CN105483578B - 改善2×××‑t3板疲劳裂纹扩展速率的热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种改善2×××‑T3板疲劳裂纹扩展速率的热处理方法，其特征在于包括以下步骤：（1）对合金进行配料熔炼并铸造成铸锭；（2）对铸锭进行均匀化热处理：将铸锭从室温以10~400℃/h的平均升温速率或经1~48h升温至490~510℃，并保温1~60h，保温过后冷却至470~500℃，冷却至该温度后，保温1~20h；（3）热轧：热轧开轧温度为470~490℃，热终轧温度>250℃；（4）退火和/或固溶处理；（5）精整处理，并进行自然时效，得到T3态板材；本发明通过均匀化后冷却至高温保温即均匀化与预热保温一体化的工艺应用，可以有效控制热轧前合金组织中粗大第二相的面积分数，从而显著的改善2×××‑T3板疲劳裂纹扩展速率da/dN值。
Description
技术领域
本发明涉及一种改善2×××-T3板疲劳裂纹扩展速率的热处理方法，属于有色金属技术领域。
背景技术
铝合金具有低密度、高比强度、良好的韧性及耐蚀性等特点而广泛应用于航空、航天、交通运输以及机械、电子、建筑等领域，在国民经济和国防建设中具有不可替代的作用。2×××系合金是高强变形铝合金的典型代表，在航空、航天、交通运输等领域均具有广泛的应用前景。如何进一步提高2×××系合金的性能，如疲劳裂纹扩展速率da/dN等，具有重要的意义，目前国内生产的航空用2×××-T3铝合金板材性能不稳定，尤其是da/dN值偏高。如何通过关键加工工艺的优化改善2×××-T3板材疲劳裂纹扩展速率具有重大的意义。
国内外对2×××铝合金航空材料的疲劳性能开展了大量的研究工作，大部分工作集中在最终板材性能结果分析上，给出了造成T3板da/dN性能低的可能影响因素，如第二相控制、晶粒尺寸及织构控制等，但是始终没有提出改善da/dN性能的有效工艺措施。本发明从第二相控制的角度出发，得到了一种改善2×××-T3疲劳裂纹扩展速率da/dN的热处理方法，即通过“均匀化与预热保温一体化”共同处理的方法，显著的改善了板材的da/dN性能。
发明内容
本发明的目的在于得到一种改善2×××-T3板疲劳裂纹扩展速率的热处理方法，旨在通过均匀化与预热保温一体化共同应用，有效的控制热轧前合金组织中粗大第二相的面积分数，从而显著的改善2×××-T3板疲劳裂纹扩展速率。
本发明所提出的改善2×××-T3板疲劳裂纹扩展速率的热处理方法，包括以下步骤：
(1)按照一定合金成分范围进行配料熔炼，铸造得到所需铸锭；
(2)均匀化热处理，其过程为：将铸锭从室温以10～400℃/h的平均升温速率或经1～48h升温至490～510℃，并保温1～60h，保温过后冷却至470～500℃，冷却至该温度后，保温1～20h；
(3)热轧，其过程为：热轧开轧温度为470～490℃，热终轧温度>250℃；
(4)对热轧后的板材进行退火和/或固溶处理；
(5)对经步骤(4)处理后的板材进行精整处理，处理过后进行自然时效，得到T3态板材。
进一步地，上述改善2×××-T3板疲劳裂纹扩展速率的热处理方法，其中：对于厚板产品，其成品厚度≥4.0mm，优选为≥6.0mm经步骤(3)热轧至成品厚度，所述步骤(4)中的固溶处理采用辊底式淬火炉或盐浴炉等，固溶温度>490℃，保温时间>15min。
进一步地，上述改善2×××-T3板疲劳裂纹扩展速率的热处理方法，其中：对于中厚板产品，其成品厚度为2.0～7.0mm，优选为2.5～6.0mm，经步骤(3)热轧至3.0～12mm，优选为4.0～10mm，所述步骤(4)中可选择地进行退火处理，之后进行冷轧，冷轧至成品厚度，之后可选择地进行固溶前的预退火处理，之后进行固溶处理，固溶过程采取辊底式淬火炉，固溶过程可采取辊底式淬火炉，盐浴处理或气垫炉处理等，固溶过程必须保证固溶温度>490℃，保温时间>5min。
进一步地，上述改善2×××-T3板疲劳裂纹扩展速率的热处理方法，其中：对于薄板产品，其成品厚度为≤3.0mm，优选为≤2.5mm，经步骤(3)热轧至3.0～10.0mm，优选为4.0～6.0mm，所述步骤(4)中可选择地进行退火处理，之后可选择地进行冷轧，冷轧至1.5～5.0mm，之后进行中间退火处理；之后再次进行冷轧，直接冷轧至成品厚度；之后可选择地进行固溶前的预退火处理，之后进行固溶处理，固溶过程采取盐浴处理或气垫炉处理等，固溶过程必须保证固溶温度>490℃，保温时间>5min。
更进一步地，上述改善2×××-T3板疲劳裂纹扩展速率的热处理方法，其中：所述步骤(1)中的合金材料成分范围包括AA2524、AA2024合金等2×××合金。
更进一步地，上述改善2×××-T3板疲劳裂纹扩展速率的热处理方法，其中：所述步骤(2)中冷却至温度为480～500℃，可通过随炉冷却等方式实现。
