[发明专利]一种Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金及其制备工艺

说明书

技术领域：

本发明属于铝合金材料领域，涉及一种超高强铝合金材料，尤其是一种Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金及其制备工艺。

背景技术：

作为高强高韧铝合金的主体，Al-Zn-Mg-Cu系超高强度铝合金因具有高的比强度和硬度、较好的耐腐蚀性能和较高的韧性、优良的加工性能及焊接性能，广泛应用于航空和航天领域，并成为该领域中重要的结构材料之一。目前，国内外已开发出了强度达600MPa级的Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金，并且已成功实现了工业化应用，如美国的7055（Al-8Zn-2.0Mg-2.2Cu-0.10Zr）和7068（Al-7.8Zn-2.5Mg-2.0Cu-0.10Zr）超高强铝合金以及前苏联的B96系超高强Al-Zn-Mg-Cu铝合金（Al-8.5Zn-2.6Mg-2.3Cu-0.15Zr）。然而，航空航天、交通运输和兵器工业等技术的快速发展对Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金的性能和成本提出了更高的要求。因此，有必要开发性能更高的Al-Zn-Mg-Cu系超高强度铝合金。本发明是一种700MPa级且成本相对较低的Al-Zn-Mg-Cu系超高强度铝合金。

[发明内容：

本发明的目的在于提供一种具有良好力学性能且成本相对较低的Al-Zn-Mg-Cu超高强铝合金及其制备工艺。

本发明提供的一种Al-Zn-Mg-Cu超高强铝合金，各组份及其质量百分比为：Zn含量为10-13%, Mg含量为1.8-2.6%，Cu含量为1.8-2.6%，Ce含量为0.15-0.35%，Sc含量0.05-0.15%，Zr含量为0.10-0.20%，杂质元素Si含量≤0.1%，Fe含量≤0.15%，Ti含量≤0.05%，其它杂质元素总的含量≤0.15%，Al为平衡元素。该发明提供的合金与现有Al-Zn-Mg-Cu系超高强度铝合金的不同之处在于复合添加了Ce, Sc和Zr三种微合金化元素。由于微量Ce具有细化铸态晶粒尺寸、降低时效过程中析出物的生长速度和提高氢在铝合金中的固溶度等作用，从而使原有仅添加Sc和/或Zr的Al-Zn-Mg-Cu系超高强度铝合金的性能得到一步提高。

本发明提供的一种Al-Zn-Mg-Cu超高强铝合金的制备工艺，其主要包括以下步骤：

1）将Al、Zn、Mg、Cu、Ce、Sc和Zr 所述的成分配料，其中Al、Mg和Zn以纯度＞99.99wt.%的工业纯Al、Mg和纯Zn形式添加，Cu、Ce、Sc和Zr 分别以Al-50wt.%Cu、Mg-29wt.%Ce、Al-3wt.%Sc和Mg-31wt.%Zr 中间合金的形式添加；合金熔炼在电阻炉中采用石墨坩埚进行，当石墨坩埚的温度达到150-250℃后，加入已预热的纯Al、纯Zn和Al-50wt.%Cu和Al-3wt.%Sc中间合金并将其熔化，熔化后升温到720-740℃，然后加入已预热的纯Mg、Mg-29wt.%Ce和Mg-31wt.%Zr中间合金，待这些中间合金熔化并搅拌后升温到740-760℃，然后用自制的复合细化精炼剂[10~30%氟化铈（CeF），40~60%颗粒状富铈混合稀土（稀土含量大于90%，铈含量大于60%，颗粒尺寸不大于1毫米），10~30%六氯乙烷（C₂Cl₆）]处理5-10分钟，处理完毕后搅拌合金熔体并在750℃静置25-40分钟，静置完毕后捞去合金熔体表面的浮杂，然后进行铸造；

2）在铸造过程中当合金的温度降到固相线温度以下的450-470℃均匀化处理温度后，将合金放入箱式电阻炉中保温10-36h，然后将试样取出空冷至室温。

3）将均匀化处理后得到的合金进行挤压变形处理，具体工艺为：挤压模直径为45mm，挤压嘴直径为15mm，变形系数为9，挤压温度420℃。

4）将挤压变形处理后的合金进行固溶时效处理，具体工艺为：（470℃×8h+水淬）固溶处理+（120℃×24h+空冷）时效处理。

本合金熔炼时采用了复合细化精炼剂，所用的复合细化精炼剂中的氟化铈和富镧混合稀土除了起变质作用和细化作用外，还有精炼除气和除渣等作用。六氯乙烷主要起精炼除气和除渣作用，此外，其与铝合金熔液反应产生的气泡还可以对合金液起搅拌作用。而这些对于合金熔体的质量及获得细小的铸态组织均有积极的作用，并反映到合金最终力学性能的提高上。