CN105821354A - 一种提高航空航天用铝合金尺寸稳定性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种提高航空航天用铝合金尺寸稳定性的方法，属于有色金属加工技术领域。本发明方法是将经过双级均匀化处理的LY12铝合金，依次进行多道次热轧、多道次换向冷轧、双级固溶水淬处理、双级时效处理，得到晶粒尺寸均匀、组织稳定和残余应力较小的铝合金。应用本发明得到的LY12铝合金与常规处理方法相比，可有效降低铝合金表面残余应力10‑50MPa，提高铝合金的微屈服强度30‑60MPa，室温放置半年以上尺寸变化小于0.01％。本发明操作过程简便，成本较低，工艺流程也得到极大简化，处理后的铝合金晶粒尺寸均匀、组织稳定和残余应力细小。对提高我国航空航天惯性器件的使用精度和寿命，具有十分积极的作用。适于工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高航空航天用铝合金尺寸稳定性的方法，属于有色金属加工技术领域。
背景技术
LY12铝合金材料具有质轻、比强度和比模量高、力学性能和加工性能优良等优点，可广泛应用于航空航天、电子、船舶和建筑业等领域。尤其是应用在航空航天惯性器件领域，铝合金可有效降低飞行器的自重，降低能耗，延长产品使用寿命。
LY12材料是航空航天惯性器件等领域的常用材料，由于航空航天惯性器件等领域的应用环境的特殊性，长期工作在剧烈变化的交变温度场中，因此，要求材料的组织均匀性好、残余应力低，否则，将导致器件在使用过程中的尺寸的不稳定。
现有技术中，LY12材料常规的热处理工艺是对熔炼后的铝合金进行480℃均匀化处理，之后进行单向热轧和冷轧，接下来进行500℃固溶1h和180℃单级人工时效处理。经过这种处理，得到的材料组织、晶粒大小、第二相分布都不太均匀，并且第二相存在析出不完全的缺陷，造成材料组织的均匀性不足，降低材料组织的稳定性，由于材料组织变化的过程也就是材料应力的释放过程，因此，现有技术处理后的铝合金，残余应力较大，材料尺寸的稳定性不高。
刘海峰等(专利号201210056797.8):在铝合金热处理过程中同时应用了175-185℃时效和245-255℃过时效两种时效处理工艺，在完成温度为490-500℃时间为0.5-6小时的固溶处理后,进行时效处理。应用该方法处理最佳的尺寸变化率在0.03％左右。
现有技术处理的LY12材料应用在航空航天惯性器件等领域时，因交变温度、热应力、加工应力等作用下，材料会发生组织结构、应力状态的明显变化，特别是交变温度场的变化范围较大是，材料甚至会发生相转变，进一步加剧材料内部应力的变化；上述种种，导致现有LY12材料的组织稳定性变差，甚至产生形变，这种微小的形变导致的误差，将显著降低飞行器的精度和使用寿命。对于航空航天惯性器件的长期使用造成极为不利的影响。
因此，研究一种有效提升航空航天用铝合金尺寸稳定性的方法，成为本领域的亟需。
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提高航空航天用铝合金尺寸稳定性的方法；本发明处理后的铝合金晶粒尺寸均匀、组织稳定、残余应力。
本发明一种提高航空航天用铝合金尺寸稳定性的方法，是将经过双级均匀化处理的LY12铝合金，依次进行多道次热轧、多道次换向冷轧、双级固溶水淬处理、双级时效处理。
本发明一种提高航空航天用铝合金尺寸稳定性的方法，双级均匀化处理是将铝合金铸锭加热至420-460℃保温12-36h后继续升温至460-490℃保温0.5-3h；空冷。
本发明一种提高航空航天用铝合金尺寸稳定性的方法，所述多道次热轧，热轧温度为380-440℃，每道次变形量为8-13％；轧制道次为4-8次。
