CN103981408A - 一种高强可焊Al-Zn-Mg-Mn-Sc合金及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用微量钪合金化的Al-Zn-Mg-Mn-Sc合金及制备方法，合金的质量百分成分为：Zn5.2-5.6，Mg1.8-2.2，Mn0.2-0.4，Sc0.26-0.38，余量为Al。制备本发明铝合金的方法是在传统Al-Zn-Mg-Mn合金熔炼过程中加入Al-Sc中间合金。本发明组分配比合理,加工制备工艺简单，通过Sc元素的微合金化作用，显著细化Al-Zn-Mg-Mn合金的晶粒，提高合金的强度；同时合金在焊接过程中从基体中析出细小均匀弥散的Al3Sc质点，强烈钉扎位错和亚晶界，改善合金的焊接性能，大大提高合金的焊接强度系数，本发明合金可作为航天结构材料。
Description
技术领域
本发明属铝基合金技术领域，特别是涉及一种Al-Zn-Mg-Mn-Sc合金及其制备方法。
背景技术
铝锌镁锰合金具有较高的强度、良好的可焊性、比重小等特点，在航天领域得到了广泛的应用。我国航天领域承受高载荷的结构件，如新一代运载器的弹体支架和框架、轨姿控发动机的热控罩、卫星和飞船结构的金属密封舱体等均采用Al-(5.2～5.6)Zn-(1.8～2.2)Mg-(0.2～0.4)Mn合金。
在长期的应用实践中，航天用户反映铝锌镁锰合金的最大不足在于：①强度较低，合金板材的最大抗拉强度在500MPa左右，已无法满足新一代航天飞行器的高载荷和轻质化的要求；②焊接易软化，使靠近焊缝的热影响区成为结构最薄弱环节，需要对焊接构件进行结构补强，焊接软化还造成了较大的焊接变形，影响焊接结构的尺寸稳定性。为此，国内外进行了深入的探索，试图寻找一种行之有效的同时改善该合金强度和焊接性的方法。目前广泛采用的方法是采用过渡族金属Zr、Cr和/或稀土元素Ce、La、Yb等进行微合金化，但改善该合金强度和焊接性的效果不明显，难以满足航天用户的需求。
发明内容
本发明的目的在于克服传统铝锌镁锰系合金强度较低和焊接易软化等不足，提供一种采用Sc微合金化的Al-Zn-Mg-Mn-Sc合金，对Al-Zn-Mg-Mn合金基体起到显著的强化作用，同时获得优良的焊接性能，从而扩大了铝锌镁锰系合金的应用范围。
本发明的主要内容为：在Al-Zn-Mg-Mn系合金的基础上，加入微量的Sc，通过Sc的微合金化强韧化技术来改善合金的性能。本发明所提供的合金成分(质量百分比，%)范围为：Zn5.2-5.6，Mg1.8-2.2，Mn0.2-0.4，Sc0.26-0.38，余量为Al。
上述Al-Zn-Mg-Mn-Sc合金的制备方法是通过如下步骤实现的：
（1）首先按合金化学组成的比例配备好原材料备用；
（2）在电阻炉中升温加热至750℃-760℃熔化纯铝，之后依次加入锰添加剂、Al-Sc中间合金、金属Zn和Mg，待完全熔化后经充分搅拌，精炼除气，扒渣静置后；降温至720℃-730℃用水冷铜模直接浇注成锭，即得到Al-Zn-Mg-Mn-Sc合金铸锭。
（3）将所得的合金铸锭于460℃-470℃均匀化处理24小时，空冷；
（4） 将经均匀化处理的合金铸锭加热至400℃-420℃保温3小时，之后热轧至6mm，空冷；再冷轧到2mm厚的薄板。
钪（Sc）既是3d型过渡族金属，又是稀土元素，在Al-Zn-Mg-Mn合金中同时具有两者的作用。合金中添加微量的Sc可与铝形成L12型共格Al3Sc粒子，初生Al3Sc粒子在合金凝固时可成为固溶体非均质成核的核心，大大细化合金的晶粒，从而达到细晶强化效果；次生Al3Sc质点在合金热处理、焊接过程中从基体中析出，强烈钉扎位错和亚晶界，抑制合金的再结晶，起到亚结构强化和直接弥散析出强化作用，同时改善合金的焊接性能，大大提高合金的焊接强度系数。
与现有技术相比，本发明的优点在于：在Al-Zn-Mg-Mn合金中采用Sc微合金化后合金的强度和抗再结晶能力同时得到提高，从而使合金具有明显的强化作用，此外合金的焊接性能也得到了大大的改善。
附图说明
