权利要求
1.一种适用于
光伏的
铝合金材料，其特征在于，包括按质量百分比计的如下组分，Si：0.75~0.85%;Mg：0.70~0.80%;Ti：0.05~0.20%;Zr：0.05~0.18%;Mn：0.01~0.03%;Fe≤0.10%;Cu≤0.03%;Cr≤0.05%;Zn≤0.05%;余量为铝。
2.根据权利要求1所述的一种适用于光伏的
铝合金材料，其特征在于，所述Si与Mg的质量百分比满足，1.08≤Si/Mg≤1.18。
3.根据权利要求1所述的一种适用于光伏的铝合金材料，其特征在于，按质量百分比计，0.05%≤Zr≤0.15%。
4.根据权利要求1所述的一种适用于光伏的铝合金材料，其特征在于，按质量百分比计，0.05%≤Ti≤0.15%。
5.根据权利要求1所述的一种适用于光伏的铝合金材料，其特征在于，按质量百分比计，0.10%≤Ti+Zr≤0.30%。
6.据权利要求1所述的一种适用于光伏的铝合金材料，其特征在于，包括按质量百分比计的如下组分，Si：0.85%;Mg：0.75%;Ti：0.15%;Zr：0.10%;Mn：0.02%;Fe≤0.10%;Cu≤0.03%;Cr≤0.05%;Zn≤0.05%;余量为铝。
7.一种适用于光伏的铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)按照如权利要求1-6任一项所述的适用于光伏的铝合金材料的组分进行原料配比，向720℃~750℃的铝液中，加入预热后的纯镁锭、Al-Si、Al-Mn、Al-Ti、Al-Zr中间合金或包含上述合金的再生类原材料，经过电磁搅拌除气，用氩气和精炼剂对熔铝炉内的铝合金液喷吹精炼，扒去浮渣后静置;
(2)将铝合金液在温度为720℃~750℃、铸造速度为90~110mm/min的条件下半连续铸造成适用于光伏的铝合金材料。
8.如权利要求7所述的一种适用于光伏的铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，电磁搅拌的频率20~40Hz，电磁搅拌的时间为5~10min，精炼剂用量为0.10-0.20kg/t，精炼时间8~12min以上，精炼次数2~4次。
9.一种适用于光伏的铝合金型材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将如权利要求1-8任一项所述的适用于光伏的铝合金材料加热至460~500℃以上，挤压模具加热至460~470℃，出口温度为530~550℃，使用风冷工艺制得适用于光伏的铝合金型材。
10.如权利要求9所述的一种适用于光伏的铝合金型材的制备方法，其特征在于，对制得的适用于光伏的铝合金型材进行人工时效，时效温度为175~195℃，时效时长为4~8h。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及合金材料制备领域，尤其涉及一种适用于光伏的铝合金材料及其制备方法。
背景技术
[0002]支架是承载和固定
太阳能光伏发电装置的重要构件。太阳能光伏电站多建立在光照好且时间长、人烟稀少的地域(如沙漠、戈壁、草原、海滩等)，需经受大风沙、大暴雪或海洋性湿气等恶劣环境的考验，对其承载支架的强度、耐候性、耐蚀性等关键质量指标提出了更高要求，以确保其整体强度、运行稳定性和使用寿命等。
[0003]公开号为CN113073239A的中国专利申请公开了一种太阳能光伏边框支架铝合金材料及制造方法，铝合金材料由以下质量百分比的成分组成：Si 0.57~0.63%，Mg 0.45~0.5%，Mn 0.03~0.07%，Cu 0~0.05%，Cr 0~0.02%，Fe 0~0.1%，Zn 0~0.02%，Ti 0.08~0.12%，其余为Al，铝合金材料的抗拉强度≥270MPa，规定塑性延伸强度≥250MPa，伸长率≥10%。
