CN105886975A - 用于制造无表面变色的阳极处理的铝合金部件的方法 - Google Patents

用于制造无表面变色的阳极处理的铝合金部件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于制造无表面变色的阳极处理的铝合金部件的方法。用于制造部件的方法包括以下步骤：提供铝原料，其中所述铝原料处于退火状态下；冷作加工所述铝原料，以获得冷作加工的铝材料；以及由所述冷作加工的铝材料形成所述部件。

Description

用于制造无表面变色的阳极处理的铝合金部件的方法
技术领域
本申请涉及铝合金，并且更特别地涉及由铝合金形成部件，甚至更特别地涉及用于降低(如果不消除)由铝合金片和铝合金板形成的部件的表面变色的工艺。
背景技术
飞行器发动机通常与机身隔开，因此被容纳在机舱中。典型的机舱被构造为具有通常被称为前整流罩的前部的空气动力学壳体，该前部限定了进入机舱的入口。通常被称为唇边蒙皮(lipskin)的环状结构通常连接到机舱的前整流罩。
飞行器唇边蒙皮通常由铝合金制造。铝合金原料通常从铝供应商以板的形式且处于退火后的状态中被接收。然后，铝合金板被切割成具有期望轮廓的坯料，进而诸如通过在挤压机中模具冲压(die-stamping)坯料或者通过旋转成形(spin-forming)坯料使坯料成形为期望的唇边蒙皮形状。在热处理、最终的尺寸加工(sizing)和时效处理之后，唇边蒙皮的表面通常被加工成期望的表面光洁度，并且唇边蒙皮进行化学处理和阳极处理以产生修整(finished)部件。
当诸如2219铝合金的某些铝合金用于形成唇边蒙皮时，在最终的阳极处理部件常常可见变色。例如，变色可以呈现为该部件的表面上可见的变色线。变色本身通常出现在成形(例如，旋转成形)步骤之后，但在阳极处理之后变得严重得多。
已试图在阳极处理之前诸如通过施加粗糙的非定向表面加工来掩盖这样的表面变色。例如，已经使用125微英寸的表面粗糙度(Ra)来掩盖这样的变色。然而，这样高的表面粗糙度一般不会满足旨在改进空气动力学性能的严格的表面质量要求。
因此，本领域技术人员在铝合金成形领域继续研究和研发工作。
发明内容
在一个实施方式中，用于制造部件的所公开的方法可包括以下步骤：(1)提供铝原料，其中所述铝原料处于退火状态下；(2)冷作加工所述铝原料，以获得冷作加工的铝材料；以及(3)由所述冷作加工的铝材料形成所述部件。
在另一实施方式中，用于制造部件的所公开的方法可包括以下步骤：(1)铸造铸锭；(2)给所述铸锭去皮(scalping)，以产生去皮后的铸锭；(3)使所述去皮后的铸锭均质化，以产生均质化的铸锭；(4)给所述均质化的铸锭开坯(breakdown)，以产生板坯；(5)轧制所述板坯，以产生轧制的铝材料；(6)使所述轧制的铝材料退火，以产生铝原料；(7)冷作加工所述铝原料，以获得冷作加工的铝材料；以及(8)由所述冷作加工的铝材料形成所述部件。
在又一实施方式中，用于制造部件的所公开的方法可包括以下步骤：(1)铸造铸锭；(2)给所述铸锭去皮，以产生去皮后的铸锭；(3)使所述去皮后的铸锭均质化，以产生均质化的铸锭；(4)给所述均质化的铸锭开坯，以产生板坯；(5)轧制所述板坯，以产生轧制的铝材料；(6)使所述轧制的铝材料退火，以产生铝原料；(7)冷作加工所述铝原料，以获得冷作加工的铝材料；(8)由所述冷作加工的铝材料形成所述部件；(9)对所述部件固溶处理，以获得热处理的部件；(10)对所述热处理的部件最终尺寸加工，以获得尺寸加工部件；(11)检查所述尺寸加工部件；(12)对所述尺寸加工部件进行时效处理，以获得时效处理部件；以及(13)使所述时效处理部件阳极处理。
根据以下详细描述、附图及所附权利要求书，在用于制造阳极处理的无表面变色铝合金部件的所公开的方法的其它实施方式将变得明显。
附图说明
图1是描绘用于制造铝合金部件的公开方法的一个实施方式的流程图；
