技术领域
[0001] 本
发明属于
铝合金材料技术领域，具体涉及一种高强高断裂韧性铝合金。
背景技术
[0002] 铝合金材料以其比强度高、材料性能稳定、
焊接性良好、耐受环境范围宽等特点，被广泛用于航空航天领域，如飞机蒙皮，桁条，
襟翼等零部件，以及火箭舱体，
燃料储箱，上面级，大型载人密封舱等结构。随着空间碎片的持续增多，太空环境持续恶化，
航天器面临的被碰撞几率大幅增加，因此对材料的服役安全性提出了越来越高的要求。其中断裂韧性是评价裂纹萌生和扩展能
力的关键因素，在安全性考核中占据了重要的地位。但是目前国内外常用铝合金的断裂韧性往往很低，如表1所示。传统的7XXX系和2XXX系铝合金的断裂韧性都只有30 MPa·m1/2左右，远远不能满足日益恶劣的太空环境对服役安全的要求。因此，在考虑传统的高强度高韧性铝合金以外，还需开发同时具备良好断裂韧性的铝合金，即具有高综合性能的铝合金。
[0003] 表1 国内外常见航空航天用铝合金的断裂韧性
[0004]
[0005] 通常来说，断裂韧性随着材料的强度提升而下降。如图1“材料的断裂韧性与
屈服强度之间的关系”所示，对于
钢、
钛、铝、镁等金属及其合金而言，随着屈服强度的升高，断裂韧性都呈现下降趋势，因此，如何同时提高合金的强度、塑性和断裂韧性是目前研究的一个难点。对断裂韧性来说，它的影响因素主要包括杂质含量，第二相尺寸与分布，固溶元素的含量，再结晶的程度等等。其中最主要的是形成细小弥散的且与铝基体共格的第二相，被认为是开发高综合性能铝合金的最有效手段。
[0006] 钪作为重要的稀土元素和过渡区元素，具有很高的熔点和沸点。钪（Sc）是迄今为止发现的对铝合金晶粒细化效果最好的元素，在铝合金中添加微量（千分之几）的Sc就能够显著地提高合金的性能。例如，与其他高强度铝合金相比，铝钪合金的机械强度可增加20％～50％，这是由于Sc元素的添加形成了大量弥散分布的初生A13Sc质点，为结晶提供了核心，而且A13Sc质点为L12
晶体结构，与基体铝只有约1.5％的错配度，在基体中的
密度较高，因此在共晶
温度以下，初生A13Sc质点是α-Al的择优形核场所，是有效的非均质晶核，能够显著减小晶粒尺寸，形成极佳的细晶结构，在铸态状态下晶粒细化现象十分显著。所以，加入通过加入钪形成与基体铝基本共格的A13Sc，是开发高综合性能铝合金的最佳选择。其中，铝镁钪合金的焊接性能优异，热开裂现象减少，同时塑性、耐久性、成型率都有不同程度的提高，在高温区依然保持超塑性。尤其是对于铝镁合金而言，微量钪元素的添加(约为0.3％)对于细化铸态铝镁合金的晶粒效果显著，在提高强度、韧性、硬度、抗裂纹扩展能力以及其他机械性能的同时，还可以提高合金的热
稳定性和可焊性。
[0007] 因此，在俄罗斯、美国、法国等发达国家，铝镁钪合金已经用于航空航天领域的荷重结构件和抗
中子辐照损伤的热
核反应堆部件，特别是俄罗斯已经开发了01515，01523，01535，01545，01570等一系列牌号的铝镁钪合金，应用于航天器贮箱、热交换机、仪
表盘、仪表舱的承力件(梁和
支架)等。法国空中客车公司已开发了AA5024 H116铝镁钪合金（Sc：
0.1%-0.4%），具备中高强度，高损伤容限性，是非常有潜力的
机身蒙皮材料，可用来替代传统2xxx系铝合金，已将其列入公司的AIMS03-01-055 材料采购书中。我国虽然是钪元素的资源大国，在内蒙古白
云鄂博、四川攀枝花等地都有丰富的含钪矿产。但是我国对于铝镁钪合金的研发还处于起步阶段，仅有上海交通大学，中南大学，吉林大学，东北轻合金有限责任公司，西南铝业等少数单位对铝钪合金的开发进行了探索研究。表2是现有铝镁钪合金的性能总结。
[0008] 表2 现有铝镁钪合金的性能对比
[0009]
[0010] 总体而言，国内外对于铝镁钪合金体系的探索还并不十分成熟，无法满足现有航空航天对于材料高综合性能的要求。因此充分发挥我国的资源优势，研发高性能的铝镁钪合金刻不容缓，该合金的研发成功必将提升我国航空航天材料
水平，推进航空航天事业的高速发展。
发明内容
[0011] 为解决
现有技术存在的问题，本发明提供了一种高强度高断裂韧性的铝合金及其制备方法。
