蚀性以及高比强度等特点，因此，铝合金不仅能够适应lng的储存服役，还能够有效降低船体的重量，从而提高航速并节约燃料，因此铝合金是极佳的lng储舱用材。

2、目前，最常用的船用铝合金材料为5083铝合金，该合金的主要合金化元素是mg。mg元素虽然能够有效提高铝合金材料的强度，但如果以连续析出的形式存在于铝合金材料的微观组织内，则会显著恶化铝合金材料的耐蚀性能。因此，多数5083合金的生产均伴随着复杂的退火工艺和稳定化处理工艺来调控mg元素的析出行为，以达到力学性能、耐蚀性能、低温性能和焊接性能的平衡。并且，若想要获得更高强度的铝合金材料，还需要添加更多的mg元素，而这将会打破力学性能与耐蚀性能之间的平衡，从而缩窄了铝合金材料的制备工艺窗口，进而提高了铝合金材料的加工难度与成本。

3、相较于普通的5083船用合金，lng用5083合金在力学性能上提出了更高的要求。根据国际主流船级社力学性能要求可知，普通5083船用材的抗拉强度要求为275mpa以上，屈服强度为125mpa以上，伸长率为16％以上。而lng用5083材料的抗拉强度要求为310mpa以上，屈服强度为140mpa以上，伸长率为20％以上。

4、此外，针对lng用铝合金材料，还需要考虑其低温状态下的力学性能与热膨胀系数。由于lng用铝合金材料的服役环境处在零下163℃的低温环境中，承力时也是在低温状态，因此需要考察低温状态的力学性能。而lng储舱的焊接与组装过程在常温中进行，因此，在服役过程中会存在遇冷收缩的现象，且收缩率太高将导致铝合金材料受到过高的应力，从而影响铝合金材料焊接和安装连接的安全性。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种储舱用铝合金板材及其制备方法、焊接接头，以解决现有技术中铝合金加工流程复杂、制备效率较低、成本较高以及低温下性能较差等问题。

2、为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种储舱用铝合金板材，以质量百分比计，储舱用铝合金板材包括以下元素：0.05～0.10％的si、0.10～0.20％的fe、0.70～0.85％的mn、4.60～5.50％的mg、0.10～0.15％的cr和≤0.05％的cu，余量为al；其中，室温下，储舱用铝合金板材的抗拉强度为320～350mpa、屈服强度为160～180mpa、伸长率为23～27％；零下163℃下，储舱用铝合金板材的抗拉强度为370～390mpa、屈服强度为180～195mpa、伸长率为35～39％；零下163℃至室温时，储舱用铝合金板材的平均热膨胀系数＜22×10-6/℃。

3、进一步地，cr和mn的质量比为1：7～1：8，和/或mn和mg的质量比为1：6～1：7。

4、进一步地，储舱用铝合金板材中al6mn相的形态为不规则颗粒状和针状，和/或al6mn相的面积百分含量为4～5％。

5、进一步地，储舱用铝合金板材的厚度为8～40mm，和/或储舱用铝合金板材的晶间腐蚀失重≤8mg/cm2，和/或储舱用铝合金板材的剥落腐蚀程度≥pb级。

6、根据本发明的另一个方面，提供了一种上述储舱用铝合金板材的制备方法，该制备方法包括：步骤s1，将铝合金原料进行熔炼和半连续铸造，得到铝合金铸锭；步骤s2，将铝合金铸锭进行均匀化处理，得到均匀化处理后铝合金铸锭；步骤s3，将均匀化处理后铝合金铸锭进行热轧处理，得到铝合金热轧板；以及步骤s4，将铝合金热轧板依次进行第一冷却和第二冷却，得到储舱用铝合金板材；其中，步骤s2中，均匀化处理的温度为490～510℃；步骤s3中，热轧处理的终轧温度为320～350℃；步骤s4中，第一冷却的冷却速率为10～15℃/h，第二冷却的初始温度为230～240℃。

7、进一步地，上述步骤s2中，均匀化处理的时间为18～24h；和/或均匀化处理后铝合金铸锭的微观组织存在长度为1～3μm的针状al6mn相，和/或针状al6mn相的面积百分含量为2.0～2.5％。

