一种高强韧Al-Zn-Mg-Cu系铝合金扁铸锭制备的方法及其应用与流程

本发明属于al-zn-mg-cu系铝合金制备，涉及一种al-zn-mg-cu系铝合金扁铸锭的制备方法及其应用，尤其涉及一种高强韧al-zn-mg-cu系铝合金扁铸锭制备的方法及其应用。

背景技术：

1、随着航空航天领域的持续发展，行业内对飞机的主材料铝合金的需求和性能要求也不断地持续增高，而铝锌镁铜系合金（7xxx系铝合金，铝锌系变形铝合金）作为主要应用的铝合金系列，其发展也得到了业内的广泛关注。

2、铝锌镁铜系合金主要应用于对性能要求苛刻的领域，通常被用于飞机的机身结构、移动设备和其他高强度零件，也是飞机、火箭、飞船等航天装备结构使用的关键材料，其超高强度能显著降低结构重量，实现轻量化。同时该合金的研究也进一步面向飞机、舰船、汽车、大容量电网等高技术发展的要求。

3、为满足飞机在耐损伤性能和高疲劳强度方面日益增长的设计需求，对铝合金材料在强度、疲劳寿命及耐久性等方面提出了更为严苛的要求。所以，7xxx系铝合金也在进行着持续的研发与技术攻关，现今针对第三代和第四代7xxx系铝合金的研究已成为业内研究的焦点之一。

4、然而，由于上述这些新的7xxx系铝合金性能的增强，al-zn-mg-cu 合金中各组元含量逐渐偏高，易导致合金凝固区间变宽且引发化合物偏聚现象，导致合金在铸造过程中成型性能较差，存在显著的热裂纹和疏松倾向。

5、因此，如何找到一种更为适宜的方法，解决现有的7xxx系铝合金存在的上述技术问题，已成为业内诸多一线研究人员亟待解决的问题之一。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种al-zn-mg-cu系铝合金扁铸锭的制备方法及其应用，特别是一种高强韧al-zn-mg-cu系铝合金扁铸锭制备的方法。本发明基于传统 al-zn-mg-cu 合金体系，通过正向设计精细调控各组元成分，开发出新的al-zn-mg-cu 系铝合金。该合金还通过铸造工艺的优化，以及采用双级均匀化热处理工艺，成功实现了兼具高强度、高韧性、高耐蚀性及优异疲劳性能的铝合金铸锭的工业化稳定生产。而且方法简单，条件温和，可控性好，稳定性高，更加适于工业化生产的推广和应用。

2、本发明提供了一种al-zn-mg-cu系铝合金扁铸锭的制备方法，包括以下步骤：

3、1）将al-zn-mg-cu系铝合金的原料在熔炼炉中熔化后，得到合金熔体；

4、2）将上述步骤得到的合金熔体经过炉内氩气精炼后，再经过在线除气和在线过滤，得到净化后的熔体；

5、3）在上述步骤得到的净化后的熔体中加入alti5c0.15丝进行在线晶粒细化后，再进行半连续直冷铸造，得到扁铸锭，最后对铸锭进行双级均匀化热处理后，得到成分更均匀、组织更稳定、工艺塑性更好的al-zn-mg-cu系铝合金“匀质”扁铸锭；

6、所述al-zn-mg-cu系铝合金扁铸锭中，按元素质量控制，额外要求2.9≤zn/mg≤4.75。

7、优选的，所述al-zn-mg-cu系铝合金扁铸锭，按元素质量含量计，包括：si≤0.03%，fe≤0.05%，cu：1.8%~2.2%，mn≤0.01%，mg：1.75%~2.15%，cr≤0.01%，zn：7.8%~8.3%，ti≤0.06%，zr：0.05%~0.15%，ca≤0.001%以及al；

