CN121380700A - 一种高性能铝合金管材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铝合金管材制造领域，公开了一种高性能铝合金管材及其制备方法，包括以下质量百分比的成分：Mg：1.2~1.8%，Si：0.8~1.2%，Sc：0.05~0.15%，Zr：0.08~0.18%，Cu：0.2~0.4%，Mn：0.1~0.3%，杂质：Fe≤0.15%，Zn≤0.1%，Ti≤0.05%，余量为Al。本发明突破传统单一强化相设计思路，提供了“Mg‑Si主强化+Sc‑Zr晶粒细化+Cu‑Mn耐蚀调控”的四元协同体系，使得本发明可以兼顾强度、耐蚀性以及韧性。

Description

一种高性能铝合金管材及其制备方法

技术领域

本发明涉及铝合金管材制备技术领域，具体而言，涉及一种高性能铝合金管材及其制备方法。

背景技术

铝合金管材因轻量化、易加工等优势，广泛应用于结构件领域。现有主流管材多基于6系（Al-Mg-Si）或7系（Al-Zn-Mg）合金，存在以下技术缺陷：

性能协同性差：6系合金（如6061）抗拉强度仅310-330MPa，中性盐雾1000h腐蚀速率0.03-0.05mm/a，无法满足高端领域对“高强度+高耐蚀”的双重需求；7系合金虽强度提升（抗拉强度≥500MPa），但韧性差（伸长率≤8%）且成本高，耐晶间腐蚀性不足。

工艺局限性：传统制备工艺采用“单一温度均匀化→热挤压→离线淬火→单阶段时效”，易导致铸锭晶粒粗大（≥50μm）、挤压后组织不均匀，且离线淬火易产生氧化层，影响管材表面质量与后续加工性能。

基于此，提供一种高性能铝合金管材及其制备方法，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

鉴于此，本发明提出了一种高性能铝合金管材，旨在解决背景技术中的问题中的至少一项。

本发明提出了一种高性能铝合金管材，包括以下质量百分比的成分：

Mg：1.2~1.8%，Si：0.8~1.2%，Sc：0.05~0.15%，Zr：0.08~0.18%，Cu：0.2~0.4%，Mn：0.1~0.3%，杂质：Fe≤0.15%，Zn≤0.1%，Ti≤0.05%，余量为Al。

本发明还提供了一种如权利要求1所述的高性能铝合金管材的制备方法，包括以下制备步骤：

按照所述高性能铝合金管材成分的质量百分比称取铝锭、镁锭、Al-Si中间合金、Al-Sc中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Cu中间合金以及Al-Mn中间合金作为原料；

将铝锭升温熔化后依次加入Al-Si、Al-Mn、Al-Cu中间合金进行第一搅拌，结束后降温加入镁锭和Al-Sc、Al-Zr中间合金进行保温处理，随后加入细化剂，静置后过滤，得到熔体；

将所述熔体进行铸造，得到铸锭，对所述铸锭进行分段均匀化处理，将均匀化后的铸锭进行预处理后挤压成型，得到粗管材；

对所述粗管材进行淬火后进行三段式时效处理，经后处理后，得到所述高性能铝合金管材。

优选的，所述升温的温度为740-760℃；所述降温的温度为720-730℃；所述第一搅拌的搅拌时间为15-20分钟，搅拌速率为300r/min。

优选的，所述铸造温度为710-720℃，铸造期间施加电磁搅拌，所述电磁搅拌的搅拌频率为50-60Hz，铸造速度为80-100mm/min，冷却速率为15-20℃/s。

优选的，所述分段均匀化处理具体为：将所述铸锭在420-430℃的温度下保温4-5小时，进行一段均匀化，结束后将温度升高至480-490℃保温8-10小时，进行二段均匀化，结束后随炉冷却至300℃后空冷至室温。

