含鈧的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金及制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種含鈧的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金及制備方法。所述的合金是由下列合金元素及其質量百分含量組成：鋅：7.0~9.0%；鎂：1.5~3.0%；銅：0.5~1.5%；鈧：0.1~0.4%；鋯：0.1~0.4%；余量為鋁。其制備過程包括：按合金元素質量比進行投料，熔煉后澆鑄成鑄錠，經均勻化處理后熱擠壓成直徑5mm棒材，固溶和時效處理過程，得到含鈧高強韌的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金。本發明所制得的含鈧高強韌的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金晶粒細小。材料T6態室溫拉伸強度達746~756MPa，屈服強度達720~735MPa，延伸率為6%~11%。
【專利說明】含鈧的A卜Zn-Mg-Cu-Zr合金及制備方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種含鈧的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金及其制備方法，屬于有色金屬材料

【技術領域】。

【背景技術】
[0002] 7系鋁合金包括Al-Zn-Mg系和Al-Zn-Mg-Cu系合金，都具有密度低、加工性能好 及焊接性能優良等優點。在航空航天工業、車輛、建筑、橋梁、工兵裝備和大型壓力容器等方 面都得到了廣泛應用。7系鋁合金中由于含有Zn和Mg元素，一般通過時效處理對其進行強 化。鋁合金時效時常見的析出序列為：α過飽和固溶體一 GP區一 V相一 Π 相，即首先 形成過飽和固溶體，然后溶質原子繼續富集形成GP區，再形成不穩定的金屬化合物V相， 最后不穩定的η'相轉化為穩定的η相。
[0003] 但隨著科學技術的日新月異，對材料的綜合性能提出了更高的要求。為了進一步 提升鋁合金的綜合性能，向合金材料中添加過渡元素以及稀土元素成為目前金屬材料設計 與制備的常用方法。研究者們發現向鋁合金中添加 Sc和Zr可以顯著提高材料的強度、斷 裂韌性以及抗應力腐蝕性。這是由于加入Sc和Zr后可以在基體中形成Al3(Zr，Sc)粒子： 初生的Al 3(Zr，Sc)粒子可以顯著細化鑄態組織，消除枝晶與偏析；次生的Al3(Zr，Sc)粒子 直徑一般在10_20nm左右，可以強烈釘扎位錯，抑制再結晶，同時有彌散強化的作用。此外， 次生Al 3(Zr，Sc)粒子可以作為時效析出相的形核位點從而加強了材料的時效作用。
[0004] Wu (Metallurgical and Materials Transactions A 30 (1999)1017-2024)研究 了 Sc的加入對7系合金力學性能的影響，結果表明當加入Sc后，材料的抗拉強度從672MPa 提高到了 715MPa，但延伸率偏低只有 5% ;Deng (Journal of Alloys and Compounds 517 (2012) 118-126)研究了含Sc的新型7系合金，在經過470°C /12h均勻化退火、420°C熱 軋、470°C /lh固溶、120°C /24h時效處理后，材料抗拉強度達到555MPa，延伸率達到12. 3% ; (Journal of Alloys and Compounds 530 (2012) 71-80)并研究了 Sc 與 Zr 的復合添加對 7系合金的影響，當加入0. 25 wt%Sc以及0. 1 wt%Zr時，材料的抗拉強度提高了 96MPa，延 伸率扔可保持在12%以上。
[0005] 綜合關于含Sc鋁合金的文獻資料發現，含Sc的7系鋁合金抗拉強度與屈服強度 一般低于700MPa，而延伸率一般低于10%。這就要求開發新型的超高強高韌的鋁合金，以滿 足現代生產制造業的需求。


