一种高强耐蚀可焊铝镁饵锆合金宽幅薄板及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高强耐蚀可焊铝镁饵锆合金宽幅薄板及其制备方法。
背景技术
建造高性能舰船时，为了满足用户设计选材的需求，需要进一步降低大型船舶和舰艇的自重以及大幅度提高运载能力及技战术水平，要求板材兼具材质轻和强度高的特性，因此需要用高性能铝合金板材替代传统铝镁合金构件和钢板构件。但目前国内同类铝合金板材强度达不到要求(母材抗拉强度自控值为350MPa，熔焊后抗拉强度研制标准为333MPa)，并且通常板材焊后强度比较低，所以高性能舰船建造用的铝镁合金只能从俄罗斯等国外进口，国内没有同类铝合金可选用。因此，为了打破该类合金依赖进口的局面，急需研究制造出一种高性能铝合金板材用于高性能舰船的建造，实现进口替代。
发明内容
本发明的目的是要解决国内现有高性能铝合金板材强度、焊后强度比较低的问题，而提供一种高强耐蚀可焊铝镁饵锆合金宽幅薄板及其制备方法。
一种高强耐蚀可焊铝镁饵锆合金宽幅薄板，含有的元素及质量分数：Mg为5.0％～6.5％、Mn为0.6％～0.9％、Er为0.15％～0.20％、Zr为0.10％～0.20％、Ti为0.03％～0.15％、Be为0.0005％～0.005％、Cu﹤0.05％、Zn﹤0.05％、Si﹤0.15％、Fe﹤0.20％、Na<0.0005％、K<0.0015％和Ca<0.0005％，且Fe的质量分数大于Si的质量分数，余量为Al。
一种高强耐蚀可焊铝镁饵锆合金宽幅薄板的制备方法，按以下步骤完成：
一、称量：按质量分数Mg为5.0％～6.5％、Mn为0.6％～0.9％、Er为0.15％～0.20％、Zr为0.10％～0.20％、Ti为0.05％～0.15％、Be为0.0005％～0.005％、Cu﹤0.05％、Zn﹤0.05％、Si﹤0.15％、Fe﹤0.20％、Na<0.0005％、K<0.0015％、Ca<0.0005％和余量为Al称取纯铝锭、纯镁锭、铝锰中间合金、铝铒中间合金、铝锆中间合金、铝钛中间合金、铝铍中间合金和铝钛硼丝；
二、熔炼、铸造和均匀化退火：将步骤一称取的纯铝锭和铝锰中间合金进行熔炼，然后加入铝饵中间合金，间断搅拌后，加入铝锆中间合金，继续熔炼，得到熔体；加入纯镁锭、铝铍中间合金和铝钛中间合金，搅拌，得到铝合金熔体；将铝合金熔体进行精炼，静置，得到铝合金熔液；将铝钛硼丝熔入到铝合金熔液中进行铸造，得到长度为5000mm～6000mm、宽度为1620mm和厚度为420mm的合金铸锭；将合金铸锭进行均匀化退火，得到退火后的合金铸锭；
三、热轧开坯宽展轧制、热连轧和开卷切片：将退火后的合金铸锭铣面至厚度为395mm～405mm，在420℃～440℃的温度条件下保温6h～8h，保温结束后轧制成厚度为310mm的板坯，调转90°继续轧制成厚度为245mm的板坯，然后锯切成长度为3000mm、宽度为1860mm和厚度为245mm的板坯；将板坯在440℃～460℃的温度条件下保温4h～6h，保温结束后粗轧至厚度为14mm，再热精轧至成品厚度，制备成宽度为1890mm的卷材；将卷材充分冷却后，锯切成长度为9000mm～10000mm的块片；
四、板材退火、拉矫和锯切成品：将块片在285℃～325℃的温度条件下保温2h～2.5h，出炉空冷，得到板材；将板材进行拉伸矫直，然后锯切，得到铝镁饵锆合金宽幅薄板。
本发明的有益效果：
一、本发明一种高强耐蚀可焊铝镁饵锆合金宽幅薄板及其制备方法，在现有铝合金元素成分的基础上，增加了Mg、Er、Zr和Ti等元素，并且在制备工艺过程中将热轧开坯宽展轧制、热连轧、板材退火以及拉矫等工序进行工艺及工艺参数优化，使最终高强耐蚀可焊铝镁饵锆合金宽幅薄板成品在保持塑性和耐蚀性的同时，有效降低船舶自重，并且成品板材的抗拉强度、屈服强度以及焊后强度更加优异，达到建造高性能舰船用板材的标准，解决了现有高性能舰船建造用的铝镁合金只能从俄罗斯等国外进口、国内没有同类铝合金可选用的难题。
二、本发明一种高强耐蚀可焊铝镁饵锆合金宽幅薄板及其制备方法，制备得到的铝镁饵锆合金板材其强度和耐蚀性能均已达到俄罗斯进口的同类板材，而且具有更高的焊后强度；本发明制备的铝镁饵锆合金宽幅薄板可应用于气垫船、双体高速船等轻质船体结构上，有效降低船舶自重，并且强度性能更加优异，可为开展国产大型高性能艇体材料应用研究奠定材料基础，在国防建设和国民经济建设中具有重要意义和广阔应用前景。