本发明的实质性特点和显著的技术进步体现在：本发明2×××-T3板疲劳裂纹扩展速率的热处理方法，通过关键均匀化与预热保温一体化工艺的共同应用，可以有效控制热轧前合金组织中粗大第二相的面积分数，从而显著的改善2×××-T3板疲劳裂纹扩展速率da/dN值。
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改善2×××-T3板疲劳裂纹扩展速率的热处理方法，本发明的材料成分范围包括了AA2524、AA2024等2×××系合金，包括以下步骤：
(1)按照上述合金成分范围进行配料熔炼，铸造得到所需铸锭；
(2)均匀化热处理，其过程为：将铸锭从室温以10～400℃/h的平均升温速率或经1～48h升温至490～510℃，并保温1～60h，保温过后冷却至470～500℃，优选为480～500℃，可通过随炉冷却等方式实现，冷却至该温度后，保温1～20h；
(3)热轧，其过程为：热轧开轧温度为470～490℃，热终轧温度>250℃；
(4)对热轧后的板材进行退火和/或固溶处理；
(5)对经步骤(4)处理后的板材进行精整处理，处理过后进行自然时效，得到T3态板材。
上述步骤(4)中，对厚板产品，其成品厚度为≥4.0mm，优选≥6.0mm，可直接热轧至成品厚度，紧接着进行固溶处理，固溶处理可采用辊底式淬火炉或盐浴炉等，固溶温度>490℃，保温时间>15min；之后再通过步骤(5)进行精整处理，处理后进行自然时效，得到T3态产品。
上述步骤(4)中，对中厚板产品，其成品厚度为2.0～7.0mm，优选2.5～6.0mm，可通过步骤(3)热轧至3.0～12mm，优选4.0～10.0mm，然后可选择性进行退火处理再进行冷轧，直接冷轧至成品厚度，之后可选择的进行固溶前的预退火处理再进行固溶处理，固溶过程可采取辊底式淬火炉，盐浴处理或气垫炉处理等，固溶过程必须保证固溶温度>490℃，保温时间>5min；之后再通过步骤(5)进行精整处理，处理过后进行自然时效，得到T3态不同厚度产品。
上述步骤(4)中，对于薄板产品，其成品厚度为≤3.0mm，优选≤2.5mm，可通过步骤(3)热轧至3.0～10.0mm，优选4.0～6.0mm，之后可选择性进行退火处理再进行冷轧，冷轧至1.5～5.0mm，优选为2.5～4.0mm，之后进行中间退火处理；紧接着再次进行冷轧，直接冷轧至成品厚度；之后可选择的进行固溶前的预退火处理再进行固溶处理，固溶过程可采取盐浴处理或气垫炉处理等，固溶过程必须保证固溶温度>490℃，保温时间>5min；之后进行精整处理，处理过后进行自然时效，得到T3态不同厚度产品。
上述步骤(4)中，所有涉及到退火的过程，其温度控制在300～400℃，保温时间控制在1～15h。
比较例1
1)以AA2524合金为例，具体成分以质量百分比计为：Cu4.32wt.％，Mg1.31wt.％，Mn0.58wt.％，Ti0.03wt.％，Fe0.03wt.％，Si0.03wt.％，其余组分为Al和不可避免的杂质。
2)按照1)中合金元素配比进行配料熔炼，铸造得到扁锭，扁锭横截面尺寸为1350mm×450mm，扁锭铣面至约400mm厚，之后对扁锭进行如下的加工工艺处理。其特征在于：从室温以40℃/h的平均升温速率或经约12h升温至498℃保温30h；之后随炉冷却至425℃，保温6h；然后取出扁锭直接进行热轧，热轧起始厚度约为400mm，热轧开轧温度约415～425℃，热轧至6.0mm，热终轧温度约280～300℃；之后进行冷轧，冷轧至4.0mm；之后进行360℃/4h的退火处理；紧接着再次进行冷轧，直接轧制至成品厚度2.0mm；之后进行498℃/20min盐浴固溶处理；之后进行精整处理，处理后自然时效96h以上，最终得到2.0mm-T3态板材。
比较例2
以比较例1中热轧至6.0mm热轧板为起始状态，之后进行冷轧，冷轧至2.0mm；之后进行360℃/4h的退火处理；紧接着再次进行冷轧，直接轧制至成品厚度1.0mm；之后进行360℃/4h的固溶前预退火处理；之后进行498℃/16min气垫炉固溶处理；之后进行精整处理，处理后自然时效96h以上，最终得到1.0mm-T3态板材。
比较例3
1)以AA2524合金为例，具体成分以质量百分比计为：Cu4.32wt.％，Mg1.31wt.％，Mn0.58wt.％，Ti0.03wt.％，Fe0.03wt.％，Si0.03wt.％，其余组分为Al和不可避免的杂质。
2)按照1)中合金元素配比进行配料熔炼，铸造得到扁锭，扁锭横截面尺寸为1350mm×450mm，扁锭铣面至约400mm厚，之后对扁锭进行如下的加工工艺处理。其特征在于：从室温以40℃/h的平均升温速率或经约12h升温至488℃保温30h；之后随炉冷却至480℃，保温6h；然后取出扁锭直接进行热轧，热轧起始厚度约为400mm，热轧开轧温度约470～480℃，热轧至6.0mm，热终轧温度约300～330℃；之后进行冷轧，冷轧至4.5mm；之后进行360℃/4h的退火处理；紧接着再次进行冷轧，直接轧制至成品厚度2.0mm；之后进行498℃/20min盐浴固溶处理；之后进行精整处理，处理后自然时效96h以上，最终得到2.0mm-T3态板材。