本发明一种提高航空航天用铝合金尺寸稳定性的方法，所述多道次换向冷轧，每道次变形量为8-13％；轧制道次为4-8次，换向冷轧的换向角为90°，即轧完一道次后，下一道次采取换向90°进行轧制；相邻道次间进行退火，退火工艺参数为：退火温度280-370℃，保温0.5-2.5h。
本发明一种提高航空航天用铝合金尺寸稳定性的方法，多道次换向冷轧工序中，道次间进行表面清洗；表面清洗工艺为：碱洗、水洗、酸中和、清水冲洗后烘干；碱洗是将工件置于pH值为11～14氢氧化钠溶液中，浸泡1～4min；酸中和是将碱洗后的工件用清水冲洗表面后，置于pH值为0～3的硝酸溶液中，浸泡1～4min。
本发明一种提高航空航天用铝合金尺寸稳定性的方法，所述双级固溶水淬处理是将铝合金工件加热至500-520℃保温0.5-2.5h后继续升温至525-545℃保温0.5-2.5h；水淬。
本发明一种提高航空航天用铝合金尺寸稳定性的方法，所述双级时效处理在100-120℃保温10-40min后继续升温至160-200℃保温2-48h；空冷。
本发明一种提高航空航天用铝合金尺寸稳定性的方法，采用本发明方法得到的LY12铝合金与常规处理方法相比，可有效降低铝合金表面残余应力10-50MPa，提高铝合金的微屈服强度30-60MPa，室温放置半年以上尺寸变化小于等于0.01％。
原理和优势
本发明通过轧制工艺、双极固溶与双极时效的协同作用，轧制时产生等轴晶组织，晶粒大小均匀；双极固溶温度适宜，既可完全将第二相溶入基体，又不会造成过烧的现象降低材料性能；最后，双极时效时析出的第二相得以主要在晶界附近析出，使得第二相析出分布均匀，钉扎晶界和位错，极大促进材料的尺寸稳定性。
本发明采用多道次热轧加多道次换向冷轧的工艺，得到等轴晶组织，在多道次热轧过程中，晶粒沿轧向被拉长，逐渐形成纤维组织，随着变形量的增加，纤维组织内部会产生晶界，变成多个细晶组织，随后，通过多道次换向冷轧，抑制细晶组织往一个方向拉长生长，使细晶组织向四周均匀生长，获得均匀细小的等轴晶粒；如图1所示，该组织晶粒细小均匀，各向同性良好，能极大促进材料的尺寸稳定性。在轧制之后的双级固溶处理，可以将热轧冷轧后的析出相(Al2CuMg和AlCuFeMn)完全固溶于基体中，形成SSS过饱和固溶体，消除固溶不充分的影响，为后续第二相的均匀弥散析出奠定基础。之后采用的低高温双级时效处理，在低温阶段产生大量的GP区(Cu，Mg原子偏聚区)；随着时效温度的升高以及时效时间的延长，细小弥散的GP区向S’相转变成为第二相析出，这些充分析出的S’相使材料的组织变化趋于稳定，这是由于低高温双级时效处理，一方面，低温阶段使之前的过饱和固溶体中溶解的相完全析出，材料的状态已经趋于稳定，另一方面，高温阶段，细小弥散分布的第二相均匀分布于材料内部，使材料的组织更加均匀，同时钉扎位错，使材料的尺寸稳定性进一步得到提高，如图2所示。本发明的各个步骤环环相扣，通过多道次热轧、多道次换向冷轧、双级固溶水淬处理、双级时效处理的协同作用，综合提高材料尺寸稳定性，同时操作过程简便，成本较低，效果良好。克服了现有工艺中采用单级固溶，温度较低时无法完全将第二相溶于基体，造成之后的析出不均匀，温度过高时虽然可以完全将第二相溶解，但易造成过烧，降低材料性能的缺陷。
采用本发明得到的LY12铝合金与常规处理方法相比，可有效降低铝合金表面残余应力10-50MPa，提高铝合金的微屈服强度30-60MPa，室温放置半年以上尺寸变化小于等于0.01％，同时工艺流程也得到极大简化。
综上所述，本发明操作过程简便，成本较低，工艺流程也得到极大简化，处理后的铝合金晶粒尺寸均匀、组织稳定和残余应力细小。对提高我国航空航天惯性器件的使用精度和寿命，具有十分积极的作用。适于工业化生产。
附图说明
附图1为本发明实施例2轧制后的合金金相组织。
附图2为本发明实施例3时效后的合金TEM组织。
附图2中，1----S’相；2----位错。
从图1中可以看出：实施例2轧制后的合金组织晶粒细小均匀，各向同性良好，能极大促进材料的尺寸稳定性。