本发明可获得一种高强耐蚀可焊铝镁饵锆合金宽幅薄板及其制备方法。
附图说明
图1为实施例二中制备的高强耐蚀可焊铝镁饵锆合金宽幅薄板的示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种高强耐蚀可焊铝镁饵锆合金宽幅薄板，含有的元素及质量分数：Mg为5.0％～6.5％、Mn为0.6％～0.9％、Er为0.15％～0.20％、Zr为0.10％～0.20％、Ti为0.03％～0.15％、Be为0.0005％～0.005％、Cu﹤0.05％、Zn﹤0.05％、Si﹤0.15％、Fe﹤0.20％、Na<0.0005％、K<0.0015％和Ca<0.0005％，且Fe的质量分数大于Si的质量分数，余量为Al。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：所述铝镁饵锆合金宽幅薄板含有的元素及质量分数：Mg为6.2％、Mn为0.8％、Er为0.18％、Zr为0.10％、Ti为0.03％、Be为0.0025％、Cu﹤0.05％、Zn﹤0.05％、Si﹤0.15％、Fe﹤0.20％、Na<0.0005％、K<0.0015％和Ca<0.0005％，且Fe的质量分数大于Si的质量分数，余量为Al。
其他步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式一种高强耐蚀可焊铝镁饵锆合金宽幅薄板的制备方法，按以下步骤完成：
一、称量：按质量分数Mg为5.0％～6.5％、Mn为0.6％～0.9％、Er为0.15％～0.20％、Zr为0.10％～0.20％、Ti为0.05％～0.15％、Be为0.0005％～0.005％、Cu﹤0.05％、Zn﹤0.05％、Si﹤0.15％、Fe﹤0.20％、Na<0.0005％、K<0.0015％、Ca<0.0005％和余量为Al称取纯铝锭、纯镁锭、铝锰中间合金、铝铒中间合金、铝锆中间合金、铝钛中间合金、铝铍中间合金和铝钛硼丝；
二、熔炼、铸造和均匀化退火：将步骤一称取的纯铝锭和铝锰中间合金进行熔炼，然后加入铝饵中间合金，间断搅拌后，加入铝锆中间合金，继续熔炼，得到熔体；加入纯镁锭、铝铍中间合金和铝钛中间合金，搅拌，得到铝合金熔体；将铝合金熔体进行精炼，静置，得到铝合金熔液；将铝钛硼丝熔入到铝合金熔液中进行铸造，得到长度为5000mm～6000mm、宽度为1620mm和厚度为420mm的合金铸锭；将合金铸锭进行均匀化退火，得到退火后的合金铸锭；
三、热轧开坯宽展轧制、热连轧和开卷切片：将退火后的合金铸锭铣面至厚度为395mm～405mm，在420℃～440℃的温度条件下保温6h～8h，保温结束后轧制成厚度为310mm的板坯，调转90°继续轧制成厚度为245mm的板坯，然后锯切成长度为3000mm、宽度为1860mm和厚度为245mm的板坯；将板坯在440℃～460℃的温度条件下保温4h～6h，保温结束后粗轧至厚度为14mm，再热精轧至成品厚度，制备成宽度为1890mm的卷材；将卷材充分冷却后，锯切成长度为9000mm～10000mm的块片；
四、板材退火、拉矫和锯切成品：将块片在285℃～325℃的温度条件下保温2h～2.5h，出炉空冷，得到板材；将板材进行拉伸矫直，然后锯切，得到铝镁饵锆合金宽幅薄板。
本实施方式中，杂质元素Cu、Zn、Si、Fe、Na、K和Ca等均来源于纯铝锭，并且在其各自的质量分数范围内，对最终铝镁饵锆合金宽幅薄板产品的性能不会产生影响。
本实施方式中，当铝合金熔体中Fe的质量分数﹤Si的质量分数时，在熔炼过程通过补充一定量的铝铁中间合金进行调整控制，当Cu的质量分数﹥0.05％时，通过补充一定量的纯铝或高纯铝加以控制。
本实施方式的有益效果：
