一种600MPa级Al-Zn-Mg-Cu合金及其板材制备方法

技术领域

本发明涉及有色金属加工技术领域，具体涉及一种600MPa级Al-Zn-Mg-Cu合金及其板材制备方法。

背景技术

结构减重是航空结构设计永恒的主题和追求，结构设计总是把材料用到“极限”。第二代到第四代战斗机减重，70％的贡献来自材料技术。选用高比强度、高比刚度、高损伤容限先进材料是减轻结构重量、降低结构重量系数的主要措施之一。铝合金是飞机机体结构主要材料，在三代机结构中约占60％左右，四代机中仍占结构重量的40％以上。目前，应用最多的铝合金是7050-T7451铝合金，以76-102mm厚度区间板材为例，其抗拉强为≥496MPa，实际使用值略超过500MPa，近年来新开发的7085铝合金的强度可达到550MPa级，性能较7050-T7451提升10％左右，但仍不能满足日益发展的航空结构优化的迫切需要。目前迫切需要600MPa级铝合金材料。

另外，铝合金的强度与其韧性、耐蚀性的变化呈矛盾的趋势，强度的提高，同时带来了韧性与耐蚀性的显著降低。目前7055、7056等合金工程化板材的强度均可以达到600MPa，但综合性能不满足设计要求。以7055铝合金为例，其抗拉强度可到600MPa以上，但其断裂韧性较7050-T7451铝合金降低40％以上，耐腐蚀性能也至少低了一个等级，使用寿命大大降低。并且7055淬透性较差，随着厚度的增加，强度衰减大，且存在淬火裂纹的风险，目前国外标准最厚仅能到38mm。

要提高合金的强度，一方面应提高合金的元素含量、增加析出相数量，例如7056、7055铝合金，但由于高锌高镁高铜含量的超强铝合金铸锭极易开裂，组织不均匀性突出，厚度≥80mm的厚板实际生产难度极大；另一方面采用过时效程度较低的时效制度，避免析出相生长的过于粗大，充分发挥析出相的强化效果，例如7150-T7651厚板抗拉强度一般在585～605MPa之间，但由于其合金元素含量较低，例如平均Zn含量6.2％，显著低于7056的9％，强度不能稳定的保证在600MPa以上，并且T76时效态的剥落腐蚀性能较低，不满足高耐蚀的需求。

因此，发明人提供了一种600MPa级Al-Zn-Mg-Cu合金及其板材制备方法。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种600MPa级Al-Zn-Mg-Cu合金及其板材制备方法，解决了铝合金强度、韧性及耐蚀性难以同时满足需求的技术问题。

(2)技术方案

本发明提供了一种600MPa级Al-Zn-Mg-Cu合金，包括质量百分比为7.4～8.5wt.％的Zn、1.4～2.0wt.％的Mg、2.0～2.4wt.％的Cu、Zr、Sc和杂质，Zr和Sc的总含量为0.04～0.12wt.％，所述杂质的总含量≤0.04wt.％；其中，Cu/Mg质量百分比的比值≥1.2，Zn/Mg质量百分比的比值为4.5～5.1。

进一步地，当Sc的含量＞0.02wt.％时，Zr和Sc的总含量低于0.08wt.％；当Sc的含量＜0.01wt.％时，Zr和Sc的总含量高于0.08wt.％。

进一步地，所述杂质中的Cr的含量≤0.01wt.％，Mn的含量≤0.01wt.％，Si的含量≤0.02wt.％，Fe的含量≤0.02wt.％。

本发明还提供了一种600MPa级Al-Zn-Mg-Cu合金的板材制备方法，包括以下步骤：

在熔炼后的纯铝中添加高纯电解铜、Al-Zr5中间合金、工业纯锌、高纯镁混合均匀，进行多次精炼，经过滤除渣后，铸造成形出铸锭；

对所述铸锭依次进行多级均匀化处理、多道次轧制，得到轧制板材；

对所述轧制板材进行固溶处理，固溶后对所述轧制板材依次进行预拉伸处理、时效处理，得到Al-Zn-Mg-Cu合金板材。

进一步地，锭坯经6～15道次轧制的板材，除最初两个道次，其余单次轧制压下量在20mm以上。

进一步地，多级均匀化制度为420℃～450℃保温10～14h、460℃～495℃保温18～24h、455～470℃保温6～12h。

进一步地，固溶制度为440℃～460℃保温2～3h，470℃～485℃保温1～2h，保温结束后采用喷淋淬火处理，冷却速度≥10℃/s，喷淋水流量≥10L/s。

进一步地，固溶完毕后对轧制板材进行预拉伸处理，预拉伸变形量为3～7％。

进一步地，时效制度为先进行100℃～120℃预处理20～32h在合金基体内形成高密度的细小GP区前驱体，然后经165℃～185℃保温1～6h使晶界析出相熔断，再经100℃～120℃保温20～24h形成细小、弥散分布的强化相。

