CN103045976B - 一种提高铝合金抗疲劳性能的热处理方法 - Google Patents

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Abstract

提高Al-Cu-Mg合金抗疲劳性能的处理方法，是将冷轧板先经过300-440℃/20-120min中间退火，再进行475-505℃/10-120min固溶淬火处理后，在室温自然时效至少100小时。所述铝铜镁合金包括下述组分：Cu，Mg，Mn，Ti，Al。本发明工艺方法简单合理，通过中间退火热处理工艺，提高合金中高斯织构分数，使冷轧态铝铜镁合金中晶粒的大多数{111}晶面取向处于或接近于最大外加切应力方向上。从而有利于位错在交变应力作用下的往复滑移，提高疲劳裂纹的闭合效应，降低疲劳裂纹扩展速率，使合金具有优良的抗应力腐蚀性能和抗剥落腐蚀疲劳性能，适于工业化应用。

Description

一种提高铝合金抗疲劳性能的热处理方法
技术领域
本发明公开了一种提高铝合金抗疲劳性能的热处理方法；具体涉及一种提高铝铜镁合金的抗疲劳性能的退火处理方法。属于金属材料热处理技术领域。
背景技术
作为中强抗疲劳损伤的Al-Cu-Mg合金，主要用于飞机蒙皮材料，占飞机材料重量的50%左右，在航空领域具有极其重要的地位。目前，抗疲劳损伤铝合金在航空领域的应用，面临着复合材料的激烈竞争。如何进一步提高该合金的抗疲劳性能，是其在这一竞争中胜出的关键，这对于该合金在航空领域的应用和发展具有重要的意义。
研究表明，针对该合金抗疲劳性能的提高，目前主要开展了Cu、Mg成分、过剩相及杂质元素影响、原子团簇尺寸效应、电场效应、预变形效应等方面的研究，取得了明显的成效。这些研究主要从合金成分、过剩相、杂质、温度对原子团簇尺寸、电场对原子偏聚及预变形引入位错对交变应力作用下的位错滑移、裂纹形核和扩展影响的角度，开展了相关因素对合金疲劳性能影响的研究。
然而，上述诸多方面的研究并不代表合金疲劳机理研究的全部。一个典型的实例是国产2524铝合金在成分、杂质相及矫直变形等方面的控制均符合要求的情况下，其疲劳裂纹扩展速率仍然未达到规定标准。分析表明，合金的疲劳是交变应力作用下位错往复滑移时的损伤积累所致。位错往复滑移受阻碍越大、损伤积累越快，疲劳裂纹扩展速率越高。而位错往复滑移是与合金{111}晶面的取向分布有关的，也就是与合金织构分布相联系。研究表明，处于强高斯织构的晶粒取向分布可以增大疲劳过程中的裂纹闭合效应，降低Al-Cu-Mg合金的疲劳裂纹扩展速率。除此之外，飞机蒙皮材料基本都是冷轧薄板，冷轧态薄板的位错组态为高密度的位错缠结，严重阻碍位错的往复滑移，增大损伤积累。
综上所述，如何消除冷轧态薄板的位错缠结及获得强高斯织构是提高Al-Cu-Mg合金抗疲劳性能的关键。研究表明，再结晶退火可以消除冷轧态薄板的位错缠结。但是，高斯织构属于变形织构，再结晶退火会减弱、甚至消除高斯织构，降低合金的抗疲劳性能。
因此，开发合适的退火处理技术，消除冷轧态薄板位错缠结组态，促进位错墙和亚晶界的形成，避免再结晶的发生，保持强的高斯织构分布，形成有利于位错往复滑移、降低疲劳损伤积累的晶粒取向分布，成为大幅度提高Al-Cu-Mg合金抗疲劳性能的有效途径。这对于提升该合金在航空领域的应用水平也同样具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种工艺方法简单合理、可有效提高Al-Cu-Mg合金抗疲劳性能的热处理方法。
本发明提高铝合金抗疲劳性能的热处理方法，是采用下述方案实现的：
将铝铜镁合金冷轧态薄板加热至300-420℃，保温20-120分钟，冷却至室温后依次进行固溶处理、自然时效处理。
本发明中，铝铜镁合金冷轧态薄板包括下述组分，按重量百分比组成：Cu3.8-4.5%,Mg1.2-1.6%，Mn0.3-0.7%，Ti0.05-0.15%,余量为Al。
本发明中，固溶处理工艺为：475-505℃/10-120分钟。
本发明中，自然时效处理工艺为：室温下放置至少100小时。
本发明采用上述工艺方法，Al-Cu-Mg合金冷轧态薄板经过300-420℃/20-120分钟退火处理后，在475-505℃进行10-120分钟的固溶处理，再进行室温下放置100小时以上的自然时效处理。这样，相对于冷轧态薄板直接进行固溶处理和自然时效处理，一方面可以有效降低冷轧态位错密度，使更多混乱的冷轧态缠结位错组态通过回复转变为位错墙和亚晶界组态，大幅度消除位错缠结对交变应力作用下位错往复滑移的阻碍，降低损伤积累，有利于滑移带的形成。另一方面退火工艺有利于提高高斯结构体积分数，这些具有高强度的高斯结构晶粒取向有利于促进交变应力下的位错滑移，对疲劳裂纹尖端驻留滑移带的形成有利，并防止二次开裂。增加疲劳裂纹扩展消耗的能量，从而降低疲劳裂纹扩展速率。避免完全再结晶的发生，保持强的高斯织构和具有更大疲劳裂纹闭合效应的晶粒取向分布。从消除位错缠结对位错往复滑移的不利影响和形成有利于位错往复滑移、提高疲劳裂纹闭合效应的晶粒取向分布两个方面降低疲劳损伤积累和疲劳裂纹扩展速率。
