CN101967615B - 一种提高2000系铝合金板材损伤容限性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种提高2000系铝合金板材损伤容限性能的方法，本发明通过控制优选的热轧出口温度、高温软化处理及软化处理工序间较小的冷轧变形量，从而降低材料晶间储能，并得以控制其再结晶程度，形成韧化织构。可提高2024及2E12等2000系材料使用寿命2～4倍，裂纹扩展速率降为原来的1/4～1/2。提高了生产效率，并进一步节约了能源。
Description
技术领域
本发明是一种提高2000系铝合金板材损伤容限性能的方法，属于金属材料工程领域。
背景技术
近年来，随着一些高损伤容限合金如2524，2E12的发展，也需要发展提高材料损伤容限性能的工艺方法。
现代机械设计更注重低能耗及高寿命，为满足飞行器及船舶等运输机械长航时、高寿命及经济性的需求，发展了损伤容限设计理念。作为飞行器主要结构材料的铝合金，一般用量占整机重量的30％以上，最高可达到接近80％。通过本项发明，可有效提高2024及2E12等2000系材料使用寿命2～4倍，裂纹扩展速率降为原来的1/4～1/2。
一般高损伤容限型铝合金具有较高的断裂韧度(KC)及较低的裂纹扩展速率。通过长期实验室及工程化研究发现：在组织形态上应控制固溶过程中的再结晶程度，而材料在固溶过程的再结晶与强冷轧变形有很大关系。本发明通过控制比普通工艺较高的热轧出口温度、高温软化处理及软化处理工序间较小的冷轧变形量，从而降低材料晶间储能，并得以降低其再结晶程度。
较高的轧制出口温度确保材料的动态再结晶充分进行，而其晶间储能将大大降低，从而直接降低产品在随后固溶过程中的再结晶程度。
高温软化处理可提高毛坯的延展性，并降低变形抗力，从而降低冷轧过程中的晶粒破碎程度及晶间储能，达到降低产品在随后固溶过程中再结晶程度的目的。较高的软化温度与较低的软化冷却速率是必须的，合金软化效果是随着软化温度的升高及降温速率的降低而增加的。
软化处理间较小的冷轧变形量可直接降低冷轧过程中的晶粒破碎程度及晶间储能，从而达到降低产品在随后固溶过程中再结晶程度的目的。
此外，热粗轧温度、热精轧温度及固溶温度均对材料损伤容限性能具有影响，研究表明：2000系铝合金损伤容限性能随热粗轧温度、热精轧温度及固溶温度的升高而改善。
4.0mm规格以下板材必须通过冷轧保证材料尺寸及平整度达到要求；4.0mm～8.0mm规格板材热精轧即可达到材料尺寸及平整度要求，不经冷轧而直接进行固溶及时效处理，已具备高耐损伤性能特性。
US-5,213,639公开了一种提高AA2000系铝合金断裂韧度的工艺方法，也公开了轧制出口温度在325℃以上及中间退火温度在480℃以上。该工艺技术繁复，且工艺窗口窄，对装备和操作技术要求非常高。
CN1867689A公开了一种生产高损伤容限铝合金的方法，其主要是控制热轧板材的在冷却至150℃以上的冷却速度来实现，其平均冷却速率为12～20℃/小时。该工艺是依靠热轧后的冷速控制来实现材料高耐损伤性能的，并给出了热轧坯料的冷却温度—时间曲线，需要精确的加热设备来完成。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术的现状而设计提供了一种提高2000系铝合金板材损伤容限性能的方法，其目的是使铝合金制品具有优异的疲劳裂纹扩展性能及韧性。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种提高2000系铝合金板材损伤容限性能的方法，其步骤是：
(1)铸锭在460℃～510℃进行均匀化处理；
(2)均匀化处理后的铸锭经铣面后，加热至420℃～490℃，保温热透，进行热粗轧，终轧出口温度不低于380℃；
(3)热粗轧后的板坯加热至320℃～420℃，保温热透，进行热精轧至4.0mm～16.0mm，终轧出口温度不低于280℃；
(4)对热精轧后的板材冷轧，每次冷轧前、后要进行高温软化处理，每次冷轧变形量不高于35％；
(5)冷轧或热精轧后的板材经480℃以上温度固溶处理后，进行滚校或拉伸，随后自然时效至稳定状态为T4状态；亦可选择控制保留1.0％～3.0％的永久变形量，随后自然时效至T3稳定状态。
