一种高强度高耐蚀性的7系铝合金及制备方法

技术领域

本发明涉及合金材料技术领域，具体涉及一种高强度高耐蚀性的7系铝合金及制备方法。

背景技术

Al-Zn-Mg-Cu-Zr系合金具有较高的强度、韧性和良好的加工性能，因此被广泛应用于航空航天等诸多行业。随着时代的发展，各行各业对材料性能的要求日益严苛。该系铝合金虽然具有较高的力学性能，但耐蚀性能较差，在腐蚀介质及应力作用下会发生严重的剥落腐蚀及应力腐蚀开裂情况。

采用微合金化是改善Al-Zn-Mg-Cu-Zr系合金力学性能及抗应力腐蚀性能的重要手段之一。其中，Sc对铝合金的强化效果最为显著，添加微量Sc有利于提升Al-Zn-Mg-Cu-Zr系合金单位强度及塑性，抑制合金热加工过程中的再结晶行为，但Sc成本过高，不利于大规模应用及推广。而稀土元素Er强化效果弱于Sc，价格也相对较高，其他稀土元如La和Ce则对合金的性能改善有限。

采用微合金化是改善Al-Zn-Mg-Cu-Zr系合金力学性能及抗应力腐蚀性能的重要手段之一，其中，Sc对铝合金的强化效果最为显著，添加微量Sc有利于提升Al-Zn-Mg-Cu-Zr系合金单位强度及塑性，抑制合金热加工过程中的再结晶行为。但Sc成本过高，不利于大规模应用及推广。

采用双级均匀化及双级固溶处理，可将晶界处相连析出相完全断开，完全断开的晶界析出相能够阻断铝合金在应力腐蚀阶段阳极通道的形成，有利于合金获得良好的抗应力腐蚀性能。

因此，如何解决上述现有技术存在的不足，便成为本发明所要研究解决的课题。

发明内容

本发明的目的是提供一种高强度高耐蚀性的7系铝合金及制备方法。

为达到上述目的，本发明于材料层面采用的技术方案是：

一种高强度高耐蚀性的7系铝合金，其成分组成的质量百分比为：

Zn 6.5～7.0％；

Mg 2.5～2.8％；

Cu 1.8～2.1％；

Zr 0.05～0.15％；

Sm 0.25～0.35％；

其余为Al。

为达到上述目的，本发明于方法层面采用的技术方案是：

一种高强度高耐蚀性的7系铝合金的制备方法，包括以下步骤：

S1、按比例配料，先将铝锭熔化，然后加入锌锭和镁锭，得到合金化熔体，其中铝锭熔化的温度为730～760℃；

S2、依次按比例加入以下中间合金：Al～10wt.％Zr、Al～50wt.％Cu、Al～20wt.％Sm；

S3、采用气固精炼剂进行精炼，精炼时间至少15min；精炼时，将精炼管头没入熔体内，且在熔体内均匀往复移动；

S4、静置：精炼完毕关闭炉门进行熔体静置，同时将熔体温度调整到700～740℃，静置至少20min，之后进行铸造；

S5、铸造：铸造过程中，将铸造温度保持在730～750℃，铸造速度为15～30mm/min，冷却水流量为500～1500L/min；

S6、采用双级均匀化处理工艺，第一阶段均匀化处理工艺为400℃+10h，第二阶段均匀化处理工艺为460～470℃+12h；

S7、采用双级固溶处理工艺，第一级固溶处理工艺为470℃×1h，第二级固溶处理工艺为480℃×30min；

S8、采用T6时效处理工艺，120℃×12h，得到高强度高耐蚀性的7系铝合金。

进一步的技术方案，S3中的所述气固精炼剂为：氮气+4AB无钠精炼剂。

进一步的技术方案，S4静置后，进行在线除气和在线过滤，其中在线除气使用N

本发明的工作原理及优点如下：

合金元素Sm与La和Ce同为铈族元素，在Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金中添加Sm，对提升合金综合性能具有十分有益的效果。凝固过程中Sm原子聚集在固/液界面前沿，引起成分过冷细化晶粒；时效过程中Sm促进强化相析出，使其尺寸变小、密度增加，从而使合金力学性能得到提升；Sm元素的添加，可抑制合金的再结晶行为，降低大角度晶界体积分数，抑制易被溶解的阳极η析出物在大角度晶界处聚集，缩短PFZ宽度，从而提升合金的抗腐蚀性能。同时，Sm成本远低于Sc，在铝合金中加入稀土Sm几乎不会提高生产成本。