图2是用于图1所示的方法的冷作加工步骤的一个示例的示意图；
图3是用于图1所示的方法的冷作加工步骤的另一示例的示意图；
图4是飞行器制造和保养方法的流程图；以及
图5是飞行器的框图。
具体实施方式
现已发现，在成形之前通过向铝合金均匀地施加至少最小的冷作加工量，而非在铝合金处于退火(O)状态下的同时使该部件成形，可降低或消除在使由铝合金(诸如2219铝合金)形成部件时发生的变色。在不限于任何特定的理论的情况下，据信，因由于在退火(O)状态成形期间施加的非均匀加工/能量而形成的局部再结晶，得以发生变色。在成形之前通过向铝合金均匀地施加冷作加工，可能发生晶粒的均匀再结晶。因此，当铝合金稍后经受成形步骤时，整个部件都呈现与再结晶关联的均匀颜色。
参照图1，公开的是用于制造铝合金部件的一般标有100的方法的一个实施方式。一般来说，方法100可包括原料制备阶段102、冷作加工阶段104和成形/修整阶段106。如上面指出的，并且在不限于任何特定理论的情况下，在常规的原料制备阶段102和常规的成形/修整阶段106之间引入冷作加工阶段104可大大降低(如果没有完全消除)修整部件的变色。
可使用所公开的方法100来制造各个部件。作为一个总体非限制性示例，可使用所公开的方法100来制造航空航天部件。作为一个具体非限制性示例，可使用所公开的方法100来制造飞行器唇边蒙皮。所得到的唇边蒙皮可基本上没有可见的表面变色，而仍可被修整而呈现出基本光滑的表面(例如，40微英寸的表面粗糙度(Ra))，从而满足自然层流(NLF)要求。作为另一总体非限制性示例，可使用所公开的方法100来制造汽车部件。
原料制备阶段102可提供可能处于退火(O)状态下的铝原料。例如，铝原料可采取板的形式。铝原料板可被轧制成期望的尺寸，该尺寸可能略厚于成形/修整阶段106期望的尺寸。
铝原料可以是铝或铝合金。作为一个总体非限制性示例，铝原料可以是2xxx系列铝合金。作为一个具体非限制性示例，铝原料可以是2219铝合金，其主要由铝和铜构成，但还可包括铁、镁、锰、硅、钛、钒、锌和锆。
如图1所示，原料制备阶段102可开始于框110，框110为铸造铸锭的步骤。为了产生具有期望成分的铸锭，可通过组合并加热适量的原铝、废料和中间合金来制备熔融体。作为示例，铸锭可使用直接激冷铸造工艺而形成，其中熔融体被倒入模具中，然后模具在水浴中淬火。还可使用其它铸造技术而不会导致偏离本公开的范围。
在凝固之后，铸锭可经历应力消除，如框112所示。应力消除步骤(框112)可包括将铸锭保持在中等温度下以消除铸锭内的内部应力。例如，当铸锭由2219铝合金形成时，应力消除步骤(框112)可包括将铸锭保持在中等温度(诸如约600°F到约1000°F)下至少6小时。
在框114，铸锭可经历去皮步骤。去皮步骤可去除铸锭的外表面。
在框116，去皮后的铸锭可经历均质化。均质化步骤(框116)可使凝固引起的化学微偏析均质化。例如，当铸锭由2219铝合金形成时，均质化步骤(框116)可包括将铸锭保持在中等温度(诸如约700°F到约1100°F)下约8小时到约24小时。
在框118，均质化的铸锭可经历开坯，以提供厚度减小的板坯。例如，均质化的铸锭可在升高的温度下借助粗轧减薄(rough roll reducing)的方式经历开坯。例如，当铸锭由2219铝合金形成时，开坯步骤(框118)可在升高的温度(诸如约600°F到约1000°F)下执行。
如框120所示，可通过轧至标准而实现进一步厚度减少。轧制步骤(框120)可在升高的温度下执行，并且可将铸铝材料的厚度减少至期望尺寸。例如，当铸锭由2219铝合金形成时，可在从约500°F到约1000°F范围内的温度下执行轧制步骤(框120)。轧制步骤(框120)可提供处于“自由加工”(F)状态下的轧制的铝材料。