进一步地，所述轧制板材的厚度为25～152mm。

(3)有益效果

综上，本发明通过在7150合金的基础上增加Zn元素含量、并在7055、7056的基础上降低Cu、Mg含量，提高Zn/Mg比、Zn/Cu比，保证充分形成析出相的前提下，减少淬火敏感元素，有利于制备80mm以上厚度板材，严格控制杂质含量、降低Fe、Si等杂质元素引起的脆化和腐蚀作用，补充因合金元素提高导致的韧性与强度的下降，并利用Zr和Sc的复合作用细化晶粒，提高合金强度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种600MPa级Al-Zn-Mg-Cu合金的板材制备方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供的一种600MPa级Al-Zn-Mg-Cu合金，包括质量百分比为7.4～8.5wt.％的Zn、1.4～2.0wt.％的Mg、2.0～2.4wt.％的Cu、Zr、Sc和杂质，Zr和Sc的总含量为0.04～0.12wt.％，杂质的总含量≤0.04wt.％；其中，Cu/Mg质量百分比的比值≥1.2，Zn/Mg质量百分比的比值为4.5～5.1。

在上述实施方式中，在7150合金的基础上增加Zn元素含量、并在7055、7056的基础上降低Cu、Mg含量，提高Zn/Mg比、Zn/Cu比，保证充分形成析出相的前提下，减少淬火敏感元素，有利于制备80mm以上厚度板材，严格控制杂质含量、降低Fe、Si等杂质元素引起的脆化和腐蚀作用，补充因合金元素提高导致的韧性与强度的下降，并利用Zr和Sc的复合作用细化晶粒，提高合金强度。强度较现阶段广泛应用的7050、7085强度提高50～100MPa，同时保证其韧性与耐蚀性相当，实现了力学性能与耐蚀性能的匹配，有力的保障了航空结构的轻量化，促进航空铝合金升级换代，并开发了相应的大规模制备工艺，推进了新型铝合金的实际应用。

其中，当Sc的含量＞0.02wt.％时，Zr和Sc的总含量低于0.08wt.％；当Sc的含量＜0.01wt.％时，Zr和Sc的总含量高于0.08wt.％。杂质中的Cr的含量≤0.01wt.％，Mn的含量≤0.01wt.％，Si的含量≤0.02wt.％，Fe的含量≤0.02wt.％。

图1是本发明实施例提供的一种600MPa级Al-Zn-Mg-Cu合金的板材制备方法的流程示意图，该方法可以包括以下步骤：

S100、在熔炼后的纯铝中添加高纯电解铜、Al-Zr5中间合金、工业纯锌、高纯镁混合均匀，进行多次精炼，经过滤除渣后，铸造成形出铸锭。

具体地，加入的各元素的比例与上述的超高韧高耐蚀Al-Zn-Mg-Cu合金中各元素的质量百分比是一致的，在此不做赘述。可以选用高纯铝锭、铝含量超过99.9％wt.％，高纯电解铜(GB/T 467-2010)，Al-Zr5中间合金，工业纯锌(Zn含量超过99.9％)，高纯镁(Mg含量超过99.92％)，精炼剂选用AlTi5B0.2；熔炼温度设定在720℃～760℃，首先进行纯Al熔炼，待熔化完全后扒渣，并添加各类合金锭以及中间合金，并辅助电磁场以及超声振动搅拌技术，取样检测成分合格后转到保温炉充入高纯混合气体精炼，精炼温度为720℃～740℃扒渣后取样成分检测合格在高纯混合气体下进行二次精炼，加入Al-Ti5-B0.2丝，进行过滤除渣，然后铸造，铸造温度设定为730℃～750℃，铸造速度40～80mm/min，成形厚度为380～460mm的方形铸锭。

S200、对铸锭依次进行多级均匀化处理、多道次轧制，得到轧制板材；其中，单道次最大轧制变形量为50mm。

具体地，多级均匀化制度为420℃～450℃保温10～14h、460℃～495℃保温18～24h、455～470℃保温6～12h。锭坯经6～15道次轧制的板材，除最初两个道次，其余单次轧制压下量在20mm以上。轧制板材的厚度为25～152mm。

S300、对轧制板材进行固溶处理，固溶后对轧制板材依次进行预拉伸处理、时效处理，得到Al-Zn-Mg-Cu合金板材。

具体地，固溶制度为440℃～460℃保温2～3h，470℃～485℃保温1～2h，保温结束后采用喷淋淬火处理，冷却速度≥10℃/s，喷淋水流量≥10L/s。固溶完毕后对轧制板材进行预拉伸处理，预拉伸变形量为3～7％。时效制度为先进行100℃～120℃预处理20～32h在合金基体内形成高密度的细小GP区前驱体，然后经165℃～185℃保温1～6h使晶界析出相熔断，再经100℃～120℃保温20～24h形成细小、弥散分布的强化相，时效结束后板材经空冷至室温。