本发明通过在Al-Zn-Mg-Cu-Zr系合金中加入Sm元素进行微合金化，开发出一种具有高强度，高耐蚀性的7系铝合金材料。经固溶和时效处理工艺后，合金的抗拉强度为749MPa、屈服强度为698MPa、延伸率为9.8％、晶间腐蚀深度为68μm、剥落腐蚀等级为PB级，与未添加Sm元素相比，抗拉强度提升53MPa，屈服强度提升45MPa，延伸率提升2％，晶间腐蚀深度减少66μm，剥落腐蚀等级由PC级降至PB级。

附图说明

附图1为本发明实施例1的晶间腐蚀图片；(放大倍数为100X)

附图2为本发明实施例2的晶间腐蚀图片；(放大倍数为100X)

附图3为本发明实施例3的晶间腐蚀图片；(放大倍数为100X)

附图4为本发明对比例1的晶间腐蚀图片；(放大倍数为100X)

附图5为本发明对比例2的晶间腐蚀图片。(放大倍数为100X)

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

以下将以图式及详细叙述对本案进行清楚说明，任何本领域技术人员在了解本案的实施例后，当可由本案所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本案的精神与范围。

本文的用语只为描述特定实施例，而无意为本案的限制。关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

关于本文中所使用的用词(terms)，除有特别注明外，通常具有每个用词使用在此领域中、在本案内容中与特殊内容中的平常意义。某些用以描述本案的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本案描述上额外的引导。

本发明各实施例均采用如下标准对所得铝合金进行性能测试：

(1)铝合金挤压型材力学性能按照国标GB/T 228.1-2021制成标准拉伸试样，拉伸速度2mm/min；

(2)晶间腐蚀试验按照国标GB/T 7998-2005进行；

(3)剥落腐蚀浸泡试验按照国标GB/T 22639-2008进行。

实施例1-3：

实施例1-3提供了一种Al-Zn-Mg-Cu-Zr系合金，具体成分(质量百分比如表1所示)

表1

实施例1-3所得Al-Zn-Mg-Cu-Zr系合金制备过程均相同，具体为:

S1：按比例配料，将铝锭熔化后，加入锌锭和镁锭，得到合金化熔体，铝锭熔化温度为740℃；

S2：依次按比例加入Al～10wt.％Zr、Al～50wt.％Cu、Al～20wt.％Sm等中间合金；

S3：采用气固精炼剂进行精炼，精炼时间不小于15min；精炼时，精炼管头应没入熔体内，且在熔体内各个位置均匀移动；所述的气固精炼剂为：氮气+4AB无钠精炼剂。

S4：静置：精炼完毕关闭炉门进行熔体静置并同时将熔体温度调整到710℃，静置时间≥20min，之后进行铸造；

S5：在线除气：使用N2除气，除气前做好检查准备工作；

S6：在线过滤：使用目数为20ppi和30ppi的双层过滤板进行过滤；

S7：铸造：铸造过程中，保温炉铸造温度保持在730℃～750℃，铸造速度为20mm/min，冷却水流量为1000L/min；

S8：采用双级均匀化处理工艺，第一阶段均匀化处理工艺为400℃+10h，第二阶段均匀化处理工艺为465℃+12h；

S9：采用双级固溶处理工艺，第一级固溶处理工艺为470℃×1h，第二级固溶处理工艺为480℃×30min；

S10：采用T6时效处理工艺，120℃×12h，得到高强度高耐蚀性的7系铝合金。

对比例1-2：

对比例1-2提供了一种Al-Zn-Mg-Cu-Zr系合金，具体成分(质量百分比如表2所示)

表2

对比例1-2所得Al-Zn-Mg-Cu-Zr系合金制备过程与实施例1-3所得Al-Zn-Mg-Cu-Zr系合金制备过程相同，故不做赘述。

效果验证：

将上述各实施例以及各对比例所得Al-Zn-Mg-Cu-Zr系合金采用前述方法进行性能检测，结果如表3所示：

表3

由上述检测结果可知，实施例1-3所得Al-Zn-Mg-Cu-Zr系合金材料抗拉强度均在710MPa以上，晶间腐蚀深度在100μm以下，剥落腐蚀性能在PB级别。

对比例1中未添加Sm，抗拉强度为695MPa，延伸率仅为7.8％，晶间腐蚀深度为134μm，剥落腐蚀性能等级在PC级。

对比例2中Sm元素添加量为0.45％，对比实施例1-3，强度略有下降，晶间腐蚀深度略高，剥落腐蚀性能等级高于实施例1-3，为PC级。

本发明通过添加Sm，可提升Al-Zn-Mg-Cu-Zr系合金强度及耐蚀性能，且成本远低于Sc成本，添加Sm合金化对改善Al-Zn-Mg-Cu-Zr系合金综合力学性能具有显著帮助。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。