优选的，所述预处理为：将均匀化后的所述铸锭去除2-3厘米厚的外皮，预热至480-500℃保温2小时。

优选的，所述挤压成型为：将模具预热至500-520℃，以500-520℃的温度、5-8mm/s的速度将预处理后的铸锭挤压成型。

优选的，所述淬火为将所述粗管材以大于等于30℃/s的冷却速率进行水-气雾化冷却。

优选的，所述三段式时效处理具体为：将淬火后的所述粗管材以120-130℃的温度保温4-6小时，进行预时效，然后将温度升高至180-190℃保温8-10小时，进行主时效，结束后将温度降低至60-70℃保温12-15℃，进行低温时效。

优选的，所述后处理为：将时效后的粗管材进行校直，然后化学拋光。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明突破传统单一强化相设计思路，提供了“Mg-Si主强化+Sc-Zr晶粒细化+Cu-Mn耐蚀调控”的四元协同体系，使得本发明可以兼顾强度、耐蚀性以及韧性。

本发明采用“分段均匀化+在线淬火+三段式时效”工艺，实现微观组织从铸锭到成品的全流程精准调控，大大提高了工艺稳定性。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。

另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

本发明提供了一种高性能铝合金管材，包括以下质量百分比的成分：

Mg：1.2~1.8%，Si：0.8~1.2%，Sc：0.05~0.15%，Zr：0.08~0.18%，Cu：0.2~0.4%，Mn：0.1~0.3%，杂质：Fe≤0.15%，Zn≤0.1%，Ti≤0.05%，余量为Al。

具体而言，各金属元素作用如下：

Al：基体元素，保证材料基础韧性；

Mg（1.2~1.8%）：与Si形成Mg₂Si强化相，提升强度；含量小于1.2%则强化不足，大于1.8%易形成β-Mg₂Si脆性相；

Si（0.8~1.2%）：与Mg协同形成强化相，Si/Mg摩尔比控制在0.6-0.8，避免游离Si导致的韧性下降；

Sc（0.05~0.15%）：与Zr协同形成L1₂型Al₃(Sc，Zr)相，细化铸锭晶粒，提升再结晶温度；含量大于0.15%则成本剧增，小于0.05%细化效果不足；

Zr（0.08~0.18%）：降低Sc的用量，同时抑制挤压过程中的晶粒长大，提升热稳定性；

Cu（0.2~0.4%）：形成Al-Cu-Mg-Si四元析出相，提升时效强化效果；含量小于0.2%则强化有限，大于0.4%易形成CuAl₂相，降低耐蚀性；

Mn（0.1~0.3%）：形成Al₆Mn相，抑制晶间腐蚀，同时细化再结晶晶粒，提升韧性；含量大于0.3%易产生粗大夹杂；

杂质（Fe≤0.15%，Zn≤0.1%，Ti≤0.05%）：控制杂质总量≤0.3%，避免形成FeAl₃等脆性夹杂。

可以理解的是，本发明突破传统单一强化相设计思路，提供了“Mg-Si主强化+Sc-Zr晶粒细化+Cu-Mn耐蚀调控”的四元协同体系，使得本发明可以兼顾强度、耐蚀性以及韧性。

本发明还提供了一种高性能铝合金管材的制备方法，包括以下制备步骤：

按照所述高性能铝合金管材成分的质量百分比称取铝锭、镁锭、Al-Si中间合金、Al-Sc中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Cu中间合金以及Al-Mn中间合金作为原料；

将铝锭升温熔化后依次加入Al-Si、Al-Mn、Al-Cu中间合金进行第一搅拌，结束后降温加入镁锭和Al-Sc、Al-Zr中间合金进行保温处理，随后加入细化剂，静置后过滤，得到熔体；

将所述熔体进行铸造，得到铸锭，对所述铸锭进行分段均匀化处理，将均匀化后的铸锭进行预处理后挤压成型，得到粗管材；

对所述粗管材进行淬火后进行三段式时效处理，经后处理后，得到所述高性能铝合金管材。

具体而言，所述原料采用：99.97%高纯铝锭、镁锭（99.95%）、Al-Si中间合金（Si含量20wt%）、Al-Sc中间合金（Sc含量2wt%）、Al-Zr中间合金（Zr含量5wt%）、Al-Cu中间合金（Cu含量30wt%）、Al-Mn中间合金（Mn含量10wt%）。

