[0001] 本发明属于7系铝合金大规格铸锭制备技术领域，涉及一种铝合金的铸锭成型方法及其应用，尤其涉及一种新型高强韧铝合金大规格铸锭成型方法及其应用。

[0002] 7系(Al‑Zn‑Mg‑Cu系)是现有变形铝合金中强度最高的一个系列，具有比强度高、综合性能优良、加工性能良好等突出特点，在航空航天应领域的应用品种涵盖了薄板、厚板、型材、锻件等。伴随着航空飞行器设计理念的不断更新，全世界航空航天领域广泛使用的7XXX系变形铝合金材料经历了追求静强度→高强、耐蚀→高强、高韧、高耐蚀→具有良好的各项综合性能平衡等多个发展阶段。新一代高强韧低淬火敏感性的7085和7081合金替代传统的高强高韧7050和7150等合金，使超大厚度制品在强度级别不降低的前提下，表层与芯部综合性能的差异从过去的15‑25％降低至8％以内，且断裂韧性、抗剥落腐蚀性能明显提高，并在多种机型的大型构件上获得大量应用，取得了明显的减重效果。但是，7085合金的强度水平仍然为500MPa级，与7050合金处于同一强度级别。

[0003] 因此，如何找到一种更为适宜的7系铝合金，在高韧性的基础上进一步提高强度，已成为业内诸多一线研究人员亟待解决的问题之一。

[0051] 为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不是对发明权利要求的限制。

[0052] 本发明所有原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备的即可。

[0053] 本发明所有原料，对其纯度没有特别限制，本发明优选采用工业纯或7系铝合金制备领域常规的纯度要求。

[0054] 本发明所有原料，其牌号和简称均属于本领域常规牌号和简称，每个牌号和简称在其相关用途的领域内均是清楚明确的，本领域技术人员根据牌号、简称以及相应的用途，能够从市售中购买得到或常规方法制备得到。

[0055] 本发明所用工艺，其简称均属于本领域常规简称，每个简称的具体步骤和常规参数在其相关领域内均是清楚明确的，本领域技术人员根据简称，能够以常规方法进行实现。

[0056] 本发明提供了一种铝合金的铸锭成型方法，包括以下步骤：

[0057] 1)将铝合金原料装炉进行熔炼，原料开始混合熔炼时，炉膛定温为第一温度，当熔体温度达到第二温度时，炉膛定温降为第三温度，再次混合后，转炉至静置炉，同时，在转炉过程中加入Al‑3Be中间合金和Mg；

[0058] 所述熔炼过程中全程使用熔剂粉覆盖保护；

[0059] 2)对静置炉中的熔体控制熔体温度，进行补料混合后，扒渣，保温混合后静置；

[0060] 3)将上述步骤得到的静置炉中的熔体经过在线精炼和在线过滤，然后在线加入细化剂后，进行铸造，冷却后得到铝合金铸锭；

[0061] 所述铝合金成分，按质量含量计，包括：Zn：7.1％～8.5％；Mg：1.5％～1.8％；Cu：1.9％～2.3％；Zr：0.05％～0.15％；Mn：≤0.04％；Fe≤0.08％；Si≤0.06％；Ti≤0.06％；
Cr≤0.04％，Al余量。

[0062] 在本发明中，所述铝合金成分，按质量含量计，包括：Zn：7.1％～8.5％；Mg：1.5％～1.8％；Cu：1.9％～2.3％；Zr：0.05％～0.15％；Mn：≤0.04％；Fe≤0.08％；Si≤0.06％；Ti≤0.06％；Cr≤0.04％，Al余量，优选为Zn：7.5％～8.4％；Mg：1.55％～1.75％；Cu：
1.95％～2.25％；Zr：0.07％～0.13％；Mn：≤0.03％；Fe≤0.07％；Si≤0.05％；Ti≤
0.05％；Cr≤0.03％，更优选为Zn：7.7％～8.3％；Mg：1.6％～1.7％；Cu：2.0％～2.2％；Zr：
0.09％～0.11％；Mn：≤0.02％；Fe≤0.06％；Si≤0.04％；Ti≤0.04％；Cr≤0.02％。

[0063] 本发明首先将铝合金原料装炉进行熔炼，原料开始混合熔炼时，炉膛定温为第一温度，当熔体温度达到第二温度时，炉膛定温降为第三温度，再次混合后，转炉至静置炉，同时，在转炉过程中加入Al‑3Be中间合金和Mg。

[0064] 在本发明中，所述熔炼过程中全程使用熔剂粉覆盖保护。具体的。所述熔剂粉优选满足表1中的要求。参看表1，表1为本发明采用的熔剂粉的具体规格和含量。

[0065] 表1

[0066]