8、进一步地，上述步骤s3中，铝合金热轧板的厚度为8～40mm。

9、进一步地，上述步骤s4中，第二冷却的冷却速率为50～100℃/h。

10、根据本发明的又一个方面，提供了一种焊接接头，在惰性气体保护气氛中，由铝合金板材经电弧熔化焊后得到，铝合金板材为上述的储舱用铝合金板材。

11、进一步地，焊接接头的抗拉强度为290～310mpa，和/或焊接接头的屈服强度为135～150mpa，和/或焊接接头的伸长率为12～15％。

12、应用本发明的技术方案，本申请通过控制各元素的含量在以上范围内，尤其是控制较低的si与fe含量，从而能够减少熔炼过程中fe元素形成的粗大alfe化合物的含量；较高的mg含量能够提高材料的强度，较低的si含量能够减少与mg形成的mg2si化合物的含量，较少的mg元素消耗量能够减弱其对固溶强化效果的影响。且在mg含量较高的条件下，控制cu元素含量在以上范围，能够减少alcumg化合物的形成，从而提高腐蚀性能。较高含量的mn元素能够在均匀化处理中析出针状al6mn相，并用来钉扎焊接过程中的再结晶晶界，细化焊缝组织，从而提高储舱用铝合金板材的焊接强度。本申请在不添加稀土元素改性、不明显改动传统船用铝合金成分组成、不使用复杂先进制备技术与强化机理的基础上，通过充分利用现有合金元素的强化效果，提高了储舱用铝合金板材在常温和零下163℃的抗拉强度、屈服强度、伸长率与焊接强度，从而使其能够应用于lng储舱这一高附加值、高精尖的领域。

技术特征：

1.一种储舱用铝合金板材，其特征在于，以质量百分比计，所述储舱用铝合金板材包括以下元素：0.05～0.10％的si，0.10～0.20％的fe，0.70～0.85％的mn，4.60～5.50％的mg，0.10～0.15％的cr，≤0.05％的cu，余量为al；

2.根据权利要求1所述的储舱用铝合金板材，其特征在于，所述cr和所述mn的质量比为1：7～1：8，和/或所述mn和所述mg的质量比为1：6～1：7。

3.根据权利要求1或2所述的储舱用铝合金板材，其特征在于，所述储舱用铝合金板材中al6mn相的形态为不规则颗粒状和针状，和/或所述al6mn相的面积百分含量为4～5％。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的储舱用铝合金板材，其特征在于，所述储舱用铝合金板材的厚度为8～40mm，和/或所述储舱用铝合金板材的晶间腐蚀失重≤8mg/cm2，和/或所述储舱用铝合金板材的剥落腐蚀程度≥pb级。

5.一种权利要求1至4中任一项所述储舱用铝合金板材的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中，所述均匀化处理的时间为18～24h；和/或所述均匀化处理后铝合金铸锭的微观组织存在长度为1～3μm的针状al6mn相，和/或所述针状al6mn相的面积百分含量为2.0～2.5％。

7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中，所述铝合金热轧板的厚度为8～40mm。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s4中，所述第二冷却的冷却速率为50～100℃/h。

9.一种焊接接头，在惰性气体保护气氛中，由铝合金板材经电弧熔化焊后得到，其特征在于，所述铝合金板材为权利要求1至4中任一项所述的储舱用铝合金板材。

10.根据权利要求9所述的焊接接头，其特征在于，所述焊接接头的抗拉强度为290～310mpa，和/或所述焊接接头的屈服强度为135～150mpa，和/或所述焊接接头的伸长率为12～15％。

技术总结
本发明提供了一种储舱用铝合金板材及其制备方法。以质量百分比计，储舱用铝合金板材包括以下元素：0.05～0.10％的Si、0.10～0.20％的Fe、0.70～0.85％的Mn、4.60～5.50％的Mg、0.10～0.15％的Cr和≤0.05％的Cu，余量为Al。室温下，储舱用铝合金板材的抗拉强度为320～350MPa、屈服强度为160～180MPa、伸长率为23～27％；零下163℃下，抗拉强度为370～390MPa、屈服强度为180～195MPa、伸长率为35～39％；零下163℃至室温时，平均热膨胀系数＜22×10<supgt;‑6</supgt;/℃。以上铝合金板材能够应用于LNG储舱这一高附加值的领域。

技术研发人员：杨阳,赵丕植,王瑞雪,刘庆永,刘贞山,王能钧
受保护的技术使用者：中铝材料应用研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/8/15