一种高强耐热2000系铝合金及制备方法和应用

本发明属于铝合金，具体涉及一种高强耐热2000系铝合金及制备方法和应用。

背景技术：

1、目前，2000系铝合金具有较高的强度、较好的耐损伤和良好的耐热性能，是制造航空关键金属构件的重要材料。2024、2524、2519、2618等合金是目前具有代表性的高性能2000系铝合金，工业生产条件下的室温抗拉强度可达440-480mpa，断后伸长率可达10％-18％。飞机蒙皮、起落架轮毂等航空关键构件在服役过程中受到复杂应力，且需短时承受高温，同时提升2000系铝合金室温和高温下的强度和塑性是航空装备大型化、高可靠、长寿命发展面临的重要挑战。

2、析出强化是2000系铝合金的主要强化方式。在室温条件下，θ′(al2cu)相、s(al2cumg)相和t(alcu3mn2)相是2000系铝合金的主要强化相。研究者们常采用成分优化的方法来控制析出相的种类、尺寸和密度，在增强析出强化作用的同时，有效细化晶粒，从而同步提升合金的室温强度和塑性。然而，在较高温度条件下，上述强化相会发生粗化，强化作用显著降低，导致高温强度不足。向合金中添加特定元素是解决这一问题的有效途径。通过添加ag、ce等元素可以产生诸如ω相、al11ce3相的高温强化相，提高合金的高温强度。然而，高温强化相对室温强度的提升并不显著，甚至有所损害，昂贵元素的添加也使合金的原材料成本大大增加。如何同步提升2000系铝合金的室温和高温力学性能是目前合金设计面临的重要难题。

3、本发明创新性提出通过添加适量cr元素改变t相结构的新思路，在合金中形成大量多重孪晶t相，提高其在高温下的稳定性，实现合金室温与高温力学性能的同步提升。在2000系铝合金中添加cr元素的相关研究较少。经检索，李玉乾(李玉乾.复合添加cr、yb对铝合金组织与力学性能影响[d].长沙：中南大学，2013.)在2519a铝合金中添加cr元素，形成了al7cr强化相，阻碍位错运动及晶界迁移，提高了合金室温和高温力学性能。专利cn109898000 a公开了一种复合添加cr和mo元素的2000系铝合金，也会形成al7cr强化相，在高温下可钉扎位错，提高了合金高温力学性能。雷正平(雷正平.合金元素mg、cr对5052铝合金性能和组织的影响[j].铝加工，2012，(1)：4-8.)在5052系铝合金中添加cr元素，同样会形成al7cr强化相，通过抑制再结晶提高了合金室温力学性能。专利cn 104294096 a公开了一种添加cr元素的电缆用al-fe-cu-mg合金，形成了al7(cr,fe)强化相，阻碍再结晶的形核和长大过程，细化了晶粒，提高了合金的断后伸长率和抗疲劳弯曲性能。上述报道与本发明提出的通过添加cr元素改变t相结构的技术思路完全不同，本发明的技术要点在于添加cr的同时，合理控制了t相形成主要元素mn的含量，促进了含cr的多重孪晶t相的形成。

技术实现思路

1、本发明公开了一种高强耐热2000系铝合金及制备方法和应用，以解决现有技术上的问题或者其他潜在的任意问题。

2、为解决现有技术中遇到的问题，本发明的技术方案是：一种高强耐热2000系铝合金，具有如下化学成分(质量百分数)：4.0％-5.0％ cu、1.5％-2.0％ mg、0.30％-1.00％mn、0.30％-0.60％ zn、0.10％-0.50％ cr、0.10％-0.30％ zr、0.10％-0.20％ ti，余量为al和不可避免的杂质。