8、所述al-zn-mg-cu系铝合金扁铸锭为用于制备铝合金板材的铝合金扁铸锭。

9、优选的，所述原料中包括alzr4中间合金、纯mg锭和albe3；

10、所述原料的加入方式包括，熔化温度升到740~760℃，加入alzr4中间合金和纯度为99.99%mg锭，且反应时间≥20min。

11、优选的，所述原料的加入方式包括，albe3倒流槽加入，其余原料随炉加入；

12、所述熔化的温度为740~760℃。

13、优选的，所述炉内氩气精炼的方式为结合喷精炼粉进行炉内精炼；

14、所述精炼粉中，包括nacl和kcl。

15、优选的，所述在线除气的方式为采用氩气进行在线除气；

16、所述在线除气后，熔体氢含量小于等于0.12ml/100gal。

17、优选的，所述alti5c0.15丝的用量为2.5~3.5kg/t；

18、所述半连续直冷铸造的温度为725~750℃。

19、优选的，所述半连续直冷铸造的速度为35~65mm/min；

20、所述半连续直冷铸造的流盘末端铝液温度为690~715℃；

21、所述半连续直冷铸造的结晶器水流量为25~45m3/h/根；

22、所述半连续直冷铸造的结晶器进水温度为22~30℃。

23、优选的，所述双级均匀化退火的一级保温温度为395~425℃；

24、所述双级均匀化退火的一级保温时间为12~20h；

25、所述双级均匀化退火的二级保温温度为465~480℃；

26、所述双级均匀化退火的二级保温时间为48~55h。

27、本发明还提供了上述技术方案任意一项所述的制备方法所制备的al-zn-mg-cu系铝合金扁铸锭在制备航空航天铝合金板材中的应用。

28、本发明提供了一种al-zn-mg-cu系铝合金扁铸锭的制备方法，包括以下步骤，首先将al-zn-mg-cu系铝合金的原料在熔炼炉中熔化后，得到合金熔体；然后将上述步骤得到的合金熔体经过炉内氩气精炼后，再经过在线除气和在线过滤后，得到净化后的熔体；最后在上述步骤得到的净化后的熔体中加入alti5c0.15丝进行在线晶粒细化后，再进行半连续直冷铸造，得到铸锭，最后对铸锭进行双级均匀化退火处理后，得到al-zn-mg-cu系铝合金扁铸锭；所述al-zn-mg-cu系铝合金扁铸锭中，按元素质量控制，额外要求2.9≤zn/mg≤4.75。与现有技术相比，本发明研究认为，新的al-zn-mg-cu 合金中由于各组元含量偏高，在铸造过程中成型性能较差，存在显著的热裂纹和疏松倾向，而且当前的铸造工艺在实际应用中易引发铸件开裂，且存在成分偏析问题，所以，这些情况严重制约了具有高强度、高韧性、高耐蚀性及优异疲劳性能的 al-zn-mg-cu 合金板材的工业化制备。因而，本发明针对al-zn-mg-cu 合金的化学成分进行优化，并进一步结合了更优的铸造工艺控制以及优化的热处理制度。

29、基于此，本发明创造性的设计了一种具有特定组份配比和特定参数控制的al-zn-mg-cu系铝合金扁铸锭的制备方法。本发明基于传统al-zn-mg-cu合金体系，通过正向设计精细调控各组元成分，开发出新的al-zn-mg-cu系铝合金。该合金还通过铸造工艺的优化，以及采用双级均匀化热处理工艺，成功实现了兼具高强度、高韧性、高耐蚀性及优异疲劳性能的铝合金铸锭的工业化稳定生产。

30、本发明通过化学成分优化设计，提高产品综合力学性能，耐蚀性以及疲劳强度；而且通过优化晶粒细化工艺，保证铸锭原始晶粒细小；再通过优化铸造工艺参数，提高过冷强度和熔体补缩能力，提高铸锭成型率和冶金质量；同时，本发明进一步采用双级均热处理方式，获得的产品铸锭偏析小，残留粗大第二相少，化合物弥散分布，组织均匀细小。本发明提供的新的高强韧al-zn-mg-cu系铝合金扁铸锭制备的方法及配套的均匀化热处理工艺，旨在实现铸锭成型质量的显著提升，并确保最终产品具备优异的力学性能与抗疲劳性能。