高强、高塑2XXX系铝合金及其制造方法.pdf

本发明提供一种高强、高塑2xxx系铝合金及制造方法，其成分：Cu3.8～4.6wt％，Mg?1.32～1.56wt％，Mn?0.5～0.7wt％，Ti≤0.15wt％，Zn≤0.25wt％，Cr≤0.10wt％，Si≤0.2wt％，Fe≤0.2wt％。其制法：先将铝锭加入电阻炉中，熔体温度为740～760℃时，加入AlCu50、AlMn10、AlCr5中间合金，并搅拌；待温度降至720～730℃时，加入Mg、Zn，打渣、精炼；在730～740℃时，加入Al-5Ti-B，搅拌并静置10～25分钟，浇铸成型；铸锭进行500℃×24h的均匀化退火；然后在400～490℃进行挤压；挤压材在490～500℃固溶1～2小时，然后水淬，并在室温下放置至T4状态获得板材。通过合理调整铝合金中Cu、Mg的含量，使材料具有较好的综合力学性能，是制造航空部件的理想材料。

1.  高强、高塑2xxx系铝合金，其特征在于：其成分的质量百分含量如下——
Cu    3.8～4.6wt％，
Mg    1.32～1.56wt％，且Mg＝2.7-Cu×30％，
Mn    0.5～0.7wt％，
Ti    ≤0.15wt％，
Zn    ≤0.25wt％，
Cr    ≤0.10wt％，
Si    ≤0.2wt％，
Fe    ≤0.2wt％，
其余组分为Al和不可避免的杂质。

2.  根据权利要求1所述的高强、高塑2xxx系铝合金，其特征在于：Cu的质量百分含量为4.0～4.2wt％。

3.  权利要求1所述的高强、高塑2xxx系铝合金的制造方法，其特征在于：先将铝锭加入电阻炉中，待铝锭熔化且熔体温度为740～760℃时，加入AlCu50、AlMn10、AlCr5中间合金，并搅拌；待熔体温度降至720～730℃时，加入Mg、Zn，打渣、精炼；温度在730～740℃时，加入Al-5Ti-B，搅拌并静置10～25分钟，在铸铁模中浇铸成型；铸锭进行500℃×24h的均匀化退火；然后在400～490℃进行挤压；挤压材在490～500℃固溶1～2小时，然后水淬，并在室温下放置至T4状态，获得板材。