[0004]公开号为CN114908274A的中国专利申请公开了一种太阳能跟踪光伏承载支架用铝合金及其型材生产工艺，铝合金材料由以下质量百分比的成分组成：Si 0.7~0.9%，Fe 0~0.25%，Cu 0~0.1%，Mn 0.2~0.3%，Mg 0.5~0.7%，Zn 0.1~0.2%，Cr 0~0.01%，Ti 0.05~0.1%，其他杂质总含量≤0.15%，余量为铝，铝合金型材的抗拉强度为291MPa、规定塑性延伸强度为271MPa、断后延伸率为10.5%。
[0005]从生产实践和文献资料检索结果来看，目前
铝型材的强度仍然偏低，难以满足未来轻量化的要求。另外，随着铝型材强度的提高，其韧性随之降低，伴随着挤压速度的下降，从而降低了生产效率，难以满足太阳能
光伏发电行业降低生产成本的发展要求。因此开发一种高强韧新型铝合金材料用于太阳能光伏边框支架已成为行业亟需解决的问题。
发明内容
[0006]本发明的目的在于针对上述存在的问题和不足，针对性优化设计了其合金化元素成分配比，解决太阳能跟踪光伏承载支架的挤压效率与材料性能无法兼顾的难题;提供了一种适用于光伏的铝合金材料及其制备方法，提高了铝型材的强度和生产效率，满足太阳能光伏边框支架对铝型材的要求，降低生产制造成本。
[0007]为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种适用于光伏的铝合金材料，包括按质量百分比计的如下组分，Si：0.75~0.85%;Mg：0.70~0.80%;Ti：0.05~0.20%;Zr：0.05~0.18%;Mn：0.01~0.03%;Fe≤0.10%;Cu≤0.03%;Cr≤0.05%;Zn≤0.05%;余量为铝。
[0008]Si和Mg可以形成Mg2Si强化相显著增强铝合金的强度。Si和Mg的含量不能太低，否则铝型材的强度会不足。Si和Mg的含量也不能太高，否则铝合金的强度会过高，导致挤压速度难以提高。另外，Si除了与Mg形成Mg2Si强化相外，还会与Fe形成金属间化合物，消耗掉部分Si。因此，为了获得足够数量的Mg2Si强化相，还必须严格控制Si与Mg的比例。本发明中Si与Mg的质量百分比满足，1.08≤Si/Mg≤1.18，通过改变Si/Mg可以是合金中Mg2Si强化相增多，提高合金强度。
[0009]Ti的添加可以通过增加成分过冷起到晶粒细化作用。在凝固过程中，溶质再分配导致固液界面前沿溶质浓度变化，引起理论凝固温度的改变，从而在固液界面前液相内形成过冷。这种由固-液界面前方溶质再分配引起的过冷，称为成分过冷。成分过冷可以促进晶粒的细化;Ti与Al结合形成Al3Ti，起到细化晶粒作用。Al3Ti相在铝合金凝固过程中可以作为异质形核的核心，有助于细化晶粒，从而进一步提高合金的强度和韧性。此外Al3Ti相能够显著提高铝合金的强度和硬度。它通过分散在铝基体中，阻碍位错运动，从而增强合金的机械性能;富余Ti的添加可以减弱Zr添加对细化剂毒化的效果。
[0010]Zr的添加可以通过增加成分过冷起到晶粒细化作用，能够提高形核率并降低晶粒长大速度。过冷度的增加会导致冷却速度加快，从而使得晶粒来不及长大就被冷却下来。此外，过冷度的增大还会导致液固两相自由能差增大，使得临界晶核半径变小，从而形成更多的有效晶核质点。添加Zr可以与Al形成Al3Zr，Al3Zr能够有效地细化铝合金的晶粒，起到强化相的作用，从而提高合金的机械性能;同时， Zr的加入可以提高合金的再结晶温度，使得在常规热处理过程中不容易发生再结晶，从而保持材料的高强度和硬度;Zr可以促进Al基体中Mg2Si强化相的弥散度和均匀性，从而提高合金的综合性能。
[0011]进一步的，Ti和Zr之和的质量百分比满足：0.10%≤Ti+Zr≤0.30%。
