CN105803280B - 一种耐损伤容限高强铝合金板材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐损伤容限高强铝合金板材及其制备方法。铝合金板材的化学成分及质量百分比为：Si 0～0.08％，Fe 0～0.15％，Cu 4.1～4.4％,Mn0.50～0.70％，Mg 1.2～1.4％,Cr 0～0.10％，Zn 0～0.15％，Ti 0～0.15％，余量为Al。其制备方法包括熔炼及铸造，再出炉空冷的双级均匀化，铣面，热扎，双级固溶处理，淬火，自然时效等步骤完成。与普通2024T351状态的产品标准性能比，本发明的板材屈服强度至少高20MPa、延伸率高33％及很好的断裂韧性和抗疲劳裂纹扩展性。
Description
技术领域
本发明属于铝合金加工技术领域，涉及航空用耐损伤容限高强铝合金板材及制备方法。
背景技术
高强铝合金一般为Al-Cu-Mg-(Mn)系合金。具有较高的塑性、高强度，耐热等特性是航空航天领域用途最为广泛的结构铝合金材料。一直以来，人们以2024合金为基础，主要以降低Fe、Si含量而提高耐损伤容限，已形成了2024型系列合金。但降低Fe、Si含量必然会增加材料的成本，这与“降成本、高性能、高安全、高寿命”的飞机设计理念极不适应。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种航空用耐损伤容限高强铝合金板材及其制备方法，本发明的板材与普通2024T351状态的产品标准性能比，屈服强度至少高20MPa、延伸率高33％及很好的断裂韧性和抗疲劳裂纹扩展性。
本发明采取如下技术方案：
一种耐损伤容限高强铝合金板材，其特征在于，所述铝合金板材的化学成分及质量百分比为：Si 0～0.08％，Fe 0～0.15％，Cu 4.1～4.4％,Mn 0.50～0.70％，Mg 1.2～1.4％,Cr 0～0.10％，Zn 0～0.15％，Ti 0～0.15％，余量为Al。
一种上述铝合金板材的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)熔炼及铸造：按化学成分及质量百分比准备原材料，在720～750℃的条件下熔炼铝合金原材料，铝合金原材料50％～60％熔化为铝液时，开启电磁搅拌，当铝合金原材料全部熔化后，加入成分添加剂，并进行扒渣、调整成分、转移熔体到保温炉，进行炉侧Ar+Cl2混合气精炼，成分合格及铸造准备充分后，熔体静置适当时间，在熔体温度700～710℃条件下经在线处理，浇注成铝合金铸锭；
(2)将步骤(1)得到的铝合金铸锭以40℃/h速度升温至480-492℃，保温6-20h；再以5℃/h升温至493-498℃，保温6-24h，再出炉空冷的双级均匀化；
(3)铣面：将步骤(2)铝合金铸锭切头切尾，铣面。
(4)热扎：将步骤(3)处理后的铝合金铸锭在台车炉中加热到410～430℃，保温3h～4h，然后在4100mm热热粗轧机组上轧至27mm～27.3mm的中间板材，终轧温度为350℃～380℃；
(5)双级固溶处理：将步骤(4)得到的铝合金中间板材定尺后在辊底炉上进行490-493℃/0.1-4h+495-517℃/0.1-4h的固溶保温，随后室温水淬，1-3min冷却到20-60℃；
(6)淬火后6-10小时内进行2％的永久变形，自然时效96小时后对板材进行性能检测。
本发明的有益效果：
1.提供一种航空用耐损伤容限高强铝合金板材。与普通2024T351状态的产品标准性能比，屈服强度至少高20MPa、延伸率高33％及很好的断裂韧性和抗疲劳裂纹扩展性。
2.本发明生产方法中在熔体熔炼铸造过程中，熔体净化采用多级联合熔体净化技术(即：从原铺材料选配、熔炼、熔体炉内光混合气体精炼、在线多级串联SNIF除气、双级陶瓷过滤、加盖流槽预热干燥防污染等多种工艺措施，使熔体的气体、夹渣排除，得到较纯洁熔体的工艺技术)，使铸锭冶金质量达到高纯化的水平，使铸锭冶金质量满足：晶粒度1级；[H]≤0.08ml/100gAl；Na＜2PPm；Ca＜4PPm；渣N20＜15K/kg(每Kg铝中尺寸大于20μm的渣含量＜15千个)。
3.本发明生产方法采用双级均匀化和双级固溶处理，使共晶相及残留第二相粒子的溶解更充分。
4.本发明生产方法采用固溶淬火后8小时内进行预拉伸，有效地使合金过饱和国溶体中位错增殖和分布发生变化，引起时效序列和相成核几率不同，加速析出形成，从而改善合金材料的强度、断裂韧性等。