本发明方法适用的2000系铝合金的合金成分为：Mg 0.8～1.8％，Cu3.2～4.9％，Mn 0.30～0.90％，Cr≤0.10％，Zn≤0.15％，Si≤0.50％，Fe≤0.50％，Ti≤0.10％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al。
本发明方法的高温软化处理温度优选420℃～495℃，冷却至260℃前的冷却速率不高于25℃/h。
本发明方法适用于生产飞机、船舶及汽车用0.8mm～8.0mm较薄规格板材。
本发明技术方案对热轧制出口温度的控制更便于生产实施，同时通过降低加热温度、控制冷速而达到高温退火的软化效果，从而提高了生产效率，并进一步节约了能源。其产品可在轧制或退火态提供，而用户采用不同工艺生产T42或T62状态零部件，该产品仍保留有高损伤容限性能的特性，有效提高产品耐损伤性能，表现为疲劳裂纹速率的明显降低。
附图说明
图1本发明工艺2E12-T3薄板da/dN-ΔK曲线；
图2发明工艺及传统工艺2E12-T3薄板损伤容限性能对比；
图3发明工艺2E12-T3薄板高倍组织。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案进行进一步地详述：
以下实施例说明了几种2000系铝合金高损伤容限性能的新型工艺过程及工艺控制，从而确保材料损伤容限性能的提高，以使其在航空航天、船舶及汽车等领域更好的应用。
实施例1：
生产合格的2E12合金铸锭，其合金成分满足Cu 4.0～4.5％，Mg 1.2～1.6％，Mn 0.45～0.70％，，Cr≤0.05％，Zn≤0.15％，Si≤0.06％，Fe≤0.12％，Ti≤0.10％。热粗轧、卷取后进行冷轧前准备；冷轧前及冷轧过程中需进行高温软化处理，两次软化处理间道次变形量不高于35％，开卷冷轧至0.8mm～8.0mm间任一规格，冷轧后产品经固溶处理后，进行冷变形矫平、矫直；随后自然时效至稳定状态。
其工艺路线和工艺参数如表1所示。表1中，每一编号代表一条工艺路线及其中的工艺参数和产品的性能指标。
表1：2E12合金0.8mm～8.0mm规格板材的工艺路线参数及性能
表2为所示的工艺路线和工艺参数是取消了冷轧加工及对其的控制，适用于4.0mm～8.0mm规格产品。热粗轧后毛坯热精轧至4.0mm～8.0mm之任一规格；精轧后产品经固溶处理后，进行冷变形矫平、矫直；随后自然时效至稳定状态。
表2中列举了工艺参数和产品的性能指标。表中每一编号代表一条工艺路线及其中的工艺参数和产品的性能指标。
表2 2E12合金4.0mm～8.0mm规格板材的工艺路线参数及性能
| 5 | 500℃ | 395℃ | 330℃ | 1.4％ | 285 | 455 | 20 | 1.68×10-3 |
| 6 | 495℃ | 412℃ | 338℃ | 1.0％ | 282 | 452 | 22 | 1.58×10-3 |
| 7 | 505℃ | 396℃ | 341℃ | 2.9％ | 333 | 458 | 19 | 1.94×10-3 |
| 8 | 500℃ | 440℃ | 305℃ | 3.0％ | 328 | 460 | 20 | 1.92×10-3 |
| 9 | 490℃ | 422℃ | 316℃ | 2.2％ | 318 | 455 | 22 | 1.78×10-3 |
| 10 | 480℃ | 413℃ | 296℃ | 2.0％ | 319 | 449 | 21 | 1.74×10-3 |
| 11 | 470℃ | 400℃ | 283℃ | 2.7％ | 335 | 453 | 20 | 2.42×10-3 |
| 12 | 460℃ | 406℃ | 285℃ | 1.4％ | 306 | 448 | 23 | 2.62×10-3 |
实施例2：