从图2中可以看出：实施例3时效后的合金，在Al基体中析出了均匀分布的S’相；这种析出的第二相消除了过饱和固溶体的不稳定性，使材料组织趋于稳定，且均匀弥散分布的第二相可以钉扎位错，增加材料变形的难度，提高材料尺寸稳定性。
具体实施方式
为了进一步加深对本发明的理解，下面结合实施例对本发明进行详细介绍，必须指出，本发明的权利保护范围不受下面实施例的限制。
对比例1
(1)将铝合金进行470℃均匀化处理16h，冷却方式；空冷。
(2)将均匀化处理后的铝合金进行4道次热轧处理，其热轧温度为380℃。将热轧后的LY12铝合金置于pH＝12的氢氧化钠溶液中侵蚀，侵蚀时间为2mim。之后采用清水清洗1min，置于pH＝2的硝酸溶液中中和处理2min。
(3)将清洗后的铝合金进行4道次冷轧处理。每轧完一道次均采用中间退火处理，中间退火的温度和时间分别为300℃、0.5h。
(4)将冷轧后的铝合金置于pH＝11的氢氧化钠溶液中侵蚀，侵蚀时间为2mim。之后采用清水清洗1min，置于pH＝1的硝酸溶液中中和处理2min。
(5)将清洗后的铝合金进行固溶水淬处理，采用的时间和温度分别为525℃、2.5h。
(6)将固溶处理后的铝合金进行时效处理，采用的时间和温度分别为180℃、12h，冷却方式：空冷。
本对比例处理得到的一种航空航天用铝合金表面残余应力75MPa压应力，微屈服强度120MPa，室温放置6个月，尺寸变化小于0.05％。
实施例1
(1)将LY12铝合金铸锭进行双级均匀化处理，其双级均匀化处理的温度和时间分别为420℃、12h和460℃、0.5h，冷却方式：空冷。
(2)将均匀化处理后的LY12铝合金进行4道次热轧处理，其热轧温度为380℃。将热轧后的LY12铝合金置于pH＝11的氢氧化钠溶液中侵蚀，侵蚀时间为1mim。之后采用清水清洗1min，置于pH＝2的硝酸溶液中中和处理1min。
(3)将清洗后的LY12铝合金进行4道次冷轧处理，轧完一道次后，下一道次采取换向90°进行轧制。每轧完一道次均采用中间退火处理，中间退火的温度和时间分别为280℃、0.5h。
(4)将冷轧后的LY12铝合金置于pH＝11的氢氧化钠溶液中侵蚀，侵蚀时间为1mim。之后采用清水清洗1min，置于pH＝0的硝酸溶液中中和处理1min。
(5)将清洗后的LY12铝合金进行双级固溶水淬处理，采用的时间和温度分别为500℃、0.5h和525℃、0.5h。
(6)将双级固溶处理后的LY12铝合金进行双级时效处理，采用的时间和温度分别为100℃、10min和160℃、2h，冷却方式：空冷。
本实施例处理得到的一种航空航天用铝合金与常规处理方法相比，可有效降低铝合金表面残余应力10MPa，提高铝合金的微屈服强度30MPa，室温放置6个月，尺寸变化小于0.009％。
实施例2
(1)将LY12铝合金铸锭进行双级均匀化处理，其双级均匀化处理的温度和时间分别为460℃、36h和490℃、3h，冷却方式：空冷。
(2)将均匀化处理后的LY12铝合金进行8道次热轧处理，其热轧温度为440℃。将热轧后的LY12铝合金置于pH＝14的氢氧化钠溶液中侵蚀，侵蚀时间为4mim。之后采用清水清洗4min，置于pH＝3的硝酸溶液中中和处理4min。
(3)将清洗后的LY12铝合金进行8道次冷轧处理，轧完一道次后，下一道次采取换向90°进行轧制。每轧完一道次均采用中间退火处理，中间退火的温度和时间分别为370℃、2.5h。
(4)将冷轧后的LY12铝合金置于pH＝14的氢氧化钠溶液中侵蚀，侵蚀时间为4mim。之后采用清水清洗4min，置于pH＝3的硝酸溶液中中和处理4min。
(5)将清洗后的LY12铝合金进行双级固溶水淬处理，采用的时间和温度分别为520℃、2.5h和545℃、2.5h。
(6)将双级固溶处理后的LY12铝合金进行双级时效处理，采用的时间和温度分别为120℃、40min和200℃、48h，冷却方式：空冷。