附图说明
图1是本发明的合金均匀化后金相组织(心部)500X；
图2-图4是本发明的合金双级固溶处理后的不同厚度金相组织。
具体实施方式
本发明的耐损伤容限高强铝合金板材，其化学成分及质量百分比为：Si 0～0.08％，Fe 0～0.15％，Cu 4.1～4.4％,Mn 0.50～0.70％，Mg 1.2～1.4％,Cr 0～0.10％，Zn 0～0.15％，Ti 0～0.15％，余量为Al。
在本发明的实施例中，其化学成分及质量百分比如表1。
表1该合金成分实测值(wt％)
实例1～3之一任意所述的航空用耐损伤容限高强铝合金板材的生产方法之一，包括以下步骤：
(1)熔炼及铸造：按权利要求1所述的铝合金厚板的化学成分及质量百分比准备原材料，其中，固体料占60～70％，一、二级废料不超过30％，其余为电解液。在720～750℃的条件下熔炼铝合金原材料，铝合金原材料50％～60％熔化为铝液时，开启电磁搅拌，当铝合金原材料全部熔化(720℃)后，加入成分添加剂，并进行扒渣、调整成分、转移熔体到保温炉，进行炉侧Ar+Cl2混合气精炼(STAS)，成分合格及铸造准备充分后，熔体静置适当时间，在熔体温度700～710℃条件下经在线(SNIF双级联动除气、CCF过滤(30PPI+50PPI)、Al5Ti1B晶粒细化)处理，浇注成铝合金铸锭。铸锭冶金质量满足：晶粒度1级；[H]＝0.05ml/100gAl；Na＝1ppm；Ca＝1PPm；渣N20＝11K/kg
(2)将步骤(1)铝合金铸锭以40℃/h速度升温至490℃，保温24h；再以5℃/h升温至495℃，保温24h，再出炉空冷的双级均匀化。
(3)铣面：将步骤(2)铝合金铸锭切头切尾，铣面。
(4)热扎：将步骤(3)处理后的铝合金铸锭在台车炉中加热到410～430℃，保温3h，然后在4100mm热热粗轧机组上轧至27～27.3mm的中间板材，终轧温度为353℃。
(5)双级固溶处理：将步骤(4)得到的铝合金中间板材定尺后在辊底炉上进行493℃/1h+498℃/1h的固溶保温，随后室温水淬(转移时间＜10s),3min冷却到60℃。
(6)淬火后2小时内在80MN拉伸机上进行2％的永久变形，自然时效96小时后对板材进行性能检测。
实例1～3之一任意所述的航空用耐损伤容限高强铝合金板材的生产方法之二，包括以下步骤：
(1)熔炼及铸造：按权利要求1所述的铝合金厚板的化学成分及质量百分比准备原材料，其中，固体料占60～70％，一、二级废料不超过30％，其余为电解液。在720～750℃的条件下熔炼铝合金原材料，铝合金原材料50％～60％熔化为铝液时，开启电磁搅拌，当铝合金原材料全部熔化(720℃)后，加入成分添加剂，并进行扒渣、调整成分、转移熔体到保温炉，进行炉侧Ar+Cl2混合气精炼(STAS)，成分合格及铸造准备充分后，熔体静置适当时间，在熔体温度700～710℃条件下经在线(SNIF双级联动除气、CCF过滤(30PPI+50PPI)、Al5Ti1B晶粒细化)处理，浇注成铝合金铸锭。铸锭冶金质量满足：晶粒度1级；[H]＝0.07ml/100gAl；Na＝11ppm；Ca＝1PPm；渣N20＝12K/kg
(2)将步骤(1)铝合金铸锭以40℃/h速度升温至490℃，保温24h；再以5℃/h升温至495℃，保温24h，再出炉空冷的双级均匀化。
(3)铣面：将步骤(2)铝合金铸锭切头切尾，铣面。
(4)热扎：将步骤(3)处理后的铝合金铸锭在台车炉中加热到410～430℃，保温3～4h，然后在4100mm热热粗轧机组上轧至27～27.3mm的中间板材，终轧温度为350℃。
(5)双级固溶处理：将步骤(4)得到的铝合金中间板材定尺后在辊底炉上进行493℃/1h+498℃/1h的固溶保温，随后室温水淬(转移时间＜10s),3min冷却到60℃。
(6)淬火后4小时内在80MN拉伸机上进行2％的永久变形，自然时效96小时后对板材进行性能检测。
实例1～3之一任意所述的航空用耐损伤容限高强铝合金板材的生产方法之三，包括以下步骤：
(1)熔炼及铸造：按权利要求1所述的铝合金厚板的化学成分及质量百分比准备原材料，其中，固体料占60～70％，一、二级废料不超过30％，其余为电解液。在720～750℃的条件下熔炼铝合金原材料，铝合金原材料50％～60％熔化为铝液时，开启电磁搅拌，当铝合金原材料全部熔化(720℃)后，加入成分添加剂，并进行扒渣、调整成分、转移熔体到保温炉，进行炉侧Ar+Cl2混合气精炼(STAS)，成分合格及铸造准备充分后，熔体静置适当时间，在熔体温度700～710℃条件下经在线(SNIF双级联动除气、CCF过滤(30PPI+50PPI)、Al5Ti1B晶粒细化)处理，浇注成铝合金铸锭。铸锭冶金质量满足：晶粒度1级；[H]＝0.07ml/100gAl；Na＝1ppm；Ca＝1PPm；渣N20＝13K/kg