综上所述，本发明工艺方法简单合理，通过在常规固溶处理和自然时效处理前进行300-420℃/20-120分钟退火处理，消除Al-Cu-Mg合金冷轧态薄板的缠结位错组态及其对交变应力作用下位错往复滑移的阻碍、降低疲劳过程中的损伤积累。同时，获得强的高斯织构和有利于位错往复滑移和促进疲劳裂纹闭合的晶粒取向分布。使Al-Cu-Mg合金具有优良的抗疲劳性能，适于工业化应用。
附图说明
附图1是本发明实施例1采用300℃/120min退火处理板材的取向分布函数图。
附图2是本发明实施例2采用350℃/90min退火处理板材的取向分布函数图。
附图3是本发明实施例3采用400℃/40min退火处理板材的取向分布函数图。
附图4是本发明实施例4采用420℃/20min退火处理板材的取向分布函数图。
附图5是本发明对比例1未经退火处理的冷轧板材的取向分布函数图。
附图6是本发明实施例1-4的疲劳裂纹扩展速率曲线（da/dN-ΔK）。
附图7是本发明对比例1：未经退火处理的冷轧板材的疲劳裂纹扩展速率曲线（da/dN-ΔK）。
从图1至图5可以看出：在300-400度退火温度段，随着温度升高，高斯织构增强，黄铜织构减弱。在400度退火时，高斯织构达到最强，超过冷轧态（对比图5）。退火温度升至420度时，由于合金中发生再结晶，高斯织构减弱，黄铜织构转强。
附图6显示出实施例1-4分别依次采用300℃/120min；350℃/90min；400℃/40min；420℃/20min退火后，再进行T4态处理的板材的疲劳裂纹扩展速率（da/dN-ΔK）曲线。其中实施例3采用400℃/40min退火+T4处理的疲劳裂纹扩展速率最低。
附图7中，对比例5的冷轧态板材，未经退火处理直接进行T4处理后的疲劳裂纹扩展速率曲线。对比图6和图7可以看出，未经退火处理而直接进行T4处理的冷轧态板材的疲劳裂纹扩展速率比经过退火处理的高。
具体实施方式
实施例1（300度退火态）;
合金1成分为：3.8%Cu,1.4%Mg,0.6%Mn,0.05%Ti,余量为铝。冷轧板在300℃退火120分钟后，在505℃进行固溶处理20分钟，并水淬，经过室温下放置100h以上的自然时效后，室温下的力学性能达到：抗拉强度为435MPa,屈服强度为290MPa，延伸率为24.4%；抗疲劳性能：ΔK=25MPam1/2,da/dN=1.5×10-3mm/cycle。
实施例2（350度退火态）;
合金2成分为：4.0%Cu,1.5%Mg,0.3%Mn,0.10%Ti,余量为铝。冷轧板在350℃退火90分钟后，在500℃进行固溶处理30分钟，并水淬，经过室温下放置100h以上的自然时效后，室温下的力学性能达到：抗拉强度为430MPa,屈服强度为288MPa，延伸率为25.7%；抗疲劳性能：ΔK=25MPam1/2,da/dN=9.5×10-4mm/cycle。
实施例3（400度退火态）;
合金3成分为：4.5%Cu,1.2%Mg,0.4%Mn,0.10%Ti,余量为铝。冷轧板在400℃退火40分钟后，在485℃进行固溶处理60分钟，并水淬，经过室温下放置100h以上的自然时效后，室温下的力学性能达到：抗拉强度为400MPa,屈服强度为260MPa，延伸率为27.2%；抗疲劳性能：ΔK=25MPam1/2,da/dN=5.7×10-4mm/cycle。
实施例4（420度退火态）;
合金4成分为：4.1%Cu,1.6%Mg,0.7%Mn,0.15%Ti,余量为铝。冷轧板在420℃退火20分钟后，在475℃进行固溶处理90分钟，并水淬，经过室温下放置100h以上的自然时效后，室温下的力学性能达到：抗拉强度为380MPa,屈服强度为245MPa，延伸率为29.6%；抗疲劳性能：ΔK=25MPam1/2,da/dN=9.0×10-4mm/cycle。
对比例1（冷轧态）;
合金5成分为：4.2%Cu,1.3%Mg,0.6%Mn,0.10%Ti,余量为铝。冷轧板直接在500℃进行固溶处理60分钟，并水淬，经过室温下放置100h以上的自然时效后，室温下的力学性能达到：抗拉强度为482MPa,屈服强度为350MPa，延伸率为18.2%；抗疲劳性能：ΔK=25MPam1/2,da/dN=1.55×10-3mm/cycle。

Claims (2)

1.提高铝合金抗疲劳性能的热处理方法，其特征在于：将铝铜镁合金冷轧板先经过300-420℃/20-120min退火后依次进行固溶处理、自然时效处理；所述铝铜镁合金包括下述组分，按重量百分比组成：Cu3.8-4.5%, Mg1.2-1.6%，Mn0.3-0.7%，Ti0.05-0.15%, 余量为Al。
2.根据权利要求1所述的提高铝合金抗疲劳性能的热处理方法，其特征在于：固溶处理工艺为： 475-505℃/10-120分钟；自然时效工艺为：在室温下放置至少100小时。
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