一種鋁合金材料的制備方法與流程

本發明屬于合金材料領域，涉及一種鋁合金材料的制備方法，特別是涉及一種高強高韌高淬透的鋁合金材料的制備方法。
背景技術：
：高強高韌、高淬透及高抗腐蝕性能的鋁合金板材，被廣泛運用于航空航天工業。近年來隨著飛機減重和安全性的要求，航空領域開始使用大型整體式鋁合金結構件，獲得了很好的減重效果，安全性也得到極大的提高。與此同時，就需要大規格高性能的鋁合金板材，所需板材的厚度越來越厚。而板材越厚，沿厚度方向的性能差異就越大，往往厚板心層的性能達不到使用要求。同時，鋁合金厚板用于航空工業也具有“水桶效應”，由于厚板心層性能不達標而限制了對其的使用。因此，高強高韌高淬透的7000系鋁合金是飛機用大型整體式結構件制造的關鍵材料。大型化和整體化的飛機結構件對高性能鋁合金厚板生產過程中的熱變形及熱處理環節提出了前所未有的挑戰，其中鋁合金厚板淬透性就是最致命的問題之一。而現有的技術方案，是通過優化合金成分，降低合金中淬火敏感的mg和cu元素含量，提高合金中的zn含量，提高zn/mg比值，嚴格控制微量元素cr、mn和ti以及雜質元素fe、si的含量，開發出以7085、7081合金為代表的新一代航空用合金，滿足了厚度300mm以下厚板及鍛件制造的需求。因此，現有技術的缺點主要體現在：（1）表層力學性能比起成熟牌號如7050、7055等稍顯不足；（2）只能滿足厚度300mm以下厚板及鍛件制造的需求；（3）在板材厚度要求100mm以下的情況下不具有明顯優勢，還不足以完全取代7050、7055等常用合金。技術實現要素：為克服現有技術中存在的航空厚板的力學性能低、厚板厚度有限的缺點，本發明的目的是提供一種創新的生產方法來制備高強高韌高淬透鋁合金材料，從而提高其力學性能，并且能制造厚板及鍛件厚度超過300mm的航空用鋁合金。為實現上述目的，本發明使用的技術方案為：一種鋁合金材料的制備方法，包括以下步驟：s1：按重量取各金屬材料，各金屬材料的成分組成和重量百分比為：zn8~12wt%，mg1.0~2.4wt%，cu0.4~2.2wt%，zr0.05~0.25wt%，余量為al及不可避免的雜質，并且，4.5≤zn/mg≤6，0.65≤cu/mg≤0.95；s2：將上述的各金屬材料都投至高溫熔煉爐內進行熔煉，在熔煉過程中不斷調整各金屬材料的比例，直至滿足預定的要求；s3：將步驟s2所得的金屬液進行鑄造，得到錠坯；s4：將步驟s3所得的錠坯進行均熱處理；s5：將步驟s4所得的錠坯的頭尾切除并進行銑面，鋸切成400～600mm厚，1500~2000mm寬的坯料；s6：將步驟s5所得的坯料在350～450℃下預熱4~20小時，得到鑄錠；s7：將步驟s6所得的鑄錠軋制成厚度為50~400mm的厚板；s8：將步驟s7所得的厚板送到輥底爐內進行固溶淬火處理；s9：將步驟s8所得的板材進行拉伸處理，拉伸量為1%～3%；s10：將步驟s9所得的板材進行時效處理；s11：將步驟s10所得的板材進行檢驗，獲得合格的成品板材；s12：將步驟s11所得的合格的成品板材按需求的規格進行鋸切。優選的，所述步驟s1中各金屬材料的成分組成和重量百分比為：zn9~11wt%，mg1.2~2.2wt%，cu0.6~2.0wt%，zr0.10~0.20wt%，余量為al及不可避免的雜質，并且，4.5≤zn/mg≤6，0.65≤cu/mg≤0.95。優選的，所述步驟s2中的熔煉過程包括除氣除渣工序和過濾工序。優選的，所述步驟s3中的鑄造采用激冷的鑄造技術，其中，鑄造溫度為670~725℃，鑄造速度為30~50mm/min，鑄造水流量為10~35m3/h，鑄造水溫為15~35℃。優選的，所述步驟s4中的均熱處理采用多級逐步升溫的均勻化技術。優選的，所述多級逐步升溫的均勻化技術為：第一級，溫度300～420℃，時間12～48h；第二級，溫度425～450℃，時間12～36h；第三級，溫度455～475℃，時間12～24h；第四級，溫度476～495℃，時間10～20h。優選的，所述步驟s4中的均熱處理采用先高溫后低溫再高溫的均勻化技術。