比较例4
以比较例3中热轧至6.0mm热轧板为起始状态，热轧后进行360℃/4h预退火处理，之后冷轧至2.0mm；之后进行360℃/4h的退火处理；紧接着再次进行冷轧，直接轧制至成品厚度1.0mm；之后进行360℃/4h的固溶前预退火处理；之后进行498℃/16min气垫炉固溶处理；之后进行精整处理，处理后自然时效96h以上，最终得到1.0mm-T3态板材。
比较例5
1)以AA2524合金为例，具体成分以质量百分比计为：Cu4.32wt.％，Mg1.31wt.％，Mn0.58wt.％，Ti0.03wt.％，Fe0.03wt.％，Si0.03wt.％，其余组分为Al和不可避免的杂质。
2)按照1)中合金元素配比进行配料熔炼，铸造得到扁锭，扁锭横截面尺寸为1350mm×450mm，扁锭铣面至约400mm厚，之后对扁锭进行如下的加工工艺处理。其特征在于：从室温以40℃/h的平均升温速率或经约12h升温至488℃保温30h；之后随炉冷却至425℃，保温6h；然后取出扁锭直接进行热轧，热轧起始厚度约为400mm，热轧开轧温度约415～425℃，热轧至6.0mm，热终轧温度约280～300℃；之后进行冷轧，冷轧至4.5mm；之后进行360℃/4h的退火处理；紧接着再次进行冷轧，直接轧制至成品厚度2.0mm；之后进行498℃/20min盐浴固溶处理；之后进行精整处理，处理后自然时效96h以上，最终得到2.0mm-T3态板材。
比较例6
以比较例5中热轧至6.0mm热轧板为起始状态，热轧后进行360℃/4h预退火处理，之后冷轧至2.0mm；之后进行360℃/4h的退火处理；紧接着再次进行冷轧，直接轧制至成品厚度1.0mm；之后进行360℃/4h的固溶前预退火处理；之后进行498℃/16min气垫炉固溶处理；之后进行精整处理，处理后自然时效96h以上，最终得到1.0mm-T3态板材。
表1示意了实施例及比较例合金热轧前组织中粗大相即粗大S相和θ相面积分数统计结果，表2示意了6.0mm/3.0mm/2.0mm/1.2mm/1.0mm/0.8mm-T3态板实施例或比较例性能数据。
由表1的结果表明，如实施例1-实施例8中，本发明通过采取高温均匀化(498℃/30h)后冷却到高温预热保温(490℃/6h、480℃/6h)的热处理方法，能够有效的控制组织中粗大S相和θ相的总面积分数，此时两种粗大相总面积分数最小，皆为0.5％。如比较例1、比较例2中，高温均匀化(498℃/30h)后冷却到较低的温度保温(425℃/6h)，不能很好的控制粗大相面积分数，此时面积分数达到0.9％。如比较例3-比较例6中，采取较低的均匀化温度488℃，冷却到高温预热保温(480℃/6h)或者低温预热保温(425℃/6h)，均不能很好的控制未溶粗大相的面积分数，此时面积分数分别达到0.9％、1.1％。
由表2的结果表明，本发明采用了高温均匀化与高温预热保温一体化的热处理方法，并将该方法应用于西南铝业(集团)有限责任公司6.0mm/3.0mm/2.0mm/1.2mm/1.0mm/0.8mm厚2524-T3板生产过程，能够显著的改善2524-T3板疲劳裂纹扩展速率da/dN，使不同厚度2524-T3板da/dN均能满足美标ASTM E647要求，即da/dN<3.05×10-3mm/cycle，具体数据如表2所示。
由此可见，采用本发明高温均匀化与高温预热保温一体化的热处理方法，能够有效的控制热轧前合金组织中未溶粗大相的面积分数，从而显著的改善2×××-T3板疲劳裂纹扩展速率da/dN值。
表1 实施例及比较例热轧前合金组织中粗大S相及θ相面积分数统计结果
表2 6.0mm/3.0mm/2.0mm/1.2mm/1.0mm/0.8mm-T3态板实施例或比较例性能数据
Claims (6)
1.改善2×××-T3板疲劳裂纹扩展速率的热处理方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）按照加工2×××-T3板的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）均匀化热处理，其过程为：将铸锭从室温以10~400℃/h的平均升温速率或经1~48h升温至490~510℃，并保温1~60h，保温过后冷却至470~500℃，冷却至该温度后，保温1~20h；
（3）热轧，其过程为：热轧开轧温度为470~490℃，热终轧温度>250℃；
（4）对热轧后的板材进行退火和/或固溶处理，退火处理其温度控制在300~400℃，保温时间控制在1~15h，固溶处理的固溶温度>490℃，保温时间>15min；
