本發(fā)明屬于新型材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高強度鋁合金材料配方及其制備方法。
背景技術(shù)：
鋁是一種銀白色的金屬，具有密度低，只有2.79/cm3，約為鋼、銅或黃銅的密度( 分別為7.839/cm3，8.939/cm3) 的1/3。導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性好、塑性高、抗腐蝕性能好等特點，鋁的表面具有高度的反射性，輻射能、可見光、輻射熱和電波都能有效地被鋁反射，而陽極氧化和深色陽極氧化的表面可以是反射性的，也可以是吸收性的，拋光后的鋁在很寬波長范圍內(nèi)具有優(yōu)良的反射性，因而具有各種裝飾用途及具有反射功能性的用途。鋁的化學(xué)性質(zhì)活潑，在空氣中易與氧結(jié)合，表面形成一層致密堅固的氧化鋁薄膜，可保護內(nèi)層金屬不再繼續(xù)氧化，故在大氣中有極好的穩(wěn)定性。鋁在大自然中的蘊藏量非常豐富，鋁在地殼中的含量為7.45％，僅次于氧和硅，我國鋁土礦的儲量也居世界前列，探明儲量有6.3 億噸，而且它是一種具有很強再生性的金屬，它的“綠色生命力”可供持續(xù)發(fā)揮。
由于純鋁的硬度較小，所以難以作為結(jié)構(gòu)性材料使用，為了充分利用鋁的其它優(yōu)良性能，改善鋁的機械強度，通常是通過添加其他金屬成分，生成不同種類的鋁合金。在現(xiàn)代生活中，鋁及鋁合金已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在各種行業(yè)中。
鋁合金具有以下優(yōu)點：
(1) 密度小：密度小對于航天航空器、船舶、車輛等交通工具及建筑物輕量化非常有益，在交通運輸中，能大大減少油耗，同時也可以節(jié)省搬運費和加工費，降低成本，在工業(yè)、建筑業(yè)、民用業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛；
(2) 良好的耐腐蝕性、耐候性：鋁及鋁合金在大氣中能夠形成一層硬而且致密，具有良好抗腐蝕性能的氧化膜，通過陽極氧化、電泳涂漆、粉末噴涂等表面處理，可進一步提高鋁材的抗腐蝕性；
(3) 良好的機加工性和裝飾性：鋁合金具有良好的可塑性，可加工成各種規(guī)格、形狀的產(chǎn)品，通過表面處理可生成不同性質(zhì)、不同顏色的膜層，具有良好的裝飾性；
(4) 良好的導(dǎo)熱性：鋁合金的導(dǎo)熱率大約是銅的50.6％，這對制造熱交換器、蒸發(fā)器、加熱電器、炊事用具，以及汽車的缸蓋與散熱器非常有利；
(5) 良好的可鍛性：鋁合金可以鍛造成強度高、形狀與品種繁多的鍛件，它們的最終部件鍛造設(shè)計標準的選擇范圍非常寬泛；
(6) 良好的可焊性：鋁合金可用各式各樣的方法連接，包括熔焊、電阻焊、硬焊、軟焊、粘結(jié)以及諸如鉚接和栓接之類的機械方法；
(7) 極高的回收性：再生鋁合金的特性與原生鋁合金幾乎沒有差別，這點使鋁合金成為環(huán)保人士的寵兒，環(huán)保性相當(dāng)好；
(8) 鋁合金有高的比強度、比剛度、斷裂韌性和疲勞強度，用其代替鋼鐵材料可大大減輕零構(gòu)件的重量，增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。作為一種工程結(jié)構(gòu)材料，在液體導(dǎo)彈、運載火箭和飛機中得到廣泛應(yīng)用，在其它行業(yè)應(yīng)用也十分廣泛；