優選的，所述先高溫后低溫再高溫的均勻化技術為：第一級，溫度400～470℃，時間16～48h；第二級，溫度250～400℃，時間24～72h；第三級，溫度450～485℃，時間12～36h。優選的，所述步驟s8中的固溶淬火處理的保溫溫度為450~490℃，保溫時間為500~1500min，淬火時，淬火室溫不超過20℃。優選的，所述步驟s10中的時效處理具體為：第一級，溫度40～120℃，時間2～36h；第二級，溫度130～180℃，時間4～96h。與現有技術相比，本發明的有益效果是：（1）本技術設計的合金性能如強度、斷裂韌性、電導率等顯著提高，比現有的7085、7a85、7081等合金的性能提高5%以上；（2）利用本技術設計的合金制備得的厚板或者鍛件，其厚度可達到300mm以上，且心表性能差異不超過8%。附圖說明圖1為本發明的工藝流程圖；圖2為本發明制備的新合金與7085、7050合金的淬透性曲線對比圖；圖3為本發明制備的新合金與7085、7050合金的硬度保留值曲線對比圖。具體實施方式一種鋁合金材料的制備方法，其工藝步驟如圖1所示，具體為：s1：按重量取各金屬材料，為了確保鋁合金材料的高強高韌高淬透，各金屬材料的成分組成和重量百分比為：zn8~12wt%，mg1.0~2.4wt%，cu0.4~2.2wt%，zr0.05~0.25wt%，余量為al及不可避免的雜質，同時還需要滿足：4.5≤zn/mg≤6，0.65≤cu/mg≤0.95；s2：將上述的各金屬材料都投至高溫熔煉爐內進行熔煉，在熔煉過程中不斷調整各金屬材料的比例，直至滿足預定的要求。同時，在熔煉過程中通過多級聯合除氣除渣工序降低鋁熔體中的氫渣濃度，以減少鑄錠中的氣孔或針孔；通過過濾工序去除鋁熔體中的氧化物、非金屬夾雜物和其他有害金屬雜質，以減少鑄錠中的疏松、氣孔、夾渣等缺陷。這樣，就可以改善大規格鑄錠的質量。s3：將步驟s2所得的金屬液進行鑄造，在熔鑄過程通過鑄造溫度、鑄造速度、鑄造水流量的協同優化，采用激冷的鑄造技術獲得高質量的錠坯。其中鑄造溫度為670~725℃，鑄造速度為30~50mm/min，鑄造水流量為10~35m3/h，鑄造水溫為15~35℃。s4：將步驟s3所得的錠坯進行均熱處理。均熱處理采用多級逐步升溫或先高溫后低溫再高溫的均勻化技術。其中，多級逐步升溫的均勻化技術為：第一級，溫度300～420℃，時間12～48h；第二級，溫度425～450℃，時間12～36h；第三級，溫度455～475℃，時間12～24h；第四級，溫度476～495℃，時間10～20h。而先高溫后低溫再高溫的均勻化技術為：第一級，溫度400～470℃，時間16～48h；第二級，溫度250～400℃，時間24～72h；第三級，溫度450～485℃，時間12～36h。通過均熱處理，就可以消除殘余結晶相，獲得細小均勻彌散的al3zr粒子。s5：將步驟s4所得的錠坯的頭尾切除并進行銑面，鋸切成400～600mm厚，1500~2000mm寬的坯料；s6：將步驟s5所得的坯料在350～450℃下預熱4~20小時，得到鑄錠；s7：將步驟s6所得的鑄錠采用強變形技術軋制成厚度為50~400mm的厚板；s8：將步驟s7所得的厚板送到輥底爐內進行固溶淬火處理。其中，固溶的保溫溫度為450~490℃，保溫時間為500~1500min，淬火時，淬火室溫不超過20℃。s9：將步驟s8所得的板材使用拉伸機來進行拉伸處理，拉伸量為1%～3%；s10：將步驟s9所得的板材進行時效處理。時效處理分成兩級，其中，第一級的溫度為40～120℃，時間為2～36h；第二級的溫度130～180℃，時間為4～96h。經過這樣的時效處理后，就可以提高板材的綜合性能。s11：將步驟s10所得的板材進行檢驗，獲得合格的成品板材；s12：將步驟s11所得的合格的成品板材按需求的規格進行鋸切。實施例一生產成品規格厚度為60mm，寬度為1800mm，長度為6000mm的厚板，工序如下：（1）按重量百分比稱取如下金屬材料并投入至熔煉爐中：zn8~12wt%，mg1.0~2.4wt%，cu0.4~2.2wt%，zr0.05~0.25wt%，余量為al及不可避免的雜質，并且，4.5≤zn/mg≤6，0.65≤cu/mg≤0.95。（2）熔煉鋁合金，經除氣、過濾后，進行半連續鑄造，鑄出厚度為520mm的扁錠并均熱。（3）將扁錠切頭尾和銑面，經過預熱和軋制，制備出厚度為60mm的厚板。（4）在厚板的表層切取30mm×30mm×140mm末端淬火試樣。（5）將末端淬火試樣在475℃固溶180min后，在末端淬火設備上進行淬火，之后經110℃/6h+150℃/12h時效后，測出淬透性曲線，并與7085和7050合金的淬透性曲線做對比，結果如圖2和圖3所示，從圖中可以看出，本發明所制備的新合金、7085合金和7050合金兩端的硬度差值分別為5.8%、8.8%和12%。實施例二生產成品規格厚度為60mm，寬度為1800mm，長度為6000mm的厚板，工序如下：（1）按重量百分比稱取如下金屬材料并投入至熔煉爐中：zn9~11wt%，mg1.2~2.2wt%，cu0.6~2.0wt%，zr0.10~0.20wt%，余量為al及不可避免的雜質，并且，4.5≤zn/mg≤6，0.65≤cu/mg≤0.95。（2）熔煉鋁合金，經除氣、過濾后，進行半連續鑄造，鑄出厚度為520mm的扁錠并均熱。（3）將扁錠切頭尾和銑面，經過預熱和軋制，制備出厚度為60mm的厚板。（4）將板材在470℃固溶180min后進行淬火，之后進行變形量為2.5%的矯直，經110℃/6h+160℃/12h時效后，檢測性能，并與7085和7050合金厚板性能對比，結果如表1所示。表1三種合金厚板(60mm)t7451的性能對比合金抗拉強度/mpa屈服強度/mpa延伸率/%斷裂韌性/mpam1/2電導率/%iacs心表差異/%新合金5455219.53842.5470855124901134.5415.5705053250593240.58實施例三生產成品規格厚度為200mm，寬度為1800mm，長度為6000mm的超厚板，工序如下：（1）按重量百分比稱取如下金屬材料并投入至熔煉爐中：zn8~12wt%，mg1.0~2.4wt%，cu0.4~2.2wt%，zr0.05~0.25wt%，余量為al及不可避免的雜質，并且，4.5≤zn/mg≤6，0.65≤cu/mg≤0.95。（2）熔煉鋁合金，經除氣、過濾后，進行半連續鑄造，鑄出厚度為520mm的扁錠并均熱。（3）將扁錠切頭尾和銑面，經過預熱和軋制，制備出厚度為200mm的超厚板。（4）將板材在470℃固溶600min后進行淬火，之后進行變形量為2.5%的矯直，經110℃/6h+160℃/12h時效后，檢測性能，并與7085和7050合金厚板性能對比，如表2所示。表2三種合金超厚板(200mm)t7451的心層性能對比合金抗拉強度/mpa屈服強度/mpa延伸率/%斷裂韌性/mpam1/2電導率/%iacs心表差異/%新合金53551693643.2570855004801031.542.5870504654197.52741.515實施例四生產成品規格厚度為350mm，寬度為1800mm，長度為6000mm的極厚板，工序如下：（1）按重量百分比稱取如下金屬材料并投入至熔煉爐中：zn9~11wt%，mg1.2~2.2wt%，cu0.6~2.0wt%，zr0.10~0.20wt%，余量為al及不可避免的雜質，并且，4.5≤zn/mg≤6，0.65≤cu/mg≤0.95。（2）熔煉鋁合金，經除氣、過濾后，進行半連續鑄造，鑄出厚度為520mm的扁錠并均熱。（3）將扁錠切頭尾和銑面，經過預熱和軋制，制備出厚度為350mm的極厚板。（4）將板材在470℃固溶1200min后進行淬火，之后進行變形量為2.5%的矯直，經110℃/6h+160℃/12h時效后，檢測性能，如表3所示。表3新合金極厚板(350mm)t7451的心層性能合金抗拉強度/mpa屈服強度/mpa延伸率/%斷裂韌性/mpam1/2電導率/%iacs心表差異/%新合金5245048.534.544.56本發明的新合金在強度、斷裂韌性、電導率等性能上有顯著的提高，比現有的7085、7a85、7081等合金的性能提高5%以上；而其制備出的厚板或者鍛件，厚度可達到300mm以上，且心表性能差異不超過8%。當前第1頁12