具体而言，熔化设备为石墨干锅炉（内壁涂覆有氮化硼涂层，避免Al与石墨反应）。

具体而言，在熔化原料过程中通入氩气-氮气混合气体（体积比7:3），流量控制为5L/min，确保炉内氧含量≤0.5%（通过氧含量检测仪实时监测），防止熔体氧化；

具体而言，加入镁锭和Al-Sc、Al-Zr中间合金后保持搅拌10分钟后，停止搅拌保温20-25分钟（让合金元素充分溶解）。

具体而言，所述细化剂为Al-5Ti-B细化剂，加入量为0.1wt（按照熔体总质量计算，如100kg熔体加0.1kg），加入Al-5Ti-B细化剂后搅拌5分钟后静置10min（让细化剂均匀分布，同时使夹杂上浮），采用100目陶瓷过滤板过滤熔体。

可以理解的是，本发明采用“分段均匀化+在线淬火+三段式时效”工艺，实现微观组织从铸锭到成品的全流程精准调控，大大提高了工艺稳定性。

在本发明中，所述升温的温度优选为740-760℃；所述降温的温度优选为720-730℃；所述第一搅拌的搅拌时间优选为15-20分钟，搅拌速率优选为300r/min。

具体而言，合金熔化操作为：将高纯铝锭全部加入石墨坩埚炉，关闭炉门，以10℃/min的速率升温至740-760℃（升温速率过快易导致铝锭局部过热烧损），直至铝锭完全熔化（通过炉门观察窗确认无固体铝块），期间通入氩气-氮气混合气体（体积比7:3），流量控制为5L/min，确保炉内氧含量≤0.5%（通过氧含量检测仪实时监测），防止熔体氧化，待铝锭完全熔化后先后加入Al-Si（熔点610℃）、Al-Mn（熔点658℃）和Al-Cu（熔点640℃）中间合金，启动机械搅拌（300r/min，搅拌深度为熔体高度的2/3），搅拌15-20min（确保合金元素均匀扩散），结束后低炉温至720-730℃（Mg熔点650℃，此温度可减少Mg烧损率≤3%），加入Mg锭和Al-Sc（熔点630℃）、Al-Zr（熔点660℃）中间合金，继续搅拌10min后，停止搅拌保温20-25min（让合金元素充分溶解），加入0.1wt%的Al-5Ti-B细化剂（按熔体总质量计算，如100kg熔体加0.1kg），手动搅拌5min后，静置10min，采用100目陶瓷过滤板，收集过滤后的熔体至保温坩埚（保温温度710-720℃），备用。

在本发明中，所述铸造温度优选为710-720℃，铸造期间施加电磁搅拌，所述电磁搅拌的搅拌频率优选为50-60Hz，铸造速度优选为80-100mm/min，冷却速率优选为15-20℃/s。

具体而言，所述铸造的具体步骤为：将结晶器升温至300-320℃（避免冷结晶器导致熔体激冷，产生表面裂纹），保温30min，将保温坩埚中710-720℃的熔体浇注到结晶器中当结晶器内熔体液面达到结晶器高度的2/3时（通过液位传感器监测），启动牵引装置以80-100mm/min的速度进行铸造，期间开启50-60Hz频率的电磁搅拌，同时开启水雾冷却通过控制水温和水压以15-20℃/s的冷却速率冷却铸锭至300-350℃之间。

在本发明中，所述分段均匀化处理优选为：将所述铸锭在420-430℃的温度下保温4-5小时，进行一段均匀化，结束后将温度升高至480-490℃保温8-10小时，进行二段均匀化，结束后随炉冷却至300℃后空冷至室温。

具体而言，将所述铸锭放入箱式电阻炉以5℃/min的速率升温至420-430℃，保温4-5小时，进行一段均匀化，结束后将温度以3℃/min的速率升高至480-490℃保温8-10小时，进行二段均匀化，结束后随炉冷却至300℃后打开炉门空冷至室温。