[0067] 在本发明中，所述铝合金原料优选包括铝锭、Al‑Zr中间合金、Al‑3Be中间合金，Al‑Ti中间合金块、金属Cu板、金属Zn锭、金属Mg锭以及废料。

[0068] 在本发明中，所述废料的使用质量含量优选≤50％，更优选≤45％，更优选≤40％。

[0069] 在本发明中，所述铝合金原料装炉时，金属Cu板优选放置在炉料中上层。

[0070] 在本发明中，所述铝合金原料装炉时，Al‑Zr中间合金优选放置在炉料上层。

[0071] 在本发明中，所述铝合金原料装炉时，金属Zn锭优选放置在炉料中上层或在转炉过程中加入。

[0072] 在本发明中，所述第一温度优选为1040～1060℃，更优选为1044～1056℃，更优选为1048～1052℃。

[0073] 在本发明中，所述第二温度优选为710～730℃，更优选为714～726℃，更优选为718～722℃。

[0074] 在本发明中，所述第三温度优选为730～750℃，更优选为734～746℃，更优选为738～742℃。

[0075] 在本发明中，所述转炉时，熔体温度优选为740～760℃，更优选为744～756℃，更优选为748～752℃。

[0076] 在本发明中，所述Al‑3Be中间合金的加入量优选为0.2～0.4kg/t，更优选为0.24～0.36kg/t，更优选为0.28～0.32kg/t。

[0077] 本发明再对静置炉中的熔体控制熔体温度，进行补料混合后，扒渣，保温混合后静置。

[0078] 在本发明中，所述步骤2)中，控制熔体温度具体优选为730～750℃，更优选为734～746℃，更优选为738～742℃。

[0079] 在本发明中，所述步骤2)中，保温混合的温度优选为730～750℃，更优选为734～746℃，更优选为738～742℃。

[0080] 在本发明中，所述步骤2)中，保温混合的时间优选≥40min，更优选≥45min，更优选≥50min。

[0081] 在本发明中，所述步骤2)中，静置的时间优选≥30min，更优选≥35min，更优选≥40min。

[0082] 本发明最后将上述步骤得到的静置炉中的熔体经过在线精炼和在线过滤，然后在线加入细化剂后，进行铸造，冷却后得到铝合金铸锭。

[0083] 在本发明中，所述在线精炼具体优选为采用SNIF精炼装置进行除气净化的在线精炼。

[0084] 在本发明中，所述在线精炼的介质优选为氩气。

[0085] 在本发明中，所述在线精炼的工作气体压力优选为25～35psi，更优选为27～33psi，更优选为29～31psi。

[0086] 在本发明中，所述在线精炼的温度优选为730～750℃，更优选为734～746℃，更优选为738～742℃。具体可以为铸造温度。

[0087] 在本发明中，所述在线精炼的时间优选为30～40min，更优选为32～38min，更优选为34～36min。

[0088] 在本发明中，所述铝合金优选为高强韧铝合金。

[0089] 在本发明中，所述在线过滤具体优选为采用单级板式过滤装置进行在线过滤。

[0090] 在本发明中，所述单级板式过滤装置的过滤板等级优选为60ppi。

[0091] 在本发明中，所述在线过滤中，控制熔体的温度优选为700～720℃，更优选为704～716℃，更优选为708～712℃。

[0092] 在本发明中，所述细化剂优选包括Al‑3Ti‑0.15C。

[0093] 在本发明中，所述细化剂的加入量优选为3～4kg/t，更优选为3.2～3.8kg/t，更优选为3.4～3.6kg/t。

[0094] 在本发明中，所述铸造的方式优选为半连续铸造。

[0095] 在本发明中，所述铸造的速度优选为40～50mm/min，更优选为42～48mm/min，更优选为44～46mm/min。

[0096] 在本发明中，所述铸造的温度优选为730～750℃，更优选为734～746℃，更优选为738～742℃。

[0097] 在本发明中，所述冷却的方式优选为水冷。

[0098] 在本发明中，所述水冷的冷却水流量优选为25～35m3/h，更优选为27～33m3/h，更3
优选为29～31m/h。

[0099] 在本发明中，所述铝合金成分中，按质量含量计，优选单个杂质≤0.05，合计≤0.15，更优选杂质≤0.04，合计≤0.14，更优选杂质≤0.03，合计≤0.13。

[0100] 在本发明中，所述高强韧铝合金优选为7系铝合金。

[0101] 在本发明中，所述铝合金铸锭优选为大规格铝合金铸锭。

[0102] 在本发明中，所述铝合金铸锭的厚度×宽度×长度为400×1320×4500mm～520×1600×4000mm。其中，厚度优选为420～500mm，更优选为440～480mm；宽度优选为1320～
1600mm，更优选为1350～1550mm，更优选为1400～1500mm；长度优选为4500～4000mm，更优选为4400～4100mm，更优选为4300～4200mm。

[0103] 本发明为完整和细化整体技术方案，更好的提高上述新型高强韧铝合金大规格铸锭成型效果，进一步提高7系铝合金的强度、断裂韧性和耐腐蚀性能，上述新型高强韧铝合金大规格铸锭成型方法具体可以包括以下内容：

[0104] 本发明工艺路线：配料→熔炼→静置→铸造

[0105] (1)配料

[0106] 合金成分范围：Zn：7.1％～8.5％；Mg：1.5％～1.8％；Cu：1.9％～2.3％；Zr：0.05％～0.15％；Mn：≤0.04％；Fe≤0.08％；Si≤0.06％；Ti≤0.06％；Cr≤0.04％，Al余量。

[0107] 按照合金成分范围要求称取Al99.90％及以上品位的原铝锭、中间合金、纯金属及一级废料等配料，一级废料使用量≤50％。

[0108] (2)熔炼

[0109] 熔炼装炉时Zn锭、Cu板放置在中上层，Al‑Zr中间合金等装在炉料上层，Zn锭也可以随炉装或在转流槽加入，Mg锭、Al‑Be中间合金等不随炉料装炉；

[0110] 合金开始熔炼时炉膛定温，炉料化平搅拌后测量熔体温度，当熔体温度达到一定温度时，转定温。适时用耙子搅动熔化金属，防止熔体局部过热；熔体由熔炼炉向静置炉转流前，彻底搅拌二次，控制转炉时熔体温度，在转流槽均匀加入Al‑3Be中间合金块和Mg锭；

[0111] 熔炼过程中全程使用熔剂粉覆盖保护；

[0112] (3)静置

[0113] 熔体转入静置炉后，彻底搅拌，将熔体温度控制在铸造温度范围，充分扒渣后准备铸造；根据炉前化学成分分析结果，严格按目标值控制成分进行调整。炉前补料后保温40分钟以上，熔体搅拌均匀并静置后进行铸造。

[0114] (4)在线处理与铸造

[0115] 熔体在线采用SNIF精炼装置进行除气净化处理，其精炼介质为氩气，工作气体压力25～35psi，熔体设定温度为铸造温度范围；

[0116] 熔体在线过滤采用单级板式过滤装置，其过滤板等级为60ppi，过滤板使用熔次不超过两熔次，过滤装置内控制熔体温度范围为700～720℃；

[0117] 熔体在线采用流槽连续均匀加入Al‑3Ti‑0.15C丝进行晶粒细化，其Al‑3Ti‑0.15C细化剂加入量为3～4kg/t，最后得到方铸锭。

[0118] 本发明提供了上述技术方案任意一项所述的铸锭成型方法在制备大规格7系铝合金铸锭中的应用。

[0119] 本发明上述内容提供了一种新型高强韧铝合金大规格铸锭成型方法及其应用。本发明对铝合金的成分进行了优化，并特别设计了相应的铝合金的铸锭成型方法。本发明在7050铝合金的基础上进行改进，通过提高合金的Zn元素含量，降低Mg含量，Zn/Mg比值得到进一步提高，在损伤容限性能与7050合金相当的情况下，提高了合金的淬透性，从而解决了
7050超厚板的各向异性大、沿厚度方向的强度衰减效应明显等问题。但在高纯高合金化7系合金半连续铸造条件下，随着(Zn+Mg+Cu)总量的增加，铸锭厚度、宽度尺寸增大，铸锭成型难度更大，沿扁铸锭厚度、宽度方向上的成分偏析、组织偏析将更加严重。本发明又通过合金成分优化、熔体净化、大规格铸锭铸造成型及低偏析控制技术研究等一系列方式对铸锭成型步骤进行相应的设计，达到了减小基体杂质相尺寸及数量、改善其分布，细化晶粒的目的，试制出符合工业化条件下的大规格铸锭，实现了现有7050合金替代。

[0120] 本发明提供的铝合金的铸锭成型方法，通过合金成分设计与优化，确立工业化批产条件下的化学成分内控范围，确保了工业化熔铸时合金成分的精确控制，又通过降低铸造速度，增加冷却强度，可有效减小铸造凝固时的液穴深度，改善固‑液面形状及溶质元素分布，细化铸锭原始晶粒组织，减少铸锭偏析，进而保证大规格铸锭的质量。本发明形成了新型高强韧铝合金大规格铸锭成型与低偏析控制技术，为后续厚板提供了细晶、均质、低偏析的高品质铸锭。

[0121] 本发明提供的铝合金的铸锭成型方法制备的7系铝合金，已显现出明显的综合性能优势，必将成为未来航空航天及其他民用高端装备制造用高强、高韧铝合金材料的升级换代成品，拥有广阔的应用前景，成为取代7050铝合金的最佳选择。

[0122] 实验结果表明，本发明制备的7系铝合金，具有与7085合金相当的Zn/Mg比(该值增加，淬透性越好，各向异性更低)，同时将Cu含量在7050基础上略微调低，以保持合金高的过饱合度强化特性，该合金较7050、7085合金相比其强度级别更高、断裂韧性和耐腐蚀性能更加优异，而疲劳性能则与7050相当。同时也弥补了7055合金淬透性差的特点，可以用来生产更大厚度的厚板。

[0123] 为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种铝合金的铸锭成型方法及其应用进行详细描述，但是应当理解，这些实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制，本发明的保护范围也不限于下述的实施例。

[0124] 实施例1

[0125] (1)配料

[0126] 合金成分：Zn：8.0％；Mg：1.7％；Cu：2.2％；Zr：0.11％；Mn：0.04％；Fe：0.06％；Si：0.04％；Ti：0.03％；Cr：0.04％，Al余量。

[0127] 按照合金成分范围要求称取Al99.90％及以上品位的原铝锭、中间合金、纯金属及一级废料等配料，一级废料使用量≤50％。

[0128] (2)熔炼

[0129] 熔炼装炉时Zn锭、Cu板放置在中上层，Al‑Zr中间合金等装在炉料上层，Zn锭也可以随炉装或在转流槽加入，Mg锭、Al‑Be中间合金等不随炉料装炉；

[0130] 合金开始熔炼时炉膛定温1050℃，炉料化平搅拌后测量熔体温度，当熔体温度达720℃时，转定温760℃。适时用耙子搅动熔化金属，防止熔体局部过热；熔体由熔炼炉向静置炉转流前，彻底搅拌二次，转炉时熔体温度控制在750℃，在转流槽均匀加入0.35kg/t的Al‑3Be中间合金块和Mg锭；

[0131] (3)静置

[0132] 熔体转入静置炉后，彻底搅拌，将熔体温度控制在铸造温度范围，充分扒渣后准备铸造；根据炉前化学成分分析结果，严格按目标值控制成分进行调整。炉前补料后保温40分钟以上，熔体搅拌均匀并静置后进行铸造。

[0133] 熔炼过程中全程使用熔剂粉覆盖保护。

[0134] (4)在线处理与铸造

[0135] 熔体在线采用SNIF精炼装置进行除气净化处理，其精炼介质为氩气，工作气体压力30psi，熔体设定温度为铸造温度范围；

[0136] 熔体在线过滤采用单级板式过滤装置，其过滤板等级为60ppi，过滤板使用熔次不超过两熔次，过滤装置内控制熔体温度范围为710℃；

[0137] 熔体在线采用流槽连续均匀加入Al‑3Ti‑0.15C丝进行晶粒细化，其Al‑3Ti‑0.15C细化剂加入量为3kg/t，最后得到520×1600mm的方铸锭。

[0138] 铸锭制备后进行均热→铣面→加热→厚板轧制→拉伸→固溶淬火→预拉伸→时效→成品，制备为厚度为25mm的板材。

[0139] 对制备的板材进行性能检测，性能见表2，表2为本发明实施例1制备的7系25mm铝合金板材性能结果。

[0140] 表2

[0141]

[0142] 实施例2

[0143] (1)配料

[0144] 合金成分：Zn：8.10％；Mg：1.65％；Cu：2.10％；Zr：0.12％；Mn：0.04％；Fe：0.06％；Si：0.04％；Ti：0.03％；Cr：0.04％，Al余量。

[0145] 按照合金成分范围要求称取Al99.90％及以上品位的原铝锭、中间合金、纯金属及一级废料等配料，一级废料使用量≤50％。

[0146] (2)熔炼

[0147] 熔炼装炉时Zn锭、Cu板放置在中上层，Al‑Zr中间合金等装在炉料上层，Zn锭也可以随炉装或在转流槽加入，Mg锭、Al‑Be中间合金等不随炉料装炉；

[0148] 合金开始熔炼时炉膛定温1050℃，炉料化平搅拌后测量熔体温度，当熔体温度达720℃时，转定温760℃。适时用耙子搅动熔化金属，防止熔体局部过热；熔体由熔炼炉向静置炉转流前，彻底搅拌二次，转炉时熔体温度控制在750℃，在转流槽均匀加入0.35kg/t的Al‑3Be中间合金块和Mg锭；

[0149] (3)静置

[0150] 熔体转入静置炉后，彻底搅拌，将熔体温度控制在铸造温度范围，充分扒渣后准备铸造；根据炉前化学成分分析结果，严格按目标值控制成分进行调整。炉前补料后保温40分钟以上，熔体搅拌均匀并静置后进行铸造。

[0151] 熔炼过程中全程使用熔剂粉覆盖保护。

[0152] (4)在线处理与铸造

[0153] 熔体在线采用SNIF精炼装置进行除气净化处理，其精炼介质为氩气，工作气体压力30psi，熔体设定温度为铸造温度范围；

[0154] 熔体在线过滤采用单级板式过滤装置，其过滤板等级为60ppi，过滤板使用熔次不超过两熔次，过滤装置内控制熔体温度范围为710℃；

[0155] 熔体在线采用流槽连续均匀加入Al‑3Ti‑0.15C丝进行晶粒细化，其Al‑3Ti‑0.15C细化剂加入量为3kg/t，最后得到520×1600mm的方铸锭。

[0156] 铸锭制备后进行均热→铣面→加热→厚板轧制→拉伸→固溶淬火→预拉伸→时效→成品，制备为厚度为25mm的板材。

[0157] 对制备的板材进行性能检测，性能见表3，表3为本发明实施例2制备的7系25mm铝合金板材性能结果。

[0158] 表3

[0159]

[0160] 实施例3

[0161] (1)配料

[0162] 合金成分：Zn：8.16％；Mg：1.75％；Cu：2.05％；Zr：0.11％；Mn：0.04％；Fe：0.04％；Si：0.04％；Ti：0.03％；Cr：0.04％，Al余量。

[0163] 按照合金成分范围要求称取Al99.90％及以上品位的原铝锭、中间合金、纯金属及一级废料等配料，一级废料使用量≤50％。

[0164] (2)熔炼

[0165] 熔炼装炉时Zn锭、Cu板放置在中上层，Al‑Zr中间合金等装在炉料上层，Zn锭也可以随炉装或在转流槽加入，Mg锭、Al‑Be中间合金等不随炉料装炉；

[0166] 合金开始熔炼时炉膛定温1050℃，炉料化平搅拌后测量熔体温度，当熔体温度达720℃时，转定温760℃。适时用耙子搅动熔化金属，防止熔体局部过热；熔体由熔炼炉向静置炉转流前，彻底搅拌二次，转炉时熔体温度控制在750℃，在转流槽均匀加入0.35kg/t的Al‑3Be中间合金块和Mg锭；

[0167] (3)静置

[0168] 熔体转入静置炉后，彻底搅拌，将熔体温度控制在铸造温度范围，充分扒渣后准备铸造；根据炉前化学成分分析结果，严格按目标值控制成分进行调整。炉前补料后保温40分钟以上，熔体搅拌均匀并静置后进行铸造。

[0169] 熔炼过程中全程使用熔剂粉覆盖保护。

[0170] (4)在线处理与铸造

[0171] 熔体在线采用SNIF精炼装置进行除气净化处理，其精炼介质为氩气，工作气体压力30psi，熔体设定温度为铸造温度范围；

[0172] 熔体在线过滤采用单级板式过滤装置，其过滤板等级为60ppi，过滤板使用熔次不超过两熔次，过滤装置内控制熔体温度范围为710℃；

[0173] 熔体在线采用流槽连续均匀加入Al‑3Ti‑0.15C丝进行晶粒细化，其Al‑3Ti‑0.15C细化剂加入量为3kg/t，最后得到520×1600mm的方铸锭。

[0174] 铸锭制备后进行均热→铣面→加热→厚板轧制→拉伸→固溶淬火→预拉伸→时效→成品，制备为厚度为25mm的板材。

[0175] 对制备的板材进行性能检测，性能见表4，表4为本发明实施例3制备的7系25mm铝合金板材性能结果。

[0176] 表4

[0177]

[0178] 以上对本发明提供的一种新型高强韧铝合金大规格铸锭成型方法及其应用进行了详细的介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，包括最佳方式，并且也使得本领域的任何技术人员都能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，和实施任何结合的方法。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。本发明专利保护的范围通过权利要求来限定，并可包括本领域技术人员能够想到的其他实施例。如果这些其他实施例具有不是不同于权利要求文字表述的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的文字表述无实质差异的等同结构要素，那么这些其他实施例也应包含在权利要求的范围内。