CN102242325A - 一种显著提升铝合金综合性能的热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
一种显著提升铝合金综合性能的热处理工艺，是采用下述方案实现的：将铝合金固溶处理，出炉水淬，然后，进行预时效——冷变形——二次时效处理。本发明通过预时效，形成纳米级时效析出强化相，可改变后续冷变形产生的位错组态，有利于改善合金的强度和塑韧性；预时效析出的溶质原子，在冷变形时，会析出纳米级的原子团簇，或在位错结构周围形成“钉扎”气团，进一步提高合金强度。析出的沉淀强化相均为纳米级，利于提高合金的塑韧性，最终实现在保证良好的塑性的前提下，大幅度地提高了合金的强度。本发明工艺方法简单、操作方便、既可显著提升铝合金强塑性配合等综合性能，又对铝合金的耐腐蚀性能、疲劳性能有一定改善作用。适于工业化应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝合金的热处理工艺，特别是指一种显著提升铝合金综合性能的热处理工艺；属于有色金属热处理工艺技术领域。
技术背景
提高材料强度一直是材料研究的核心问题。材料强化的同时往往伴随着塑性或韧性的急剧下降，而高塑韧性材料的强度往往又很低。长期以来这种材料的强韧性“倒置关系”成为制约材料发展的瓶颈。为了使铝合金能进一步满足更高综合性能的要求，近年来对铝合金综合性能的改善提升已形成了铝合金界关注的热点。
就当前的铝合金发展现状而言，不仅要求其有较高的静强度，还要求材料具有良好服役性能。其性能不仅取决于析化相种类、形貌、尺寸、数量、形态，以及晶界组态，而且取决于材料在服役时的微结构演变。因此通过热处理来调控铝合金组织结构，以满足航空航天等高技术对铝合金高性能是材料科学与工程领域的重大课题之一，具有巨大的实际应用价值。
为了满足先进铝合金综合性能的要求，近年来国际上出现了一些新型加工处理方法，其中大塑性变形法(SPD，severe plastic deformation)最为显著，如等径角挤压(ECAP，equal channel angular pressing)、高压扭转(HPT，high pressure torsion)、摩擦搅拌(FSP，friction stir processing)和熔体轧制等。这些方法主要是通 过细化组织来获得优异的强塑性配合，但是目前只有极少数文献实现了真正意义上的高强度高塑。Kim等通过对固溶态2024铝合金进行单道次的室温等径角挤压，随后进行低温人工时效处理，使得2024铝合金的屈服强度达到了～630MPa，同时保持了15％的断裂延伸率。也有许多学者通过液氮温度下的深冷轧制来细化组织以满足这一生产需求，其中Cheng等通过对固溶态2024铝合金进行深冷轧制，然后在100℃时效100h，使得2024铝合金的屈服强度达到了～580MPa，同时保持了18％的断裂延伸率。但这些方法只局限于对小尺寸试样的加工且工序复杂、设备要求高，并无法实现以大构件应用的铝合金大构件的生产需求，或者在液氮温度环境下进行极危险生产操作，且对生产设备的损伤较大，同时生产成本也会进一步增大。总而言之，这些方法在实际工业应用的可操作性较差，且其技术路线远不能满足铝合金大结构件的要求。
[0006]就目前有关铝合金热处理制度的最新研究进展而言，围绕Al-Zn-Mg系合金开展了T77和RRA热处理制度，围绕Al-Mg-Si系合金开展了T78和T6I6等热处理制度的探索，但这些热处理制度主要集中于解决合金力学性能与腐蚀性能之间的平衡问题。到目前为止，国内外有关提升铝合金强塑性配合等综合性能的热处理制度的相关报道仍是一片空白。
发明内容
本发明目的在于解决现有技术存在的铝合金材料热处理后强韧性“倒置关系”的难题，而提供一种工艺方法简单、操作方便、既可显著提升铝合金强塑性配合等综合性能，又对铝合金的耐腐蚀性能、疲劳性能有一定改善作用的显著提升铝合金综合性能的热处理工艺。