图1是未含Sc的Al-5.4Zn-2.0Mg-0.3Mn合金铸态金相组织图；
图2是含0.24%Sc的Al-5.4Zn-2.0Mg-0.3Mn-0.32Sc合金铸态金相组织图；
图3是含0.24%Sc的Al-5.4Zn-2.0Mg-0.3Mn-0.32Sc合金透射电子显微组织图。
具体实施方式
下面结合实施例详细说明，而不会构成对本发明的限制。
本发明给出了四种具体的合金（成分均为质量百分比，%）作为实施例，其中
实施例1：合金成分为：Al-5.4Zn-2.0Mg-0.3Mn，不含Sc元素
实施例2：合金成分为：Al-5.4Zn-2.0Mg-0.3Mn-0.26Sc
实施例3：合金成分为：Al-5.4Zn-2.0Mg-0.3Mn-0.32Sc
实施例4：合金成分为：Al-5.4Zn-2.0Mg-0.3Mn-0.38Sc
本发明按上述四种合金成分配比，分别将其置于电阻炉中加热至750℃熔炼，之后充分搅拌，并用六氯乙烷进行除气精炼，然后静置5分钟扒渣，在温度为725℃时将合金熔体浇入水冷铜模中。合金铸锭经465℃/24h均匀化处理后切头、铣面，然后加热至420℃保温3小时，热轧24mm厚铸锭至6mm厚板，空冷之后冷轧至2.0mm厚薄板。
合金力学性能测试采用标准拉伸试样并按标准拉伸试验方法进行，数据取三次试验平均值。拉伸试验前合金冷轧薄板在箱式电阻炉中进行470℃/1h固溶处理，水淬，之后在鼓风干燥箱中进行120℃/24h时效处理。合金的室温拉伸力学性能和氩弧焊焊接接头强度系数见表1。
表1中本发明合金Al-Zn-Mg-Mn-Sc（实施例2-4）的性能与未加Sc的合金Al-Zn-Mg-Mn（实施例1）进行了比较。由表1可以看出，在Al-5.4Zn-2.0Mg-0.3Mn合金中添加0.26-0.38%Sc，合金的强度和焊接接头强度系数明显高于不含Sc的合金。且随Sc含量的增加，合金的强度和焊接接头强度系数也随之提高。其添加0.32%Sc的合金较未加Sc的合金抗拉强度、屈服强度和氩弧焊焊接接头强度系数分别提高55MPa、 83MPa和0.21。
表1 合金的室温拉伸力学性能和焊接接头强度系数k
| 合金 | 抗拉强度σb ,MPa | 屈服强度σ0.2,MPa | 伸长率δ,% | 焊接接头强度系数k |
| 实施例1 | 503 | 450 | 20.1 | 0.66 |
| 实施例2 | 537 | 506 | 15.3 | 0.83 |
| 实施例3 | 558 | 533 | 14.8 | 0.87 |
| 实施例4 | 571 | 549 | 13.7 | 0.89 |
Claims (4)
1.一种Al-Zn-Mg-Mn-Sc合金， 其特征在于合金质量百分比组分组成是：Zn5.2-5.6，Mg1.8-2.2，Mn0.2-0.4,Sc0.26-0.38，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的Al-Zn-Mg-Mn-Sc合金，其特征在于：所述 Sc的质量百分比为0.30-0.34%。
3.根据权利要求1所述的Al-Zn-Mg-Mn-Sc合金，其特征在于：所述 Sc的质量百分比为0.32%-0.34%。
4.一种制备权利要求1所述合金薄板的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）按各组分的质量百分比进行配料，其中Al、Zn、Mg元素以纯金属形式加入， Mn元素以锰添加剂的形式加入,Sc元素Al-2%Sc中间合金的形式加入；
（2）将步骤（1）所配制的原料加热至750℃-760℃完全熔化，精炼除气、扒渣、静置后，与720℃-730℃浇注成扁锭；
（3）将步骤（2）所得的铸锭于460℃-470℃均匀化处理24小时，空冷；
（4）将步骤（3）所得铸锭加热至400℃-420℃保温3小时，之后热轧至6mm，空冷；再冷轧到2mm厚的薄板。
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