（5）对经步骤（4）处理后的板材进行精整处理，处理过后进行自然时效，得到T3态板材。
2.根据权利要求1所述的改善2×××-T3板疲劳裂纹扩展速率的热处理方法，其特征在于：对于厚板产品，其成品厚度≥4.0mm，经步骤（3）热轧至成品厚度，所述步骤（4）中的固溶处理采用辊底式淬火炉或盐浴炉。
3.根据权利要求1所述的改善2×××-T3板疲劳裂纹扩展速率的热处理方法，其特征在于：对于中厚板产品，其成品厚度为2.0~7.0mm，经步骤（3）热轧至3.0~12mm，所述步骤（4）中可选择地进行退火处理，之后进行冷轧，冷轧至成品厚度，之后可选择地进行固溶前的预退火处理，之后进行固溶处理，固溶过程采取辊底式淬火炉，盐浴处理或气垫炉处理，固溶处理的保温时间>5min。
4.根据权利要求1所述的改善2×××-T3板疲劳裂纹扩展速率的热处理方法，其特征在于：对于薄板产品，其成品厚度为≤3.0mm，经步骤（3）热轧至3.0~10.0mm，所述步骤（4）中可选择地进行退火处理，之后可选择地进行冷轧，冷轧至1.5~5.0mm，之后进行中间退火处理；之后再次进行冷轧，直接冷轧至成品厚度；之后可选择地进行固溶前的预退火处理，之后进行固溶处理，固溶过程采取盐浴处理或气垫炉处理，固溶过程必须保证固溶温度>490℃，保温时间>5min。
5.根据权利要求1所述的改善2×××-T3板疲劳裂纹扩展速率的热处理方法，其特征在于：所述步骤（1）中的合金材料成分范围包括AA2524、AA2024合金。
6.根据权利要求1所述的改善2×××-T3板疲劳裂纹扩展速率的热处理方法，其特征在于：所述步骤（2）中采用随炉冷却的方式冷却至温度为480~500℃。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 215026 Jiangsu Province, Suzhou City Industrial Park, No. 200 East Shen Hu Lu Applicant after: Suzhou Non-ferrous Metal academy Co., Ltd. Applicant after: CHINALCO INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY CO., LTD. Applicant after: Southwest Aluminum (Group) Co., Ltd. Address before: 215026 Jiangsu Province, Suzhou City Industrial Park, No. 200 East Shen Hu Lu Applicant before: Suzhou Non-ferrous Metal academy Co., Ltd. Applicant before: CHINALCO SCIENCE AND TECHNOLOGY INSTITUTE Applicant before: Southwest Aluminum (Group) Co., Ltd. |
|
| CB02 | Change of applicant information | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20171121 Address after: 102209 Changping District City, Beiqijia, the future of science and technology in the south area of the town of Beijing Applicant after: China Aluminum Material Applied Research Institute Co Ltd Applicant after: Southwest Aluminum (Group) Co., Ltd. Address before: 215026 Jiangsu Province, Suzhou City Industrial Park, No. 200 East Shen Hu Lu Applicant before: Suzhou Non-ferrous Metal academy Co., Ltd. Applicant before: CHINALCO INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY CO., LTD. Applicant before: Southwest Aluminum (Group) Co., Ltd. |
|
| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |