[发明专利]一种超高强度、高韧性Al-Zn-Mg-Cu铝合金及其制备方法

说明书

本发明采用机器学习方法设计了一种超高强度、高韧性Al‑Zn‑Mg‑Cu铝合金及其制备方法，属于新材料设计与开发技术领域。超强高韧Al‑Zn‑Mg‑Cu铝合金成分特征在于：Zn含量为8.30wt％‑9.50wt％，Mg含量为2.00wt％‑2.50wt％，Cu含量为1.30wt％‑1.80wt％，Mn含量为0.05wt％‑0.15wt％，Cr含量为0.10wt％‑0.20wt％，Zr含量为0.10wt％‑0.20wt％，Ti含量为0.05wt％‑0.10wt％，Fe、Si等杂质元素总和0.25wt％，余量为Al。所发明合金在保持延伸率(9％)和断裂韧性(33MPa·mm^1/2)与7050、7055、7136等合金基本相同的条件下，大幅度提升合金强度(700MPa)。此外，本发明Al‑Zn‑Mg‑Cu铝合金采用常规工业生产工艺制造：铸造→均匀化→热挤压→固溶处理→时效处理，且合金不含昂贵的稀土元素，适合大规模工业化生产和应用。

技术领域

本发明属于新材料设计与开发技术领域，特别是提供了一种超高强度、高韧性Al-Zn-Mg-Cu铝合金及其制备方法，满足航空航天领域对高性能铝合金材料的需求。

背景技术

高强高韧铝合金具有比强度高、耐蚀性强、可加工性和可回收性良好等优点，是航空航天、轨道交通等领域的关键结构材料。7050(US3881966)、7055(US5221377A)、7136(US7214281B2)等是目前代表性的高性能航空铝合金，工业生产条件下抗拉强度可达600～650MPa、断后伸长率8～10％、断裂韧性33～35MPa·m^1/2以上。随着飞机、高速铁路列车等运输工具向轻量化、超高速、低成本的方向发展，对高强高韧铝合金提出了更高的综合性能要求，例如，希望未来航空用高性能铝合金抗拉强度达到700～800MPa，而韧性、可加工性和耐蚀性等其他主要性能指标与目前广泛应用的先进7050和7055、7136铝合金相当。

目前，开发高性能航空用铝合金的主要途径为成分优化与工艺调控。通过进一步提高Zn、Mg、Cu等主元素的含量，增加晶内析出相密度，可提高铝合金的强度，但主元素总含量的增加往往导致合金的塑性、断裂韧性急剧下降，从而降低材料的综合性能(US8961715B2)；添加稀土元素如Sc(CN107058827A)、Er(CN110042287A)、Sr(CN101509091)，形成弥散相来钉扎晶界、亚晶界和位错，可起到弥散强化、细晶强化的效果，实现合金综合性能的提升，但稀土价格昂贵，并不适合大规模生产高强高韧铝合金结构材料；通过调控合金元素含量匹配关系有望提升合金性能，然而高强高韧铝合金的成分复杂，成分空间庞大，难以通过传统经验试错法寻找到合适的成分配比。

为此，本申请采用机器学习方法分析公开报道的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金成分-性能数据，优化了合金中Zn、Mg、Cu、Cr、Mn、Zr、Ti等元素含量，开发了一种常规工艺处理、不含稀土元素的超高强度、高韧性铝合金，合金抗拉强度700MPa，延伸率9％，断裂韧性33MPa·mm^1/2，可以很好满足新一代航空用铝合金的力学性能需求。

发明内容

本发明针对目前高强高韧铝合金的强度、塑性、韧性难以同时满足下一代航空用铝合金性能需求的问题，采用数据驱动的机器学习方法，开发了一种新型超高强、高韧性铝合金，简称超强高韧铝合金。

一种超强高韧Al-Zn-Mg-Cu铝合金，其特征在于：Zn含量为8.30wt％-9.50wt％，Mg含量为2.00wt％-2.50wt％，Cu含量为1.30wt％-1.80wt％，Mn含量为0.05wt％-0.15wt％，Cr含量为0.10wt％-0.20wt％，Zr含量为0.10wt％-0.20wt％，Ti含量为0.05wt％-0.10wt％，Fe、Si杂质元素总和0.25wt％，余量为Al。

如上所述超强高韧Al-Zn-Mg-Cu铝合金的制备方法，其制备步骤如下：