CN113737068B - 一种高强韧耐蚀7xxx系铝合金及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强韧耐蚀的7xxx系合金及其加工方法，所述铝合金的组分及重量百分比为：Zn 8.8‑10％，Mg 2.0‑3.0％，Cu 1.0‑2.5％，Zr 0.05～0.2％，Ti 0.01‑0.15％，Mn≤0.1％，Fe≤0.2％，Si≤0.1％，其他杂质元素含量总量≤0.15％，其余为Al；其中12％≤Zn+Mg+Cu≤15.5％，3≤Zn/Mg≤5，0.3≤Cu/Mg≤1。本发明中的铝合金具有较高的强韧性，良好的抗应力腐蚀性能，同时兼具优异的成型加工性能，有效解决了现有技术中存在高强铝合金材料强韧性匹配不足、应力腐蚀差等问题。该合金棒材、型材在峰值时效T6状态下，屈服强度大于700MPa，抗拉强度大于730MPa，延伸率在9％以上，电导率≥30％IACS。制备的棒材和型材可广泛应用于航空、航天、核工业、交通运输、兵器等领域。
Description
技术领域
本发明属于铝合金技术领域，涉及一种高强韧耐蚀7xxx系铝合金及其加工方法。
背景技术
近些年，随着对结构减重的需求日益严苛，特别是在航空航天领域，这一需求极其突出，因此对轻质超高强铝合金强度的进一步提升越显重要。目前，随着铝冶金装备和技术水平的提高，高纯化与高合金化使得通过传统熔铸技术可成功制备出600MPa级铝合金，并已达到工业化应用水平，如7150和7055铝合金。由于超高强铝合金相比钛合金具有一定成本优势，在很多领域超高强铝合金取代了昂贵的钛合金。目前，欧美等国家开发出抗拉强度约650MPa左右的超高强铝合金材料，并得到了成功应用，如7168、7136和7056合金。但对于700MPa级超高强铝合金，目前国内外报道主要集中在采用快速凝固、粉末冶金或喷射成形等特殊技术制备出的高溶质合金(Zn含量≥量≥强以上)，但相对传统半连续铸造工艺，存在工艺复杂，成本较高且尺寸规格小，机械加工困难等明显不足，很难批量应用于大型结构件中，未能实现工业规模化生产应用。
虽然目前部分专利文献CN201410249786.0、CN201010556640.2、CN200910210975.6、CN201510716592.1等报道通过添加高含量的Zn元素或采用T77三级时效工艺等也能制备出抗拉强度达到700MPa级以上超高强铝合金，但多数合金添加的Zn含量超过10％以上，铸锭成形存在容易开裂问题，也难于实现工业化应用，此外高合金化除了铸锭成形困难外，在晶内与晶界会形成非常多粗大的非平衡共晶相，采用传统的均匀化及固溶工艺很难将及彻底消除，合金性能也很难得到大的提高。专利CN03119605.5采用快速凝固喷射成形制备高Zn含量铸锭，通过加快凝固冷却速率提高铝基体的固溶度，Zn含量高于10.0～11.0％。但该专利采用非常规熔铸方法，加工成本较高。专利CN201910183759.0发明了一种高强韧铝合金及其制备方法，通过添加微量的Sc元素进行微合金化。但Sc元素价格昂贵，限制了其应用范围。并且上述专利中通常采用极限均热和固溶工艺进行热处理，均热和固溶温度达到475℃-485℃。这种极限高温热处理工艺对于传统大规格铸锭来说控制非常困难，在实际工业化生产中极易发生过烧，导致组织缺陷遗传至最终产品中。
综上所述，虽然存在部分关于通过常规熔铸制备700MPa级超高强铝合金材料的报道，但基本为实验室制备的小规格样品，本发明开发的可工业化半连续铸造工艺制备的大规格超高强铝合金材料，具备较高强度的同时，兼具良好的腐蚀性能和加工成型性能，同时成本低，适用于大批量生产，具有重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：
克服现有技术存在的不足，通过主合金成分合理匹配，适量微合金元素调控及加工工艺的精确控制，提供一种高强韧耐蚀7xxx系铝合金及其加工方法，该合金强度高，同时腐蚀性能、加工成型性能良好，并且生产成本低，使得合金熔炼较为简单，制备工艺方法也较为简单。
为了解决这一技术问题，本发明提供了一种具备高强韧耐蚀以及良好成型性能的7xxx系棒材、线材及其加工方法，所述铝合金的组分及重量百分比为：Zn 8.8-10％，Mg2.0-3.0％，Cu 1.0-2.5％，Zr 0.05～0.2％，Ti 0.01-0.15％，Mn≤0.1％，Fe≤0.2％，Si≤0.1％，其他杂质元素含量总量≤0.15％，其余为Al；其中12％≤Zn+Mg+Cu≤15.5％，3≤Zn/Mg≤5，0.3≤Cu/Mg≤1。