3、进一步，所述高强耐热2000系铝合金同时含有mn和cr元素，且mn/cr比为2.0-2.8，可形成体积分数不低于3％的含cr的t相。

4、进一步，所述含cr的t相为多重孪晶结构。

5、本发明的另一目的是提供上述高强耐热2000系铝合金的制备方法，该方法具体包括以下步骤：

6、s1)按照设计配比分别称取各个合金原料，进行熔炼和铸造，得到铸锭，熔炼温度：700-750℃，铸造温度：700-720℃；

7、s2)对s1)获得的铸锭进行均匀化处理，随后出炉空冷至室温；

8、s3)对经过s2)均匀化处理后的铸锭进行热挤压或热轧加工；

9、s4)对经过s3)热加工处理后的铝材进行双级固溶处理，随后在水中淬火；

10、s5)对经过s4)固溶处理后的铝材进行时效处理，时效处理的工艺为：升温至150-170℃，保温20-30h，冷却后即得到高强耐热2000系铝合金。

11、进一步，所述s2)中均匀化处理的具体工艺：先升温至400-450℃，保温20-30h；再升温至480-510℃，保温20-30h。

12、进一步，所述s3)中热挤压的工艺参数：铸锭加热温度为380-420℃，加热时间为2-4h；挤压比为9-50；

13、热轧加工的工艺参数：铸锭加热温度为380-420℃，加热时间为2-4h；轧制总变形量为50％-90％。

14、进一步，所述s4)中双级固溶处理的工艺：先升温至490-500℃，保温1-2h；然后升温至500-510℃，保温1-2h。

15、进一步，所述方法制备得到的高强耐热2000系铝合金在室温下抗拉强度为550-590mpa，断后伸长率为16.0％-19.0％；在200℃下抗拉强度为440-480mpa，断后伸长率为17.0％-20.0％；在300℃下抗拉强度为190-220mpa，断后伸长率为17.0％-20.0％。

16、一种上述的高强耐热2000系铝合金应用于航空航天领域。

17、本发明的有益效果是：

18、(1)与目前性能领先的2524铝合金相比，本发明铝合金室温和200℃下的抗拉强度分别提升了19％和24％，断后伸长率分别提升了1/4以上和1/5以上。

19、(2)与耐热2618铝合金200℃下的拉伸性能相比，本发明铝合金的断后伸长率基本相同，而抗拉强度提高了约50％。

20、(3)本发明铝合金可采用常规工艺制造：铸造→均匀化→热挤压/热轧→固溶处理→时效处理，且合金不含ag与稀土等昂贵元素，适合大规模工业化生产和应用。

技术特征：

1.一种高强耐热2000系铝合金，其特征在于，所述高强耐热2000系铝合金各组成元素的质量百分比：4.0％-5.0％cu、1.5％-2.0％mg、0.30％-1.00％mn、0.30％-0.60％zn、0.10％-0.50％cr、0.10％-0.30％zr、0.10％-0.20％ti，余量为al和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的高强耐热2000系铝合金，其特征在于，所述高强耐热2000系铝合金中的mn/cr比为2.0-2.8，形成体积分数不低于3％的含cr的t相。

3.根据权利要求2所述的高强耐热2000系铝合金，其特征在于，所述含cr的t相为多重孪晶结构。

4.一种制备如权利要求1-3任意一项所述的高强耐热2000系铝合金的方法，所述方法具体包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述s2)中均匀化处理的具体工艺：先升温至400-450℃，保温20-30h；再升温至480-510℃，保温20-30h。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述s3)中热挤压的工艺参数：铸锭加热温度为380-420℃，加热时间为2-4h，挤压比为9-50；所述s3)中热轧的工艺参数：铸锭加热温度为380-420℃，加热时间为2-4h，轧制总变形量为50％-90％。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述s4)中双级固溶处理的工艺：先升温至490-500℃，保温1-2h；然后升温至500-510℃，保温1-2h。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法制备得到的高强耐热2000系铝合金在室温下抗拉强度为550-590mpa，断后伸长率为16.0％-19.0％；在200℃下抗拉强度为440-480mpa，断后伸长率为17.0％-20.0％；在300℃下抗拉强度为190-220mpa，断后伸长率为17.0％-20.0％。

9.一种如权利要求1-3任意一项所述的高强耐热2000系铝合金应用于航空航天领域。

技术总结
本发明属于铝合金技术领域，具体涉及一种高强耐热2000系铝合金及制备方法和应用。该高强耐热2000系铝合金各组成元素的质量百分比：4.0％‑5.0％Cu、1.5％‑2.0％Mg、0.30％‑1.00％Mn、0.30％‑0.60％Zn、0.10％‑0.50％Cr、0.10％‑0.30％Zr、0.10％‑0.20％Ti，余量为Al和不可避免的杂质。且合金中的Mn/Cr比为2.0‑2.8，形成体积分数不低于3％的含Cr的T相。本发明的合金在室温和200℃下的抗拉强度分别提升了19％和24％，断后伸长率分别提升了1/4以上和1/5以上。且合金不含Ag与稀土等昂贵元素，适合大规模工业化生产和应用。

技术研发人员：赵帆,胡昊,姜磊,谢建新
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：
技术公布日：2025/4/17