在框122，轧制的铝材料可退火，以提供退火(O)状态下的铝原料。退火步骤(框122)可包括长期保持在升高的温度下，以消除内部应力和粗化的可溶性第二相颗粒。例如，当铸锭由2219铝合金形成时，退火步骤(框122)可包括将轧制的铝材料保持在升高的温度(诸如约400°F到约700°F)下约8小时到约24小时。
虽然原料制备阶段102被呈现为一系列步骤110、112、114、116、118、120、122，但是额外(或更少的)步骤还可被包括在原料制备阶段102中而不偏离本公开的范围。此外，虽然原料制备阶段102的步骤110、112、114、116、118、120、122被呈现为特定的接替顺序，但是一些步骤可与其它步骤同时执行和/或以不同的顺序执行，而不偏离本公开的范围。
由此，原料制备阶段102可提供可处于退火(O)状态下的铝原料。如本文指出的，由这样的铝原料形成的部件可导致变色。因此，所公开的方法100在成形/修整阶段106之前并入所公开的冷作加工阶段104。
所公开的方法100的冷作加工阶段104可为铝原料引入基本均匀的应变，从而提供冷作加工的铝材料。应变的大小可高到足以实现横跨铝原料的基本均匀的再结晶。
仍参照图1，冷作加工阶段104可包括冷作加工铝原料的步骤(如框124所示)，以提供冷作加工的铝材料。如本文使用的，铝原料的“冷作加工”指的是在相对于铝原料熔点的低温下(即，处于“冷作加工温度”)执行的塑性变形。冷作加工可导致各个晶粒中的应变能的积累，这可促进晶粒的生长和再结晶。
除其它事项外，冷作加工温度范围的上限可以是铝原料成分、变形率和变形量的函数。在一个表现形式中，冷作加工温度可以是铝原料熔点(绝对温标(例如，开尔文))的至多50％。在另一表现形式中，冷作加工温度可以是至多约300°F。在另一表现形式中，冷作加工温度可以是至多约200°F。在另一表现形式中，冷作加工温度可以是至多约100°F。在又一表现形式中，冷作加工温度可以是环境温度。
在一个实施途径中，如图2所示，为了提供冷作加工的铝材料151，可通过拉伸铝原料150而执行冷作加工步骤(图1中的框124)。例如，铝原料150可由夹具156、158夹紧在对置的两端152、154处。夹具156、158可向铝原料150施加拉力(箭头P)，从而致使尺寸减少(从初始厚度T0减少至最终厚度T1)。
在另一实施途径中，如图3所示，可通过轧制铝原料150执行冷作加工步骤(图1中的框124)，以提供冷作加工的铝材料151。例如，铝原料150可在由箭头R示出的方向上移动，并且可穿过由两个辊164、166限定的辊隙162。辊164、166可致使尺寸减少(从初始厚度T0减少至最终厚度T1)。
返回参照图1，还可在所公开的方法100的冷作加工步骤(框124)中使用各种其它冷作加工工艺或工艺组合。可能使用的其它冷作加工工艺的非限制性示例包括拉拔、冲压、旋压、挤压和镦粗(heading)。
如上面指出的，可执行冷作加工步骤(框124)，以实现铝原料的再结晶。因此，冷作加工步骤需要某一最小量的塑性变形。在一种表述中，冷作加工步骤可实现至少约2％的冷作加工的塑性变形，其中冷作加工百分比(PCW)计算如下：
P C W = ( A 0 - A D A 0 ) × 100
其中A0为原始横截面积(铝原料的横截面积)，而AD为变形之后的横截面积(冷作加工的铝材料的横截面积)。在另一种表述中，冷作加工步骤可实现约3％到约20％的冷作加工的塑性变形。在又一表述中，冷作加工步骤可实现约5％到约15％的冷作加工的塑性变形。
由此，冷作加工阶段104可提供具有期望尺寸的冷作加工的铝材料。在随后的成形/修整阶段106中使用冷作加工的铝材料可导致基本无变色(或者至少减少变色)的部件的成形。
所公开的方法100的成形/修整阶段106可将冷作加工的铝材料转变为具有期望尺寸和形状的部件。在成形/修整阶段106期间，该部件还可经历各种表面处理、以及化学和/或电化学处理，从而提供最终的修整产品。