本发明一种显著提升铝合金综合性能的热处理工艺，是采用下述方案实现 的：将铝合金固溶处理，出炉水淬，然后，进行预时效——冷变形——二次时效处理；所述预时效温度为：25℃～200℃，时间为：15分钟～200小时；所述冷变量为：3％～40％。
本发明一种显著提升铝合金综合性能的热处理工艺中，所述固溶处理温度为：470～540℃，保温时间为30分钟～4小时。
本发明一种显著提升铝合金综合性能的热处理工艺中，所述二次时效为自然时效或人工时效，所述自然时效时间至少为1个月，所述人工时效温度为120℃～200℃，时效时间15分钟～70小时。
本发明由于采用上述工艺方法，通过在预时效过程中形成纳米级的弥散均匀分布的时效析出强化相，随后再进行冷变形处理引入位错强化，由于预时效过程中析出的沉淀相会改变冷变形过程中形成的位错组态，有利于同时改善合金的强度和塑韧性；同时，预时效过程中未析出的溶质原子，在冷变形过程引入大量位错的驱动力下，会在最后的时效阶段进一步析出纳米级的原子团簇，或在已形成的位错结构周围形成“钉扎”气团，对位错结构起到强烈的钉扎作用，增大位错的运动阻力，进一步提高合金强度。由于预时效阶段和二次时效阶段析出的沉淀强化相尺度均为纳米级，均有利于提高合金的塑韧性，尽管冷变形引入的位错强化会降低合金塑韧性，但是，由于在冷变形前析出的纳米级强化相使得其位错组态等轴化且冷变形量不大，不会严重降低合金的强韧性，至少应具备其T3态的塑韧性。最终实现了在保证良好的塑性的前提下，大幅度地提高了合金的强度。正是这些大量均匀分布的纳米级的原子团簇，消耗了合金中大量的溶质原子，而不会在晶界上析出连续分布的第二相粒子和明显的无沉淀析出带，降低了合金晶内和晶界的电化学势差，一定程度上改善铝合金耐 腐蚀性能。此外，这些纳米级的原子团簇能有效地钉扎位错，提高合金的疲劳寿命，同时也是易切割粒子，因此当这些粒子被切割以后，位错能进行往返滑移运动，即有效地缓解了疲劳裂纹尖端的集中应力场，提高了合金的抗疲劳裂纹扩展能力。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、与大塑性变形法和深冷轧制等方法相比，具有更大的工业实际应用价值，能满足铝合金大结构件的要求；
2、通过控制预时效、冷变形和二次时效等工艺参数，取得了传统热处理制度无法达到的效果，大幅度地提高合金的强塑韧性匹配。
3、由于本发明的处理方法促进晶内析出大量纳米级的原子团簇，但是消除了合金晶界上析出连续分布的第二相粒子和明显的无沉淀析出带，改善了合金强塑性配合，同时降低了合金晶内和晶界的电化学势差，因此可在一定程度上改善铝合金耐腐蚀性能和疲劳性能。
综上所述，本发明方法简单，操作安全方便，易于工业化，通过预时效、冷变形和二次时效等工艺来改善合金的微观组织，有效地提升了合金的综合性能，是一种很有应用前景的新型热处理制度。
附图说明
附图1为经过本发明热处理工艺和传统热处理工艺(T3、T6、T8)处理过的铝合金强塑韧性匹配图。图中：对比例1-5为传统热处理工艺(T3、T6、T8)处理过的铝合金强塑韧性参数；实施例1-4为本发明热处理工艺处理过的铝合金强塑韧性参数。
具体实施方式
下面结合实施例和传统热处理制度对比例对本发明作进一步说。
实施例1：
试样采用厚度为2.0mm的Al-Cu-Mg铝合金冷轧薄板。按GB228-76制成拉伸试样。将试样放入498～502℃的盐浴炉中进行固溶处理，取出立即淬火；然后放入时效箱中进行预时效处理，时效温度为80℃，时效时间为60h；随后进行冷变形处理，变形方式为轧制，变形量为～9％；最后进行自然时效35天。
实施例2：
