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中国变形铝合金新进展(上)

中国有色金属报2020/01/07 11:02:06

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铝道网变形铝合金在铝产业中占据着举足轻重的地位,近年来,随着铝产业技术的发展,我国变形铝合金产业实现了前所未有的进步,推动了铝及铝合金应用领域逐步拓宽。

西安交通大学的

抗蠕变铝--钪系合金

西安交通大学金属材料强度重点实验室高一涵博士、杨冲博士与青年教师张金钰在刘刚和孙军教授的指导下,与美国约翰霍普金斯大学马恩教授、重庆大学曹玲飞教授合作,在新型抗高温蠕变AI-Cu系合金研发方面取得了突破性进展。

在AI-Cu合金中可形成有时效强化作用的AI2Cu相,加入少量的(<0.4%)钪后可形成新的AI3Sc相,它不但有更强的时效强化作用,而且有异常的且非常强烈的晶粒细化作用,不过它们的时效工艺本来是不相同的,但研究者通过工艺处理,使两个强化相粒子和谐共存,取长补短,使普通的AI-Cu合金不再普通,面貌焕然一新,具有超常的抗高温蠕变性能:在300℃以>30N/mm2外加应力的苛刻蠕变条件下,可安全工作350小时以上;如果外加应力<20N/mm2,则安全蠕变时间可长于2000小时。其蠕变寿命比传统2xxx系合金、6xxx系、7xxx系、4xxx系、AI-Sc合金、AI2O3或Sic粒子增强的铝合金复合材料的长2~3个数量级。

新型AI-Cu-Sc合金为什么会有这么强的抗蠕变性能呢?研究者巧妙地采用纳米第二相颗粒界面原子偏聚的显微组 织设计思想,通过在原子层次解析不同溶质原子之间的交互作用,借相关的热力学/动力学分析,通过常规的AI-Cu合金并借助Sc的微合金化作用,在不同寻常的热处理工艺下,使Sc原子高浓度地偏聚于AI2Cu强化相质点的界面,将它们包围起来,显著地抑制了它们在高温下的粗化长大,延长了蠕变寿命。

高一涵团队研制的生产含钪AI-Cu系材料的工艺对提高传统航空铝合金的高温性能有着重要意义,可创造出一批在250℃以上长期工作的AI-Cu-Mg-Sc合金,可为航空航天工业的新发展作出更大贡献,为中国大飞机的制造提供高性能铝材。合金成分虽未公布,但笔者认为,Cu含量会<5%,Sc含量会<0.4%。

有研科技集团公司的

高强高韧—低淬火敏感性铝合金

北京有色金属研究总院旗下的有研科技集团有限公司以熊柏青为首的研究团队发明的AI-Zn-Mg-Cu系高强高韧—低淬火敏感性铝合金至2018年6月12日已获得美国专利授权,至此,专利授权国家达12个,分别为:中国、美国、法国、英国、加拿大、德国、挪威、澳大利亚、意大利、西班牙、奥地利、日本。笔者认为,还可以申请巴西专利,因为巴西也是主要的航空器制造国。

这个新型铝合金的面世,创造了中国铝合金发展史上诸多首 个——是中国首 个有完自主知识产权的结构铝合金、是中国首 个AI-Zn-Mg-Cu系高强高韧—低淬火敏感性航空航天铝合金、是中国首 个获得国际发明专利大范围授权的航空航天器结构铝合金、是中国首 个超大厚度锻件在军民飞机上大规模应用的合金,2016年~2018年,中铝西南铝业(集团)有限责任公司向航空器制造企业提供此种合金产品近1000吨,受到用户的普遍赞誉。

合金成分

熊柏青等发明的高强高韧—低淬火敏感性AI-Zn-Mg-Cu系合金的化学成分(质量%):Zn6.7~8.7,Mg1.1~2.3,Cu0.5~1.9,Zr0.03~0.20;同时需要满足,10.5≤(Zn+Mg+Cu)≤11.0,5.3≤(Zn/Mg+Cu)≤6.0,(0.24-D/4800)≤(Zr+Mn+Sc+Er+Hf)≤(0.24-D/5000),其中D为半连续铸锭直径或方形锭厚度,250mm≤D≤1000mm。所述合金的优选成分(质量%):Zn7.5~8.4,Mg1.65~1.8,Cu0.7~1.5,Zr0.03~0.20,同时满足:10.6≤(Zn+Mg+Cu)≤10.8,5.5≤(Zn/Mg+Cu)≤5.7。

对新合金可进一步添加微合金化元素Mn、Sc、Er、Hf等,但不论是单个添加还是加入2个或2个以上均需满足(0.24-D/4800)wt%≤(Zr+Mn+Sc+Er+Hf)wt%≤(0.24-D/5000)wt%,其中D为半连续铸造圆锭直径或轧制用方锭的厚度,250mm≤D≤1000mm。

发明者对新合金的杂质Si、Fe等的含量根据产品的不同作3种限制:

首先,在制造半成品及铸造产品时,作为杂质及随晶粒细化剂混入的元素,合金中Fe≤0.50wt%、Si≤0.50wt%、Ti≤0.10wt%,其他杂质元素每个≤0.08wt%、总和≤0.25wt%。

第二类,在加工制造结构件半成品时,作为杂质及随晶粒细化剂带入的元素,合金中应Si≤0.10wt%、Fe≤0.12wt%、Ti≤0.06wt%,其他杂质元素每种≤0.05wt%、总≤0.15wt%。

第三类为要求有超高强度与韧性的产品,作为杂质及随晶粒细化剂带入的元素,所述合金中应Si≤0.03wt%、Fe≤0.05wt%、Ti≤0.04wt%,其他杂质元素每种≤0.03wt%,总计≤0.10wt%。

在制造结构件的上述合金中,应Cuwt%≤Mgwt%;若制品厚度或其局部厚度>250mm,合金的Cu含量≤1.40wt%。

另外,在专利陈述中,对合金产品(板材挤压材、锻件、铸件)种类与成分的关系都作了说明。

合金的热处理

所发明的新合金必须进行严格的热处理方能达到所要求的性能,铸锭可进行单级或多级均匀化处理,单级均匀退火制度(450℃~480℃)/(1h~48h),2级或3级均匀化退火制度(420℃~490℃)/总时间(1h~48h)。然后对均匀化退火后的锭进行锯切,对锭坯热加工(轧制、挤压、锻造),加工前进行预加热,预加热制度(380℃~450℃)/(1h~6h)。若进行自由锻-轧制组合工艺加工,预加热制度也相同。

半成品的人工时效:T6峰值时效制度(110℃~125℃)/(8h~36h);T7双级时效制度,第 一级(110℃~115℃)/(6h~15h),第二级(155℃~160℃)/(6h~24h),三级时效制度,第 一级(105℃~125℃)/(1h~24h),第二级(170℃~200℃)/(0.5h~8h),第三级(105℃~125℃)/(1h~36h)。

合金的性能

工业化生产的220mm自由锻件的合金成分(质量%):Zn7.63,Mg1.79,Cu1.38,Zr0.11,主要杂质Fe0.06、Si0.05、Ti0.023;锭坯在(420℃±10℃)预热6小时后,三次多方自由锻造成2310mm(长)x1000mm(宽)x220mm(厚)的方形件,在室温水中淬火后,进行总变形量为1%~3%的冷预压缩,以消除残余应力,热处理后测试各项性能。

锻压-轧制法生产的152mm厚板的锭坯于420℃±10℃加热后进行三次多方向自由锻成2950mm(长)x1000mm(宽)x360m(厚)的锻坯,在410℃±10℃加热3小时后轧成6980mm(长)x1000mm(宽)x152mm(厚)板,固溶处理与室温水喷淋淬火后,进行总变形量为1%~3%预拉伸以消除残余应力,*后进行T76、T74、T73人工时效。

厚30mm的新合金板材的合金成分(质量%):Zn7.52,Mg1.78,Cu1.47,Zr0.19,主要杂质含量,Fe0.06、Si0.05、T0.02。半连续扁锭尺寸1100mm(宽)x270mm(厚),经(465℃±5℃)/24h+(475℃±3℃)/24h均匀化退火与空气中缓冷,再经锯切、铣面获得1500(长)x1100mm(宽)x250mm(厚)的锭坯,在(420℃±10℃)/4h预热后轧成12500mm(长)x1000mm(宽)x30mm(厚)板材,经固溶处理、室温水喷淋淬火与施加1%~3%的预拉伸变形消除残余应力后进行人工时效处理。

从成分上来看,中国合金的铜含量略低一点点,平均含量仅比美国7050、7055合金的低0.1个百分点;中国合金的平均锌含量与美国7050合金的相等,比7055、7095、7099合金的低一些,但比7085合金的(7.5%)高0.2个百分点;中国合金的平均镁含量为1.7%,与美国7095合金的相等,比美国7085合金的高0.2个百分点,但比美国7050、7055、7099合金的低。

在性能方面,中国合金显示出的综合力学性能,*好的强韧性。它的屈服强度(TYS)—伸长率(EL)—断裂韧性(KIC)匹配得比目前任何一个高强韧合金的都更佳,即在屈服强度大体相当时,中国合金具有极为明显的伸长率与断裂韧性优势,是一种的航空航天器结构铝合金,表明中国在向世界先进铝合金研发强国前进的征程上又迈出了有重要意义的一步。

借写此文的机会,顺便解释一下高强韧与低淬火敏感性的涵义。因为有人问过,如下解释为训,笔者的体会是:首先它应属2xxx系或7xxx系合金,是用于制造受力结构或打造强力结构件的;它的杂质含量低,至少比2024合金或7075合金低60%以上甚至低90%,否则就没有进入高强韧与低淬火敏感性合金行列的资格,杂质锰的含量也应尽可能的低,必须低于0.10%,*好低于0.05%。(王祝堂)

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