生产合格的2024合金铸锭，其合金成分满足Cu 3.8～4.9％，Mg 1.2～1.8％，Mn 0.30～0.90％，，Cr≤0.10％，Zn≤0.25％，Si≤0.50％，Fe≤0.50％，Ti≤0.15％。热粗轧后毛坯热精轧至0.8mm～8.0mm间任一规格，热粗轧、卷取后进行冷轧前准备；冷轧前及冷轧过程中需进行高温软化处理，两次软化处理间道次变形量不高于35％，开卷冷轧至0.8mm～8.0mm间任一规格，冷轧后产品经固溶处理后，进行冷变形矫平、矫直；随后自然时效至稳定状态。
其工艺路线和工艺参数如表3所示。表一中，每一编号代表一条工艺路线及其中的工艺参数和产品的性能指标。
表3 2024合金0.8mm～8.0mm规格板材的工艺路线参数及性能
表4为取消了冷轧加工及对其的控制的工艺路线和工艺参数，适用于4.0mm及其以上规格产品。热粗轧后毛坯热精轧至4.0mm～8.0mm之任一规格；精轧后产品经固溶处理后，进行冷变形矫平、矫直；随后自然时效至稳定状态。
其工艺路线和工艺参数如表4所示。表一中，每一编号代表一条工艺路线及其中的工艺参数和产品的性能指标。
表4 2024合金4.0mm～8.0mm规格板材的工艺线路参数及其性能
实施例3：
生产合格的2000系合金铸锭，其合金成分满足Cu 3.2～3.8％，Mg0.8～1.2％，Mn 0.30～0.90％，，Cr≤0.10％，Zn≤0.25％，Si≤0.50％，Fe≤0.50％，Ti≤0.15％。热粗轧、卷取后进行冷轧前准备；冷轧前及冷轧过程中需进行高温软化处理，两次软化处理间道次变形量不高于35％，开卷冷轧至0.8mm～8.0mm间任一规格，冷轧后产品经固溶处理后，进行冷变形矫平、矫直；随后自然时效至稳定状态。
其工艺路线和工艺参数如表5所示。表一中，每一编号代表一条工艺路线及其中的工艺参数和产品的性能指标。
表5 2000系合金0.8mm～8.0mm规格板材的工艺线路参数及其性能
由以上实施例可知，采用本发明生产的2000系铝合金薄板在具有较低的裂纹扩展速率，其在时，2E12薄板裂纹扩展速率(FCGR)最低可达1.52×10-3mm/cycle；附图1为发明工艺2E12-T3薄板da/dN-ΔK曲线，较低的数据分散性及较高性能；附图2为发明工艺及传统工艺2E12-T3薄板在
条件下FCGR对比，由此可见发明工艺薄板FCGR明显低于传统工艺薄板；材料高性能与本发明对材料组织有效控制有关，附图3。其它如2024等2000系铝合金薄板采用新发明工艺亦具有优良的耐损伤性能。由此可见本发明可有效控制材料高倍组织形态，进而优化材料耐损伤性能，材料裂纹扩展速率最好可降为传统工艺的1/4。
Claims (5)
1.一种提高2000系铝合金板材损伤容限性能的方法，其特征在于：该方法的步骤是：
(1)铸锭在460℃～510℃进行均匀化处理；
(2)均匀化处理后的铸锭经铣面后，加热至420℃～490℃，保温热透，进行热粗轧，终轧出口温度不低于380℃；
(3)热粗轧后的板坯加热至320℃～420℃，保温热透，进行热精轧至4.0mm～16.0mm，终轧出口温度不低于310℃；
(4)对热精轧后的板材冷轧，每次冷轧前、后要进行高温软化处理，每次冷轧变形量不高于35％；
(5)冷轧或热精轧后的板材经480℃以上温度固溶处理后，进行滚校或拉伸，随后自然时效至稳定状态。
2.根据权利要求1所述的提高2000系铝合金损伤容限性能的方法，其特征在于：2000系铝合金的合金成分为：Mg 0.8～1.8％，Cu 3.2～4.9％，Mn 0.30～0.90％，Cr≤0.10％，Zn≤0.15％，Si≤0.50％，Fe≤0.50％，Ti≤0.10％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al。
3.根据权利要求1所述的提高2000系铝合金损伤容限性能的方法，其特征在于：高温软化处理温度为420℃～495℃，冷却至260℃前的冷却速率不高于25℃/h。
4.根据权利要求1所述的提高2000系铝合金损伤容限性能的方法，其特征在于：滚校或拉伸后保留1％～3.0％的永久变形量。
5.根据权利要求1所述的提高2000系铝合金损伤容限性能的方法，其特征在于：该方法适用于生产飞机、船舶及汽车用0.8mm～8.0mm较薄规格板材。
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