CN105483579A - 提高2×××系铝合金板材抗疲劳损伤性能的加工工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高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）对合金进行配料熔炼并铸造成铸锭；（2）将铸锭依次进行均匀化处理、铣面和包铝，预热，制成热粗轧板；（3）将热粗轧板热精轧、冷轧变形至成品板材厚度；（4）进行再结晶预退火处理，以平均10～300℃/h速率或经1.0～45h升温至300～450℃，保温1～20h；（5）进行固溶淬火处理，固溶温度为480～505℃，保温时间为3～60min；（6）将板材进行矫直，并自然时效至稳定状态。本发明通过增加再结晶预退火处理，可有效控制板材L-ST截面晶粒平均等效直径和晶粒长宽比，使板材的拉伸力学性能和疲劳裂纹扩展速率均满足AMS？4296航空标准要求。

Description

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，通过增加再结晶预退火处理，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。
本发明的技术解决方案是：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)将热粗轧板热精轧、冷轧变形至成品板材厚度；
(4)将轧至成品板材厚度的板材进行再结晶预退火处理，再结晶预退火时板材以平均10～300℃/h速率或经1.0～45h升温至300～450℃，保温1～20h；
(5)将经再结晶预退火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；
(6)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)中对于厚板产品，其成品板材厚度≥4.0mm，优选为≥5.0mm，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，优选为2.5～5.0mm，通过热精轧后再经冷终轧变形至成品板材厚度；对于薄板产品，其成品板材厚度<2.5mm，优选为≤2.0mm，通过热精轧后再经冷轧、中间退火和冷终轧变形至成品板材厚度。
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，对于中厚板和薄板产品，冷终轧压下率优选40～85％。
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。
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：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。
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：所述步骤(4)中再结晶预退火平均升温速率优选30～120℃/h或经3～11h升温至330～360℃，保温时间优选2～6h。
本发明的实质性特点和显著的技术进步体现在：通过增加再结晶预退火工艺，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2.5～9.0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，疲劳裂纹扩展速率和拉伸力学性能均满足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厚板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中厚板L-ST截面的金相显微组织；
图6为实施例4和比较例3的2524-T3薄板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)将热粗轧板热精轧、冷轧变形至成品板材厚度；对于厚板产品，其成品板材厚度≥4.0mm，优选为≥5.0mm，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，优选为2.5～5.0mm，通过热精轧后经冷终轧变形至成品板材厚度；对于薄板产品，其成品板材厚度<2.5mm，优选为≤2.0mm，通过热精轧后经冷轧、中间退火和冷终轧变形至成品板材厚度。
(4)将轧至成品板材厚度的板材进行再结晶预退火处理，再结晶预退火时板材以平均10～300℃/h速率或经1.0～45h升温至300～450℃，保温1～20h；
(5)将经再结晶预退火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；
(6)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40～85％。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。上述步骤(4)中，经再结晶预退火处理的板材再结晶预退火平均升温速率优选30～120℃/h或经3～11h升温至330～360℃，保温时间优选2～6h。
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，紧接着热精轧至6.0mm，之后进行再结晶预退火处理，将热精轧板以平均36℃/h的速率升温至350℃或经9h升温至350℃，然后保温4h，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拉伸力学性能，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58％压下率冷终轧变形至2.5mm，之后进行再结晶预退火处理，以平均63℃/h的速率升温至340℃或经5h升温至340℃，并保温4h，再经496℃/25min固溶淬火，又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4.32wt.％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58％压下率冷终轧变形至2.5mm，之后进行再结晶预退火处理，以平均150℃/h的速率升温至340℃或经2.1h升温至340℃，并保温4h，再经496℃/25min固溶淬火，又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4
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、热粗轧和热精轧至4.5mm。将热精轧板按56％压下率冷轧变形至2.0mm，再经340℃/4h中间退火和按60％压下率冷终轧变形至0.8mm，之后进行再结晶预退火处理，将冷终轧板以平均46℃/h的速率升温至350℃或经7h升温至350℃，并保温4h，之后经498℃/16min固溶淬火，又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。
实施例5
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、热粗轧和热精轧至4.5mm。将热精轧板按56％压下率冷轧变形至2.0mm，再经340℃/4h中间退火和按60％压下率冷终轧变形至0.8mm，之后进行再结晶预退火处理，将冷终轧板以平均250℃/h的速率升温至350℃或经1.3h升温至350℃，并保温4h，之后经498℃/16min固溶淬火，又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58％压下率冷终轧变形至2.5mm，之后直接经496℃/25min固溶淬火，再经矫直处理后自然时效96h以上。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4.32wt.％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58％压下率冷终轧变形至2.5mm，之后将冷终轧板采用连续退火(气垫炉连退)的方式升温至340℃，并保温约7min，再经496℃/25min固溶淬火，又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、热粗轧和热精轧至4.5mm。将热精轧板按56％压下率冷轧至2.0mm，再经340℃/4h中间退火和按60％压下率冷终轧变形至0.8mm。将冷轧板直接经498℃/16min固溶淬火，再经矫直处理后自然时效96h以上。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4
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、热粗轧和热精轧至4.5mm。将热精轧板按56％压下率冷轧至2.0mm，再经340℃/4h中间退火和按60％压下率冷终轧变形至0.8mm。将冷终轧板采用连续退火(气垫炉连退)的方式升温至350℃，并保温约7min，之后经498℃/16min固溶淬火，再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1、2、3、4和5中，板材卷在固溶淬火处理前，均先经过了再结晶预退火处理，且再结晶预退火升温速率均小于300℃/h。与此同时，为调控成品板的晶粒尺寸，冷终轧压下率控制在40～85％之间。与实施例2、3和实施例4、5不同，比较例1和比较例3的板材在经固溶淬火处理前未经再结晶预退火处理，比较例2和比较例4板材固溶淬火处理前虽经再结晶预退火处理，但再结晶预退火升温速率较快，高于300℃/h。
从表2中可以看出，实施例1、2、3、4和5的2524-T3板材的晶粒平均等效直径处于30～150μm之间，长宽比处于2.5～9.0之间。图4为实施例1的金相覆膜照片，图中板材L-ST截面晶粒平均等效直径为148μm，长宽比为8.8。结果实施例板材疲劳裂纹扩展速率da/dN≤3.05×10-3mm/cycle，板材的力学性能和疲劳裂纹扩展速率均满足AMS4296航空标准要求。而比较例1、2、3和4的2524-T3板材的晶粒平均等效直径小于30μm，或长宽比小于2.5，虽然力学性能满足AMS4296航空标准要求，但板材的疲劳裂纹扩展速率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4与比较例3，可以看出因固溶前进行了再结晶预退火处理，实施例2和实施例4成品板晶粒尺寸和长宽比比比较例1和比较例3的都大，图5(a)、图5(b)分别对应实施例2和比较例1，图6(a)、图6(b)分别对应实施例4和比较例3。对比实施例2、3与比较例2和实施例4、5与比较例4，可以看出再结晶预退火升温速率对最终成品板的晶粒尺寸和形貌影响显著，需将升温速率控制在一定的范围内，才能合理的控制板材的晶粒尺寸和形貌，从而改善成品板的疲劳裂纹扩展速率。由此可见，采用本发明的控制再结晶预退火工艺，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
注：以板材卷内距表面约100mm处温度变化为预退火平均升温速率。一般气垫炉连续退火，板材5min内到温。
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。