优选的，所述铝合金还包括Er，其中，Er 0.01～0.2％。
优选的，所述铝合金的组分及重量百分比为：Zn 8.8-10％，Mg 2.0-3.0％，Cu1.0-2.0％，Zr 0.08-0.15％，Ti 0.01-0.15％，Mn≤0.1％，Fe≤0.2％，Si≤0.1％，其他杂质元素含量总量≤0.15％，其余为Al，其中，12％≤Zn+Mg+Cu≤15％，3≤Zn/Mg≤4.5，0.4≤Cu/Mg≤1。
优选地，所述铝合金的组分及重量百分比为：Zn 8.8-10％，Mg 2.0-3.0％，Cu1.5-2.0％，Zr 0.08-0.15％，Er 0.01-0.2％，Ti 0.01-0.15％，Mn≤0.1％，Fe≤0.2％，Si≤0.1％，其他杂质元素含量总量≤0.15％，其余为Al，其中，12％≤Zn+Mg+Cu≤15％，3≤Zn/Mg≤4.5，0.4≤Cu/Mg≤1。
一种如上所述的高强韧耐蚀的7xxx系铝合金的加工方法，包括以下步骤：
步骤(1)熔炼：采用高纯铝锭添加中间合金在熔炼炉中熔炼，在炉料全部化完且在熔炼温度范围内时进行扒渣。在熔炼炉内采用喷粉精炼；采用半连续铸造获得铸锭；
步骤(2)对所述合金的铸锭进行多级均匀化处理，所述多级均匀化处理工艺为：从室温以慢速升温方式进行热处理，将铸锭从室温以10-50℃/h升温至250-450℃，保温5-10h；再以1～30℃/h升温至465～480℃，保温10-60h，之后以一定冷却速率进行冷却。
步骤(3)将步骤(2)得到的铸锭加热到400-470℃，挤压成棒材；型材挤压出口速度为0.1-4mm/s，挤压温度为400-450℃，挤压出口温度为350-430℃，挤压比≥8；
步骤(4)挤压后棒材坯料进行固溶淬火，固溶温度为468-480℃，保温0.5-20h；之后水淬；
步骤(5)对棒材进行预拉伸去除残余应力，预拉伸量控制在0.5-3％；
步骤(6)对棒材进行成品时效热处理。
优选的，所述的步骤(2)中，铸锭的均热工艺从室温以慢速升温方式进行热处理，将铸锭从室温以10-50℃/h升温至250-350℃，保温1-10h；再以1～50℃/h升温至350-450℃，保温5-10h；然后再以1～30℃/h升温至465～480℃，保温10-60h，之后以冷却速度≥30℃/h进行快速冷却。
优选的，所述的步骤(3)铸锭挤压温度为400-440℃，挤压出口速度为0.1-1mm/s，挤压出口温度为380-430℃，挤压比≥8。
优选的，所述的步骤(4)挤压后棒材进行固溶处理，固溶温度为468-480℃，保温0.5-10h，之后水淬得到淬火态的棒材；优选的，所述的步骤(5)淬火态棒材进行预拉伸，预拉伸量控制在0.5-2.8％；
优选的，所述的步骤(6)的时效工艺为：105-120℃保温16-36h的T6处理后得到铝合金的屈服强度大于700MPa，抗拉强度大于730MPa，延伸率在9％以上，电导率≥30％IACS。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明考虑合金成分对组织和强度、韧性和腐蚀性能的综合匹配影响。通过优化调整主合金元素成分Zn+Mg+Cu总量，同时控制Zn/Mg比和Cu/Mg比，促进基体中Zn、Mg和Cu元素最大程度以析出相形式存在于基体中；同时适当添加Ti、Mn、Cr等微量元素，充分发挥固溶强化、析出强化、晶粒细化等复合强化作用。通过成分控制，优化调整显微组织中析出相的组成，在保证材料强度的同时，兼顾其韧性尤其是耐腐蚀性能。
(2)本发明合金成分添加了微量的稀土Er元素，协调Er、Zr微合金化的特点，促进Al3(Zr,Er)相的细小弥散析出，降低晶界无析出带间距的同时，有效提高了Al3(Zr,Er)相的析出数密度，最终有效提高了合金抗腐蚀性能和韧性。
(3)本发明在工艺上采用了慢速升温多级均热处理+快速冷却工艺，促进预先形核相Al3Er相在慢速升温过程中析出，作为预制形核点促进弥散相Al3(Zr,Er)相的均匀弥散析出，同时采用快速冷却工艺有效抑制淬火冷却过程MgZn2相的析出和进一步粗化长大。
