變形鋁合金在鋁產(chǎn)業(yè)中占據(jù)著舉足輕重的地位，近年來(lái)，隨著鋁產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)變形鋁合金產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)了前所未有的進(jìn)步，推動(dòng)了鋁及鋁合金應(yīng)用領(lǐng)域逐步拓寬。

　　西安交通大學(xué)的抗蠕變鋁-銅-鈧系合金

　　西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高一涵博士、楊沖博士與青年教師張金鈺在劉剛和孫軍教授的指導(dǎo)下，與美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)馬恩教授、重慶大學(xué)曹玲飛教授合作，在新型抗高溫蠕變AI-Cu系合金研發(fā)方面取得了突破性進(jìn)展。

　　在A(yíng)I-Cu合金中可形成有時(shí)效強(qiáng)化作用的AI2Cu相，加入少量的（<0.4%）鈧后可形成新的AI3Sc相，它不但有更強(qiáng)的時(shí)效強(qiáng)化作用，而且有異常的且非常強(qiáng)烈的晶粒細(xì)化作用，不過(guò)它們的時(shí)效工藝本來(lái)是不相同的，但研究者通過(guò)工藝處理，使兩個(gè)強(qiáng)化相粒子和諧共存，取長(zhǎng)補(bǔ)短，使普通的AI-Cu合金不再普通，面貌煥然一新，具有超常的抗高溫蠕變性能：在300℃以>30N/mm2外加應(yīng)力的苛刻蠕變條件下，可安全工作350小時(shí)以上；如果外加應(yīng)力<20N/mm2，則安全蠕變時(shí)間可長(zhǎng)于2000小時(shí)。其蠕變壽命比傳統(tǒng)2xxx系合金、6xxx系、7xxx系、4xxx系、AI-Sc合金、AI2O3或Sic粒子增強(qiáng)的鋁合金復(fù)合材料的長(zhǎng)2~3個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　新型AI-Cu-Sc合金為什么會(huì)有這么強(qiáng)的抗蠕變性能呢？研究者巧妙地采用納米第二相顆粒界面原子偏聚的顯微組織設(shè)計(jì)思想，通過(guò)在原子層次解析不同溶質(zhì)原子之間的交互作用，借相關(guān)的熱力學(xué)/動(dòng)力學(xué)分析，通過(guò)常規(guī)的AI-Cu合金并借助Sc的微合金化作用，在不同尋常的熱處理工藝下，使Sc原子高濃度地偏聚于A(yíng)I2Cu強(qiáng)化相質(zhì)點(diǎn)的界面，將它們包圍起來(lái)，顯著地抑制了它們?cè)诟邷叵碌拇只L(zhǎng)大，延長(zhǎng)了蠕變壽命。

　　高一涵團(tuán)隊(duì)研制的生產(chǎn)含鈧AI-Cu系材料的工藝對(duì)提高傳統(tǒng)航空鋁合金的高溫性能有著重要意義，可創(chuàng)造出一批在250℃以上長(zhǎng)期工作的AI-Cu-Mg-Sc合金，可為航空航天工業(yè)的新發(fā)展作出更大貢獻(xiàn)，為中國(guó)大飛機(jī)的制造提供高性能鋁材。合金成分雖未公布，但筆者認(rèn)為，Cu含量會(huì)>5%，Sc含量會(huì)<0.4%。

　　有研科技集團(tuán)公司的高強(qiáng)高韌—低淬火敏感性鋁合金

　　北京有色金屬研究總院旗下的有研科技集團(tuán)有限公司以熊柏青為首的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明的AI-Zn-Mg-Cu系高強(qiáng)高韌—低淬火敏感性鋁合金至2018年6月12日已獲得美國(guó)專(zhuān)利授權(quán)，至此，專(zhuān)利授權(quán)國(guó)家達(dá)12個(gè)，分別為：中國(guó)、美國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、加拿大、德國(guó)、挪威、澳大利亞、意大利、西班牙、奧地利、日本。筆者認(rèn)為，還可以申請(qǐng)巴西專(zhuān)利，因?yàn)榘臀饕彩侵饕暮娇掌髦圃靽?guó)。

　　這個(gè)新型鋁合金的面世，創(chuàng)造了中國(guó)鋁合金發(fā)展史上諸多首個(gè)——是中國(guó)首個(gè)有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的結(jié)構(gòu)鋁合金、是中國(guó)首個(gè)AI-Zn-Mg-Cu系高強(qiáng)高韌—低淬火敏感性航空航天鋁合金、是中國(guó)首個(gè)獲得國(guó)際發(fā)明專(zhuān)利大范圍授權(quán)的航空航天器結(jié)構(gòu)鋁合金、是中國(guó)首個(gè)超大厚度鍛件在軍民飛機(jī)上大規(guī)模應(yīng)用的合金，2016年~2018年，中鋁西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司向航空器制造企業(yè)提供此種合金產(chǎn)品近1000噸，受到用戶(hù)的普遍贊譽(yù)。