[0012]进一步的，一种适用于光伏的铝合金材料，包括按质量百分比计的如下组分，Si：0.85%;Mg：0.75%;Ti：0.15%;Zr：0.10%;Mn：0.02%;Fe ≤0.10%;Cu ≤0.03%;Cr ≤0.05%;Zn≤0.05%;余量为铝。
[0013]本发明提供适用于光伏的铝合金材料的制备方法：
[0014](1)按照原料配比，向720℃~750℃的铝液中，加入预热后的纯镁锭、Al-Si、Al-Mn、Al-Ti、Al-Zr中间合金或包含上述合金的再生类原材料，经过电磁搅拌除气，用氩气和精炼剂对熔铝炉内的铝合金液喷吹精炼，扒去浮渣后静置;
(2)将铝合金液在温度为720℃~750℃、铸造速度为90~110mm/min的条件下半连续铸造成适用于光伏的铝合金材料。
[0015]进一步的，电磁搅拌的频率20~40Hz，电磁搅拌的时间为5~10min，精炼剂用量为0.10-0.20kg/t，精炼时间8~12min以上，精炼次数2~4次。
[0016]本发明还提供适用于光伏的铝合金型材的制备方法，其特点是：以“在线高温快冷淬火处理”与“低温长时的时效处理工艺”，充分发挥系列强化机制的叠加作用。包括以下步骤：
将以上适用于光伏的铝合金材料加热至460~500℃以上，挤压模具加热至460~470℃，出口温度为530~550℃，使用风冷工艺制得适用于光伏的铝合金型材。
[0017]进一步的，对制得的适用于光伏的铝合金型材进行人工时效，时效温度为175~195℃，时效时长为4~8h。
[0018]与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)该发明通过调整Si，Mg，Ti，Zr等化学成分，叠加了铝合金的过剩相强化、弥散强化、细晶强化等多种强化效应。
[0019](2)利用挤压成型过程中的高温固溶效果，通过在线淬火快速冷却，形成过饱和固溶体，时效硬化处理，使内部强化相均匀析出，达到强化效果;
(3)本发明铝合金制备的型材抗拉强度≥330 MPa，规定塑性延伸强度≥315 MPa，断后伸长率≥14%。
附图说明
[0020]图1是实施例2的铝型材50x显微组织照片;
图2是对比例3的铝型材50x显微组织照片。
具体实施方式
[0021]实施例1
一种适用于光伏的铝合金材料，按质量百分比计的如下组分，Si：0.75%;Mg：0.70%;Ti：0.05%;Zr：0.05%;Mn：0.01%;Fe ≤0.10%;Cu ≤0.03%;Cr ≤0.05%;Zn ≤0.05%;余量为铝。其中Fe、Cu、Cr、Zn为杂质元素，不单独添加，但不可避免地会存在。
[0022]Si与Mg的质量百分比不满足：1.08≤Si/Mg≤1.18。
[0023]Ti和Zr之和的质量百分比满足：0.10%≤Ti+Zr≤0.30%。
[0024]具体制备方法如下：
(1)按铝合金的成分组成及质量百分比，选择纯度99.7%的
铝锭47.25千克、纯度99.8%的镁锭0.35千克、Al-20Si1.88千克、Al-10Ti0.25千克、Al-10Zr0.25千克、Al-20Mn0.03千克作为原材料进行配料，后续进行人工检测和微调，确保最后成品的组分符合预期;
其中Al-20Si表示该合金中，Si质量占该合金质量的20%;Al-10Ti表示该合金中，Ti质量占该合金质量的10%;Al-10Zr表示该合金中，Zr质量占该合金质量的10%;Al-20Mn表示该合金中，Mn质量占该合金质量的20%。
[0025](2)将原材料加入蓄热式燃气熔铝炉中在740℃加热熔化成铝合金液，然后采用电磁搅拌装置，搅拌频率为30Hz，时间为8min;
(3)用纯度99.99%的氩气和0.150kg/t的精炼剂对熔铝炉内的铝合金液喷吹精炼10min，反复精炼3次，扒渣后静置25min;
(4)将铝合金液在温度为730℃、铸造速度为105mm/min的条件下半连续铸造成铝合金圆棒，即铝合金材料;
(5)铝合金圆棒加热至480℃以上，挤压模具加热至465℃，出口温度为540℃，使用风冷工艺制得薄壁型材;
(6)对制得的挤压型材进行人工时效，时效温度为195℃，时效时长为4h。冷却后得到所述太阳能光伏支架用高强度铝型材。
[0026]实施例1制得的铝合金型材性能如表1所示。
[0027]实施例2
一种适用于光伏的铝合金材料，按质量百分比计的如下组分，Si：0.80%;Mg：0.75%;Ti：0.10%;Zr：0.10%;Mn：0.01%;Fe ≤0.10%;Cu ≤0.03%;Cr ≤0.05%;Zn ≤0.05%;余量为铝。其中Fe、Cu、Cr、Zn为杂质元素，不单独添加，但不可避免地会存在。
[0028]Si与Mg的质量百分比不满足：1.08≤Si/Mg≤1.18。
[0029]Ti和Zr之和的质量百分比满足：0.10%≤Ti+Zr≤0.30%。
[0030]具体制备方法与实施例1基本相同，区别仅在于：
(1)按铝合金的成分组成及质量百分比，选择纯度99.7%的铝锭46.60千克、纯度99.8%的镁锭0.38千克、Al-20Si2.00千克、Al-10Ti0.50千克、Al-10Zr0.50千克、Al-20Mn0.03千克作为原材料进行配料;
实施例2制得的铝合金型材性能如表1所示。
[0031]实施例3
一种适用于光伏的铝合金材料，按质量百分比计的如下组分，Si：0.80%;Mg：0.75%;Ti：0.15%;Zr：0.10%;Mn：0.02%;Fe ≤0.10%;Cu ≤0.03%;Cr ≤0.05%;Zn ≤0.05%;余量为铝。其中Fe、Cu、Cr、Zn为杂质元素，不单独添加，但不可避免地会存在。
[0032]Si与Mg的质量百分比不满足：1.08≤Si/Mg≤1.18。
[0033]Ti和Zr之和的质量百分比满足：0.10%≤Ti+Zr≤0.30%。
[0034]具体制备方法与实施例1基本相同，区别仅在于：
(1)按铝合金的成分组成及质量百分比，选择纯度99.7%的铝锭46.32千克、纯度99.8%的镁锭0.38千克、Al-20Si2.00千克、Al-10Ti0.75千克、Al-10Zr0.50千克、Al-20Mn0.05千克作为原材料进行配料;
实施例3制得的铝合金型材性能如表1所示。
[0035]实施例4
一种适用于光伏的铝合金材料，按质量百分比计的如下组分，Si：0.85%;Mg：0.75%;Ti：0.15%;Zr：0.10%;Mn：0.02%;Fe ≤0.10%;Cu ≤0.03%;Cr ≤0.05%;Zn ≤0.05%;余量为铝。其中Fe、Cu、Cr、Zn为杂质元素，不单独添加，但不可避免地会存在。
[0036]Si与Mg的质量百分比满足：1.08≤Si/Mg≤1.18。
[0037]Ti和Zr之和的质量百分比满足：0.10%≤Ti+Zr≤0.30%。
[0038]具体制备方法与实施例1基本相同，区别仅在于：
(1)按铝合金的成分组成及质量百分比，选择纯度99.7%的铝锭46.20千克、纯度99.8%的镁锭0.38千克、Al-20Si2.13千克、Al-10Ti0.75千克、Al-10Zr0.50千克、Al-20Mn0.05千克作为原材料进行配料;
实施例4制得的铝合金型材性能如表1所示。
[0039]实施例5
一种适用于光伏的铝合金材料，按质量百分比计的如下组分，Si：0.80%;Mg：0.75%;Ti：0.20%;Zr：0.15%;Mn：0.03%;Fe ≤0.10%;Cu ≤0.03%;Cr ≤0.05%;Zn ≤0.05%;余量为铝。其中Fe、Cu、Cr、Zn为杂质元素，不单独添加，但不可避免地会存在。
[0040]Si与Mg的质量百分比不满足：1.08≤Si/Mg≤1.18。
[0041]Ti和Zr之和的质量百分比满足：0.10%≤Ti+Zr≤0.30%。
[0042]具体制备方法与实施例1基本相同，区别仅在于：
