一种可阳极氧化的超高强铝合金及其制备方法与流程

本发明属于铝合金及其制备加工，特别涉及al-mg-zn系列铝合金。更具体地，本发明涉及一种可阳极氧化的超高强高镁含量al-mg-zn合金及其制备方法。

背景技术：

1、在航空航天、高端电子设备、精密仪器及交通工具等领域，对结构材料的力学性能及表面处理适应性提出了日益苛刻的要求。铝合金因其比强度高的特点被广泛应用。为实现装饰性、耐磨性及耐腐蚀性，阳极氧化是铝合金最关键的表面处理技术之一，其通过在材料表面生成一层致密的氧化铝陶瓷膜来提升性能。

2、在3c消费电子领域，智能手机中框、笔记本电脑外壳等部件正朝着坚固耐用方向发展。这要求材料在亚毫米级的薄壁设计下，仍能提供极高的刚性和抗冲击强度，以保护内部精密元件。同时，阳极氧化工艺是塑造产品高端质感与品牌辨识度的灵魂，市场要求氧化膜色彩绝对均匀、细腻且无任何瑕疵。新能源汽车领域，电池包壳体、一体化压铸车身件等大型部件必须在确保安全性的前提下实现性能要求。此外，随着部件高度集成，许多原本隐藏的结构件变为“可见件”或“可感知件”，其表面需要具备良好的耐腐蚀性、耐磨性及美观度，或为后续连接工艺提供优质基底。

3、然而，现有铝合金体系在同时满足“可阳极氧化”和“高强度”这两方面要求时，存在显著的技术矛盾与局限：目前广泛应用的可阳极氧化6xxx系铝合金虽能获得均匀、亮丽的氧化膜，但其强度（尤其是未经充分塑性变形及热处理的铸态或压铸态）通常有限，难以满足高载荷部件的要求。而高强度的2xxx系和7xxx系铝合金，由于其铜含量较高或特定合金相的存在，往往会导致阳极氧化膜不均匀、颜色发暗、耐蚀性下降，或对氧化工艺极为敏感，限制了其在需要表面美化、防护或功能化场景下的应用。现有技术中缺乏一种能够同时实现高力学性能（特别是高屈服强度）和优异、稳定、适应性广的阳极氧化性能的铝合金。

4、本发明旨在提供一种低成本铝合金成分及其制备方法，其核心目标在于实现超高强度和优异的阳极氧化性能，从而为对结构强度及表面品质有综合要求的部件提供材料解决方案。

技术实现思路

1、本发明通过大量研究和工业实践发现，通过镁、锌、硅三元素的协同设计，在合金中构建了由t相、mg2si相及mgzn2相组成的多尺度纳米协同析出强化体系，从根本上消除了传统合金中因溶质原子贫乏而形成的晶界无沉淀析出带，有效避免了应力集中、减小了电位差。此外，通过有意避免添加sc、zr等元素，排除其对再结晶过程的抑制作用，结合匹配设计的变形-热处理集成工艺，使材料获得平均晶粒尺寸≤700μm、晶粒长径比≤3且再结晶比例≥80%的均匀、细小等轴晶组织。这种成分与组织的双重调控，共同确保了该合金兼具优异的力学性能与卓越的阳极氧化适应性，能够满足从普通到硬质及功能性阳极氧化的广泛需求。

2、本发明的目的是针对现有商用铝合金强度、表面处理难以平衡的问题，提供一种低成本、超高强可阳极氧化铝合金及其制备方法，为消费电子、新能源汽车与高端交通装备、精密机械与光学仪器以及其他高附加值领域提供了理想的材料解决方案。

3、本发明要解决的首要技术问题在于提出一种超高强-可阳极氧化的铝合金材料；本发明要解决的第二个技术问题在于提出该铝合金材料的制备方法；本发明要解决的第三个技术问题在于提出该铝合金材料与本身或其它合金连接在一起，形成新的产品；本发明要解决的第四个技术问题在于该合金经过变形形成的新产品；本发明要解决的第五个技术问题在于提出该铝合金材料通过加工成为最终构件。