　　合金成分

　　熊柏青等發(fā)明的高強(qiáng)高韌—低淬火敏感性AI-Zn-Mg-Cu系合金的化學(xué)成分（質(zhì)量%）：Zn6.7~8.7，Mg1.1~2.3，Cu0.5~1.9，Zr0.03~0.20；同時(shí)需要滿(mǎn)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為半連續(xù)鑄錠直徑或方形錠厚度，250mm≤D≤1000mm。所述合金的優(yōu)選成分（質(zhì)量%）：Zn7.5~8.4，Mg1.65~1.8，Cu0.7~1.5，Zr0.03~0.20，同時(shí)滿(mǎn)足：10.6≤（Zn+Mg+Cu）≤10.8，5.5≤（Zn/Mg+Cu）≤5.7。

　　對(duì)新合金可進(jìn)一步添加微合金化元素Mn、Sc、Er、Hf等，但不論是單個(gè)添加還是加入2個(gè)或2個(gè)以上均需滿(mǎn)足（0.24-D/4800）wt%≤（Zr+Mn+Sc+Er+Hf）wt%≤（0.24-D/5000）wt%，其中D為半連續(xù)鑄造圓錠直徑或軋制用方錠的厚度，250mm≤D≤1000mm。

　　發(fā)明者對(duì)新合金的雜質(zhì)Si、Fe等的含量根據(jù)產(chǎn)品的不同作3種限制：

　　首先，在制造半成品及鑄造產(chǎn)品時(shí)，作為雜質(zhì)及隨晶粒細(xì)化劑混入的元素，合金中Fe≤0.50wt%、Si≤0.50wt%、Ti≤0.10wt%，其他雜質(zhì)元素每個(gè)≤0.08wt%、總和≤0.25wt%。

　　第二類(lèi)，在加工制造結(jié)構(gòu)件半成品時(shí)，作為雜質(zhì)及隨晶粒細(xì)化劑帶入的元素，合金中應(yīng)Si≤0.10wt%、Fe≤0.12wt%、Ti≤0.06wt%，其他雜質(zhì)元素每種≤0.05wt%、總計(jì)≤0.15wt%。

　　第三類(lèi)為要求有超高強(qiáng)度與韌性的產(chǎn)品，作為雜質(zhì)及隨晶粒細(xì)化劑帶入的元素，所述合金中應(yīng)Si≤0.03wt%、Fe≤0.05wt%、Ti≤0.04wt%，其他雜質(zhì)元素每種≤0.03wt%，總計(jì)≤0.10wt%。

　　在制造結(jié)構(gòu)件的上述合金中，應(yīng)Cuwt%≤Mgwt%；若制品厚度或其局部厚度&gt;250mm，合金的Cu含量≤1.40wt%。

　　另外，在專(zhuān)利陳述中，對(duì)合金產(chǎn)品（板材、擠壓材、鍛件、鑄件）種類(lèi)與成分的關(guān)系都作了說(shuō)明。

　　合金的熱處理

　　所發(fā)明的新合金必須進(jìn)行嚴(yán)格的熱處理方能達(dá)到所要求的性能，鑄錠可進(jìn)行單級(jí)或多級(jí)均勻化處理，單級(jí)均勻退火制度（450℃~480℃）/（1h~48h），2級(jí)或3級(jí)均勻化退火制度（420℃~490℃）/總時(shí)間（1h~48h）。然后對(duì)均勻化退火后的錠進(jìn)行鋸切，對(duì)錠坯熱加工（軋制、擠壓、鍛造），加工前進(jìn)行預(yù)加熱，預(yù)加熱制度（380℃~450℃）/（1h~6h）。若進(jìn)行自由鍛-軋制組合工藝加工，預(yù)加熱制度也相同。

　　半成品的人工時(shí)效：T6峰值時(shí)效制度（110℃~125℃）/（8h~36h）；T7雙級(jí)時(shí)效制度，第一級(jí)（110℃~115℃）/（6h~15h），第二級(jí)（155℃~160℃）/（6h~24h），三級(jí)時(shí)效制度，第一級(jí)（105℃~125℃）/（1h~24h），第二級(jí)（170℃~200℃）/（0.5h~8h），第三級(jí)（105℃~125℃）/（1h~36h）。

