提高2×××系铝合金板材抗疲劳损伤性能的加工工艺
技术领域
本发明是一种提高2×××系铝合金板材抗疲劳损伤性能的加工工艺,属于有色金属材料工程领域。
背景技术
随着航空工业的发展,对材料提出了更高的要求,作为飞机蒙皮的铝合金板材不仅要满足强度要求,而且要求具有安全性、可靠性及寿命长等特征。这就要求飞机用铝合金蒙皮材料在满足强度的同时,兼顾高断裂韧性和抗疲劳损伤的性能要求。
1995年美国铝业公司研制出用于飞机蒙皮的2524铝合金,并在AMS4296航空标准中规定:对于厚度≥1.57mm的2524-T3板材,其屈服强度、抗拉强度和延伸率分别不低于276MPa、421Mpa和15%;对于厚度<1.57mm的2524-T3板材,其屈服强度、抗拉强度和延伸率分别不低于269MPa、407Mpa和15%。当R=0.1,加载频率f=2~10HZ,ΔK=33MPa√m时,2524-T3铝合金板材在实际应用中最高所允许的疲劳裂纹扩展速率da/dN=3.05×10- 3mm/cycle。
近年来,国内外关于板材疲劳裂纹扩展速率影响因素的研究及提高板材疲劳裂纹扩展速率的方法,主要集中在优化合金成分和控制板材第二相上。例如专利US7323068B2,主要通过限制2024铝合金中的Fe、Si杂质元素含量,添加Zr并减少Mn含量来提高合金的综合性能,合金成分为:Cu3.8-4.7%,Mg1.0-1.6%,Zr0.06-0.18%,Cr<0.15%,Mn>0-0.50%,Fe≤0.15%,Si≤0.15%。专利US5213639A,通过控制主合金元素的含量提高合金的断裂韧性和抗裂纹扩展性能,合金成分为:Cu4-4.5%,Mg1.2-1.5%,Mn0.4-0.6%,Fe≤0.12%,Si≤0.1%。文献《2024-T3和2524-T3铝合金疲劳裂纹的萌生机制》研究表明:2524铝合金大多数的裂纹都在第二相粒子处萌生,且多在第二相粒子的带状分布区、粗大第二相粒子或热轧中破裂的第二相粒子处开裂。而关于晶粒形貌和尺寸对板材疲劳裂纹扩展速率的影响研究及调控板材晶粒形貌和尺寸方法的报道较少。
发明内容
本发明提供了一种提高2×××系铝合金板材抗疲劳损伤性能的加工工艺,通过控制板材冷终轧压下率,来控制板材L-ST截面晶粒平均等效直径和晶粒长宽比在所需范围内,使板材的拉伸力学性能和疲劳裂纹扩展速率均满足AMS4296航空标准。
本发明的技术方案是:一种提高2×××系铝合金板材抗疲劳损伤性能的加工工艺,包括以下步骤:
(1)按照2×××系铝合金成分及其含量范围进行配料熔炼,铸造得到所需铸锭;
(2)将铸锭依次进行均匀化处理、铣面和包铝,之后再进行预热和热粗轧,制成热粗轧板;
(3)将热粗轧板进行热精轧及后续处理工艺,对于厚板产品,可通过热精轧至成品板材厚度;对于中厚板产品,热精轧后再经冷终轧变形至成品厚度,冷终轧压下率为15~40%;对于薄板产品,经热精轧后再经冷轧、中间退火和冷终轧变形至成品厚度,冷终轧压下率为15~40%。
(4)将经步骤(3)处理的板材进行固溶淬火处理,固溶温度为480~505℃,保温时间为3~60min;
(5)将固溶淬火后的板材进行矫直,并自然时效至稳定状态。
进一步地,上述提高2×××系铝合金板材抗疲劳损伤性能的加工工艺,其中:所述步骤(3)中所述厚板产品,其成品板材厚度≥4.0mm,优选≥5.0mm;所述中厚板产品,其成品板材厚度为2.0~6.0mm,优选2.5~5.0mm,冷终轧压下率优选20~36%;所述薄板产品,其成品板材厚度<2.5mm,优选≤2.0mm,所述冷终轧压下率优选20~36%。
进一步地,上述提高2×××系铝合金板材抗疲劳损伤性能的加工工艺,其中:对于薄板产品,冷轧中间退火温度为250~450℃,优选300~400℃,保温2~20h。
更进一步地,上述提高2×××系铝合金板材抗疲劳损伤性能的加工工艺,其中:对于薄板产品,冷轧和中间退火工序可选择地重复多次。
再进一步地,上述提高2×××系铝合金板材抗疲劳损伤性能的加工工艺,其中:所述步骤(1)中的合金材料成分为包括AA2024、AA2524在内的2×××系铝合金。
