CN107881444B

CN107881444B - 一种超大规格铝合金板材的制造方法

Info

Publication number: CN107881444B
Application number: CN201610865263.8A
Authority: CN
Inventors: 李志辉; 熊柏青; 张永安; 李锡武; 刘红伟; 黄树晖; 闫宏伟; 闫丽珍
Original assignee: Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Current assignee: GRIMN Engineering Technology Research Institute Co Ltd
Priority date: 2016-09-29
Filing date: 2016-09-29
Publication date: 2019-04-23
Anticipated expiration: 2036-09-29
Also published as: CN107881444A

Abstract

本发明公开了一种超大规格铝合金板材的制造方法。该制造方法的主要步骤包括：铝合金熔铸，制成铝合金锭坯；将制成的铝合金锭坯进行均匀化热处理；对铝合金锭坯热轧，制成铝合金板材；对铝合金板材进行单级或分级固溶保温处理，随即以平均冷却速度V₁将铝合金板材由T₀温度点缓冷至临界转变温度T₁，随后以平均冷却速率V₂将铝合金板材从T₁温度点快速冷却至临界转变温度T₂，最后以平均冷却速率V₃将铝合金板材从T₂温度点快速冷却至50℃或更低的温度，得到超大规格铝合金板材，其中，470℃≤T₀≤500℃，420℃≤T₁≤450℃，100℃≤T₂≤150℃；5℃/s≤V₁≤10℃/s，25℃/s≤V₂≤60℃/s，1℃/s≤V₃≤3℃/s。对合金板材进行预拉伸处理；对铝合金板材进行时效热处理；得到最终铝合金板材产品。

Description

一种超大规格铝合金板材的制造方法

技术领域

本发明涉及一种超大规格铝合金板材的制造方法，尤其涉及一种协调匹配超大规格可热处理强化型铝合金板材淬火效果与板型质量(残余应力)的制造方法，其中所述铝合金为由国际铝业协会和中国有色金属标准化技术委员会所注册的7000系(Al-Zn-Mg)、2000系(Al-Cu-Mg)、铝锂合金(Al-Cu-Li或Al-Mg-Li)，属于铝合金材料制备加工技术领域。

背景技术

高强度7000系(Al-Zn-Mg)、2000系(Al-Cu-Mg)、铝锂合金(Al-Cu-Li或Al-Mg-Li)铝合金板材是以航空航天用材为背景研制并发展起来的高性能铝合金材料，长期以来被广泛用于各种飞机机身、机翼梁、机翼壁板、机窗壁板和航天飞行器中高强度结构件的制造，是世界航空航天工业中不可缺少的关键材料。当前随着以新一代军民用飞机为代表的重大装备总体性能的不断攀升，可靠性和结构重量控制要求不断提高，结构用材呈现出了大型化、整体化的发展趋势，相应地对制品的重量和规格也提出了更高的要求。航空领域整体式结构件的出现，使得以往多种不同合金相互铆接组装而成的飞机大型部件，可以采用一块厚板通过切削加工制造，不但大为降低了生产成本，缩短了制造周期，而且提高了部件的整体性能，增强了飞机的安全性。

结构件大型化、整体化的发展，使得生产具有超厚(厚度大于80mm，最大厚度达到250mm甚至更高)、超宽(宽度大于1600mm，最大宽度达到4000mm甚至更高)特征的超大规格铝合金板材成为一种必然趋势，这就对铝合金板材的生产工艺技术提出了诸多全新挑战。以淬火环节为例，业界周知，淬火的目的是将铝合金板材快速冷却到某个温度以下，通常为室温，以将高温下形成的过饱和固溶体保留到室温，为随后的时效强化处理奠定基础。淬火冷却速度是主要的淬火参数之一，对于淬火敏感性很高的合金或者是厚度规格较大的板材制品，采用尽可能快的冷却速度，有利于获得较高的强度，但同时由于急剧冷却带来板材内、外的温度梯度加大，导致其内部应力过大，即残留了大量的淬火应力；此外，相对于尺寸规格较窄的铝板，超大宽度板材由于沿宽度方向的内在组织结构和外在冷却条件的差异性，不可避免地因残余应力的不均匀分布引起板材变形，导致在后续预拉伸工艺环节中难以有效消减而残留在最终产品中，引起用户结构件机加工变形超差甚至开裂等突出问题。可见，如何在确保形成理想过饱和固溶体同时，获得理想的淬火应力分布，是超宽、超厚的大规格铝合金板材淬火工艺开发所需解决的核心技术难题。

发明内容

针对采用传统淬火方式生产超大规格铝合金板材所存在的缺陷和不足，本发明提供一种超大规格铝合金板材的制造方法，其采用新型的“缓-快-缓”三段式淬火冷却工艺，可以实现有利于改善合金综合性能平衡的晶内与晶界析出相协同调控，获得相对理想的综合性能匹配。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种超大规格铝合金板材的制造方法，主要包括以下步骤：

(1)铝合金熔铸，制成铝合金锭坯；

(2)将制成的铝合金锭坯进行均匀化热处理；

(3)对铝合金锭坯热轧，制成铝合金板材；

(4)对铝合金板材进行固溶、淬火；

(5)对铝合金板材依次进行预拉伸处理和时效热处理；

其中，在步骤(4)中，铝合金板材进行单级或分级固溶保温处理后，随即以平均冷却速度V₁将铝合金板材由T₀温度点缓冷至临界转变温度T₁，随后以平均冷却速率V₂将铝合金板材从T₁温度点快速冷却至临界转变温度T₂，最后以平均冷却速率V₃将铝合金板材从T₂温度点快速冷却至50℃以下的温度，得到超大规格铝合金板材，其中，470℃≤T₀≤500℃，420℃≤T₁≤450℃，100℃≤T₂≤150℃；5℃/s≤V₁≤10℃/s，25℃/s≤V₂≤60℃/s，1℃/s≤V₃≤3℃/s。

优选地，在步骤(4)中，6℃/s≤V₁≤8℃/s，30℃/s≤V₂≤50℃/s，1℃/s≤V₃≤2℃/s。

优选地，在步骤(4)中，采用空冷、汽冷、炉冷、水淬、油淬中的一种或几种进行淬火；优选地，淬火过程在辊底式喷淋淬火炉中实现。

在本发明中，所述的铝合金为可热处理强化型2000系、7000系和Al-Li合金，所制成的铝合金板材为厚度大于80mm或宽度大于1600mm的铝合金板材。其中，所述7000系铝合金含有Al、Zn、Mg、Cu元素以及Cr、Zr、Mn、Sc、Er、Co、Sr等微量元素中的至少一种元素。所述2000系铝合金含有Al、Cu、Mg元素以及Cr、Zr、Mn、Sc、Er、Co、Sr等微量元素中的至少一种元素。所述Al-Li合金含有Al、Cu、Li元素或Al、Mg、Li元素，以及Cr、Zr、Mn、Sc、Er、Co、Sr等微量元素中的至少一种元素。

更优选地，所述7000系铝合金为国际铝业协会(AA)注册的AA7075、AA7050、AA7150、AA7055、AA7449、AA7036、AA7136、AA7010、AA7140、AA7037、AA7042、AA7047、AA7065、AA7081、AA7181、AA7085、AA7185、AA7285、AA7155、AA7255、AA7056、AA7095、AA7093，或者为中国有色金属及合金牌号注册的7A04、7A09、7B04、7C04、7D04、7A60、7B09、7B50、7A55、7A85、7B85、7A56、7A36、7A93合金。

所述2000系铝合金为国际铝业协会(AA)注册的AA2024、AA2124、AA2224、AA2324、AA2424、AA2524、AA2624、AA2724、AA2026、AA2219、AA2519、AA2824、AA2139、AA2029、AA2618，或者为中国有色金属及合金牌号注册的2A12、2A14、2D12、2E12、2D70合金。

所述Al-Li合金为国际铝业协会(AA)注册的AA2090、AA2091、AA2094、AA2095、AA2195、AA2196、AA2097、AA2197、AA2297、AA2397、AA2295、AA2098、AA2198、AA2099、AA2199、AA2050、AA2055、AA2060、AA2065、AA2070、AA2076、AA2296，或者为中国有色金属及合金牌号注册的2A23、2A97合金。

采用本发明的方法制造的超大规格铝合金板材主要应用于航空航天、地面交通运输、机械装备等的制造，尤其适用于飞机机体结构件的制造。

本发明的有益效果是：

本发明可有效解决超大规格铝合金板材在传统淬火处理过程中淬火敏感性和应力控制无法平衡兼顾的技术缺陷，获得相对较好的综合性能匹配，在保证“强度-断裂韧性-耐腐蚀性能-疲劳性能”匹配的前提下，获得有利于板型控制的板材残余应力分布，从而极大地满足后续大型结构件的加工和使用要求。

附图说明

图1为本发明涉及的铝合金的淬火敏感区示意图。

图2为不同厚度板材淬火残余应力分布情况对比图。

图3为不同淬火水温(平均冷却速度)对板材残余应力分布的影响对比图。

图4为本发明的“缓-快-缓”三段式淬火冷却工艺示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，但本发明的实施方式不仅限于此。

本发明所公开的制造方法的主要步骤包括：铝合金熔铸，制成铝合金锭坯；将制成的铝合金锭坯进行均匀化热处理；对铝合金锭坯热轧，制成铝合金板材；对铝合金板材进行单级或分级固溶保温处理，随即以平均冷却速度V₁将铝合金板材由T₀温度点缓冷至临界转变温度T₁，随后以平均冷却速率V₂将铝合金板材从T₁温度点快速冷却至临界转变温度T₂，最后以平均冷却速率V₃将铝合金板材从T₂温度点快速冷却至50℃或更低的温度，得到超大规格铝合金板材，其中，470℃≤T₀≤500℃，420℃≤T₁≤450℃，100℃≤T₂≤150℃；5℃/s≤V₁≤10℃/s，25℃/s≤V₂≤60℃/s，1℃/s≤V₃≤3℃/s。对合金板材进行预拉伸处理；对铝合金板材进行时效热处理；得到最终铝合金板材产品。