可以理解的是，一段均匀化目的是溶解铸锭中析出的细小Mg₂Si亚稳定相，避免后续高温加热时晶粒异常长大，二段均匀化目的是彻底溶解残余第二相，同时促进Al₃(Sc，Zr)相均匀析出，为后续挤压提供细晶基础。

在本发明中，所述预处理优选为：将均匀化后的所述铸锭去除2-3厘米厚的外皮，预热至480-500℃保温2小时。

具体而言，使用数控车床，将均匀化后的铸锭外圆车削去皮，去皮厚度2-3mm（去除表面氧化层和可能的夹杂，确保挤压时模具不被划伤），将车削后的铸锭放入感应加热炉，以10℃/min的速率升温至480-500℃，保温2h（目的是使铸锭温度均匀，降低挤压抗力）；

在本发明中，所述挤压成型优选为：将模具预热至500-520℃，以500-520℃的温度、5-8mm/s的速度将预处理后的铸锭挤压成型。

在本发明中，所述淬火为将所述粗管材以大于等于30℃/s的冷却速率进行水-气雾化冷却。

具体而言，根据所需选取制造模具，将模具放入模具加热炉，升温至500-520℃，保温3h（模具温度过低易导致挤压管材表面粗糙，过高则模具寿命缩短），在模具工作表面涂抹石墨润滑剂（高温下形成润滑膜，减少摩擦），将预热后的铸锭送入挤压机料筒，启动挤压机，以250-300MPa的压力将铸锭以5-8mm/s的速度挤出模具，挤出后立即进入水-气雾化冷却装置进行在线淬火冷却，保证冷却速率≥30℃/s。

在本发明中，所述三段式时效处理优选为：将淬火后的所述粗管材以120-130℃的温度保温4-6小时，进行预时效，然后将温度升高至180-190℃保温8-10小时，进行主时效，结束后将温度降低至60-70℃保温12-15℃，进行低温时效。

具体而言，三段式时效处理使用的时效设备优选为热风循环时效炉。

具体而言，所述三段式时效处理的操作步骤为：

将淬火后的管材挂在炉内挂架，关闭炉门，开启热风循环系统；

以5℃/min的速率升温至120-130℃，保温4-6小时，进行预时效，然后以3℃/min的速率升温至180-190℃，保温8-9小时，进行主时效，最后以2℃/min的速率降温至60-70℃，保温12-15小时，进行低温时效，结束后，关闭加热装置，保持热风循环，自然降温至100℃以下，然后打开炉门空冷至室温。

可以理解的是，预时效可以促进GP区均匀形核，GP区是后续析出β'-Mg₂Si相的核心，均匀形核可避免后续析出相粗大；主时效目的是形成主要强化相，180-190℃保温8-10h，此温度下GP区转化为细小的β'-Mg₂Si相，尺寸≤10nm，是主要的强化相；低温时效目的是消除主时效产生的内应力，同时微调GP区与β'相的分布，提升韧性。

在本发明中，所述后处理为：将时效后的粗管材进行校直，然后化学拋光。

具体而言，将时效后的粗管材送入矫直机进行校直后，放入抛光液中浸泡10min，期间每2min翻动一次，确保表面均匀抛光，结束后取出管材用去离子水冲洗3次，每次1min，然后放入80℃的烘干箱中烘干30分钟。

具体而言，所述抛光液的配方为：磷酸80%（质量分数）、硫酸15%、硝酸5%（提前在耐酸槽中配制，温度60-70℃，通过恒温水浴控制）；

所述后处理主要目的是去除氧化层，提升表面质量。

实施例1

管材成分设计：Mg：1.5%，Si：1%，Sc：0.1%，Zr：0.13%，Cu：0.3%，Mn：0.2%，杂质：Fe≤0.15%，Zn≤0.1%，Ti≤0.05%，余量为Al。

制备方法：

S1、根据设计的成分称取99.97%高纯铝锭、镁锭（99.95%）、Al-Si中间合金（Si含量20wt%）、Al-Sc中间合金（Sc含量2wt%）、Al-Zr中间合金（Zr含量5wt%）、Al-Cu中间合金（Cu含量30wt%）、Al-Mn中间合金（Mn含量10wt%）作为原料；