[0012] 具体的，采用的技术方案为：
[0013] 一种高强高断裂韧性铝合金，包括以下
质量百分含量的成分：Sc0.2-1%，Zn3-6%，Mg1-2%，Zr0.5-1%，Fe<0.1%，余量为铝及不可避免的杂质。
[0014] 进一步的，为了将合金中的Fe含量控制在0.1%以下，添加的
合金元素除Zn、Mg、Sc、Zr外，还应当加入0.5-1%的Mn。
[0015] 本发明中Fe为杂质元素，Sc 、Zn、Mg、Zr、Mn是需要添加的合金元素。
[0016] 本发明所述铝合金的性能可以达到：屈服强度>500MPa，
抗拉强度>530MPa，拉伸>1/2
7%，断裂韧性≥50MPa·m 。
[0017] 本发明的铝合金制备基本要求为：①严格控制Sc的含量在0.2-1%之间；②降低杂质元素的含量，加Mn元素使Fe<0.1%，也可以采用其他方法降低杂质元素的含量；③采用分段
热处理的方式提高铸件的强度和断裂韧性，如120-125℃时效16h，然后提高到160℃时效20-30min，最后在120-125℃时效16h。
[0018] 本发明可以如下方法制备：
[0019] 1）按配比计算所需中间合金的质量，进行备料。合金元素Zn、Mg、Sc、Mn以中间合金的形式添加，Zr以纯Zr或Al-Zr合金的形式添加。
[0020] 熔炼炉需要清理干净，避免残留的合金影响合金的性能。
[0021] 2）铝锭表面清洗干净后，将铝锭放入熔炼炉（井式炉）
坩埚内进行熔炼，熔炼温度为690-710℃。
[0022] 3）待铝液温度达到700℃时，将烘干后的Al-Zn中间合金、Al-Mg合金加入到铝液中；
[0023] 铝液升温至750℃，将Al-Sc中间合金、Zr或Al-Zr中间合金、Al-Mn中间合金一起加入到铝液中，保温，保温时间以能使加入的原料全部
熔化为准，如可以保温15-20min。
[0024] 4）原料全部熔化后，依次经精炼、拔渣、变质处理、拔渣、浇注，得到铝合金铸件。
[0025] 进一步的，精炼步骤在铝液温度750℃条件下，使用铝合金专用精炼剂进行。精炼过程中用精炼勺上下搅拌一定时间使合金精炼充分。精炼后降温至730℃保温、静置5分钟，使夹杂物充分的上浮或者下沉，然后进行拔渣。精炼剂的种类和用量的选择为本领域常规技术手段，并不成为对本发明的限制。
[0026] 进一步的，精炼后的铝液在730℃时进行变质处理，加入Al-5Ti-B和Al-Sr进行变质，搅拌充分后静置10分钟。静置后拔渣，去除表面
氧化皮和底部杂质。变质剂的用量为本领域常规技术手段，并不成为对本发明的限制。
[0027] 将精炼、变质后的铝液温度降至700℃准备浇注。可以采用金属型重力浇注工艺，浇注模具在烘箱中升温至200℃，用料勺将铝液加入到模具之中，模具冷却后，铸件取出，检测力学性能。
[0028] 本发明具有如下有益效果：本发明通过严格控制Sc元素的含量在0.2-1%，将A13Sc质点的粒径控制在特定范围内，并且与其他合金元素进行配合，实现了有效的提升铝合金断裂韧性的同时，将铝合金的强度也保持在500MPa以上。
附图说明
[0029] 图1为材料的断裂韧性与屈服强度之间的关系。
具体实施方式
[0030] 下面的
实施例可以使本领域技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
[0031] 实施例1
[0032] 一种高强高断裂韧性铝合金，包括以下质量百分含量的成分：Sc0.5%，Zn5%，Mg2%，Zr0.5%，Fe0.085%，余量为铝及不可避免的杂质。
[0033] 其断裂韧性为51 MPa·m1/2。
[0034] 其不同状态下的力学性能如表3所示，
[0035] 表3 实施例1的铝合金不同状态下的力学性能
[0036]
[0037] 实施例2
[0038] 一种高强高断裂韧性铝合金，包括以下质量百分含量的成分：Sc0.5%，Zn3%，Mg1.5%，Zr0.5%，Mn0.8%，Fe0.087%，余量为铝及不可避免的杂质。
[0039] 实施例3
[0040] 一种高强高断裂韧性铝合金，包括以下质量百分含量的成分：Sc0.8%，Zn5%，Mg2%，Zr0.8%，Mn0.7%，Fe0.082%，余量为铝及不可避免的杂质。