在上述实施方式中，采用多级均匀化处理和多道次大变形量轧制，保证变形组织的均匀性，并开发了适用于高合金化铝合金的三级时效工艺，综合平衡晶内与晶间析出相，提高综合性能，实现了80mm厚以上的600MPa级高韧高耐蚀铝合金板材制备。

实施例1

步骤一、设计成分为：Zn含量8.2wt.％，Mg含量1.8wt.％，Zn/Mg比4.56，Cu含量2.3wt.％，Cu/Mg比1.28；Zr+Sc总含量为0.05wt.％，其中Sc含量0.02wt.％，其余为Zr；杂质元素Cr含量为0.01wt.％，Mn含量为0.008wt.％，Si含量为0.01wt.％，Fe含量为0.01wt.％，杂质总含量为0.038wt.％；

步骤二、选用铝含量超过99.9％wt.％高纯铝锭，高纯电解铜(GB/T467-2010)，Al-Zr5中间合金，工业纯锌(Zn含量超过99.9％)，高纯镁(Mg含量超过99.92％)，精炼剂选用AlTi5B0.2；熔炼温度设定在750℃～760℃，首先进行纯Al熔炼，待熔化完全后扒渣，并添加各类合金锭以及中间合金，并辅助电磁场以及超声振动搅拌技术，取样检测成分合格后转到保温炉充入高纯混合气体精炼，精炼温度为720℃～730℃扒渣后取样成分检测合格在高纯混合气体下进行二次精炼，加入Al-Ti5-B0.2丝，进行过滤除渣，然后铸造，铸造温度设定为730℃～740℃，铸造速度40～50mm/min，成形厚度为380mm的方形铸锭；

步骤三、铸造锭坯经多级均匀化处理，均匀化制度为435℃保温10h、475℃保温22h，460℃保温8h；然后进行轧制，锭坯经8道次轧制的板材轧制成厚度为80mm的板材，单道次最大轧制变形量44.5mm；

步骤四、对轧制板材进行固溶处理，固溶制度为445℃保温2h，475℃保温1h，保温结束后采用喷淋淬火处理，采用喷淋淬火冷却，喷淋水流量≥10L/s；固溶完毕后对板材进行预拉伸处理消除残余应力，预拉伸变形量为3.5％；对预拉伸板材进行时效处理，时效制度为先进行110℃预处理24h，再经185℃保温1h，再经121℃保温20h，空冷至室温。

本实施例获得的80mm厚Al-Zn-Mg-Cu厚板，抗拉强度可达626MPa以上，断裂韧性在32MPa·m

实施例2

步骤一中，设计成分为：Zn含量7.9wt.％，Mg含量1.7wt.％，Cu含量2.3wt.％。其余的步骤均与实施例1相同。

本实施例获得的80mm厚Al-Zn-Mg-Cu厚板，抗拉强度可达613MPa以上，断裂韧性在35MPa·m

实施例3

步骤一中，设计成分为：杂质元素Cr含量为0.008wt.％，Mn含量为0.005wt.％，Si含量为0.006wt.％，Fe含量为0.05wt.％，杂质总含量为0.024wt.％。其余的步骤均与实施例1相同。

本实施例获得的80mm厚Al-Zn-Mg-Cu厚板，抗拉强度可达630MPa，断裂韧性在32MPa·m

实施例4

与实施例1不同之处是将锭坯进行多级均匀化处理，均匀化制度为440℃保温10h、485℃保温18h，470℃保温6h；然后进行轧制，锭坯经6道次轧制的板材轧制成厚度为80mm的板材，单道次最大轧制变形量44.5mm，其余的步骤均与实施例1一致。

本实施例获得的80mm厚Al-Zn-Mg-Cu厚板，抗拉强度可达632MPa，断裂韧性在32MPa·m

实施例5

与实施例1不同之处是在步骤四中，对轧制板材进行固溶处理，固溶制度为455℃保温2h，470℃保温2h，保温结束后采用喷淋淬火处理，采用喷淋淬火冷却，喷淋水流量≥10L/s；固溶完毕后对板材进行预拉伸处理消除残余应力，预拉伸变形量为5.5％；对预拉伸板材进行时效处理，时效制度为先进行120℃预处理22h，再经170℃保温2h，再经115℃保温24h，空冷至室温，其余的步骤均与实施例1一致。

本实施例获得的80mm厚Al-Zn-Mg-Cu厚板，抗拉强度可达636MPa，断裂韧性在30MPa·m

对比例1

与实施例1不同之处是步骤四中时效制度为先进行120℃预处理22h，再经170℃保温0.5h，再经120℃处理24h，空冷至室温，其余的步骤均与实施例1一致。

本实施例获得的80mm厚Al-Zn-Mg-Cu厚板，抗拉强度可达650MPa以上，断裂韧性K

上述6种不同实施例所制备出的合金板材的性能对比详见下表1：

表1不同厚度规格板材性能

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。