S2、将高纯铝锭全部加入石墨坩埚炉，关闭炉门，以10℃/min的速率升温至740-760℃之间，直至铝锭完全熔化，期间通入氩气-氮气混合气体（体积比7:3），流量控制为5L/min，待铝锭完全熔化后先后加入Al-Si、Al-Mn和Al-Cu中间合金，启动机械搅拌以300r/min的速率搅拌18min，结束后降低炉温至720-730℃之间，加入镁锭和Al-Sc、Al-Zr中间合金，继续搅拌10min后，停止搅拌保温23min，加入0.1wt%的Al-5Ti-B细化剂，手动搅拌5min后，静置10min，采用100目陶瓷过滤板，收集过滤后的熔体至保温坩埚在710-720℃的温度范围下保温，备用；

S3、将结晶器升温至300-320℃，保温30min，将保温坩埚中710-720℃的熔体浇注到结晶器中当结晶器内熔体液面达到结晶器高度的2/3时，启动牵引装置以90mm/min的速度进行铸造，期间开启55Hz频率的电磁搅拌，同时开启水雾冷却通过控制水温和水压以18℃/s的冷却速率冷却铸锭至300-350℃之间；

S4、将铸锭放入箱式电阻炉以5℃/min的速率升温至420-430℃之间，保温4.5小时，进行一段均匀化，结束后将温度以3℃/min的速率升高至480-490℃保温9小时，进行二段均匀化，结束后随炉冷却至300℃后打开炉门空冷至室温；

S5、使用数控车床，将均匀化后的铸锭外圆车削去皮，去皮厚度2-3mm，将车削后的铸锭放入感应加热炉，以10℃/min的速率升温至480-500℃之间，保温2h备用；

S6、将模具放入模具加热炉，升温至500-520℃，保温3h，在模具工作表面涂抹石墨润滑剂，将保温后的铸锭送入挤压机料筒，启动挤压机，以280MPa的压力将铸锭以7mm/s的速度挤出模具，得到粗管材，将挤出后的粗管材立即进入水-气雾化冷却装置进行在线淬火冷却，保证冷却速率≥30℃/s；

S7、将淬火后的粗管材挂在热风循环时效炉内的挂架上，关闭炉门，开启热风循环系统，以5℃/min的速率升温至120-130℃之间，保温5小时，进行预时效，然后以3℃/min的速率升温至180-190℃之间，保温9小时，进行主时效，最后以2℃/min的速率降温至60-70℃，保温13小时，进行低温时效，结束后，关闭加热装置，保持热风循环，自然降温至100℃以下，然后打开炉门空冷至室温；

S8、将时效后的粗管材送入矫直机进行校直后，放入抛光液中浸泡10min，期间每2min翻动一次，确保表面均匀抛光，结束后取出管材用去离子水冲洗3次，每次1min，然后放入80℃的烘干箱中烘干30分钟，得到高性能铝合金管材。

实施例2

管材成分设计：Mg：1.2%，Si：0.8%，Sc：0.05%，Zr：0.08%，Cu：0.2%，Mn：0.1%，杂质：Fe≤0.15%，Zn≤0.1%，Ti≤0.05%，余量为Al。

制备方法：

S1、根据设计的成分称取99.97%高纯铝锭、镁锭（99.95%）、Al-Si中间合金（Si含量20wt%）、Al-Sc中间合金（Sc含量2wt%）、Al-Zr中间合金（Zr含量5wt%）、Al-Cu中间合金（Cu含量30wt%）、Al-Mn中间合金（Mn含量10wt%）作为原料；