(4)本发明在工艺上合理选择高温固溶加热和较快冷却速率，有效提高了材料最终显微组织的纯净度，抑制淬火过程中第二相的析出。同时优化匹配合适的预拉伸和时效工艺，使得合金晶内相和晶界相得到良好匹配，最终保证棒材、线材的强度和腐蚀性能的综合匹配。
(5)本发明中由于合金成分简单，不需要加入Sc等贵金属元素，所以生产的铝合金棒材、带板产品具有熔铸工艺简单、制备工艺简单、成本低等优点。
综上所述，通过本发明工艺所制备的铝合金产品，力学性能高，成型性能优异，远高于常规工艺制得的合金。
附图说明
图1为实施例1的时效态显微组织。
图2为均匀化处理弥散析出的Al3(Zr,Er)相，(a)实施例7合金；(b)对比例1合金。
图3为对比例2中出现的粗大Al3Er相。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式和对比方式对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
一种高强韧耐蚀7xxx系铝合金，其组分及重量百分比为：Zn 9.0％，Mg 2.2％，Cu1.6％，Zr 0.12％，Ti 0.02％，Fe 0.1％，Si 0.08％，Mn 0.08％，其余为Al，Zn+Mg+Cu＝12.8％，Zn/Mg＝4.1，Cu/Mg＝0.7。
上述铝合金的加工方法包括以下步骤：
(1)采用铝锭添加中间合金在熔炼炉中熔炼，采用半连续铸造得到大规格φ410mm铸锭；
(2)对铸锭进行均匀化热处理，从室温以50℃/h的升温速率慢速升温至400℃保温10h后，以5℃/h的升温速率，升温至475℃保温48h，以30℃/h冷却速度进行冷却；
(3)将铸锭进行车皮，锯切后，在感应炉中进行挤压前加热，铸锭加热温度为430℃。对材料进行挤压，挤压温度410℃，挤压出口速度为0.5mm/s；挤压至φ125mm规格棒材，挤压出口温度385℃，挤压比＝10.7；
(4)对挤压棒材进行固溶处理，475℃保温8h后水淬；
(5)对淬火态棒材进行预拉伸，预拉伸量1.5％；
(6)对淬火预拉伸态棒材进行时效热处理，时效制度为110℃/30h。
实施例2
一种高强韧耐蚀7xxx系铝合金，其组分及重量百分比为：Zn 9％，Mg 2.0％，Cu1.0％，Zr 0.2％，Ti 0.15％，Fe 0.2％，Si 0.1％，Mn 0.08％，其余为Al，Zn+Mg+Cu＝12％，Zn/Mg＝4.5，Cu/Mg＝0.5。
上述铝合金的加工方法包括以下步骤：
(1)采用铝锭添加中间合金在熔炼炉中熔炼，采用半连续铸造得到大规格φ410mm铸锭；
(2)对铸锭进行均匀化热处理，从室温以10℃/h的升温速率慢速升温至450℃保温10h后，以10℃/h的升温速率，升温至480℃保温60h，以70℃/h冷却速度进行冷却；
(3)将铸锭进行车皮，锯切后，在感应炉中进行挤压前加热，铸锭加热温度为430℃。对材料进行挤压，挤压温度410℃，挤压出口速度为4mm/s；挤压至φ125mm规格棒材，挤压出口温度385℃，挤压比＝10.7；
(4)对挤压棒材进行固溶处理，470℃保温8h后水淬；
(5)对淬火态棒材进行预拉伸，预拉伸量1.5％；
(6)对淬火预拉伸态棒材进行时效热处理，时效制度为120℃/24h。
实施例3
一种高强韧耐蚀7xxx系铝合金，其组分及重量百分比为：Zn 10％，Mg 2.8％，Cu1.5％，Zr 0.15％，Ti 0.1％，Fe 0.05％，Si 0.05％，Mn 0.08％，其余为Al，Zn+Mg+Cu＝14.3％，Zn/Mg＝3.6，Cu/Mg＝0.5。
上述铝合金的加工方法包括以下步骤：
(1)采用铝锭添加中间合金在熔炼炉中熔炼，采用半连续铸造得到大规格φ410mm铸锭；
(2)对铸锭进行均匀化热处理，从室温以15℃/h的升温速率慢速升温至300℃保温10h后，以15℃/h的升温速率，升温至465℃保温20h，以100℃/h冷却速度进行冷却；
(3)将铸锭进行车皮，锯切后，在感应炉中进行挤压前加热，铸锭加热温度为430℃。对材料进行挤压，挤压温度410℃，挤压出口速度2mm/s；挤压至φ125mm规格棒材，挤压出口温度380℃，挤压比＝10.7；
(4)对挤压棒材进行固溶处理，470℃保温10h后水淬；
(5)对淬火态棒材进行预拉伸，预拉伸量1.5％；
(6)对淬火预拉伸态棒材进行时效热处理，时效制度为120℃/16h。
实施例4
一种高强韧耐蚀7xxx系铝合金，其组分及重量百分比为：Zn 9.5％，Mg 3.0％，Cu2.5％，Zr 0.1％，Ti 0.05％，Fe 0.15％，Si 0.03％，Mn 0.08％，其余为Al，Zn+Mg+Cu＝15％，Zn/Mg＝3.2，Cu/Mg＝0.8。
上述铝合金的加工方法包括以下步骤：
(1)采用铝锭添加中间合金在熔炼炉中熔炼，采用半连续铸造得到大规格φ410mm铸锭；
(2)对铸锭进行均匀化热处理，从室温以40℃/h的升温速率慢速升温至450℃保温5h后，以20℃/h的升温速率，升温至472℃保温36h，以200℃/h冷却速度进行冷却；
(3)将铸锭进行车皮，锯切后，在感应炉中进行挤压前加热，铸锭加热温度为430℃。对材料进行挤压，挤压温度410℃，挤压出口速度0.5mm/s；挤压至φ125mm规格棒材，挤压出口温度400℃，挤压比＝10.7；
(4)对挤压棒材进行固溶处理，472℃保温15h后水淬；
(5)对淬火态棒材进行预拉伸，预拉伸量1.5％；
(6)对淬火预拉伸态棒材进行时效热处理，时效制度为120℃/24h。
实施例5
一种高强韧耐蚀7xxx系铝合金，其组分及重量百分比为：Zn 8.8％，Mg 2.0％，Cu2.0％，Zr 0.08％，Er 0.01％，Ti 0.15％，Fe 0.2％，Si 0.05％，Mn 0.08％，其余为Al，Zn+Mg+Cu＝12.8％，Zn/Mg＝4.4，Cu/Mg＝1。
上述铝合金的加工方法包括以下步骤：
(1)采用铝锭添加中间合金在熔炼炉中熔炼，采用半连续铸造得到大规格φ410mm铸锭；
(2)对铸锭进行均匀化热处理，从室温以50℃/h的升温速率慢速升温至350℃保温10h后，以5℃/h的升温速率，升温至470℃保温48h，以50℃/h冷却速度进行冷却；
(3)将铸锭进行车皮，锯切后，在感应炉中进行挤压前加热，铸锭加热温度为430℃。对材料进行挤压，挤压温度450℃，挤压出口速度1mm/s；挤压至φ125mm规格棒材，挤压出口温度430℃，挤压比＝10.7；
(4)对挤压棒材进行固溶处理，480℃保温10h后水淬；
(5)对淬火态棒材进行预拉伸，预拉伸量1.5％；
(6)对淬火预拉伸态棒材进行时效热处理，时效制度为105℃/36h。
实施例6
一种高强韧耐蚀7xxx系铝合金，其组分及重量百分比为：Zn 8.9％，Mg 2.2％，Cu1.8％，Zr 0.10％，Er 0.15％，Ti 0.02％，Fe 0.1％，Si 0.08％，Mn 0.08％，其余为Al，Zn+Mg+Cu＝12.9％，Zn/Mg＝4.0，Cu/Mg＝0.8。
上述铝合金的加工方法包括以下步骤：
(1)采用铝锭添加中间合金在熔炼炉中熔炼，采用半连续铸造得到大规格φ410mm铸锭；
(2)对合金铸锭进行均匀化热处理，从室温以20℃/h的升温速率慢速升温至250℃保温10h后，以50℃/h的升温速率慢速升温至400℃保温10h后，以5℃/h的升温速率，升温至470℃保温48h，以100℃/h冷却速度进行冷却；
(3)将铸锭进行车皮，锯切后，在感应炉中进行挤压前加热，铸锭加热温度为430℃。对材料进行挤压，挤压温度440℃，挤压出口速度0.5mm/s；挤压至φ125mm规格棒材，挤压出口温度395℃，挤压比＝10.7；
(4)对挤压棒材进行固溶热处理，470℃保温20h后水淬；
(5)对淬火态棒材进行预拉伸，预拉伸量1.5％；
(6)对淬火预拉伸态棒材进行时效热处理，时效制度为120℃/24h。
实施例7
一种高强韧耐蚀7xxx系铝合金，其组分及重量百分比为：Zn 9.0％，Mg 2.5％，Cu1.4％，Zr 0.12％，Er 0.1％，Ti 0.02％，Fe 0.1％，Si 0.08％，Mn 0.08％，其余为Al，Zn+Mg+Cu＝12.9％，Zn/Mg＝3.6，Cu/Mg＝0.6。
上述铝合金的加工方法包括以下步骤：
(1)采用铝锭添加中间合金在熔炼炉中熔炼，采用半连续铸造得到大规格φ410mm铸锭；
(2)对合金铸锭进行均匀化热处理，从室温以10℃/h的升温速率慢速升温至280℃保温8h后，从室温以30℃/h的升温速率，慢速升温至350℃保温5h后，以10℃/h的升温速率，升温至480℃保温60h，以70℃/h冷却速度进行冷却；
(3)将铸锭进行车皮，锯切后，在感应炉中进行挤压前加热，铸锭加热温度为430℃。对材料进行挤压，挤压温度410℃，挤压出口速度0.5mm/s；挤压至φ60mm规格棒材，挤压出口温度390℃，挤压比＝46.7；
(4)对挤压棒材进行固溶热处理，470℃保温4h后水淬；
(5)对淬火态棒材进行预拉伸，预拉伸量1.5％；
(6)对淬火预拉伸态棒材进行时效热处理，时效制度为120℃/24h。
实施例8
一种高强韧耐蚀7xxx系铝合金，其组分及重量百分比为：Zn 9.2％，Mg 2.5％，Cu1.5％，Zr 0.12％，Er 0.15％，Ti 0.02％，Fe 0.1％，Si 0.08％，Mn 0.08％，其余为Al，Zn+Mg+Cu＝13.2％，Zn/Mg＝3.7，Cu/Mg＝0.6。
上述铝合金的加工方法包括以下步骤：
(1)采用铝锭添加中间合金在熔炼炉中熔炼，采用半连续铸造得到大规格φ410mm铸锭；
(2)对合金铸锭进行均匀化热处理，从室温以20℃/h的升温速率慢速升温至350℃保温10h后，再以50℃/h的升温速率慢速升温至400℃保温10h后，以5℃/h的升温速率，升温至470℃保温48h，以100℃/h冷却速度进行冷却；
(3)将铸锭进行车皮，锯切后，在感应炉中进行挤压前加热，铸锭加热温度为430℃。对材料进行挤压，挤压温度420℃，挤压出口速度0.5mm/s；挤压至φ125mm规格棒材，挤压出口温度400℃，挤压比＝10.7；
(4)对挤压棒材进行固溶热处理，470℃保温8h后水淬；
(5)对淬火态棒材进行预拉伸，预拉伸量1.5％；
(6)对淬火预拉伸态棒材进行峰值时效热处理，时效制度为120℃/24h。
实施例9
一种高强韧耐蚀7xxx系铝合金，其组分及重量百分比为：Zn 9.5％，Mg 2.8％，Cu1.3％，Zr 0.12％，Er 0.13％，Ti 0.02％，Fe 0.1％，Si 0.08％，Mn 0.08％，其余为Al，Zn+Mg+Cu＝13.6％，Zn/Mg＝3.4，Cu/Mg＝0.5。
上述铝合金的加工方法包括以下步骤：
(1)采用铝锭添加中间合金在熔炼炉中熔炼，采用半连续铸造得到大规格φ410mm铸锭；
(2)对合金铸锭进行均匀化热处理，从室温以40℃/h的升温速率慢速升温至350℃保温3h后，从室温以10℃/h的升温速率慢速升温至380℃保温6h后，以15℃/h的升温速率，升温至465℃保温15h，以30℃/h冷却速度进行冷却；
(3)将铸锭进行车皮，锯切后，在感应炉中进行挤压前加热，铸锭加热温度为410℃。对材料进行挤压，挤压温度440℃，挤压出口速度1mm/s；挤压至φ125mm规格棒材，挤压出口温度410℃，挤压比＝10.7；
(4)对挤压棒材进行固溶热处理，470℃保温6h后水淬；
(5)对淬火态棒材进行预拉伸，预拉伸量1.5％；
(6)对淬火预拉伸态棒材进行峰值时效热处理，时效制度为120℃/24h。
实施例10
一种高强韧耐蚀7xxx系铝合金，其组分及重量百分比为：Zn 9.7％，Mg 3.0％，Cu1.3％，Zr 0.12％，Er 0.12％，Ti 0.02％，Fe 0.1％，Si 0.08％，Mn 0.08％，其余为Al，Zn+Mg+Cu＝14％，Zn/Mg＝3.2，Cu/Mg＝0.4。
上述铝合金的加工方法包括以下步骤：
(1)采用铝锭添加中间合金在熔炼炉中熔炼，采用半连续铸造得到大规格φ162mm铸锭；
(2)对合金铸锭进行均匀化热处理，从室温以50℃/h的升温速率，慢速升温至400℃保温10h后，以5℃/h的升温速率，升温至470℃保温48h，以300℃/h冷却速度进行冷却；
(3)将铸锭进行车皮，锯切后，在感应炉中进行挤压前加热，铸锭加热温度为400℃。对材料进行挤压，挤压温度390℃，挤压出口速度0.5mm/s；挤压至6*40mm规格带板，挤压出口温度360℃，挤压比＝89；
(4)对挤压带板进行固溶热处理，470℃保温5h后水淬；
(5)对淬火态棒材进行预拉伸，预拉伸量1％；
(6)对淬火预拉伸态棒材进行峰值时效热处理，时效制度为120℃/24h。
实施例11
一种高强韧耐蚀7xxx系铝合金，其组分及重量百分比为：Zn 9.8％，Mg 2.9％，Cu1.3％，Zr 0.10％，Er 0.2％，Ti 0.02％，Fe 0.1％，Si 0.08％，Mn 0.08％，其余为Al，Zn+Mg+Cu＝14％，Zn/Mg＝3.4，Cu/Mg＝0.4。
上述铝合金的加工方法包括以下步骤：
(1)采用铝锭添加中间合金在熔炼炉中熔炼，采用半连续铸造得到大规格φ162mm铸锭；