【發明內容】

[0006] 本發明的目的在于提供一種含鈧的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金及制備方法。該含鈧的 Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金既具有高強度又具有高延伸率，其制備方法過程簡單。
[0007] 為實現上述目的，本發明是通過以下技術方案加以實現的，一種含鈧的 Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金，其特征在于，該合金是由下列合金元素及其質量百分含量組成：鋅： 7. (T9. 0% ;鎂：1· 5?3. 0% ;銅：0· 5?1. 5% ;鈧：0· 1 ?0· 4% ;鋯：0· 1 ?0· 4% ;余量為鋁。
[0008] 上述成分的含鈧的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金的制備方法，其特征在于包括以下過程： (1) 以質量分數大于99. 9wt. %的錯錠、質量分數大于99. 9wt. %的鋅錠、質量分數大 于99. 9wt. %的鎂錠、質量分數大于99. 9wt. %的銅錠、Al-2wt. %Sc和Al-5wt. %Zr中間合金 錠為熔煉原料，按鋁錠、鋅錠、鎂錠、銅錠、Al-2wt. %Sc中間合金錠和Al-5wt. %Zr中間合金 錠的質量比為（〇· 65?0· 76) :(0· 07?0· 09) :(0· 03?0· 04) :(0· 003?0· 004) :(0· 1(Γ〇· 20): (0. 04~0. 08)，采用電磁感應熔煉方法熔煉合金，熔煉溫度控制在68(T720°C，并在真空氣氛 環境下澆鑄成鑄錠； (2) 將步驟（1)得到的鑄錠車削加工成直徑30mm高400mm的棒料； (3) 將步驟（2)中制得的棒料置于箱式爐中在溫度為465~475°C下進行均勻化處理 8?15h ; (4) 將均勻化處理后的棒料加工成直徑20mm高20mm的小塊，在溫度450°C下保溫lh， 擠壓成直徑為5mm的棒材，自然冷卻至室溫； (5) 將步驟（4)制得的棒材在溫度470°C進行1. 5h固溶處理，然后在室溫水中進行 淬火，淬火轉移時間為l(Tl5s，之后在溫度為120°C進行廣24h時效處理，得到含鈧的 Al-Zn-Mg-Cu-Zr 合金。
[0009] 本發明的優點在于：制備方法簡單，所制得的含鈧的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金晶粒 達3(Γ40 μ m，組織中不存在枝晶。材料T6態室溫拉伸強度達746?756MPa，屈服強度達 72(T735MPa，延伸率為69Γ11%。與美國商用7049鋁合金在T73態拉伸性能相比，本發明的 合金在延伸率相當的條件下抗拉強度提高了 51. 5%，屈服強度提高了 60. 2%。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 圖1為本發明實施例1所制得的含鈧的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金鑄態金相組織照片。
[0011] 圖2為本發明實施例1所制得的含鈧的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金鑄態組織中第二相 (Al 3 (Sc, Zr))的掃描形貌照片。
[0012] 圖3為本發明實施例1所制得的含鈧的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金熱擠壓后剖面掃描 形貌照片。
[0013] 圖4為本發明實施例1所制得的含鈧的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金時效處理后組織中 析出相的透射照片。
[0014] 圖5為本發明實施例1所制得的含鈧的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金T6處理拉伸曲線圖。

【具體實施方式】
[0015] 下面結合實施例進一步說明本發明，這些實施例只用于說明本發明，并不限制本 發明。
[0016] 實施例1 (1)向石墨坩堝中投入各種原料質量如下：純度大于99. 9%的鋁錠7. 41Kg、純度大 于99. 9%的鋅錠(λ 72Kg、純度大于99. 9%的鎂錠(λ 24Kg、純度大于99. 9%的銅錠(λ 09Kg、 Al-2wt. %Sc中間合金1. 75Kg和Al-5wt. %Zr中間合金0. 69Kg，采用電磁感應熔煉方法熔煉 合金，熔煉溫度控制在70(T72(TC，并在真空氣氛環境下澆鑄成鑄錠。
[0017] (2) 將步驟（1) 得到的鑄錠車削加工成 泰30mm X 400mm的棒料； (3) 將棒料置于箱式爐中在溫度為470°C下進行均勻化處理12h ; (4) 將均勻化處理后的棒料加工成Φ 20mmX 20mm的小塊，在450°C下保溫lh，擠壓成Φ 5mm X 320mm的棒材，自然冷卻至室溫。
[0018] (5)將步驟（4)制得的棒材在溫度470°C進行1.5h固溶處理，然后在25°C的 水中淬火，淬火轉移時間為15s，之后在溫度為120°C進行12h時效處理，得到含鈧的 Al-Zn-Mg-Cu-Zr 合金。
[0019] 本實施例制得的合金經電感耦合等離子光譜（ICP)測試，其化學成分(單位為重 量百分比）為：鋅（211) :8.82%，鎂（]\%):2.08%，銅（〇1):0.80%，鈧（5(3) :0.31%，鋯（21〇:0.30%， 余量為錯（A1)。
[0020] 本實例制得到的含鈧的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金，其T6態室溫抗拉強度為746. 9MPa， 屈服強度為720. 7MPa，延伸率為10. 9%。
[0021] 實施例2 本實施例制備方法同實施例1，不同點在于時效時間由12h變為15h。本實例所制得的 含鈧的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金，其T6態室溫抗拉強度為751MPa，屈服強度為724. 2MPa，延伸 率為7. 40%，硬度為HV222。
[0022] 實施例3 本實施例制備方法同實施例1，不同點在于時效時間由12h變為17h。本實例所制得的 含鈧的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金，其T6態室溫抗拉強度為756. 5MPa，屈服強度為734. 9MPa，延 伸率為6. 35%。
[0023] 實施例4 本實施例制備方法同實施例1，不同點在于時效溫度由120°c變為80°C。本實例所制得 的含鈧的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金，其T6態室溫硬度為HV202。
[0024] 實施例5 本實施例制備方法同實施例1，不同點在于時效溫度由120°c變為100°C。本實例所制 得的含鈧的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金，其T6態室溫硬度為HV206。
【權利要求】
1. 一種含鈧的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金，其特征在于，該合金是由下列合金元素及其質量 百分含量組成：鋅：7· (T9. 0% ;鎂：1· 5?3. 0% ;銅：0· 5?1. 5% ;鈧：0· 1 ?0· 4% ;鋯：0· 1 ?0· 4% ; 余量為錯。
2. -種按權利要求1所述的含鈧的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金的制備方法，其特征在于包括 以下過程： (1) 以質量分數大于99. 9wt. %的錯錠、質量分數大于99. 9wt. %的鋅錠、質量分數大 于99. 9wt. %的鎂錠、質量分數大于99. 9wt. %的銅錠、Al-2wt. %Sc和Al-5wt. %Zr中間合金 錠為熔煉原料，按鋁錠、鋅錠、鎂錠、銅錠、Al-2wt. %Sc中間合金錠和Al-5wt. %Zr中間合金 錠的質量比為（〇· 65?0· 76) :(0· 07?0· 09) :(0· 03?0· 04) :(0· 003?0· 004) :(0· 1(Γ〇· 20): (0. 04~0. 08)，采用電磁感應熔煉方法熔煉合金，熔煉溫度控制在68(T720°C，并在真空氣氛 環境下澆鑄成鑄錠； (2) 將步驟（1)得到的鑄錠車削加工成直徑30mm高400mm的棒料； (3) 將步驟（2)中制得的棒料置于箱式爐中在溫度為465~475°C下進行均勻化處理 8?15h ; (4) 將均勻化處理后的棒料加工成直徑20mm高20mm的小塊，在溫度450°C下保溫lh， 擠壓成直徑為5mm的棒材，自然冷卻至室溫； (5) 將步驟（4)制得的棒材在溫度470°C進行1. 5h固溶處理，然后在室溫水中進行 淬火，淬火轉移時間為l(Tl5s，之后在溫度為120°C進行廣24h時效處理，得到含鈧的 Al-Zn-Mg-Cu-Zr 合金。
【文檔編號】C22F1/053GK104152761SQ201410376687
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月31日 優先權日:2014年7月31日
【發明者】趙乃勤, 劉韜, 李家俊, 師春生, 何春年, 劉恩佐 申請人:天津大學