S2、将高纯铝锭全部加入石墨坩埚炉，关闭炉门，以10℃/min的速率升温至740-760℃之间，直至铝锭完全熔化，期间通入氩气-氮气混合气体（体积比7:3），流量控制为5L/min，待铝锭完全熔化后先后加入Al-Si、Al-Mn和Al-Cu中间合金，启动机械搅拌以300r/min的速率搅拌15min，结束后降低炉温至720-730℃之间，加入镁锭和Al-Sc、Al-Zr中间合金，继续搅拌10min后，停止搅拌保温20min，加入0.1wt%的Al-5Ti-B细化剂，手动搅拌5min后，静置10min，采用100目陶瓷过滤板，收集过滤后的熔体至保温坩埚在710-720℃的温度范围下保温，备用；

S3、将结晶器升温至300-320℃，保温30min，将保温坩埚中710-720℃的熔体浇注到结晶器中当结晶器内熔体液面达到结晶器高度的2/3时，启动牵引装置以80mm/min的速度进行铸造，期间开启50Hz频率的电磁搅拌，同时开启水雾冷却通过控制水温和水压以15℃/s的冷却速率冷却铸锭至300-350℃之间；

S4、将铸锭放入箱式电阻炉以5℃/min的速率升温至420-430℃之间，保温4小时，进行一段均匀化，结束后将温度以3℃/min的速率升高至480-490℃保温8小时，进行二段均匀化，结束后随炉冷却至300℃后打开炉门空冷至室温；

S5、使用数控车床，将均匀化后的铸锭外圆车削去皮，去皮厚度2-3mm，将车削后的铸锭放入感应加热炉，以10℃/min的速率升温至480-500℃之间，保温2h备用；

S6、将模具放入模具加热炉，升温至500-520℃，保温3h，在模具工作表面涂抹石墨润滑剂，将保温后的铸锭送入挤压机料筒，启动挤压机，以250MPa的压力将铸锭以5mm/s的速度挤出模具，得到粗管材，将挤出后的粗管材立即进入水-气雾化冷却装置进行在线淬火冷却，保证冷却速率≥30℃/s；

S7、将淬火后的粗管材挂在热风循环时效炉内的挂架上，关闭炉门，开启热风循环系统，以5℃/min的速率升温至120-130℃之间，保温4小时，进行预时效，然后以3℃/min的速率升温至180-190℃之间，保温8小时，进行主时效，最后以2℃/min的速率降温至60-70℃，保温12小时，进行低温时效，结束后，关闭加热装置，保持热风循环，自然降温至100℃以下，然后打开炉门空冷至室温；

S8、将时效后的粗管材送入矫直机进行校直后，放入抛光液中浸泡10min，期间每2min翻动一次，确保表面均匀抛光，结束后取出管材用去离子水冲洗3次，每次1min，然后放入80℃的烘干箱中烘干30分钟，得到高性能铝合金管材。

实施例3

管材成分设计：Mg：1.8%，Si：1.2%，Sc：0.15%，Zr：0.18%，Cu：0.4%，Mn：0.3%，杂质：Fe≤0.15%，Zn≤0.1%，Ti≤0.05%，余量为Al。

制备方法：

S1、根据设计的成分称取99.97%高纯铝锭、镁锭（99.95%）、Al-Si中间合金（Si含量20wt%）、Al-Sc中间合金（Sc含量2wt%）、Al-Zr中间合金（Zr含量5wt%）、Al-Cu中间合金（Cu含量30wt%）、Al-Mn中间合金（Mn含量10wt%）作为原料；

S2、将高纯铝锭全部加入石墨坩埚炉，关闭炉门，以10℃/min的速率升温至740-760℃之间，直至铝锭完全熔化，期间通入氩气-氮气混合气体（体积比7:3），流量控制为5L/min，待铝锭完全熔化后先后加入Al-Si、Al-Mn和Al-Cu中间合金，启动机械搅拌以300r/min的速率搅拌20min，结束后降低炉温至720-730℃之间，加入镁锭和Al-Sc、Al-Zr中间合金，继续搅拌10min后，停止搅拌保温25min，加入0.1wt%的Al-5Ti-B细化剂，手动搅拌5min后，静置10min，采用100目陶瓷过滤板，收集过滤后的熔体至保温坩埚在710-720℃的温度范围下保温，备用；