(2)将步骤(1)铝合金铸锭以40℃/h速度升温至490℃，保温24h；再以5℃/h升温至495℃，保温24h，再出炉空冷的双级均匀化。
(3)铣面：将步骤(2)铝合金铸锭切头切尾，铣面。
(4)热扎：将步骤(3)处理后的铝合金铸锭在台车炉中加热到410～430℃，保温3～4h，然后在4100mm热热粗轧机组上轧至27～27.3mm的中间板材，终轧温度为350～380℃。
(5)双级固溶处理：将步骤(4)得到的铝合金中间板材定尺后在辊底炉上进行493℃/1h+498℃/1h的固溶保温，随后室温水淬(转移时间＜10s),3min冷却到60℃。
(6)淬火后8小时内在80MN拉伸机上进行2％的永久变形，自然时效96小时后对板材进行性能检测。
实例1～3所述的航空用耐损伤容限高强铝合金板材的任意之一的生产方法生产厚板上自然时效96h后取样，在室温下，按CMS-AL-103要求检测铝合金厚板的力学性能、断裂韧性(KIC)、应力腐蚀、剥落腐蚀、疲劳性能、电导率、超声波探伤。其结果如表3、表4、表5所示。
表3室温下该合金性能检测
表4该合金腐蚀性能
表5该合金的疲劳性能
Claims (1)
1.一种耐损伤容限高强铝合金板材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)熔炼及铸造：按铝合金板材的化学成分及质量百分比准备原材料，其中，固体料占60～70％，一、二级废料不超过30％，其余为电解液；在720～750℃的条件下熔炼铝合金原材料，铝合金原材料50％～60％熔化为铝液时，开启电磁搅拌，当720℃铝合金原材料全部熔化后，加入成分添加剂，并进行扒渣、调整成分、转移熔体到保温炉，进行炉侧Ar+Cl2混合气精炼，成分合格及铸造准备充分后，熔体静置适当时间，在熔体温度700～710℃条件下经SNIF双级联动除气、30PPI+50PPI的CCF过滤、Al5Ti1B晶粒细化的在线处理，浇注成铝合金铸锭；铸锭冶金质量满足：晶粒度1级；[H]＝0.07ml/100gAl；Na＝1ppm；Ca＝1PPm；渣N20＝13K/kg；
(2)将步骤(1)铝合金铸锭以40℃/h速度升温至490℃，保温24h；再以5℃/h升温至495℃，保温24h，再出炉空冷的双级均匀化；
(3)铣面：将步骤(2)铝合金铸锭切头切尾，铣面；
(4)热扎：将步骤(3)处理后的铝合金铸锭在台车炉中加热到410～430℃，保温3～4h，然后在4100mm热粗轧机组上轧至27～27.3mm的中间板材，终轧温度为350～380℃；
(5)双级固溶处理：将步骤(4)得到的铝合金中间板材定尺后在辊底炉上进行493℃/1h+498℃/1h的固溶保温，随后室温水淬，转移时间＜10s，3min冷却到60℃；
(6)淬火后8小时内在80MN拉伸机上进行2％的永久变形，自然时效96小时后对板材进行性能检测；
所述铝合金板材的化学成分及质量百分比为：Si 0.07％，Fe0.12％，Cu 4.4％，Mn0.52％，Mg 1.4％，Cr 0-0.1％，Zn 0.10％，Ti 0.03％,余量为Al。
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Denomination of invention: The invention relates to a damage tolerant high-strength aluminum alloy plate and a preparation method thereof Effective date of registration: 20211117 Granted publication date: 20180720 Pledgee: Yantai Donghai aluminum foil Co.,Ltd. Pledgor: Shandong Nanshan Aluminium Co.,Ltd. Registration number: Y2021980012518 |
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