Claims (7)

1.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；
（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）将热粗轧板经热精轧、冷轧变形至成品板材厚度；
（4）将轧至成品板材厚度的板材进行再结晶预退火处理，再结晶预退火时板材以平均10～300℃/h速率或经1.0～45h升温至300～450℃，保温1～20h；
（5）将经再结晶预退火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；
（6）将固溶淬火后的板材进行矫直，并自然时效至稳定状态。
2.根据权利要求1所述的提高2×××系铝合金板材抗疲劳损伤性能的加工工艺，其特征在于：所述步骤（3）中对于厚板产品，其成品板材厚度≥4.0mm，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，通过热精轧后经冷终轧变形至成品板材厚度；对于薄板产品，其成品板材厚度<2.5mm，通过热精轧后经冷轧、中间退火和冷终轧变形至成品板材厚度。
3.根据权利要求2所述的提高2×××系铝合金板材抗疲劳损伤性能的加工工艺，其特征在于：所述步骤（3）中，对于中厚板和薄板产品，冷终轧压下率为40～85%。
4.根据权利要求2所述的提高2×××系铝合金板材抗疲劳损伤性能的加工工艺，其特征在于：对于薄板产品，冷轧中间退火温度为250～450℃，保温2～20h。
5.根据权利要求2所述的提高2×××系铝合金板材抗疲劳损伤性能的加工工艺，其特征在于：对于薄板产品，冷轧和中间退火工序可选择地重复多次。
6.根据权利要求1所述的提高2×××系铝合金板材抗疲劳损伤性能的加工工艺，其特征在于：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。
7.根据权利要求1所述的提高2×××系铝合金板材抗疲劳损伤性能的加工工艺，其特征在于：所述步骤（4）中再结晶预退火平均升温速率为30～120℃/h或经3～11h升温至330～360℃，保温时间为2～6h。
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