(1)按铝合金的成分组成及质量百分比，选择纯度99.7%的铝锭45.80千克、纯度99.8%的镁锭0.38千克、Al-20Si2.00千克、Al-10Ti1.00千克、Al-10Zr0.75千克、Al-20Mn0.08千克作为原材料进行配料;
实施例5制得的铝合金型材性能如表1所示。
[0043]实施例6
一种适用于光伏的铝合金材料，按质量百分比计的如下组分，Si：0.85%;Mg：0.75%;Ti：0.20%;Zr：0.15%;Mn：0.03%;Fe ≤0.10%;Cu ≤0.03%;Cr ≤0.05%;Zn ≤0.05%;余量为铝。其中Fe、Cu、Cr、Zn为杂质元素，不单独添加，但不可避免地会存在。
[0044]Si与Mg的质量百分比满足：1.08≤Si/Mg≤1.18。
[0045]Ti和Zr之和的质量百分比满足：0.10%≤Ti+Zr≤0.30%。
[0046]具体制备方法与实施例1基本相同，区别仅在于：
(1)按铝合金的成分组成及质量百分比，选择纯度99.7%的铝锭45.67千克、纯度99.8%的镁锭0.38千克、Al-20Si2.13千克、Al-10Ti1.00千克、Al-10Zr0.75千克、Al-20Mn0.08千克作为原材料进行配料;
实施例6制得的铝合金型材性能如表1所示。
[0047]实施例7
一种适用于光伏的铝合金材料，按质量百分比计的如下组分，Si：0.85%;Mg：0.80%;Ti：0.20%;Zr：0.18%;Mn：0.02%;Fe ≤0.10%;Cu ≤0.03%;Cr ≤0.05%;Zn ≤0.05%;余量为铝。其中Fe、Cu、Cr、Zn为杂质元素，不单独添加，但不可避免地会存在。
[0048]Si与Mg的质量百分比不满足：1.08≤Si/Mg≤1.18。
[0049]Ti和Zr之和的质量百分比不满足：0.10%≤Ti+Zr≤0.30%。
[0050]具体制备方法与实施例1基本相同，区别仅在于：
(1)按铝合金的成分组成及质量百分比，选择纯度99.7%的铝锭45.52千克、纯度99.8%的镁锭0.40千克、Al-20Si2.13千克、Al-10Ti1.00千克、Al-10Zr0.90千克、Al-20Mn0.05千克作为原材料进行配料;
实施例7制得的铝合金型材性能如表1所示。
[0051]对比例1
一种铝合金材料，按质量百分比计的如下组分，Si：0.80%;Mg：0.75%;Mn：0.01%;Fe≤0.10%;Cu ≤0.03%;Cr ≤0.05%;Zn ≤0.05%;余量为铝。其中Fe、Cu、Cr、Zn为杂质元素，不单独添加，但不可避免地会存在。
[0052]具体制备方法与实施例1中基本相同，区别仅在于：
(1)按铝合金的成分组成及质量百分比，选择纯度99.7%的铝锭47.60千克、纯度99.8%的镁锭0.38千克、Al-20Si2.00千克、Al-20Mn0.03千克作为原材料进行配料;
对比例1制得的铝合金型材性能如表1所示。
[0053]对比例2
一种铝合金材料，按质量百分比计的如下组分，Si：0.80%;Mg：0.75%;Ti：0.10%;Mn：0.01%;Fe ≤0.10%;Cu ≤0.03%;Cr ≤0.05%;Zn ≤0.05%;余量为铝。其中Fe、Cu、Cr、Zn为杂质元素，不单独添加，但不可避免地会存在。
[0054]具体制备方法与实施例1中基本相同，区别仅在于：
(1)按铝合金的成分组成及质量百分比，选择纯度99.7%的铝锭47.10千克、纯度99.8%的镁锭0.38千克、Al-20Si2.00千克、Al-10Ti0.50千克、Al-20Mn0.03千克作为原材料进行配料;
对比例2制得的铝合金型材性能如表1所示。
[0055]对比例3