[0041] 实施例4
[0042] 一种高强高断裂韧性铝合金，包括以下质量百分含量的成分：Sc0.2%，Zn4%，Mg1.2%，Zr0.6%，Fe0.094%，余量为铝及不可避免的杂质。
[0043] 实施例5
[0044] 一种高强高断裂韧性铝合金，包括以下质量百分含量的成分：Sc0.4%，Zn3%，Mg1.4%，Zr0.7%，Fe0.083%，余量为铝及不可避免的杂质。
[0045] 实施例6
[0046] 一种高强高断裂韧性铝合金，包括以下质量百分含量的成分：Sc0.6%，Zn4.7%，Mg1.8%，Zr0.6%，Fe0.088%，余量为铝及不可避免的杂质。
[0047] 实施例7
[0048] 一种高强高断裂韧性铝合金，包括以下质量百分含量的成分：Sc0.7%，Zn5.2%，Mg1.6%，Zr1%，Fe0.091%，余量为铝及不可避免的杂质。
[0049] 实施例8
[0050] 一种高强高断裂韧性铝合金，包括以下质量百分含量的成分：Sc0.8%，Zn6%，Mg1%，Zr0.9%，Fe0.073%，余量为铝及不可避免的杂质。
[0051] 实施例9
[0052] 一种高强高断裂韧性铝合金，包括以下质量百分含量的成分：Sc1%，Zn4.5%，Mg1.5%，Zr0.5%，Fe0.088%，余量为铝及不可避免的杂质。
[0053] 实施例10
[0054] 一种高强高断裂韧性铝合金，包括以下质量百分含量的成分：Sc0.6%，Zn4%，Mg1.5%，Zr1%，Mn0.6%，Fe0.093%，余量为铝及不可避免的杂质。
[0055] 实施例11
[0056] 一种高强高断裂韧性铝合金，包括以下质量百分含量的成分：Sc0.3%，Zn5%，Mg2%，Zr0.5%，Mn0.5%，Fe0.075%，余量为铝及不可避免的杂质。
[0057] 实施例12
[0058] 一种高强高断裂韧性铝合金，包括以下质量百分含量的成分：Sc0.7%，Zn4.2%，Mg1%，Zr0.8%，Mn1%，Fe0.077%，余量为铝及不可避免的杂质。
[0059] 上述实施例所述的铝合金的制备方法为：
[0060] 1）按配比计算所需中间合金或纯元素金属的质量，进行备料，并将井式炉炼炉清理干净。合金元素中，Zn、Mg、Sc、Mn以中间合金的形式添加，Zr以纯Zr或Al-Zr合金的形式添加；
[0061] 2）铝锭表面清洗干净后，将铝锭放入井式炉坩埚内进行熔炼，熔炼温度为690-710℃；
[0062] 3）待铝液温度达到700℃时，将烘干后的Al-Zn中间合金、Al-Mg合金加入到铝液中；
[0063] 铝液升温至750℃，将Al-Sc中间合金、Zr或Al-Zr中间合金、Al-Mn中间合金一起加入到铝液中，保温15min，使加入的中间合金全部熔化；
[0064] 4）原料全部熔化后，依次经精炼、拔渣、变质处理、拔渣、浇注，得到铝合金铸件。
[0065] 铝液温度达到750℃时，开始加入铝合金专用精炼剂进行精炼，精炼过程中用精炼勺上下搅拌5分钟至合金精炼充分。精炼降温至730℃保温、静置5分钟，使夹杂物充分的上浮或者下沉，然后进行拔渣。
[0066] 铝液温度730℃时进行变质处理，加入Al-5Ti-B和Al-Sr进行变质，搅拌充分后静置10分钟。静置后拔渣，去除表面氧化皮和底部杂质。
[0067] 将精炼、变质后的铝液温度降至700℃准备浇注，采用金属型重力浇注工艺，浇注模具在烘箱中升温至200℃，用料勺将铝液加入到模具之中，模具冷却后，铸件取出后处理：120℃时效16h，然后提高到160℃时效20min，最后在120℃时效16h。
[0068] 对上述实施例1-12的铸件力学性能进行检测，指标为20℃下的断裂韧性，
挤压态T6的屈服强度、抗拉强度和延伸率。具体见表4。
[0069] 表4 实施例1-12的铝合金铸件力学性能
[0070]
[0071] 本领域技术人员应理解，以上实施例特别是助剂的混合配比，仅是示例性实施例，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、替换以及改变。
