[发明专利]一种高断裂韧性铝镁钪合金棒材及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高断裂韧性铝镁钪合金棒材及其制备方法，该合金成分的质量百分比：镁Mg为1‑5wt％，钪Sc为0.25‑0.4wt％，其他杂质元素的总质量百分比≤0.1％，余量为铝Al。具体制备方法如下：以铝锭、镁锭、Al‑Sc中间合金为原料，按比例配料后分步熔炼，对熔体进行搅拌、精炼、净化、除气、扒渣、静置后浇铸，对铸锭按挤压比25‑50挤压成棒材，挤压温度为300‑400℃，挤压后处理程序为470℃‑2h+120℃‑16h+160℃‑20min+120℃‑16h。与现有技术相比，本发明制备的铝镁钪棒材具有高断裂韧性，其力学性能为：抗拉强度360‑480MPa，屈服强度260‑350MPa，延伸率达10‑18％，其平面应变断裂韧度达25‑50MPa·m^1/2。

技术领域

本发明涉及合金制备领域，具体涉及一种高断裂韧性铝镁钪合金棒材及其制备方法。

背景技术

铝镁系合金作为一种轻质金属结构材料，由于不含有锌元素，铝镁合金具有中等强度，但有优良的抗热裂性、韧性、成形性以及耐蚀性，常应用于航空航天工业中。作为飞机蒙皮等零部件的重要结构材料，安全要求极高，断裂韧性是衡量铝镁系合金综合性能及安全性的重要指标。传统的5系铝合金断裂韧度在20-30MPa·m^1/2，而近年来钪元素在铝合金中的微合金化作用的发现为进一步提升铝镁系合金的断裂韧性提供了可能与依据。

钪元素作为铝合金中最有效的微合金化元素，可有效提高铝镁合金综合性能。添加微量的Sc可显著提高传统铝镁合金的强度及韧性，并改善其易受热软化等缺点。以含镁量6％的铝镁合金为例，添加0.3％Sc后热加工态合金抗拉强度可提升30％，而延伸率仅略微下降。在铸态下Sc以初生Al₃Sc粒子存在，与铝基体的共格关系使其均匀弥散分布，从而形成大量形核质点，强烈细化晶粒。后期处理过程中的弥散次生Al₃Sc粒子进一步提高合金强韧性，能够钉扎位错，通过提高再结晶温度产生亚结构强化。因此，Sc在铝镁系合金中的添加需满足以下条件，首先凝固时能形成初生Al₃Sc粒子细化晶粒，此外在后续热加工处理中能形成大量次生Al₃Sc粒子。根据Al-Sc二元相图，Sc在纯铝中的最大固溶度为0.35％，因此Sc元素的添加量一般与此固溶极限含量接近。而Mg元素在铝镁系合金中主要起到固溶强化的作用，合金强度随Mg含量增大而提升，且为了防止Al₃Mg₂等析出相的形成，保持固溶强化效果，Mg含量需控制在5-6％以下。

通过检索发现，公开号为CN104694801B的中国发明专利涉及一种铝镁钪锆铝合金板材，其中Mg质量分数为5.5-6.5％，Sc质量分数为0.2-0.4％并添加微量Mn、Ti、Zr、Be元素，热轧及预拉伸后得到板材抗拉强度为420-440MPa，屈服强度为310-320MPa，延伸率为20.7-22.5％，而该发明Mg含量偏高，由于Mg在铝合金中溶解度随温度下降而迅速减小，易在铸造过程中产生析出相，影响合金韧性。成分类似的中国发明专利还有公开号为CN104818412B的一种低钪铝镁钪锆合金板材，其中Mg为6.2％，Sc为0.10-0.25％，公开号为CN101353745A的一种Al-Mg-Mn-Sc-Er合金，Mg含量为5.2-6.2％，Sc含量为0.1-0.25％，其Sc添加量均偏少，对于铝镁系合金强韧化作用小。此外，Mn元素易与杂质Fe元素形成针状第二相，增大第二相与基体的错配度，削弱Sc元素添加带来的抗裂纹扩展作用，导致断裂韧性的大幅降低。因此，现有高韧性铝镁钪合金制备技术仍有待改进。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种抗拉强度达360～480MPa，屈服强度达260～350MPa，延伸率达10～18％，平面应变断裂韧度达25-50MPa·m^1/2的高断裂韧性铝镁钪合金棒材及其制备方法。