试样采用厚度为2.0mm的Al-Cu-Mg铝合金冷轧薄板。按GB228-76制成拉伸试样。将试样放入498～502℃的盐浴炉中进行固溶处理，取出立即淬火；然后放入时效箱中进行预时效处理，时效温度为100℃，时效时间为30h；随后进行冷变形处理，变形方式为轧制，变形量为～3％；最后进行自然时效40天。
实施例3：
试样采用厚度为2.0mm的Al-Zn-Mg-Cu铝合金冷轧薄板。按GB228-76制成拉伸试样。将试样放入470℃的盐浴炉中进行固溶处理，固溶处理时间为30分钟，取出立即淬火；然后放入时效箱中进行预时效处理，时效温度为25℃，时效时间为200h；随后进行冷变形处理，变形方式为轧制，变形量为～40％；最后进行二次时效，时效温度为175℃，时效时间为1h。
实施例4：
试样采用厚度为2.0mm的Al-Cu-Li-Mg铝合金冷轧薄板。按GB228-76制成拉伸试样。将试样放入530℃的盐浴炉中进行固溶处理，固溶处理时间为1h，取出立即淬火；然后放入时效箱中进行预时效处理，时效温度为120℃，时效时间为30h；随后进行冷变形处理，变形方式为轧制，变形量为～15％；最后进行 二次时效，时效温度为190℃，时效时间为30分钟。
对比例1：
试样采用厚度为2.0mm的Al-Cu-Mg铝合金冷轧薄板。按GB228-76制成拉伸试样。将试样放入498～502℃的盐浴炉中进行固溶处理，取出立即淬火；然后进行冷变形处理，变形方式为轧制，变形量为～3％；最后进行自然时效。
对比例2：
试样采用厚度为2.0mm的Al-Cu-Mg铝合金冷轧薄板。按GB228-76制成拉伸试样。将试样放入498～502℃的盐浴炉中进行固溶处理，取出立即淬火；然后放入时效箱中进行人工时效处理，时效温度为190℃，时效时间为12h。
对比例3：
试样采用厚度为2.0mm的Al-Cu-Mg铝合金冷轧薄板。按GB228-76制成拉伸试样。将试样放入498～502℃的盐浴炉中进行固溶处理，取出立即淬火；然后进行冷变形处理，变形方式为轧制，变形量为～9％；随后放入时效箱中进行人工时效处理，时效温度为190℃，时效时间为10h。
对比例4：
试样采用厚度为2.0mm的Al-Zn-Mg-Cu铝合金冷轧薄板。按GB228-76制成拉伸试样。将试样放入470℃的盐浴炉中进行固溶处理，固溶处理时间为30分钟，取出立即淬火；然后放入时效箱中进行人工时效处理，时效温度为120℃，时效时间为24h。
对比例5：
试样采用厚度为2.0mm的Al-Cu-Li-Mg铝合金冷轧薄板。按GB228-76制成拉伸试样。将试样放入530℃的盐浴炉中进行固溶处理，固溶处理时间为1h， 取出立即淬火；然后放入时效箱中进行人工时效处理，时效温度为175℃，时效时间为24h。
实施例1-4和对比例1-5的性能指标如下表1：
表1
Claims (5)
1.一种显著提升铝合金综合性能的热处理工艺，是将铝合金固溶处理，出炉快速水淬，然后，进行预时效——冷变形——二次时效处理。
2.根据权利要求1所述的一种显著提升铝合金综合性能的热处理工艺，其特征在于：固溶处理后，出炉水淬，所述固溶处理温度为：470～540℃，保温时间为30分钟～4小时。
3.根据权利要求2所述的一种显著提升铝合金综合性能的热处理工艺，其特征在于：所述预时效温度为：25℃～200℃，时间为：15分钟～200小时；所述冷变量为：3％～40％。
4.根据权利要求3所述的一种显著提升铝合金综合性能的热处理工艺，其特征在于：所述二次时效为自然时效或人工时效，所述自然时效时间至少为1个月，所述人工时效温度为120℃～200℃，时效时间15分钟～70小时。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种显著提升铝合金综合性能的热处理工艺，其特征在于：铝合金为：Al-Cu-Mg合金、Al-Mg-Si合金、Al-Li合金或Al-Zn-Mg合金。
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