4、本发明涉及一种可阳极氧化的超高强铝合金，所述铝合金含有：al 83.85~90.46wt%，mg 6.0~9.5wt％，zn 3.51~5.0wt％，si 0.025~0.45wt％，和总含量不超过0.70wt%的mn、cu、ti、be、sb元素中的至少一种，其中mg、zn、si的含量满足关系式：－3.3≤[(2.31×si)+(1.76×zn)－mg]×100≤3.6，晶粒长径比≤3。

5、本发明的合金还可以包含其他与mn、cu、ti、be、sb等起到相同细化、变质等作用的元素。

6、本发明的第一优选方案为，所述铝合金含有：al 84.20~90.17wt%，mg 6.2~9.3wt％，zn 3.6~5.0wt％，si 0.025~0.40wt％，和总含量不超过0.60wt%的mn、cu、ti、be、sb元素中的至少一种。

7、作为本发明的第二优选方案，所述铝合金含有：al 84.65~89.87wt%，mg 6.4~9.0wt％，zn 3.7~5.0wt％，si 0.025~0.30wt％，和总含量不超过0.55wt%的cu、mn、ti、be、sb元素中的至少一种。

8、作为本发明的第三优选方案，所述铝合金含有：mn 0.10~0.30wt％。

9、作为本发明的第四优选方案，所述铝合金含有：cu 0.15~0.55wt％。

10、作为本发明的第五优选方案，所述铝合金含有：ti 0.001~0.15wt％。

11、作为本发明的第六优选方案，所述铝合金含有：be 0.0002~0.01wt％。

12、作为本发明的第七优选方案，所述铝合金含有：sb 0.005~0.03wt％。

13、作为本发明的第八优选方案，所述铝合金中存在制造合金锭坯过程中作为杂质无意带入的元素，其中fe≤0.40wt％，其它杂质元素每种≤0.20wt％，总和≤0.50wt％。优选满足：fe≤0.20wt％，其它杂质元素每种≤0.10wt％，总和≤0.25wt％。进一步满足：fe≤0.10wt％。

14、本发明还涉及生产上述铝合金的制备方法。所述铝合金变形加工材的过程可描述为“合金配制及熔炼－半连续铸造制备铸锭－铸锭的均匀化热处理－热变形加工－（中间退火）－（冷变形加工）－固溶处理－（预变形或矫直）－时效处理－供货产品”；所述铝合金铸件的基本制备过程可以描述为“合金配制及熔炼－铸件的铸造成型－固溶处理－时效处理－供货产品”。

15、其中，生产该铝合金变形加工材的制备方法，包括以下步骤：

16、（1）制造所述铝合金材料的半连续铸造铸锭；

17、（2）对所得铸锭进行均匀化热处理和/或预热；

18、（3）通过选自挤压、轧制和锻造中的一种或多种热变形加工方法，将铸锭热变形加工成需要的加工材形式，或热变形加工成预加工材；

19、（4）可选地对预加工材进行再加热处理，经冷变形加工成需要的加工材形式；

20、（5）对所述加工材进行固溶热处理；

21、（6）将经固溶热处理的加工材迅速冷却到室温；和

22、（7）对冷却后的加工材进行自然时效或人工时效处理获得合金时效态加工材。

23、其中，在步骤（1）中，采用熔炼、除气、除夹杂及半连续铸造的方式进行铸锭的制造；在熔炼过程中，以mg、zn为核心来精确控制元素含量，通过在线成分检测分析，快速补充调整合金元素之间的配比，并完成全部的铸锭制造过程。在一个优选方面，熔炼时以al-ti中间合金的形式加入0.001~0.15wt%的ti，以细化晶粒。第二个优选方面，熔炼时以al-be中间合金的形式加入0.0002~0.01wt%的be，以改变氧化膜性质减少氧化烧损和夹杂。第三个优选方案，以al-sb中间合金的形式加入0.005~0.03%的sb，以中和合金中的na等碱金属杂质、改善铸锭表面质量以及合金的热加工塑性。在另一个优选方面，其中在步骤（1）中，还包括在结晶器部位或其附近施加电磁场、超声场或机械搅拌。

24、在步骤（2）中，所述均匀化热处理通过选自下组的方式进行：（1）在380~490℃范围内，进行总时间为6~60h的单级均匀化热处理；和（2）在380~500℃范围内，进行总时间为6~60h的双级或多级均匀化热处理。