一种铝合金材料，按质量百分比计的如下组分，Si：0.80%;Mg：0.75%;Zr：0.10%;Mn：0.01%;Fe ≤0.10%;Cu ≤0.03%;Cr ≤0.05%;Zn ≤0.05%;余量为铝。其中Fe、Cu、Cr、Zn为杂质元素，不单独添加，但不可避免地会存在。
[0056]具体制备方法与实施例1中基本相同，区别仅在于：
(1)按铝合金的成分组成及质量百分比，选择纯度99.7%的铝锭47.10千克、纯度99.8%的镁锭0.38千克、Al-20Si2.00千克、Al-10Zr0.50千克、Al-20Mn0.03千克作为原材料进行配料;
对比例3制得的铝合金型材性能如表1所示。
[0057]对比例4
一种铝合金材料，按质量百分比计的如下组分，Si：0.80%;Mg：0.75%;Ti：0.22%;Zr：0.20%;Mn：0.01%;Fe ≤0.10%;Cu ≤0.03%;Cr ≤0.05%;Zn ≤0.05%;余量为铝。其中Fe、Cu、Cr、Zn为杂质元素，不单独添加，但不可避免地会存在。
[0058]具体制备方法与实施例1基本相同，区别仅在于：
(1)按铝合金的成分组成及质量百分比，选择纯度99.7%的铝锭45.50千克、纯度99.8%的镁锭0.38千克、Al-20Si2.00千克、Al-10Ti1.10千克、Al-10Zr1.00千克、Al-20Mn0.03千克作为原材料进行配料;
对比例4制得的铝合金型材性能如表1所示。
[0059]表1 实施例1-7及对比例1-4合金性能
抗拉强度Rm/MPa规定塑性延伸强度Rp0.2/MPa断后伸长率A/%实施例133131514.5实施例233531714实施例334231914.7实施例435032815.3实施例534432214.8实施例634532315.2实施例733431814对比例129027011对比例231029012对比例331229512.5对比例432531213.5
表1实施例1-7及对比例1-4合金性能，抗拉强度Rm、规定塑性延伸强度Rp0.2、断后伸长率A都是由拉伸机测得。
[0060]从表1中实施例1-7及对比例1-3合金性能可知，实施例1-7中的合金材料都满足抗拉强度≥330 MPa，规定塑性延伸强度≥315 MPa，断后伸长率≥14%。相较于对比例1-3，实施例1-7具更高的强度、塑性，满足太阳能光伏发电装置对高强度铝型材的要求。可见，本发明的一种铝合金材料，在挤压产品中具有极佳的室温力学性能，适用于太阳能光伏型材的薄壁减重。
[0061]从表1中实施例3和实施例4合金性能相比较、实施例5和实施例6合金性能相比较可知，实施例4的合金性能高于实施例3的合金性能，实施例6的合金性能略高于实施例5的合金性能，区别点在于实施例3和实施例5都不满足Si与Mg的质量百分比满足：1.08≤Si/Mg≤1.18，而实施例4和实施例6都满足。可见，通过合适的Si与Mg的质量百分比能提高合金强度。
[0062]从图1-图2中实施例2和对比例3相比较，实施例1中加入Ti元素后，实施例2的图1中合金晶粒尺寸减小，合金中强化相细小且呈弥散分布;对比例3的图2中合金晶粒尺寸较大。可见，Ti元素的增加能使晶粒细化，从而增强合金的机械性能。
[0063]从实施例1-7及对比例4可知，过量Ti会影响延伸率，使延伸率降低;锆过量会有毒化作用，反而降低强度。可见，本发明中的组分，Ti：0.05~0.20%;Zr：0.05~0.18%，为最佳的组分质量分数范围。
[0064]上述具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
说明书附图(2)
声明：
“适用于光伏的铝合金材料及其制备方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：浙江今飞凯达轮毂股份有限公司
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