高强、高塑2xxx系铝合金及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种铝合金，尤其涉及一种航空用高强、高塑2xxx系铝合金及其制造方法，属于有色金属技术领域。
背景技术
2xxx系铝合金由于具有中等强度、高损伤容限而被应用于飞机上对断裂韧性、抗疲劳性能有较高要求的部位，如处于拉应力状态的飞机机身蒙皮以及下翼面蒙皮。具有代表性的航空用2xxx系铝合金有：2024、2124、2324等铝合金。
为了进一步提高2xxx系铝合金的塑性、断裂韧性及疲劳性能，最直接的方法就是提高材料的纯度，即降低合金中Fe、Si杂质的含量。因为Fe、Si元素在2xxx系铝合金中所形成粗大的难溶金属间化合物Mg₂Si、Al₇CuFe等在加工过程中难以消除，往往成为应力集中源而大幅度降低材料的塑性和断裂韧性。正是因为Fe、Si元素对材料性能不利的影响，从而导致了在2024铝合金的基础上衍生出高纯度的2124、2324等铝合金以提高材料的塑性及断裂韧性。但为提高材料的塑性及断裂韧性，不能无限制的减少Fe、Si含量，因为减少Fe、Si含量将大幅度增加材料成本且可能在冶金过程中难以实现。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种高强、高塑2xxx系铝合金及其制造方法，通过成分优化，旨在保证材料强度的前提下，有效提高材料的塑性。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
高强、高塑2xxx系铝合金，特点是：其成分的质量百分含量如下——
Cu    3.8～4.6wt％，
Mg    1.32～1.56wt％，且Mg＝2.7-Cu×30％，
Mn    0.5～0.7wt％，
Ti    ≤0.15wt％，
Zn    ≤0.25wt％，
Cr    ≤0.10wt％，
Si    ≤0.2wt％，
Fe    ≤0.2wt％，
其余组分为Al和不可避免的杂质。
进一步地，上述的高强、高塑2xxx系铝合金，Cu的质量百分含量为4.0～4.2wt％。
更进一步地，上述的高强、高塑2xxx系铝合金的制造方法，特点是：先将铝锭加入电阻炉中，待铝锭熔化且熔体温度为740～760℃时，加入AlCu50、AlMn10、AlCr5中间合金，并搅拌；待熔体温度降至720～730℃时，加入Mg、Zn，打渣、精炼；温度在730～740℃时，加入Al-5Ti-B，搅拌并静置10～25分钟，在铸铁模中浇铸成型；铸锭进行500℃×24h的均匀化退火；然后在400～490℃进行挤压；挤压材在490～500℃固溶1～2小时，然后水淬，并在室温下放置至T4状态，获得板材。
本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：
本发明通过合理调整铝合金中Cu、Mg的含量，在保证材料强度的基础上，控制组织中过剩相的含量，提高材料的塑性，材料获得了较好的综合力学性能，是制造航空部件的理想材料，较好满足航空业的使用要求，市场前景广阔。
具体实施方式
在Fe、Si含量一定的情况下，优化2xxx系铝合金的主合金元素Cu、Mg的含量，以减少过剩相Al₂CuMg或Al₂Cu的体积分数，是提高材料塑性及断裂韧性的一个重要途径。
Cu、Mg元素是2xxx系铝合金的主要合金元素，形成了合金的主要强化相Al₂CuMg相及Al₂Cu相。Cu/Mg比控制时效强化相的组成及强化效果。合金中Cu∶Mg质量比大于8∶1时，起强化作用的是Al₂Cu相的亚稳相。合金的Cu∶Mg在8∶1到4∶1范围时，Al₂Cu和Al₂CuMg的亚稳相同时起强化作用。在4∶1和1.5∶1之间的合金，由Al₂CuMg的亚稳相决定合金性能。2024及其衍生铝合金中Cu/Mg质量比为4∶1和1.5∶1之间，提高Al₂CuMg的含量(即提高Mg的含量或降低Cu含量)利于提高材料的强度。但Cu含量不能过低，否则不能为Al₂CuMg的形成提供足够的Cu元素；且Cu含量过低，固溶强化效果降低。同时只有在时效过程中析出的Al₂CuMg或Al₂Cu相的亚稳相才对材料起强化作用。而超过Cu/Mg元素在合金中最大固溶极限下所形成的过剩Al₂CuMg或Al₂Cu相对材料的强化作用远比其对材料塑性、断裂韧性的不利作用小得多。因此合金中Mg、Cu含量不能过高，必须控制其含量以获得较好的综合性能。
本发明高强、高塑2xxx系铝合金，其成分：Cu 3.8～4.6wt％，Mg 1.32～1.56wt％(Mg＝2.7-Cu×30％)，Mn 0.5～0.7wt％，Ti≤0.15wt％，Zn≤0.25wt％，Cr≤0.10wt％，Si≤0.2wt％，Fe≤0.2wt％，其余组分为Al和不可避免的杂质，Cu的理想含量为4.0～4.2wt％。合理优化Cu、Mg元素的含量，Mg含量在2024铝合金成分中限部分以使材料获得较好的强度，并合理调整Cu元素，保证足够的合金元素固溶强化作用；在此基础上对Mg、Cu元素含量进一步合理调整、限制，减少过剩相的含量，使得材料具有较好的塑性。经过大量的实验表明：在配料过程中Mg的质量百分含量按2.7-30％×(Cu的质量百分含量)配料时，材料可兼顾较高的强度和塑性。同时本发明也对Mn、Fe、Si含量进行了限制：Mn在0.5～0.7wt％范围内不易出现粗大化合物，影响材料性能；Fe、Si限制在0.2wt.％以下，以达到较好的性能。
本发明合金制备工艺是：按照合金成分配料，熔炼过程中，先将铝锭加入电阻炉中，待铝锭熔化且熔体温度为740～760℃时，加入AlCu50、AlMn10、AlCr5中间合金，并搅拌；待熔体温度降至720～730℃时，加入Mg、Zn，打渣、精炼；温度在730～740℃时，加入Al-5Ti-B，搅拌并静置10～25分钟，在铸铁模中浇铸成型。铸锭进行500℃×24h的均匀化退火；然后在400～490℃进行挤压；挤压材在490～500℃固溶1～2小时，然后水淬，并在室温下放置至T4状态。
以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
实施例1
铝合金成分以质量百分比计为：Cu 3.8wt％，Mg 1.56wt％，Mn 0.70wt％，Fe 0.20wt％，Si 0.12wt％，Zn 0.25wt％，Ti 0.15wt％，Cr 0.10wt％，余量为Al。
合金铸锭在循环风炉中进行均匀化热处理，在450℃进行挤压，然后进行固溶处理：493℃×1h，然后在室温放置至T4状态。
实施例2
铝合金成分以质量百分比计为：Cu 4.30wt％，Mg 1.41wt％，Mn 0.50wt％，Fe 0.15wt％，Si 0.20wt％，Zn 0.20wt％，Ti 0.13wt％，Cr 0.09wt％，余量为Al。
合金铸锭在循环风炉中进行均匀化热处理，在450℃进行挤压，然后进行固溶处理：493℃×1h，然后在室温放置至T4状态。
实施例3
铝合金成分以质量百分比计为：Cu 4.10wt％，Mg 1.47wt％，Mn 0.55wt％，Fe 0.20wt％，Si 0.12wt％，Zn 0.21wt％，Ti 0.15wt％，Cr 0.10wt％，余量为Al。
合金铸锭在循环风炉中进行均匀化热处理，在450℃进行挤压，然后进行固溶处理：493℃×1h，然后在室温放置至T4状态。
实施例4
铝合金成分以质量百分比计为：Cu 4.6wt％，Mg 1.32wt％，Mn 0.60wt％，Fe 0.20wt％，Si 0.12wt％，Zn 0.18wt％，Ti 0.15wt％，Cr 0.10wt％，余量为Al。
合金铸锭在循环风炉中进行均匀化热处理，在450℃进行挤压，然后进行固溶处理：493℃×1h，然后在室温放置至T4状态。
比较例1
铝合金成分以质量百分比计为：Cu 4.70wt％，Mg 1.60wt％，Mn 0.53wt％，Fe 0.20wt％，Si 0.12wt％，Zn 0.20wt％，Ti 0.15wt％，Cr 0.10wt％，余量为Al。
合金铸锭在循环风炉中进行均匀化热处理，在450℃进行挤压，然后进行固溶处理：493℃×1h，然后在室温放置至T4状态。
比较例2
铝合金成分以质量百分比计为：Cu 4.70wt％，Mg 1.32wt％，Mn 0.53wt％，Fe 0.20wt％，Si 0.12wt％，Zn 0.19wt％，Ti 0.15％wt％，Cr 0.10wt％，余量为Al。
合金铸锭在循环风炉中进行均匀化热处理，在450℃进行挤压，然后进行固溶处理：493℃×1h，然后在室温放置至T4状态。
表1示意了实施例及比较例中合金T4态的性能。
表1