25、在步骤（3）中，热变形温度为340~480℃；优选满足变形温度为360~460℃；进一步优选满足变形温度为380~440℃。

26、在步骤（3）和（4）中，每一次热变形加工前的预热温度、再加热温度为380~460℃，且处理时间为1~8h；在一个优选方面，变形量不小于40%；进一步优选变形量不小于60%。在另一个优选方面，冷变形道次间还包括增加350~450℃/0.5~6h的中间退火处理。

27、在步骤（5）中，所述固溶热处理需根据性能要求进一步调控材料中再结晶组织比例，并通过选自下组的方式进行：（1）在430~485℃范围内，进行总时间≥1h的单级、双级或多级固溶热处理；和（2）在430~485℃范围内，进行总时间为0.5~5h的连续升温固溶热处理。在一个优选方面，其中采用连续升温固溶热处理，升温速率≤40℃/min。

28、在步骤（6）中，使用选自冷却介质喷淋式淬火、浸没式淬火、强风冷却及其组合的方式将加工材迅速冷却至室温。

29、在步骤（7）中，所述人工时效热处理通过选自下组的方式进行：（1）完成淬火冷却后在室温下进行自然时效，时间≥24h；（2）完成淬火冷却后2h内，在50~240℃范围内进行人工时效处理，总时间为6~60h；和（3）完成淬火冷却后，采用自然时效和人工时效相结合的方式进行，人工时效温度50~240℃，时间6~70h。

30、在步骤（6）和（7）之间，还可包括以下步骤：对经冷却的加工材进行矫直处理和/或预变形处理，使用辊式矫直、拉伸矫直、拉伸弯曲矫直及其组合的方式进行矫直处理以提高加工材平直度，使用拉伸、压缩及其组合的方式进行预变形以消减淬火冷却形成的残余应力，便于后续加工和应用。

31、通过本发明涉及的制备方法，所述的加工材为挤压材、板材或锻件产品。

32、其中本发明的可阳极氧化超高强合金的密度≤2.70g/cm3，屈服强度≥400mpa，满足阳极氧化处理。优选所述铝合金的屈服强度≥450mpa。优选所述铝合金的密度≤2.69g/cm3，屈服强度≥500mpa。优选所述铝合金的密度≤2.68g/cm3，屈服强度≥550mpa。优选所述合金的密度≤2.67g/cm3，屈服强度≥600mpa。

33、本发明还涉及生产该铝合金铸件的制备方法，包括以下步骤：

34、（1）采用熔炼、除气、除夹杂及砂型模、或金属型模浇铸、或压铸方式制备铝合金铸件；在熔炼过程中，以mg、zn为核心来精确控制元素含量，通过在线成分检测分析，快速补充调整合金元素之间的配比，并完成全部的铸件制备过程；

35、（2）对所得铝合金铸件进行固溶热处理：包括在440~480℃范围内对铝合金铸件进行总时间≥1h的单级、双级或多级固溶热处理，或者在440~480℃范围内对铝合金铸件进行总时间为0.5~5h的连续升温固溶热处理，在一个优选方面，采用连续升温固溶处理，升温速率≤40℃/h；

36、（3）对铝合金铸件进行自然时效、或人工时效热处理；自然时效在室温下进行，时间≥24h；人工时效处理在50~240℃范围内进行，总时间为6~60h；或采用自然时效和人工时效相结合的方式进行，人工时效温度50~240℃，时间6~70h。

37、如本发明所述铝合金，其与本身或其它合金连接在一起，形成新的产品；可以是合金经变形成为的新产品；还可以通过加工成为最终构件；所述的最终构件为承力结构件。

38、本发明的有益效果在于：

39、（1）通过协同调控mg、zn、si主合金元素，构建了多尺度纳米协同析出强化体系，抑制甚至消除了晶界无沉淀析出带。实现合金超高屈服强度与阳极氧化性能的综合提升，满足高端装备的轻量化与高美观度的选材需求。

40、（2）本发明所述材料兼具卓越的力学性能与优良的表面处理性能，而且所涉及的制备工艺简洁高效、流程可控、可操作性强，易于在现有工业生产线中进行移植和放大，具备扎实的产业化基础与广阔的市场应用前景。