S3、将结晶器升温至300-320℃，保温30min，将保温坩埚中710-720℃的熔体浇注到结晶器中当结晶器内熔体液面达到结晶器高度的2/3时，启动牵引装置以100mm/min的速度进行铸造，期间开启60Hz频率的电磁搅拌，同时开启水雾冷却通过控制水温和水压以20℃/s的冷却速率冷却铸锭至300-350℃之间；

S4、将铸锭放入箱式电阻炉以5℃/min的速率升温至420-430℃之间，保温5小时，进行一段均匀化，结束后将温度以3℃/min的速率升高至480-490℃保温10小时，进行二段均匀化，结束后随炉冷却至300℃后打开炉门空冷至室温；

S5、使用数控车床，将均匀化后的铸锭外圆车削去皮，去皮厚度2-3mm，将车削后的铸锭放入感应加热炉，以10℃/min的速率升温至480-500℃之间，保温2h备用；

S6、将模具放入模具加热炉，升温至500-520℃，保温3h，在模具工作表面涂抹石墨润滑剂，将保温后的铸锭送入挤压机料筒，启动挤压机，以300MPa的压力将铸锭以8mm/s的速度挤出模具，得到粗管材，将挤出后的粗管材立即进入水-气雾化冷却装置进行在线淬火冷却，保证冷却速率≥30℃/s；

S7、将淬火后的粗管材挂在热风循环时效炉内的挂架上，关闭炉门，开启热风循环系统，以5℃/min的速率升温至120-130℃之间，保温6小时，进行预时效，然后以3℃/min的速率升温至180-190℃之间，保温9小时，进行主时效，最后以2℃/min的速率降温至60-70℃，保温15小时，进行低温时效，结束后，关闭加热装置，保持热风循环，自然降温至100℃以下，然后打开炉门空冷至室温；

S8、将时效后的粗管材送入矫直机进行校直后，放入抛光液中浸泡10min，期间每2min翻动一次，确保表面均匀抛光，结束后取出管材用去离子水冲洗3次，每次1min，然后放入80℃的烘干箱中烘干30分钟，得到高性能铝合金管材。

效果测试

测试样品

本发明实施例1制备的高性能铝合金管材，规格Φ50×5mm；

6系合金：选用工业主流6061-T6铝合金管材（Al-Mg-Si系，标准热处理态），规格Φ50×5mm，记为“6061-T6”；

7系合金：选用高强度7075-T6铝合金管材（Al-Zn-Mg-Cu系，标准热处理态），规格Φ50×5mm，记为“7075-T6”。

实验标准预测设备（如表1所示）

表1测试标准与设备

实验步骤

样品预处理：所有管材均按相同流程矫直（多辊矫直机，精度0.5mm/m）、表面清理（化学拋光，Ra≤0.8μm），确保测试基准一致；

力学性能测试：拉伸试样为板状（厚度5mm，标距50mm），冲击试样为U型缺口（尺寸10×10×55mm），取5次测试平均值；

耐蚀性能测试：盐雾试验后称重计算腐蚀速率（失重法），晶间腐蚀后观察金相组织是否出现腐蚀裂纹；

工艺适应性测试：测量挤压后管材表面氧化层厚度（在线淬火vs离线淬火），计算同批次20个样品的性能变异系数（波动范围=变异系数×100%）。

实验结果，如表2-4所示：

表2力学性能测试数据

表3耐蚀性能测试数据

表4工艺适应性测试数据

可见，对于力学性能而言，本发明制备的高性能铝合金管材强度优于6系，韧性远超7系：本发明合金抗拉强度（392MPa）较6061-T6提升22.5%，解决6系“强度不足”问题；同时伸长率（16.2%）是7075-T6的2.1倍，冲击韧性（48J/cm²）是7075-T6的1.9倍，弥补7系“脆化风险”短板；

对于耐蚀性能而言，本发明合金1000h腐蚀速率（0.008mm/a）仅为6061-T6的19%、7075-T6的32%，在海洋工程（如offshore平台管道）中使用寿命可延长3-5倍；