参照图1，所公开的方法100的成形/修整阶段106可开始于框126，框126为使冷作加工的铝材料成形为期望的部件构造步骤。成形步骤(框126)可为冷作加工的铝材料引入非均匀应力，以实现将可采取板的形式的冷作加工的铝材料转换为具有期望尺寸和形状的部件的塑性变形。
在成形步骤(框126)期间可采用各种成形工艺(或成形工艺的组合)。作为一个示例，成形步骤(框126)可包括旋转成形。作为另一示例，成形步骤(框126)可包括模具冲压。
在成形步骤(框126)之前，或者与成形步骤同时，冷作加工的铝材料可选地被切割成具有期望轮廓的坯料。例如，当形成飞行器唇边蒙皮时，冷作加工的铝材料可首先被切割成具有平坦的环形圈(例如，甜甜圈)形状的坯料。然后，甜甜圈形的坯料可形成(例如，旋转成形)为期望的唇边蒙皮构造。
在框128，该成形部件可经历热处理(例如，固溶处理)。热处理步骤(框128)可在相对高的温度下执行相对短的时间周期，以使得任何可溶性第二相粒子置于溶剂中，从而产生具有期望的(再结晶的)晶粒结构的热处理的部件。例如，当成形部件为2219铝合金时，热处理步骤(框128)可包括将成形部件加热至从约975°F到约1015°F的范围内的温度约10分钟到约240分钟。热处理步骤(框128)可提供“固溶处理”(W)状态下的热处理的部件。
热处理步骤(框128)可致使成形部件出现一些扭曲(即，热处理的部件可被构造成略不同于成形部件)。因此，如框130所示，在热处理步骤(框128)之后可执行最终的尺寸加工步骤，从而提供具有期望的最终部件构造的尺寸加工部件。最终的尺寸加工步骤(框130)可包括额外的成形工艺，诸如旋转成形和/或模具冲压。
在框132，尺寸加工部件可经历检查。检查步骤(框132)可以是非破坏性的，并且可寻找表面瑕疵、裂纹、内部缺陷等。例如，检查步骤(框132)可视觉地执行和/或用诸如超声装置的设备执行。
在框134，检查且尺寸加工的部件可经历时效处理。时效处理步骤(框134)可在相对低的温度下执行相对长的时间量，以引起第二相析出并改进合金机械性能。例如，当检查且尺寸加工的部件由2219铝合金形成时，时效处理步骤(框134)可包括将检查且尺寸加工的部件保持在从约300°F到约400°F的范围内的温度下约16小时到约32小时。取决于变形程度，时效处理步骤(框134)可提供T6或T8状态下的时效处理部件。
在框136，时效处理部件可选地经历一个或多个表面处理。作为一个示例，表面处理步骤(框136)可包括加工时效处理部件的表面。作为另一示例，表面处理步骤(框136)可包括给时效处理部件的表面磨砂。例如，表面处理步骤(框136)可提供具有至多约40微英寸的表面粗糙度(Ra)的表面处理的部件。
在框138，表面处理的部件可经历阳极处理。例如，阳极处理步骤(框138)可包括清洁表面处理的部件、使清洁部件阳极处理、以及密封阳极处理的部件。替代阳极处理或在阳极处理之外，可在表面处理的部件上执行其它化学和/或电化学处理。
虽然成形/修整阶段106被呈现为一系列步骤126、128、130、132、134、136，但是额外(或更少的)步骤还也可被包括在成形/修整阶段106中而不偏离本公开的范围。此外，虽然成形/修整阶段106的步骤126、128、130、132、134、136被呈现为特定的接替顺序，但是一些步骤可与其它步骤同时执行和/或以不同的顺序执行，而不偏离本公开的范围。
因此，所公开的方法100在原料制备阶段102和成形/修整阶段106之间并入冷作加工阶段104，从而确保在整体上具有基本均匀的期望(再结晶的)晶粒结构的材料上执行成形/修整阶段106。如此，大大降低(如果不是完全消除)修整部件的变色。
可在如图4所示的飞行器制造和保养方法400和如图5所示的飞行器500的背景下描述本公开的示例。在预生产过程中，示例性方法400可包括飞行器500的规格和设计(如框402所示)及材料采购(如框404所示)。在生产过程中，可进行飞行器500的部件和子组件制造(如框406所示)以及系统集成(如框408所示)。此后，飞行器500可经过认证和交付(如框410所示)，以便投入服役(如框412所示)。在保养期间，飞行器500可被安排进行例行维护检修(如框414所示)。例行维护检修可包括飞行器500的一个或多个系统的改造、重构、翻新等。