(9) 特定鋁合金具有高電阻率，這些合金可用于如高轉(zhuǎn)矩的電動機中；
鋁合金按加工方法可以分為變形鋁合金和鑄造鋁合金。
變形鋁合金的分類方法很多，目前，世界上絕大部分國家通常按以下三種方法進行分類：
(1) 按合金狀態(tài)圖及熱處理特點分為可熱處理強化鋁合金和不可熱處理強化鋁合金兩大類?？蔁崽幚韽娀弯X合金可以通過淬火和時效等熱處理手段來提高機械性能，它可分為硬鋁、鍛鋁、超硬鋁和特殊鋁合金等；鋁合金可以采用熱處理獲得良好的機械性能、物理性能和抗腐蝕性能?？蔁崽幚韽娀X合金如：純鋁、Al-Mn、Al-Mg、Al-Si 系合金。不可熱處理強化型不能通過熱處理來提高機械性能，只能通過冷加工變形來實現(xiàn)強化，它主要包括高純鋁、工業(yè)高純鋁、工業(yè)純鋁以及防銹鋁等。不可熱處理強化鋁合金如：Al-Mg、Si、Al-Cu、Al-Zn-Mg 系合金；
(2) 按合金性能和用途可分為：工業(yè)純鋁、光輝鋁合金、切削鋁合金、耐熱鋁合金、低強度鋁合金、中強度鋁合金、高強度鋁合金( 硬鋁)、超高強度鋁合金( 超硬鋁)、鍛造鋁合金及特殊鋁合金等；
(3) 按合金中所含主要合金元素成分可分為：工業(yè)純鋁，Al-Cu 合金，Al-Mn 合金，Al-Si 合金，Al-Mg 合金，Al-Mg-Si 合金，Al-Zn 合金，AL- 其它元素合金元素。
Al-Zn-Mg-Cu 合金屬于超高強鋁合金，是可熱處理強化合金，具有較高的比強度，但是由于峰值時效狀態(tài)下，抗應(yīng)力腐蝕能力和斷裂韌性都比較差，限制了其廣泛應(yīng)用。因此，優(yōu)化合金成分和熱處理工藝獲得綜合性能良好的合金一直是廣大材料研究工作者共同追求的目標。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
為了克服現(xiàn)有的高強鋁合金材料的技術(shù)不足和缺陷，本發(fā)明提供一種高強度鋁合金材料配方及其制備方法。所述鋁合金配方的各合金元素組分配比合理，所述制備方法生產(chǎn)工藝簡單、可有效提高鋁合金的總體強度和穩(wěn)定性。
為實現(xiàn)上述目標，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
一種高強度鋁合金材料配方，其特征在于，合金元素為Al、Zn、Mg、Cu、Zr ，各合金元素的原料要求是純度為99% 以上的純元素粉末，并且按重量百分比為：Zn 5.0~6.5%，Mg 1.7~2.2%，Cu 1.7~2.0%，Zr 0.18~0.25%，余量為Al，各組分之和為100% 。合金配料為10μm 銅粉、2μm 鋁粉、20μm 鎂粉、6~9μm 鋅粉和2~3μm 鋯粉。
一種高強度鋁合金材料的制備方法，包括如下步驟：
1）配料：按照如下組分配置合金原料，Zn 5.0~6.5%，Mg 1.7~2.2%，Cu 1.7~2.0%，Zr 0.18~0.25%，余量為Al，各組分之和為100% ；其中，Al、Zn、Mg、Cu、Zr 為純度99% 以上的純元素粉末，合金配料為10μm 銅粉、2μm 鋁粉、20μm 鎂粉、6~9μm 鋅粉和2~3μm 鋯粉；
2）研磨：元素粉末在輕型球磨機上以180 轉(zhuǎn)/分鐘的速度球磨24h；
3）燒結(jié)：復(fù)合料體在真空熱壓燒結(jié)爐中進行低溫高壓真空熱壓燒結(jié)，真空度≤ 0.01Pa，燒結(jié)溫度為560℃，燒結(jié)時間為5h，燒結(jié)壓力為100MPa；
4）熱處理：對采用低溫高壓真空熱壓燒結(jié)的燒結(jié)體進行高溫固溶熱處理，溫度為650℃，真空度≤ 0.01Pa，燒結(jié)時間15h；