本发明的实质性特点和显著的技术进步体现在:本发明根据不同成品板材厚度选择不同的工艺过程,并控制板材冷终轧压下率,可使板材L-ST截面晶粒平均等效直径控制在30~150μm之间,晶粒长宽比控制在2.5~6.5之间,当R=0.1,加载频率f=2~10HZ,ΔK=33MPa√m时,板材疲劳裂纹扩展速率da/dN≤3.05×10-3mm/cycle,板材的拉伸力学性能和疲劳裂纹扩展速率均满足AMS4296航空标准要求;此外,本发明应用广泛,不仅适用包括AA2024、AA2524在内的飞机蒙皮用2×××系铝合金板材,其它需要改善抗疲劳损伤性能的铝合金板材也可采用该方法制备得到。
附图说明
图1为制备2×××-T3铝合金厚板的工艺流程;
图2为制备2×××-T3铝合金中厚板的工艺流程;
图3为制备2×××-T3铝合金薄板的工艺流程;
图4为实施例1的2524-T3板材L-ST截面D/4位置的金相显微组织;
图5为实施例2和比较例1的2524-T3板材L-ST截面的金相显微组织;
图6为实施例3和比较例2的2524-T3板材L-ST截面的金相显微组织。
具体实施方式
以下结合附图表、具体实施例及比较例,对本发明的具体实施方式作进一步详述,以使本发明技术方案更易于理解和掌握。
本发明所提出的一种提高2×××系铝合金板材抗疲劳损伤性能的加工工艺,其特征在于包括以下步骤:
(1)按照2×××系铝合金成分及其含量范围进行配料熔炼,铸造得到所需铸锭,合金材料成分为包括AA2024、AA2524在内的2×××系铝合金;
(2)将铸锭依次进行均匀化处理、铣面和包铝,之后再进行预热和热粗轧,制成热粗轧板;
(3)将热粗轧板进行热精轧及后续工艺处理,对于厚板产品,其成品板材厚度≥4.0mm,优选≥5.0mm,可通过热精轧至成品板材厚度;对于中厚板产品,其成品板材厚度为2.0~6.0mm,优选2.5~5.0mm,热精轧后再经冷终轧变形至成品板材厚度,冷终轧压下率为15~40%;对于薄板产品,其成品板材厚度<2.5mm,优选≤2.0mm,经热精轧后再经冷轧、中间退火和冷终轧变形至成品厚度,冷终轧压下率为15~40%。
(4)将经步骤(3)处理的板材进行固溶淬火处理,固溶温度为480~505℃,保温时间3~60min;
(5)将固溶淬火后的板材进行矫直,并自然时效至稳定状态。
上述步骤(3)中,对于中厚板和薄板产品,冷终轧压下率优选20~36%。对于薄板产品,冷轧中间退火温度为250~450℃,优选300~400℃,保温2~20h。且,对于薄板产品,冷轧和中间退火工序可选择地重复多次。
实施例1
按4.32wt.%Cu、1.35wt.%Mg、0.61wt.%Mn、0.08wt.%Fe、0.06wt.%Si、0.03wt.%Ti的元素配比熔铸400×1620×2500mm规格2524铝合金铸锭。将合金铸锭依次进行498℃/32h均匀化处理、铣面、包铝、480℃/8h预热,之后于480℃热粗轧至20mm,紧接着热精轧至6.0mm,之后经496℃/50min固溶淬火、矫直处理和自然时效96h以上,工艺流程如图1所示。测试最终成品板材的力学性能,并按GB/T6398-2000和AMS4296标准测试板材的疲劳裂纹扩展速率。
实施例2
按4.32wt.%Cu、1.35wt.%Mg、0.61wt.%Mn、0.08wt.%Fe、0.06wt.%Si、0.03wt.%Ti的元素配比熔铸400×1620×2500mm规格2524铝合金铸锭。将铸锭依次进行498℃/32h均匀化处理、铣面、包铝、480℃/8h预热,之后于480℃热粗轧,紧接着热精轧至6.0mm。将热精轧板按33%压下率冷终轧变形至4.0mm,之后经496℃/25min固溶淬火,经矫直处理后自然时效96h以上,工艺流程如图2所示。测试最终成品板材的力学性能,并按GB/T6398-2000和AMS4296标准测试板材的疲劳裂纹扩展速率。
实施例3