一、本实施方式一种高强耐蚀可焊铝镁饵锆合金宽幅薄板及其制备方法，在现有铝合金元素成分的基础上，增加了Mg、Er、Zr和Ti等元素，并且在制备工艺过程中将热轧开坯宽展轧制、热连轧、板材退火以及拉矫等工序进行工艺及工艺参数优化，使最终高强耐蚀可焊铝镁饵锆合金宽幅薄板成品在保持塑性和耐蚀性的同时，有效降低船舶自重，并且成品板材的抗拉强度、屈服强度以及焊后强度更加优异，达到建造高性能舰船用板材的标准，解决了现有高性能舰船建造用的铝镁合金只能从俄罗斯等国外进口、国内没有同类铝合金可选用的难题。
二、本实施方式一种高强耐蚀可焊铝镁饵锆合金宽幅薄板及其制备方法，制备得到的铝镁饵锆合金板材其强度和耐蚀性能均已达到俄罗斯进口的同类板材，而且具有更高的焊后强度；本实施方式制备的铝镁饵锆合金宽幅薄板可应用于气垫船、双体高速船等轻质船体结构上，有效降低船舶自重，并且强度性能更加优异，可为开展国产大型高性能艇体材料应用研究奠定材料基础，在国防建设和国民经济建设中具有重要意义和广阔应用前景。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同点是：步骤一中所述按质量分数Mg为6.2％、Mn为0.8％、Er为0.18％、Zr为0.10％、Ti为0.03％、Be为0.0025％、Cu﹤0.05％、Zn﹤0.05％、Si﹤0.15％、Fe﹤0.20％、Na<0.0005％、K<0.0015％和Ca<0.0005％，且Fe的质量分数大于Si的质量分数，余量为Al称取纯铝锭、纯镁锭、铝锰中间合金、铝铒中间合金、铝锆中间合金、铝钛中间合金、铝铍中间合金和铝钛硼丝。
其他步骤与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三或四不同点是：步骤二中将纯铝锭和铝锰中间合金加热至740℃～780℃，继续升温至780℃～785℃时加入铝饵中间合金，间断搅拌后，加入铝锆中间合金，继续熔炼，得到熔体；将熔体降温至765℃～770℃，加入纯镁锭、铝铍中间合金和铝钛中间合金，搅拌，得到铝合金熔体。
其他步骤与具体实施方式三或四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三至五之一不同点是：步骤二中所述的间断搅拌为：在780℃～785℃下每20min搅拌一次，共搅拌三次，每次搅拌时间为3min～5min，搅拌完成后加入铝锆中间合金，继续熔炼，得到熔体。
其他步骤与具体实施方式三至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式三至六之一不同点是：步骤二中将铝合金熔体用Ar-Cl2混合气体精炼至每100克铝合金熔体中的氢含量≤0.15mL，静置25min～30min，得到铝合金熔液；Ar-Cl2混合气体中Ar和Cl2的体积比为(31～33.5)：1。
其他步骤与具体实施方式三至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式三至七之一不同点是：步骤二中所述的铸造为：将铝合金熔液依次经过40目和50目的陶瓷过滤片过滤，然后注入结晶器中，并将铝钛硼晶粒细化剂均匀加入到铝合金熔液中，然后将铝钛硼丝熔入到铝合金熔液中，铝钛硼晶粒细化剂的进给速度为500mm/min，在温度为720℃～740℃、水压为0.03MPa～0.05MPa和速度为45mm/min～50mm/min的条件下进行铸造，得到长度为5000mm～6000mm、宽度为1620mm和厚度为420mm的合金铸锭。
其他步骤与具体实施方式三至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式三至八之一不同点是：步骤二中的均匀化退火为：将合金铸锭加热至279℃～285℃，并保温10h～12h，然后继续升温至465℃～475℃，再继续保温28h～30h，得到退火后的合金铸锭。
其他步骤与具体实施方式三至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式三至九之一不同点是：步骤四中将3片～5片块片装入加热炉中，块片中间用石墨片均匀铺垫，然后在285℃～325℃的温度条件下保温2h～2.5h，出炉空冷，得到板材；将板材进行拉伸矫直，拉伸量为1.0％～1.2％，然后在经拉伸板材的两端切除掉200mm～300mm的钳口，再锯切成品，得到铝镁饵锆合金宽幅薄板。