(2)对合金铸锭进行均匀化热处理，从室温以35℃/h的升温速率，慢速升温至300℃保温1h后，从室温以1℃/h的升温速率，慢速升温至400℃保温5h后，以1℃/h的升温速率，升温至465℃保温10h，以70℃/h冷却速度进行冷却；
(3)将铸锭进行车皮，锯切后，在感应炉中进行挤压前加热，铸锭加热温度为430℃。对材料进行挤压，挤压温度410℃，挤压出口速度0.5mm/s；挤压至6*40mm规格带板，挤压出口温度390℃，挤压比＝89；
(4)对挤压带板进行固溶热处理，470℃保温2h后水淬；
(5)对淬火态棒材进行预拉伸，预拉伸量1％；
(6)对淬火预拉伸态棒材进行峰值时效热处理，时效制度为120℃/24h。
实施例12
一种高强韧耐蚀7xxx系铝合金，其组分及重量百分比为：Zn 8.8％，Mg 2.0％，Cu2.0％，Zr 0.08％，Er 0.05％，Ti 0.10％，Fe 0.15％，Si 0.08％，Mn 0.08％，其余为Al，Zn+Mg+Cu＝12.8％，Zn/Mg＝4.4，Cu/Mg＝1.0。
上述铝合金的加工方法包括以下步骤：
(1)采用铝锭添加中间合金在熔炼炉中熔炼，采用半连续铸造得到大规格φ162mm铸锭；
(2)对合金铸锭进行均匀化热处理，从室温以50℃/h的升温速率，慢速升温至300℃保温10h后，从室温以50℃/h的升温速率，慢速升温至400℃保温10h后，以5℃/h的升温速率升温至480℃保温48h，以70℃/h冷却速度进行冷却；
(3)将铸锭进行车皮，锯切后，在感应炉中进行挤压前加热，铸锭加热温度为430℃。对材料进行挤压，挤压温度410℃，挤压出口速度0.3mm/s；挤压至6*40mm规格带板，挤压出口温度390℃，挤压比＝89；
(4)对挤压带板进行固溶热处理，475℃保温1h后水淬；
(5)对淬火态棒材进行预拉伸，预拉伸量3％；
(6)对淬火预拉伸态棒材进行峰值时效热处理，时效制度为120℃/24h。
实施例13
一种高强韧耐蚀7xxx系铝合金，其组分及重量百分比为：Zn10.0％，Mg 3.0％，Cu1.5％，Zr 0.12％，Er 0.2％，Ti 0.08％，Fe 0.15％，Si 0.08％，Mn 0.08％，其余为Al，Zn+Mg+Cu＝14.5％，Zn/Mg＝3.3，Cu/Mg＝0.5。
上述铝合金的加工方法包括以下步骤：
(1)采用铝锭添加中间合金在熔炼炉中熔炼，采用半连续铸造得到大规格φ162mm铸锭；
(2)对合金铸锭进行均匀化热处理，从室温以50℃/h的升温速率，慢速升温至320℃保温10h后，从室温以35℃/h的升温速率，慢速升温至450℃保温5h后，以15℃/h的升温速率，升温至470℃保温55h，以70℃/h冷却速度进行冷却；
(3)将铸锭进行车皮，锯切后，在感应炉中进行挤压前加热，铸锭加热温度为430℃。对材料进行挤压，挤压温度410℃，挤压出口速度0.5mm/s；挤压至6*40mm规格带板，挤压出口温度390℃，挤压比＝89；
(4)对挤压带板进行固溶热处理，465℃保温0.5h后水淬；
(5)对挤压带板进行预拉伸，预拉伸量2％；
(6)对淬火预拉伸态带板进行峰值时效热处理，时效制度为120℃/24h。
对比例1
一种7xxx系铝合金，其组分及重量百分比为：Zn9.2％，Mg 1.8％，Cu 2.0％，Zr0.12％，Ti 0.02％，Fe 0.4％，Si 0.04％，Cr 0.2％，Mn 0.08％，其余为Al，Zn+Mg+Cu＝13％，Zn/Mg＝5.1，Cu/Mg＝1.1。
上述铝合金的加工方法包括以下步骤：
(1)采用铝锭添加中间合金在熔炼炉中熔炼，采用半连续铸造得到大规格φ162mm铸锭；
(2)对合金铸锭进行均匀化热处理，升温至470℃保温60h，以20℃/h冷却速度进行冷却；
(3)对材料进行挤压，挤压温度410℃，挤压出口速度0.8mm/s；挤压成品10mm×100mm带板，挤压比＝21；
(4)对挤压带板进行固溶热处理，470℃保温4h后水淬；
(5)对挤压带板进行预拉伸，预拉伸量1％；
(6)对淬火预拉伸态带板进行峰值时效热处理，时效制度为120℃/30h。
对比例2
一种7xxx系铝合金，其组分及重量百分比为：Zn8.8％，Mg 2.1％，Cu 2.0％，Zr0.12％，Er 0.35％，Ti 0.02％，Fe 0.4％，Si 0.04％，Cr 0.2％，Mn 0.08％，其余为Al，Zn+Mg+Cu＝12.9％，Zn/Mg＝4.2，Cu/Mg＝0.95。