按4.28wt.%Cu、1.30wt.%Mg、0.60wt.%Mn、0.08wt.%Fe、0.06wt.%Si、0.03wt.%Ti的元素配比熔铸400×1620×2500mm规格2524铝合金铸锭。将铸锭依次进行498℃/30h均匀化处理、铣面、包铝、485℃/8h预热,之后于485℃热粗轧,紧接着热精轧至4.5mm。将热精轧板按56%压下率冷轧变至2.0mm,再经340℃/4h中间退火和按40%压下率冷轧变形至1.2mm,之后经340℃/4h中间退火和按33%压下率冷终轧变形至0.8mm,又经498℃/16min固溶淬火,然后经矫直处理后自然时效96h以上,工艺流程如图3所示。测试最终成品板材的力学性能,并按GB/T6398-2000和AMS4296标准测试板材的疲劳裂纹扩展速率。
比较例1
按4.32wt.%Cu、1.35wt.%Mg、0.61wt.%Mn、0.08wt.%Fe、0.06wt.%Si、0.03wt.%Ti的元素配比熔铸400×1620×2500mm规格2524铝合金铸锭。将铸锭依次进行498℃/32h均匀化处理、铣面、包铝、480℃/8h预热,之后于480℃热粗轧,紧接着热精轧至6.0mm。将热精轧板按75%压下率冷轧变形至1.5mm,之后经496℃/25min固溶淬火,然后经矫直处理后自然时效96h以上,工艺流程如图2所示。测试最终成品板材的力学性能,并按GB/T6398-2000和AMS4296标准测试板材的疲劳裂纹扩展速率。
比较例2
按4.28wt.%Cu、1.30wt.%Mg、0.60wt.%Mn、0.08wt.%Fe、0.06wt.%Si、0.03wt.%Ti的元素配比熔铸400×1620×2500mm规格2524铝合金铸锭。将铸锭依次进行498℃/30h均匀化处理、铣面、包铝、485℃/8h预热,之后于485℃热粗轧,紧接着热精轧至4.5mm。将热精轧板按44%压下率冷轧变至2.5mm,再经340℃/4h中间退火和按68%压下率冷轧至0.8mm,之后经498℃/16min固溶淬火,然后经矫直处理后自然时效96h以上,工艺流程如图3所示。测试最终成品板材的力学性能,并按GB/T6398-2000和AMS4296标准测试板材的疲劳裂纹扩展速率。
表1为实施例和比较例中生产2524-T3铝合金板材的工艺参数,表2给出了实施例和比较例中2524-T3铝合金成品板材的力学性能和疲劳裂纹扩展速率。
从表1中可以看出:在实施例2和3中,均对冷终轧压下率进行了控制,冷终轧压下率均低于40%,而在比较例1和比较例2中,板材冷终轧压下率较大分别达到了75%和68%。
从表2中可以看出,实施例1、2和3的2524-T3板材的晶粒平均等效直径均大于30μm,长宽比大于2.5。图4为实施例1板材的金相覆膜照片,图中板材晶粒平均等效直径为69μm,长宽比为6.0。结果实施例板材的疲劳裂纹扩展速率da/dN<3.05×10-3mm/cycle,疲劳裂纹扩展速率和力学性能均满足AMS4296航空标准要求。而比较例1和2中尽管板材力学性能满足AMS4296航空标准要求,但疲劳裂纹扩展速率da/dN>3.05×10-3mm/cycle,不满足AMS4296航空标准要求。对比实施例2与比较例1和实施例3和比较例2,实施例2晶粒尺寸和长宽比明显大于比较例1,如图5(a)和图5(b)所示;实施例3的晶粒尺寸和长宽比明显大于比较例2,如图6(a)和图6(b)所示,说明冷终轧压下率增大会使成品晶粒尺寸和长宽比减小。
由此可见,采用本发明的控制冷终轧压下率,能够有效的调控2524-T3板材的晶粒尺寸和形貌,从而显著的降低2×××-T3板材疲劳裂纹扩展速率da/dN值。
当然,以上仅是本发明的具体应用范例,对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案,均落在本发明权利保护范围之内。
表1为制备2524-T3铝合金板材的工艺参数
表2为按表1工艺制备的2524-T3板材的组织及性能测试结果
注:晶粒等效直径即为晶粒等面积圆的直径,晶粒平均面积=晶粒长轴(L)长平均值×晶粒短轴(S)长平均值。长宽比=晶粒长轴长平均值/晶粒短轴长平均值。