7075-T6因Cu含量高（1.2-2.0wt%）易发生晶间腐蚀，而本发明合金通过Cu（0.3wt%）与Mn（0.2wt%）协同调控，168h晶间腐蚀无裂纹，可替代7系用于潮湿/腐蚀性环境（如船舶液压管道）。

对于工艺适应性而言，本发明制备的高性能铝合金管材氧化层薄，加工成本低，在线淬火使本发明的氧化层厚度（3μm）仅为6061-T6（8μm）的37.5%、7075-T6（10μm）的30%，后续除氧化层工序成本降低20-30%；

7075-T6因韧性差（伸长率≤8%），在弯曲、焊接等加工中易开裂（废品率≥15%），而发明合金伸长率≥15%，加工废品率可控制在5%以下，适配复杂管材成型需求（如高端装备异形导管）。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高性能铝合金管材，其特征在于，包括以下质量百分比的成分：

Mg：1.2~1.8%，Si：0.8~1.2%，Sc：0.05~0.15%，Zr：0.08~0.18%，Cu：0.2~0.4%，Mn：0.1~0.3%，杂质：Fe≤0.15%，Zn≤0.1%，Ti≤0.05%，余量为Al。

2.一种如权利要求1所述的高性能铝合金管材的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：

按照所述高性能铝合金管材成分的质量百分比称取铝锭、镁锭、Al-Si中间合金、Al-Sc中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Cu中间合金以及Al-Mn中间合金作为原料；

将铝锭升温熔化后依次加入Al-Si、Al-Mn、Al-Cu中间合金进行第一搅拌，结束后降温加入镁锭和Al-Sc、Al-Zr中间合金进行保温处理，随后加入细化剂，静置后过滤，得到熔体；

将所述熔体进行铸造，得到铸锭，对所述铸锭进行分段均匀化处理，将均匀化后的铸锭进行预处理后挤压成型，得到粗管材；

对所述粗管材进行淬火后进行三段式时效处理，经后处理后，得到所述高性能铝合金管材。

3.根据权利要求2所述的高性能铝合金管材的制备方法，其特征在于，

所述升温的温度为740-760℃；所述降温的温度为720-730℃；所述第一搅拌的搅拌时间为15-20分钟，搅拌速率为300r/min。

4.根据权利要求3所述的高性能铝合金管材的制备方法，其特征在于，

所述铸造温度为710-720℃，铸造期间施加电磁搅拌，所述电磁搅拌的搅拌频率为50-60Hz，铸造速度为80-100mm/min，冷却速率为15-20℃/s。

5.根据权利要求4所述的高性能铝合金管材的制备方法，其特征在于，

所述分段均匀化处理具体为：将所述铸锭在420-430℃的温度下保温4-5小时，进行一段均匀化，结束后将温度升高至480-490℃保温8-10小时，进行二段均匀化，结束后随炉冷却至300℃后空冷至室温。

6.根据权利要求5所述的高性能铝合金管材的制备方法，其特征在于，

所述预处理为：将均匀化后的所述铸锭去除2-3厘米厚的外皮，预热至480-500℃保温2小时。

7.根据权利要求6所述的高性能铝合金管材的制备方法，其特征在于，

所述挤压成型为：将模具预热至500-520℃，以500-520℃的温度、5-8mm/s的速度将预处理后的铸锭挤压成型。

8.根据权利要求7所述的高性能铝合金管材的制备方法，其特征在于，

所述淬火为将所述粗管材以大于等于30℃/s的冷却速率进行水-气雾化冷却。

9.根据权利要求8所述的高性能铝合金管材的制备方法，其特征在于，

所述三段式时效处理具体为：将淬火后的所述粗管材以120-130℃的温度保温4-6小时，进行预时效，然后将温度升高至180-190℃保温8-10小时，进行主时效，结束后将温度降低至60-70℃保温12-15℃，进行低温时效。

10.根据权利要求9所述的高性能铝合金管材的制备方法，其特征在于，

所述后处理为：将时效后的粗管材进行校直，然后化学抛光。