上述铝合金的加工方法包括以下步骤：
(1)采用铝锭添加中间合金在熔炼炉中熔炼，采用半连续铸造得到大规格φ162mm铸锭；
(2)对合金铸锭进行均匀化热处理，升温至475℃保温48h，以20℃/h冷却速度进行冷却；
(3)对材料进行挤压，挤压温度410℃，挤压出口速度0.8mm/s；挤压成品10mm×100mm带板，挤压比＝21；
(4)对挤压带板进行固溶热处理，470℃保温4h后水淬；
(5)对挤压带板进行预拉伸，预拉伸量1％；
(6)对淬火预拉伸态带板进行峰值时效热处理，时效制度为120℃/30h。
对比例3
一种7xxx系铝合金，其组分及重量百分比为：Zn8.8％，Mg 3.5％，Cu 1.4％，Zr0.12％，Ti 0.02％，Fe 0.4％，Si 0.04％，Cr 0.2％，Mn 0.08％，其余为Al，Zn+Mg+Cu＝13.7％，Zn/Mg＝2.5，Cu/Mg＝0.4。
上述铝合金的加工方法包括以下步骤：
(1)采用铝锭添加中间合金在熔炼炉中熔炼，采用半连续铸造得到大规格φ162mm铸锭；
(2)对合金铸锭进行均匀化热处理，升温至475℃保温48h，以20℃/h冷却速度进行冷却；
(3)对材料进行挤压，挤压温度410℃，挤压出口速度0.8mm/s；挤压成品10mm×100mm带板，挤压比＝21；
(4)对挤压带板进行固溶热处理，470℃保温4h后水淬；
(5)对挤压带板进行预拉伸，预拉伸量1％；
(6)对淬火预拉伸态带板进行峰值时效热处理，时效制度为120℃/30h。
对比例4
一种7xxx系铝合金，其组分及重量百分比为：Zn7％，Mg2％，Cu 1.5％，Zr 0.12％，Ti 0.02％，Fe 0.4％，Si 0.04％，Cr 0.2％，Mn 0.08％，其余为Al，Zn+Mg+Cu＝10.5％，Zn/Mg＝3.5，Cu/Mg＝0.75。
上述铝合金的加工方法包括以下步骤：
(1)采用铝锭添加中间合金在熔炼炉中熔炼，采用半连续铸造得到大规格φ410mm铸锭；
(2)对铸锭进行均匀化热处理，从室温以50℃/h的升温速率慢速升温至400℃保温10h后，以5℃/h的升温速率，升温至475℃保温48h，以20℃/h冷却速度进行冷却；
(3)将铸锭进行车皮，锯切后，在感应炉中进行挤压前加热，铸锭加热温度为430℃。对材料进行挤压，挤压温度410℃，挤压出口速度0.5mm/s；挤压至φ125mm规格棒材，挤压出口温度385℃，挤压比＝10.7；
(4)对挤压棒材进行固溶处理，475℃保温8h后水淬；
(5)对淬火态棒材进行预拉伸，预拉伸量1.5％；
(6)对淬火预拉伸态棒材进行时效热处理，时效制度为120℃/24h。
表1为本发明合金和对比合金时效态的性能指标和相应的显微组织定量分析结果。
表1实施例和对比例合金的性能对比
如表1所示，本发明通过合金成分优化和合理控制加工工艺制度，可使材料获得较高的力学性能的同时具备好高的电导率，兼顾良好的应力腐蚀性能。并且本实施例终态组织均为纤维变形组织，如图1所示。图2为实施例7和对比例1均匀化退火态显微组织对比，可以看出，添加稀土Er元素有利于Al3(Zr,Er)相弥散均匀析出，晶界无析出带较窄。而传统合金如对比例1合金，其晶界附近有明显的无析出带间距，析出的弥散相不够均匀，这不利于材料的韧性。
合适的Zn/Mg比有利于改善7xxx系合金的力学性能，对比例1中，Mg含量较低，Zn/Mg＝5.1，过高的Zn/Mg下，材料的强度反而没有得到提升。对比例3中Mg含量较高，达到3.5％，尽管其强度较高，但是电导率明显下降。这主要是由于7xxx系合金中主强化相为η’相，析出相中Zn/Mg原子比为1-2，较低的Mg含量或者较高的Mg含量都不利于合金的综合性能。
Zr、Er两者物理、化学性质相近，复合添加至铝合金会相互替代形成L12结构的Al3(ZrxEr1-x)复合粒子。在适当温度保温一段时间后，扩散速率较快的Er率先脱溶，析出Al3Er粒子，促进扩散速率较慢的Zr富集在Al3Er粒子的外层，形成大量弥散分布的、与基体共格的、L12结构的、纳米级的球状Al3(Er,Zr)复合粒子，同时抑制Al3Er粒子粗化，能钉扎晶界，抑制晶粒发生再结晶，同时也能改善材料的耐腐蚀性能。但是过量的Er元素添加不利于材料的韧性。对比例2中Er增加至0.35％，此次在合金铸态组织中会有大量的一次析出的粗大Al3Er相析出于组织中，并遗留到最终材料组织中，不利于材料的韧性。