可由系统集成商、第三方及/或经营商(例如客户)执行或进行示例性方法400的各个过程。为了本描述之目的，系统集成商可包括但不限于任何数量的飞行器制造商与主系统分包商；第三方可包括但不限于任何数量的供货商、转包商以及供应商；并且经营商可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务组织等。
如图5所示，由示例性方法400(图4)生产的飞行器500可包括具有多个高级系统504与内饰506的机体502。高级系统504的示例可包括推进系统508、电气系统510、液压系统512以及环境系统514中的一个或多个。可包括任何数量的其它系统。尽管示出了航空航天的示例，但是本文公开的原理可应用于诸如汽车工业及造船工业的其它工业。因此，除了飞行器500以外，本文公开的原理可应用于其它运输工具(例如，陆地车辆、海上运输工具、空间飞行器等)。
用于制造铝合金部件的所公开的方法100可在制造和保养方法400的任一个或多个阶段中采用。例如，能使用用于制造铝合金部件的所公开的方法100装配或制造对应于部件和子组件制造(框406)的部件或子组件。而且，可在生产阶段(框406和408)期间利用用于制造铝合金部件的所公开的方法100，例如大幅地加快飞行器500的装配或减少飞行器500的成本。类似地，可在例如但不限于飞行器500在投入服役时(框412)和/或维护检修(框414)阶段期间利用用于制造铝合金部件的所公开的方法100。
根据以下条款描述其它方面：
条款1、一种用于制造部件的方法，所述方法包括：
提供铝原料(102)，其中所述铝原料处于退火状态下；
冷作加工(104)所述铝原料，以获得冷作加工的铝材料；以及
由所述冷作加工的铝材料形成所述部件(104)。
条款2、根据条款1所述的方法，其中，所述部件是飞行器唇边蒙皮。
条款3、根据条款1或2所述的方法，其中，所述铝原料包括2xxx系列铝合金。
条款4、根据条款1–3所述的方法，其中，所述铝原料包括2219铝合金。
条款5、根据条款1所述的方法，其中，所述铝原料为板形。
条款6、根据条款1或5所述的方法，其中，所述冷作加工包括拉伸所述铝原料。
条款7、根据条款1、5或6中的任一项所述的方法，其中，所述冷作加工(104)包括轧制所述铝原料。
条款8、根据条款1或5–7所述的方法，其中，在冷作加工温度下执行所述冷作加工(104)，并且其中，所述冷作加工温度为所述铝原料的以开尔文度为单位的熔点的至多约50％。
条款9、根据条款1或5–8所述的方法，其中，在冷作加工温度下执行所述冷作加工(104)，并且其中，所述冷作加工温度为至多约300°F。
条款10、根据条款1或5–9所述的方法，其中，在冷作加工温度下执行所述冷作加工(104)，并且其中，所述冷作加工温度为至多约200°F。
条款11、根据条款1或5–10所述的方法，其中，在冷作加工温度下执行所述冷作加工(104)，并且其中，所述冷作加工温度为至多约100°F。
条款12、根据条款1或5–11所述的方法，其中，执行所述冷作加工(104)，以实现至少约2％的冷作加工。
条款13、根据条款1或5–12所述的方法，其中，执行所述冷作加工(104)，以实现约3％到约20％的冷作加工。
条款14、根据条款1或5–13所述的方法，其中，执行所述冷作加工(104)，以实现约5％到约15％的冷作加工。
条款15、根据条款1或5–14所述的方法，其中，所述提供铝原料的步骤包括：
铸造(110)铸锭；
给所述铸锭去皮(114)，以产生去皮后的铸锭；
使所述去皮后的铸锭均质化(116)，以产生均质化的铸锭；
给所述均质化的铸锭开坯(118)，以产生板坯；