其他步骤与具体实施方式三至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：一种高强耐蚀可焊铝镁饵锆合金宽幅薄板，含有的元素及质量分数：Mg为6.2％、Mn为0.8％、Er为0.18％、Zr为0.10％、Ti为0.03％、Be为0.0025％、Cu﹤0.05％、Zn﹤0.05％、Si﹤0.15％、Fe﹤0.20％、Na<0.0005％、K<0.0015％和Ca<0.0005％，且Fe的质量分数大于Si的质量分数，余量为Al。
实施例二：一种高强耐蚀可焊铝镁饵锆合金宽幅薄板的制备方法，按以下步骤完成：
一、称量：按质量分数Mg为6.2％、Mn为0.8％、Er为0.18％、Zr为0.10％、Ti为0.03％、Be为0.0025％、Cu﹤0.05％、Zn﹤0.05％、Si﹤0.15％、Fe﹤0.20％、Na<0.0005％、K<0.0015％和Ca<0.0005％，且Fe的质量分数大于Si的质量分数，余量为Al称取纯铝锭、纯镁锭、铝锰中间合金、铝铒中间合金、铝锆中间合金、铝钛中间合金、铝铍中间合金和铝钛硼丝。
二、熔炼、铸造和均匀化退火：采用电炉添加熔化固体料方式将步骤一称取的纯铝锭和铝锰中间合金加入到熔炼炉中，加热至780℃时加入铝饵中间合金，在780℃下每20min搅拌一次，共搅拌三次，每次搅拌时间为5min，搅拌完成后加入铝锆中间合金，继续熔炼，得到熔体；将熔体降温至765℃，加入纯镁锭、铝铍中间合金和铝钛中间合金，搅拌，得到铝合金熔体；将铝合金熔体用Ar-Cl2混合气体精炼至每100克铝合金熔体中的氢含量≤0.15mL，静置30min，得到铝合金熔液，Ar-Cl2混合气体中Ar和Cl2的体积比为33.5：1；将结晶器清理干净，并将铝钛硼晶粒细化剂置于过滤箱出口的流槽内，流槽内采用双级陶瓷片过滤(一级过滤炉内的陶瓷过滤片目数为40目、二级过滤炉内的陶瓷过滤片目数为50目)，浇铸的同时将两根铝钛硼丝同时插入流槽中使铝钛硼晶粒细化剂中的元素均匀熔入铝合金熔液中，铝钛硼晶粒细化剂的进给速度为500mm/min，开启Alpur双转子在线除气装置，为防止铝合金熔液粘在结晶器底座上，另取纯铝锭熔化后的熔体倒入结晶器底座上进行铺底，然后在温度为720℃、水压为0.045MPa和速度为45mm/min的条件下进行铸造，得到长度为6000mm、宽度为1620mm和厚度为420mm的合金铸锭；将合金铸锭在炉气温度为200℃时装炉，加热至280℃，并保温10h，转定温480℃，继续升温至465℃，再继续保温28h，得到退火后的合金铸锭。
三、热轧开坯宽展轧制、热连轧和开卷切片：将退火后的合金铸锭铣面至厚度为400mm，利用台式炉加热，在440℃的温度条件下保温6h，保温结束后轧制成厚度为310mm的板坯，调转90°继续轧制成厚度为245mm的板坯，然后锯切成长度为3000mm、宽度为1860mm和厚度为245mm的板坯；利用台车炉将板坯在460℃的温度条件下保温4h，保温结束后粗轧至厚度为14mm，再热精轧三道次至成品厚度，制备成宽度为1890mm的卷材；将卷材充分冷却后，在开卷机上开卷切片，锯切成长度为10000mm的块片。
四、板材退火、拉矫和锯切成品：将3片～5片块片装入加热炉中，块片中间用石墨片均匀铺垫，然后在320℃的温度条件下保温2.5h，出炉空冷，得到板材；将板材进行拉伸矫直，拉伸量为1.2％，然后在经拉伸板材的两端切除掉200mm～300mm的钳口，再锯切成品，得到铝镁饵锆合金宽幅薄板。
经检验，本实施例制备的高强耐蚀可焊铝镁饵锆合金宽幅薄板的抗拉强度为375N/mm2～385N/mm2，比现有船舶建造广泛采用的5083合金板材抗拉强度提高60N/mm2～70N/mm2；屈服强度为194N/mm2～205N/mm2，比现有5083合金板材屈服强度提高30N/mm2～40N/mm2；延伸率为19％～21％；焊接后的焊接板材抗拉强度为335N/mm2～340N/mm2，同种熔焊工艺下，比现有5083合金板材焊后强度提高了约20MPa；焊接系数达到0.88～0.9；采用ASTM G67标准进行晶间腐蚀敏感性测试硝酸暴露后质量损失值小于10mg/cm2，因此本实施例制备的高强耐蚀可焊铝镁饵锆合金宽幅薄板为高强耐蚀铝合金。