本实施例处理得到的一种航空航天用铝合金与常规处理方法相比，可有效降低铝合金表面残余应力50MPa，提高铝合金的微屈服强度60MPa，室温放置6个月，尺寸变化小于0.005％。
实施例3
(1)将LY12铝合金铸锭进行双级均匀化处理，其双级均匀化处理的温度和时间分别为430℃、18h和480℃、2h，冷却方式：空冷。
(2)将均匀化处理后的LY12铝合金进行6道次热轧处理，其热轧温度为400℃。将热轧后的LY12铝合金置于pH＝12的氢氧化钠溶液中侵蚀，侵蚀时间为2mim。之后采用清水清洗3min，置于pH＝2的硝酸溶液中中和处理2min。
(3)将清洗后的LY12铝合金进行5道次冷轧处理，轧完一道次后，下一道次采取换向90°进行轧制。每轧完一道次均采用中间退火处理，中间退火的温度和时间分别为320℃、1.5h。
(4)将冷轧后的LY12铝合金置于pH＝13的氢氧化钠溶液中侵蚀，侵蚀时间为3mim。之后采用清水清洗2min，置于pH＝1的硝酸溶液中中和处理3min。
(5)将清洗后的LY12铝合金进行双级固溶水淬处理，采用的时间和温度分别为510℃、1.5h和535℃、1.5h。
(6)将双级固溶处理后的LY12铝合金进行双级时效处理，采用的时间和温度分别为110℃、20min和180℃、20h，冷却方式：空冷。
本实施例处理得到的一种航空航天用铝合金与常规处理方法相比，可有效降低铝合金表面残余应力32MPa，提高铝合金的微屈服强度45MPa，室温放置6个月，尺寸变化小于0.008％。
从以上实施例与对比例得到的材料性能参数可知：采用本发明工艺方法可有效降低合金的表面残余应力，提高微屈服强度，提高材料尺寸稳定性。
Claims (10)
1.一种提高航空航天用铝合金尺寸稳定性的方法，是将经过双级均匀化处理的LY12铝合金，依次进行多道次热轧、多道次换向冷轧、双级固溶水淬处理、双级时效处理。
2.根据权利要求1所述的一种提高航空航天用铝合金尺寸稳定性的方法，其特征在于：双级均匀化处理是将铝合金铸锭加热至420-460℃保温12-36h后继续升温至460-490℃保温0.5-3h；空冷。
3.根据权利要求1所述的一种提高航空航天用铝合金尺寸稳定性的方法，其特征在于：所述多道次热轧，热轧温度为380-440℃，每道次变形量为8-13％；轧制道次为4-8次。
4.根据权利要求1所述的一种提高航空航天用铝合金尺寸稳定性的方法，其特征在于：所述多道次换向冷轧，每道次变形量为8-13％；轧制道次为4-8次，换向冷轧的换向角为90°。
5.根据权利要求4所述的一种提高航空航天用铝合金尺寸稳定性的方法，其特征在于：多道次换向冷轧过程，相邻道次间进行退火。
6.根据权利要求5所述的一种提高航空航天用铝合金尺寸稳定性的方法，其特征在于：退火工艺参数为：退火温度280-370℃，保温0.5-2.5h。
7.根据权利要求6所述的一种提高航空航天用铝合金尺寸稳定性的方法，其特征在于：多道次换向冷轧工序中，道次间进行表面清洗；表面清洗工艺为：碱洗、水洗、酸中和、清水冲洗后烘干。
8.根据权利要求1所述的一种提高航空航天用铝合金尺寸稳定性的方法，其特征在于：所述双级固溶水淬处理是将铝合金工件加热至500-520℃保温0.5-2.5h后继续升温至525-545℃保温0.5-2.5h；水淬。
9.根据权利要求1所述的一种提高航空航天用铝合金尺寸稳定性的方法，其特征在于：所述双级时效处理在100-120℃保温10-40min后继续升温至160-200℃保温2-48h；空冷。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的一种提高航空航天用铝合金尺寸稳定性的方法，其特征在于：处理后的铝合金，室温放置半年，尺寸变化小于等于0.01％。
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