本發明涉及一種鋁合金及其制備方法，具體涉及一種耐損傷鋁合金及其制備方法。
背景技術：
鋁合金是工業中應用最廣泛的一類有色金屬結構材料，其密度低，比強度高，同時具備優良的導熱性、耐蝕性、焊接及加工等性能，廣發應用于機械工程、航空航天等領域。
隨著新一代飛機耐久性/損傷容限設計思想的發展，對飛機機體主要結構的可靠性、使用壽命、安全性以及可維修性等耐損傷性能要求日益提高，迫切需要采用具有高的斷裂韌性、抗疲勞性能和低的疲勞裂紋擴展速率的新型耐損傷材料，尤其在機翼下壁板長桁、中央翼梁下緣條等部位對耐損傷鋁合金型材需求迫切，現有材料很難滿足要求，主要原因是提高綜合性能難度很大，如片面追求提高材料強度，其斷裂韌性或抗疲勞性能會顯著下降。
CN103981410A中披露了一種高耐損傷鋁合金及其制備方法，但所開發的合金及其制備方法僅針對薄板，不包括型材。
CN103710652A公開了一種高耐損傷鋁合金型材的制備方法，添加了Li、Sc等合金化元素，由于Li合金元素極易氧化，需要在真空中進行熔煉，需專用設備，而其，Sc價格昂貴，顯著增加了制造成本。此外，在實施例中，所得的鋁合金型材的主要性能近包含拉伸力學性能，無耐損傷性能指標。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種耐損傷鋁合金及其制備方法，通過調整主合金元素的含量和添加新的合金元素，獲得了抗疲勞裂紋擴展能力高、力學性能優良的鋁合金，解決現有耐損傷鋁合金型材綜合性能難于提高的問題。
為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：
一種耐損傷鋁合金，以質量百分比計包括下述組分：Cu：3.6～4.3％，Mg：1.0～1.6％，Mn：0.3～0.8％，Zr：0.1～0.15％，Er：0.1～0.2％，余量為Al以及微量雜質元素，所述雜質元素的總含量小于0.1％。
所述的一種耐損傷鋁合金的第一優選方案，所述鋁合金以質量百分比計包括下述組分：Cu：3.6％，Mg：1.0％，Mn：0.5％，Zr：0.11％，Er：0.15％，余量為Al以及微量雜質元素，所述雜質元素的總含量小于0.1％。
所述的一種耐損傷鋁合金的第二優選方案，所述鋁合金以質量百分比計包括下述組分：Cu：3.8％，Mg：1.1％，Mn：0.5％，Zr：0.12％，Er：0.15％，余量為Al以及微量雜質元素，所述雜質元素的總含量小于0.1％。
所述的一種耐損傷鋁合金的第三優選方案，所述鋁合金以質量百分比計包括下述組分：Cu：4.0％，Mg：1.1％，Mn：0.5％，Zr：0.13％，Er：0.13％，余量為Al以及微量雜質元素，所述雜質元素的總含量小于0.1％。
所述的一種耐損傷鋁合金的第四優選方案，所述鋁合金以質量百分比計包括下述組分：Cu：4.2％，Mg：1.0％，Mn：0.5％，Zr：0.13％，Er：0.15％，余量為Al以及微量雜質元素，所述雜質元素的總含量小于0.1％。
一種所述的高耐損傷鋁合金制備方法，方法包括以下步驟：
(1)按設計的組分分別配取純鋁、純鎂，Al-Cu中間合金、Al-Mn中間合金、Al-Zr中間合金、Al-Er中間合金，去除表面的雜質再烘干，所述純鋁純度≥99.99％，所述純鎂純度≥99.99％：
(2)將金屬鋁升溫至793℃±5℃，當爐料開始軟化下榻時加入覆蓋劑形成表面有覆蓋劑的鋁熔體，其加入量為金屬總重量的0.5％～0.6％；
(3)依次加入Al-Zr中間合金，Al-Cu中間合金，Al-Mn中間合金攪拌熔化后，加入Al-Er中間合金，當加入的Al-Er中間合金完全熔化后，攪拌均勻靜置10min，冷卻至713±5℃，加入純鎂，熔化后攪拌均勻保溫8min。
(4)加入精煉劑對鋁合金熔體進行精煉處理，并扒出表面浮渣后，即可將熔體輸入到靜置爐，于730℃±5℃，保溫10min，然后通入氬氣，然后按照15-18Kg每噸鋁合金熔體加入除鈉劑，保溫10min，澆注，得到鋁合金鑄坯。
一種耐損傷鋁合金制備方法的第一優選方案，所述的覆蓋劑是由以下重量份組分組成：30～35％的Al2O3、5～8％的CaO、32-35％的木炭、10～20％的KCl、5～10％的NaCl，其余為Na3AlF6。
一種耐損傷鋁合金制備方法的第二優選方案，所述的精煉劑以下重量份組分組成：氯化鈉5～10％，氯化鉀10～15％，氟化鈣20-～25％，六氯乙烷20～30％，其余為草木灰。
一種耐損傷鋁合金制備方法的第三優選方案，所述的除鈉劑由以下重量份組分組成：氯化鉀30-40％，活性炭酸鈣粉15-20％，氯化鎂20～25％，其余為六氯二碳。
一種耐損傷鋁合金制備方法的第四優選方案，采用水霧化蒸汽加熱的方式對得到的鋁合金鑄錠坯料進行均勻化處理，溫度為470-480℃，3-5小時，然后升溫至490～500℃保溫5-8小時。
一種耐損傷鋁合金制備方法的第五優選方案，將均勻化處理的鋁合金圓鑄棒加熱至510～515℃，利用擠壓機模具擠壓成形，擠壓模具溫度270～280℃，擠壓速度3-6米/分鐘得到的型材快速放入水中進行冷卻處理。
一種耐損傷鋁合金制備方法的第六優選方案，對鋁合金型材拉直校形后，進行淬火處理，淬火溫度為490～495℃，保溫時間30-40min，采用水霧淬火；淬火后15min內進行拉直校形，拉伸變形量為2～3％。
一種耐損傷鋁合金制備方法的第七優選方案，將鋁合金型材進行人工時效，所述的人工時效溫度為50～80℃，時間為8-16h。
與最接近的現有技術相比，本發明具有以下有益效果：
1、通過調整合金元素Cu含量以及加入Er合金元素，有效抑制了易在晶界生成的粗大的富Cu相，降低了裂紋萌生的可能
2、通過本發明制備的耐損傷鋁合金型材可以有效降低材料中的Fe、Si等雜質元素，有效抑制的含Fe、含Si的第二相粒子的生成，降低了裂紋萌生的可能；
3、通過采用水霧化蒸汽加熱的方式進行均勻化處理，縮短了均勻化時間，減少了第二相粒子尺寸，對提高材料斷裂韌性有顯著效果；
4、通過本發明制備高耐損傷鋁合金型材，工藝簡單、成本較低，易于實現大規模工業化生產。
具體實施方式
下面將結合實施例，對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術入員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
實施例1：
(1)合金成分為：Cu：3.6％，Mg：1.0％，Mn：0.5％，Zr：0.11％，Er：0.15％余量為Al以及微量雜質元素，所述雜質元素的總含量小于0.1％。
(2)按設計的組分分別配取純鋁、純鎂，Al-Cu中間合金、Al-Mn中間合金、Al-Zr中間合金、Al-Er中間合金，去除表面的雜質再烘干，所述純鋁純度≥99.99％，所述純鎂純度≥99.99％。
(2)將金屬鋁升溫至793℃±5℃，當爐料開始軟化下榻時，然后加入覆蓋劑，加入量為金屬總重量的0.55％，形成表面有覆蓋劑的鋁熔體。覆蓋劑是由以下重量份組分組成：33％的Al2O3、7％的CaO、35％的木炭、12％的KCl、8％的NaCl，5％的Na3AlF6。
(3)依次加入Al-Zr中間合金，Al-Cu中間合金、Al-Mn中間合金攪拌熔化后，加入Al-Er中間合金，當加入的Al-Er中間合金完全熔化后，攪拌均勻靜置10min，冷卻至713±5℃，加入純鎂，熔化后攪拌均勻保溫8min。
(4)加入精煉劑對鋁合金熔體進行精煉處理，精煉劑由以下重量份組分組成：氯化鈉8％、氯化鉀12％、氟化鈣25％、六氯乙烷30％，25％的草木灰，扒出表面浮渣后，即可將熔體輸入到靜置爐，鋁合金熔體進入靜置爐后升溫至730℃±5℃，保溫10min，然后通入氬氣，然后按照16Kg每噸鋁合金熔體加入除鈉劑，除鈉劑由以下重量份組分組成：氯化鉀35％、活性炭酸鈣粉15％、氯化鎂25％，六氯二碳25％，保溫10min，澆注，得到鋁合金鑄坯。
(5)采用水霧化蒸汽加熱的方式對得到的鋁合金鑄錠坯料進行均勻化處理，溫度為475℃，4小時，然后升溫至495℃保溫7小時。
(6)將均勻化處理的鋁合金圓鑄棒加熱至512℃，利用擠壓機模具擠壓成形，擠壓模具溫度275℃，擠壓速度3-6米/分鐘。將擠壓后獲得的型材快速放入水中進行冷卻處理。
(7)對鋁合金型材拉直校形后，進行淬火處理，淬火溫度為495℃，保溫時間35min，采用水霧淬火。淬火后15min內進行拉直校形，拉伸變形量為2～3％。
(8)將淬火后鋁合金型材進行人工時效，所述的人工時效溫度為60℃，時間為10h。
(9)所得高耐損傷鋁合金型材室溫屈服強度為422MPa，抗拉強度為565MPa，延伸率為19.1％，斷裂韌度60.2MPa·m1/2，疲勞裂紋擴展速率為1.34×10-3mm/cycle(ΔK＝30MPa·m1/2)。
實施例2：
(1)合金成分為：Cu：3.8％，Mg：1.1％，Mn：0.5％，Zr：0.12％，Er：0.15％，余量為Al以及微量雜質元素，所述雜質元素的總含量小于0.1％。
(2)按設計的組分分別配取純鋁、純鎂，Al-Cu中間合金、Al-Mn中間合金、Al-Zr中間合金、Al-Er中間合金，去除表面的雜質再烘干，所述純鋁純度≥99.99％，所述純鎂純度≥99.99％。
(2)將金屬鋁升溫至793℃±5℃，當爐料開始軟化下榻時，然后加入覆蓋劑，加入量為金屬總重量的0.55％，形成表面有覆蓋劑的鋁熔體。覆蓋劑是由以下重量份組分組成：33％的Al2O3、7％的CaO、35％的木炭、12％的KCl、8％的NaCl，5％的Na3AlF6。
(3)依次加入Al-Zr中間合金，Al-Cu中間合金、Al-Mn中間合金攪拌熔化后，加入Al-Er中間合金，當加入的Al-Er中間合金完全熔化后，攪拌均勻靜置10min，冷卻至713±5℃，加入純鎂，熔化后攪拌均勻保溫8min。
(4)加入精煉劑對鋁合金熔體進行精煉處理，精煉劑由以下重量份組分組成：氯化鈉8％、氯化鉀12％、氟化鈣25％、六氯乙烷30％，25％的草木灰，扒出表面浮渣后，即可將熔體輸入到靜置爐，鋁合金熔體進入靜置爐后升溫至730℃±5℃，保溫10min，然后通入氬氣，然后按照16Kg每噸鋁合金熔體加入除鈉劑，除鈉劑由以下重量份組分組成：氯化鉀35％、活性炭酸鈣粉15％、氯化鎂25％，六氯二碳25％，保溫10min，澆注，得到鋁合金鑄坯。
(5)采用水霧化蒸汽加熱的方式對得到的鋁合金鑄錠坯料進行均勻化處理，溫度為475℃，4小時，然后升溫至495℃保溫7小時。
(6)將均勻化處理的鋁合金圓鑄棒加熱至512℃，利用擠壓機模具擠壓成形，擠壓模具溫度275℃，擠壓速度3-6米/分鐘。將擠壓后獲得的型材快速放入水中進行冷卻處理。
(7)對鋁合金型材拉直校形后，進行淬火處理，淬火溫度為495℃，保溫時間35min，采用水霧淬火。淬火后15min內進行拉直校形，拉伸變形量為2～3％。
(8)將淬火后鋁合金型材進行人工時效，所述的人工時效溫度為60℃，時間為10h。
(9)所得高耐損傷鋁合金型材室溫屈服強度為432MPa，抗拉強度為571MPa，延伸率為17.1％，斷裂韌度58.2MPa·m1/2，疲勞裂紋擴展速率為1.28×10-3mm/cycle(ΔK＝30MPa·m1/2)。
實施例3：
(1)合金成分為：Cu：4.0％，Mg：1.1％，Mn：0.5％，Zr：0.13％，Er：0.13％，余量為Al以及微量雜質元素，所述雜質元素的總含量小于0.1％。
(2)按設計的組分分別配取純鋁、純鎂，Al-Cu中間合金、Al-Mn中間合金、Al-Zr中間合金、Al-Er中間合金，去除表面的雜質再烘干，所述純鋁純度≥99.99％，所述純鎂純度≥99.99％。
(2)將金屬鋁升溫至793℃±5℃，當爐料開始軟化下榻時，然后加入覆蓋劑，加入量為金屬總重量的0.55％，形成表面有覆蓋劑的鋁熔體。覆蓋劑是由以下重量份組分組成：33％的Al2O3、7％的CaO、35％的木炭、12％的KCl、8％的NaCl、5％的Na3AlF6。
(3)依次加入Al-Zr中間合金，Al-Cu中間合金、Al-Mn中間合金攪拌熔化后，加入Al-Er中間合金，當加入的Al-Er中間合金完全熔化后，攪拌均勻靜置10min，冷卻至713±5℃，加入純鎂，熔化后攪拌均勻保溫8min。
(4)加入精煉劑對鋁合金熔體進行精煉處理，精煉劑由以下重量份組分組成：氯化鈉8％、氯化鉀12％、氟化鈣25％、六氯乙烷30％、25％的草木灰，扒出表面浮渣后，即可將熔體輸入到靜置爐，鋁合金熔體進入靜置爐后升溫至730℃±5℃，保溫10min，然后通入氬氣，然后按照16Kg每噸鋁合金熔體加入除鈉劑，除鈉劑由以下重量份組分組成：氯化鉀35％、活性炭酸鈣粉15％、氯化鎂25％、六氯二碳25％，保溫10min，澆注，得到鋁合金鑄坯。
(5)采用水霧化蒸汽加熱的方式對得到的鋁合金鑄錠坯料進行均勻化處理，溫度為475℃，4小時，然后升溫至495℃保溫7小時。
(6)將均勻化處理的鋁合金圓鑄棒加熱至512℃，利用擠壓機模具擠壓成形，擠壓模具溫度275℃，擠壓速度3-6米/分鐘。將擠壓后獲得的型材快速放入水中進行冷卻處理。
(7)對鋁合金型材拉直校形后，進行淬火處理，淬火溫度為495℃，保溫時間35min，采用水霧淬火。淬火后15min內進行拉直校形，拉伸變形量為2～3％。
(8)將淬火后鋁合金型材進行人工時效，所述的入工時效溫度為60℃，時間為10h。
(9)所得高耐損傷鋁合金型材室溫屈服強度為428MPa，抗拉強度為565MPa，延伸率為19.5％，斷裂韌度57.4MPa·m1/2，疲勞裂紋擴展速率為1.22×10-3mm/cyclc(ΔK＝30MPa·m1/2)。
實施例4：
(1)合金成分為：Cu：4.2％，Mg：1.0％，Mn：0.5％，Zr：0.13％，Er：0.15％，余量為Al以及微量雜質元素，所述雜質元素的總含量小于0.1％。
(2)按設計的組分分別配取純鋁、純鎂，Al-Cu中間合金、Al-Mn中間合金、Al-Zr中間合金、Al-Er中間合金，去除表面的雜質再烘干，所述純鋁純度≥99.99％，所述純鎂純度≥99.99％。
(2)將金屬鋁升溫至793℃±5℃，當爐料開始軟化下榻時，然后加入覆蓋劑，加入量為金屬總重量的0.55％，形成表面有覆蓋劑的鋁熔體。覆蓋劑是由以下重量份組分組成：33％的Al2O3、7％的CaO、35％的木炭、12％的KCl、8％的NaCl，5％的Na3AlF6。
(3)依次加入Al-Zr中間合金，Al-Cu中間合金、Al-Mn中間合金攪拌熔化后，加入Al-Er中間合金，當加入的Al-Er中間合金完全熔化后，攪拌均勻靜置10min，冷卻至713±5℃，加入純鎂，熔化后攪拌均勻保溫8min。
(4)加入精煉劑對鋁合金熔體進行精煉處理，精煉劑由以下重量份組分組成：氯化鈉8％、氯化鉀12％、氟化鈣25％、六氯乙烷30％、25％的草木灰，扒出表面浮渣后，即可將熔體輸入到靜置爐，鋁合金熔體進入靜置爐后升溫至730℃±5℃，保溫10min，然后通入氬氣，然后按照16Kg每噸鋁合金熔體加入除鈉劑，除鈉劑由以下重量份組分組成：氯化鉀35％、活性炭酸鈣粉15％、氯化鎂25％，六氯二碳25％、保溫10min，澆注，得到鋁合金鑄坯。
(5)采用水霧化蒸汽加熱的方式對得到的鋁合金鑄錠坯料進行均勻化處理，溫度為475℃，4小時，然后升溫至495℃保溫7小時。
(6)將均勻化處理的鋁合金圓鑄棒加熱至512℃，利用擠壓機模具擠壓成形，擠壓模具溫度275℃，擠壓速度3-6米/分鐘。將擠壓后獲得的型材快速放入水中進行冷卻處理。
(7)對鋁合金型材拉直校形后，進行淬火處理，淬火溫度為495℃，保溫時間35min，采用水霧淬火。淬火后15min內進行拉直校形，拉伸變形量為2～3％。
(8)將淬火后鋁合金型材進行人工時效，所述的人工時效溫度為60℃，時間為10h。
(9)所得高耐損傷鋁合金型材室溫屈服強度為420MPa，抗拉強度為562MPa，延伸率為18.5％，斷裂韌度58.4MPa·m1/2，疲勞裂紋擴展速率為1.05×10-3mm/cycle(ΔK＝30MFa·m1/2)。
各實施例性能匯總如下表：
專利文獻公開號為CN103981410A。
以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，所屬領域的普通技術人員應當理解，參照上述實施例可以對本發明的具體實施方式進行修改或者等同替換，這些未脫離本發明精神和范圍的任何修改或者等同替換均在申請待批的權利要求保護范圍之內。