5）擠壓：燒結(jié)后的試樣經(jīng)過熱擠壓，擠壓前模具預(yù)熱溫度為485℃，擠壓比為4 ：1~15 ：1，擠壓速率為1.5m/min；
6）固溶：擠壓件在470℃進行一級固溶2h，之后升溫至485℃二級固溶3h；
7）時效：擠壓件在完成二級固溶后，淬入室溫水中，然后在120℃進行一級時效24h，升溫至180℃二級時效2h，降溫至120℃三級時效24h。
本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果為：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過大量實驗選擇了合理配比，尤其是本發(fā)明的原料均采用純元素粉末的方法進行混料，通過球磨混料，使幾種元素粉末充分混合，然后通過大量實驗，選擇合適的低溫高壓真空熱壓燒結(jié)和高溫固溶熱處理方法和參數(shù)，使鋅、鎂、銅、鋯等元素在鋁基體中固溶超過其理論固溶度，并使粉末反應(yīng)充分進行，以獲得致密度高、孔隙率少、金屬間化合物相細小彌散分布的燒結(jié)態(tài)樣品，再進行熱處理獲得納米尺寸分布的時效析出強化相，最終使得合金的組織處于多相細小彌散分布狀態(tài)，從而使其具有良好的綜合機械性能，同時，由于沒有Fe、Si 等雜質(zhì)元素的影響，其性能進一步加強。本發(fā)明使用的粉末純度較高、粒徑細小，盡量避免有害雜質(zhì)的加入，使得合金的性能得到了加強。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步說明。
實施例
一種高強度鋁合金材料配方，其特征在于，合金元素為Al、Zn、Mg、Cu、Zr ，各合金元素的原料是純度為99% 以上的純元素粉末，按重量百分比為：Zn 5.5%，Mg 1.9%，Cu 1.8%，Zr 0.20%，余量為Al，各組分之和為100% 。合金配料為10μm 銅粉、2μm 鋁粉、20μm 鎂粉、8μm 鋅粉和2μm 鋯粉。
一種高強度鋁合金材料的制備方法，包括如下步驟：
1）配料：按照如下組分配置合金原料，Zn 5.5%，Mg 1.9%，Cu 1.8%，Zr 0.20%，余量為Al，各組分之和為100% ；其中，Al、Zn、Mg、Cu、Zr 為純度99% 以上的純元素粉末，合金配料為10μm 銅粉、2μm 鋁粉、20μm 鎂粉、8μm 鋅粉和2μm 鋯粉；
2）研磨：元素粉末在輕型球磨機上以180 轉(zhuǎn)/分鐘的速度球磨24h；
3）燒結(jié)：復(fù)合料體在真空熱壓燒結(jié)爐中進行低溫高壓真空熱壓燒結(jié)，真空度≤ 0.01Pa，燒結(jié)溫度為560℃，燒結(jié)時間為5h，燒結(jié)壓力為100MPa；
4）熱處理：對采用低溫高壓真空熱壓燒結(jié)的燒結(jié)體進行高溫固溶熱處理，溫度為650℃，真空度≤ 0.01Pa，燒結(jié)時間15h；
5）擠壓：燒結(jié)后的試樣經(jīng)過熱擠壓，擠壓前模具預(yù)熱溫度為485℃，擠壓比為4 ：1~15 ：1，擠壓速率為1.5m/min；
6）固溶：擠壓件在470℃進行一級固溶2h，之后升溫至485℃二級固溶3h；
7）時效：擠壓件在完成二級固溶后，淬入室溫水中，然后在120℃進行一級時效24h，升溫至180℃二級時效2h，降溫至120℃三級時效24h。
最后應(yīng)說明的是：顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之中。