轧制(120)所述板坯，以产生轧制的铝材料；以及
使所述轧制的铝材料退火(122)，以产生所述铝原料。
条款16、根据条款1或5-15所述的方法，所述方法进一步包括：对所述部件固溶处理(128)。
条款17、根据条款16所述的方法，所述方法进一步包括：在所述对所述部件固溶处理(128)的步骤之后，对所述部件最终尺寸加工(130)。
条款18、根据条款1或5–16所述的方法，所述方法进一步包括：对所述部件进行时效处理(134)。
条款19、根据条款1或5–17所述的方法，所述方法进一步包括：对所述部件进行阳极处理(138)。
条款20、一种用于制造部件的方法，所述方法包括：
铸造(110)铸锭；
给所述铸锭去皮(114)，以产生去皮后的铸锭；
使所述去皮后的铸锭均质化(116)，以产生均质化的铸锭；
给所述均质化的铸锭开坯(118)，以产生板坯；
轧制(120)所述板坯，以产生轧制的铝材料；
使所述轧制的铝材料退火(122)，以产生铝原料；
冷作加工(104)所述铝原料，以获得冷作加工的铝材料；以及
由所述冷作加工的铝材料形成所述部件(106)。
虽然已经示出并描述了在无表面变色的情况下用于制造阳极处理的铝合金部件的所公开的方法的各种实施方式，但是本领域技术人员在阅读本说明书后可能想到修改。本申请包括这样的修改并且仅由权利要求书的范围限制。

Claims (10)

1.一种用于制造部件的方法，所述方法包括：
提供铝原料(102)，其中所述铝原料处于退火状态下；
冷作加工(104)所述铝原料，以获得冷作加工的铝材料；以及
由所述冷作加工的铝材料形成(106)所述部件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述冷作加工包括拉伸所述铝原料。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述冷作加工(104)包括轧制所述铝原料。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在冷作加工温度下执行所述冷作加工(104)，并且其中，所述冷作加工温度为所述铝原料的开氏度熔点的至多约50％。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在冷作加工温度下执行所述冷作加工(104)，并且其中，所述冷作加工温度为至多约300°F。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在冷作加工温度下执行所述冷作加工(104)，并且其中，所述冷作加工温度为至多约200°F。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在冷作加工温度下执行所述冷作加工(104)，并且其中，所述冷作加工温度为至多约100°F。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，执行所述冷作加工(104)，以实现至少约2％的冷作加工。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其中，执行所述冷作加工(104)，以实现约3％到约20％的冷作加工。
10.一种用于制造部件的方法，所述方法包括：
铸造(110)铸锭；
给所述铸锭去皮(114)，以产生去皮后的铸锭；
使所述去皮后的铸锭均质化(116)，以产生均质化的铸锭；
给所述均质化的铸锭开坯(118)，以产生板坯；
轧制(120)所述板坯，以产生轧制的铝材料；
使所述轧制的铝材料退火(122)，以产生铝原料；
冷作加工(104)所述铝原料，以获得冷作加工的铝材料；以及
由所述冷作加工的铝材料形成(106)所述部件。
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