本发明综合考虑合金成分对组织和强度、韧性和腐蚀性能的综合匹配影响。通过优化调整主合金元素成分Zn+Mg+Cu总量，同时控制Zn/Mg比和Cu/Mg比，促进基体中Zn、Mg和Cu元素最大程度以析出相形式存在于基体中；同时适当添加Ti、Mn、Cr等微量元素，充分发挥固溶强化、析出强化、晶粒细化等复合强化作用。通过成分控制，优化调整显微组织中析出相的组成，在保证材料强度的同时，兼顾其韧性尤其是耐腐蚀性能。添加了微量的稀土Er元素，协调Er、Zr微合金化的特点，促进Al3(Zr,Er)相的细小弥散析出，降低晶界无析出带间距的同时，如图2所示，有效提高了Al3(Zr,Er)相的析出数密度，最终有效提高了合金抗腐蚀性能和韧性。本发明在工艺上采用了慢速升温多级均热处理+快速冷却工艺，促进预先形核相Al3Er相在慢速升温过程中析出，作为预制形核点促进弥散相Al3(Zr,Er)相的均匀弥散析出，有效缩小了晶界无析出带间距，对于提高合金韧性改善应力腐蚀性能有积极意义能耗。本发明在工艺上合理选择高温固溶加热和较快冷却速率，有效提高了材料最终显微组织的纯净度，抑制淬火过程中第二相的析出。同时优化匹配合适的预拉伸和双级时效工艺，使得合金晶内相和晶界相得到良好匹配，最终保证棒材、带板的强度、韧性和耐腐蚀性能的综合匹配。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高强韧耐蚀的7xxx系铝合金的加工方法，所述铝合金的组分及重量百分比为：Zn 8.8-10%，Mg 2.0-3.0%，Cu 1.0-2.5%，Zr 0.05～0.2％，Ti 0.01-0.15%， Mn≤0.1%，0.05≤Fe≤0.2%，0.03≤Si≤0.1%，其他杂质元素含量总量≤0.15%，其余为Al；其中12%≤Zn+Mg+Cu≤15.5%，3≤Zn/Mg<4，0.3≤Cu/Mg≤1；其特征在于，所述铝合金的制备方法包括以下步骤：
步骤（1）：按照上述组分及质量百分比进行配料、熔炼，熔炼后采用半连续铸造获得铸锭；
步骤（2）：将步骤（1）得到的铸锭进行多级均匀化处理，所述多级均匀化处理工艺为：将铸锭从室温以10-50℃/h升温至250-450℃，保温5-10h；再以1~30℃/h升温至465~480℃，保温10-60h，之后进行冷却，冷却速率为≥30℃/h；
或所述多级均匀化处理工艺为：将铸锭从室温以10-50℃/h升温至250-320℃，保温1-10h；再以1~50℃/h升温至350-450℃，保温5-10h；再以1~30℃/h升温至465~480℃，保温10-60h，之后进行冷却，冷却速率为≥30℃/h；
步骤（3）：将步骤（2）得到的铸锭进行挤压得到棒材；
步骤（4）：将挤压后的棒材进行固溶处理，固溶温度为468-480℃，保温时间0.5-20h；之后水淬；
步骤（5）：将固溶处理后的棒材进行预拉伸和时效热处理。
2.根据权利要求1所述的高强韧耐蚀7xxx系铝合金的加工方法，其特征在于，所述铝合金还包括重量百分比为0.05～0.2％的Er。
3.根据权利要求1或2所述的高强韧耐蚀7xxx系铝合金的加工方法，其特征在于，所述步骤（3）中的挤压温度为400-450℃；挤压出口速度为0.1-4mm/s；挤压出口温度为350-430℃，挤压比为≥8。
4.根据权利要求1或2所述的高强韧耐蚀7xxx系铝合金的加工方法，其特征在于，所述步骤（3）中的挤压温度为400-440℃；挤压出口速度为0.1-1mm/s，挤压出口温度为380-430℃。
5.根据权利要求1或2所述的高强韧耐蚀7xxx系铝合金的加工方法，其特征在于，所述步骤（4）中的固溶温度为468-475℃，保温时间为0.5-10h。
6.根据权利要求1或2所述的高强韧耐蚀7xxx系铝合金的加工方法，其特征在于，所述步骤（5）的时效温度为105-120℃，保温时间为16-36h。
7.根据权利要求1或2所述的高强韧耐蚀7xxx系铝合金的加工方法，其特征在于，所述步骤（5）中的预拉伸量为0.5-3%。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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