　　合金的性能

　　工業(yè)化生產(chǎn)的220mm自由鍛件的合金成分（質(zhì)量%）：Zn7.63，Mg1.79，Cu1.38，Zr0.11，主要雜質(zhì)Fe0.06、Si0.05、Ti0.023；錠坯在（420℃±10℃）預(yù)熱6小時(shí)后，三次多方自由鍛造成2310mm（長(zhǎng)）x1000mm（寬）x220mm（厚）的方形件，在室溫水中淬火后，進(jìn)行總變形量為1%~3%的冷預(yù)壓縮，以消除殘余應(yīng)力，熱處理后測(cè)試各項(xiàng)性能。

　　鍛壓-軋制法生產(chǎn)的152mm厚板的錠坯于420℃±10℃加熱后進(jìn)行三次多方向自由鍛成2950mm（長(zhǎng)）x1000mm（寬）x360m（厚）的鍛坯，在410℃±10℃加熱3小時(shí)后軋成6980mm（長(zhǎng)）x1000mm（寬）x152mm（厚）板，固溶處理與室溫水噴淋淬火后，進(jìn)行總變形量為1%~3%預(yù)拉伸以消除殘余應(yīng)力，最后進(jìn)行T76、T74、T73人工時(shí)效。

　　厚30mm的新合金板材的合金成分(質(zhì)量%）：Zn7.52，Mg1.78，Cu1.47，Zr0.19，主要雜質(zhì)含量，F(xiàn)e0.06、Si0.05、T0.02。半連續(xù)扁錠尺寸1100mm（寬）x270mm（厚），經(jīng)（465℃±5℃）/24h+（475℃±3℃）/24h均勻化退火與空氣中緩冷，再經(jīng)鋸切、銑面獲得1500（長(zhǎng)）x1100mm（寬）x250mm（厚）的錠坯，在（420℃±10℃）/4h預(yù)熱后軋成12500mm（長(zhǎng)）x1000mm（寬）x30mm（厚）板材，經(jīng)固溶處理、室溫水噴淋淬火與施加1%~3%的預(yù)拉伸變形消除殘余應(yīng)力后進(jìn)行人工時(shí)效處理。

　　從成分上來(lái)看，中國(guó)合金的銅含量略低一點(diǎn)點(diǎn)，平均含量?jī)H比美國(guó)7050、7055合金的低0.1個(gè)百分點(diǎn)；中國(guó)合金的平均鋅含量與美國(guó)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個(gè)百分點(diǎn)；中國(guó)合金的平均鎂含量為1.7%，與美國(guó)7095合金的相等，比美國(guó)7085合金的高0.2個(gè)百分點(diǎn)，但比美國(guó)7050、7055、7099合金的低。

　　在性能方面，中國(guó)合金顯示出的綜合力學(xué)性能，最好的強(qiáng)韌性。它的屈服強(qiáng)度（TYS）—伸長(zhǎng)率（EL）—斷裂韌性（KIC）匹配得比目前任何一個(gè)高強(qiáng)韌合金的都更佳，即在屈服強(qiáng)度大體相當(dāng)時(shí)，中國(guó)合金具有極為明顯的伸長(zhǎng)率與斷裂韌性?xún)?yōu)勢(shì)，是一種的航空航天器結(jié)構(gòu)鋁合金，表明中國(guó)在向世界先進(jìn)鋁合金研發(fā)強(qiáng)國(guó)前進(jìn)的征程上又邁出了有重要意義的一步。

　　借寫(xiě)此文的機(jī)會(huì)，順便解釋一下高強(qiáng)韌與低淬火敏感性的涵義。因?yàn)橛腥藛?wèn)過(guò)，如下解釋為訓(xùn)，筆者的體會(huì)是：首先它應(yīng)屬2xxx系或7xxx系合金，是用于制造受力結(jié)構(gòu)或打造強(qiáng)力結(jié)構(gòu)件的；它的雜質(zhì)含量低，至少比2024合金或7075合金低60%以上甚至低90%，否則就沒(méi)有進(jìn)入高強(qiáng)韌與低淬火敏感性合金行列的資格，雜質(zhì)錳的含量也應(yīng)盡可能的低，必須低于0.10%，最好低于0.05%。

資訊來(lái)源：中國(guó)有色金屬報(bào)

圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

更新日期：2020-01-10

上一篇： 中國(guó)變形鋁合金新進(jìn)展（下） 下一篇： 鋁型材氧化著色顏色不一致的三點(diǎn)原因