发明人通过大量机理研究和工业实践，在研究确定系列化铝合金板材“淬火敏感区”(图1所示)，以及揭示不同淬火条件对板材残余应力分布状态对应规律(图2、3所示)的基础上，创新地提出了基于临界转变温度-冷却速度协同的淬火控制思想。以此为基础，针对传统淬火方式中超大规格板材的淬火过饱和固溶体与残余应力分布难以同时兼顾的技术难题，发明了一种“缓-快-缓”三段式淬火冷却工艺(如图4所示)，即首先通过第一段相对缓慢的冷却阶段，在不影响过饱和固溶体脱溶析出的前提下，使板材安全渡过极易产生过残余应力的高温敏感区；随后通过第二阶段的相对快速冷却，实现形成理想过饱和固溶体的目的；最后通过第三阶段的缓慢冷却，将板材从淬火敏感区的下临界温度冷却至室温。

实施例1

将本发明应用于商业化AA7050铝合金，其名义成分范围(质量分数)：Zn 5.7～6.7％，Mg 1.9～2.6％，Cu 2.0～2.6％，Zr 0.08～0.15％，Fe不高于0.15％，Si不高于0.12％，Mn不高于0.1％，Cr不高于0.01％，Ti不高于0.06％，余量Al以及不可避免的其他杂质。在其中选择一种典型合金成分：6.2％Zn，2.2％Mg，2.3％Cu，0.12％Zr，0.01％Cr，0.04％Mn，0.02％Ti，余量Al以及不可避免的其他杂质。合金经熔铸、均匀化处理、热轧等环节获得厚度为180mm的板材，对板材进行450℃×1h+475℃×2h固溶保温处理，随即进行不同方案的淬火冷却处理，不同淬火冷却方案如表1所示；随后对板材进行变形量为2.2％的预拉伸变形，以及110℃×6h+165℃×18h时效处理处理获得T7451态板材样品。表2所示为不同淬火工艺对7050-T7451超厚板综合性能、不平度以及最终用户进行零件机加工变形情况对比。

表1

表2

实施例2

将本发明应用于商业化AA2124铝合金，其名义成分范围(质量分数)：Cu 3.8～4.9％，Mg 1.2～1.8％，Mn 0.3～0.9％，Fe不高于0.3％，Si不高于0.2％，Cr不高于0.1％，Zn不高于0.25％，Ti不高于0.15％，余量Al以及不可避免的其他杂质。在其中选择种典型合金成分：4.4％Cu，1.5％Mg，0.6％Mn，0.04％Cr，0.1％Zn，0.05％Ti，余量Al以及不可避免的其他杂质。合金经熔铸、均匀化处理、热轧等环节获得厚度为宽度为3500mm、60mm的板材，对板材进行495℃×2h固溶保温处理，随即进行不同方案的淬火冷却处理，不同淬火冷却方案如表3所示；随后对板材进行变形量为2.2％的预拉伸变形，以及160℃×18h时效处理处理获得T851态板材样品。表4所示为不同淬火工艺对2124-T851超宽板材综合性能、不平度以及最终用户进行零件机加工变形情况对比。

表3

表4

从实施例1～2可以看出，通过采用本发明的三段式淬火冷却工艺方法的精细选择与合理搭配，可有效解决超大规格铝合金板材在传统淬火处理过程中淬火敏感性和应力控制无法平衡兼顾的技术缺陷，获得相对较好的板材基本性能和使用性能匹配，在保证强韧性满足有关标准的前提下，获得有利于板型控制的板材残余应力分布，从而极大地满足后续大型结构件的加工和使用要求。

需要指出的是，以上给出的仅仅是本发明中的一些具体实施例，对本发明的保护范围不构成任何限制。

Claims

1.一种超大规格铝合金板材的制造方法，主要包括以下步骤：

(1)铝合金熔铸，制成铝合金锭坯；

(2)将制成的铝合金锭坯进行均匀化热处理；

(3)对铝合金锭坯热轧，制成铝合金板材；

(4)对铝合金板材进行固溶、淬火；

(5)对铝合金板材依次进行预拉伸处理和时效热处理；

其特征在于，在步骤(4)中，铝合金板材进行单级或分级固溶保温处理后，随即以平均冷却速度V₁将铝合金板材由T₀温度点缓冷至临界转变温度T₁，随后以平均冷却速率V₂将铝合金板材从T₁温度点快速冷却至临界转变温度T₂，最后以平均冷却速率V₃将铝合金板材从T₂温度点快速冷却至50℃以下的温度，得到超大规格铝合金板材，其中，470℃≤T₀≤500℃，420℃≤T₁≤450℃，100℃≤T₂≤150℃；5℃/s≤V₁≤10℃/s，25℃/s≤V₂≤60℃/s，1℃/s≤V₃≤3℃/s。

2.根据权利要求1所述的超大规格铝合金板材的制造方法，其特征在于，在步骤(4)中，6℃/s≤V₁≤8℃/s，30℃/s≤V₂≤50℃/s，1℃/s≤V₃≤2℃/s。

3.根据权利要求1所述的超大规格铝合金板材的制造方法，其特征在于，在步骤(4)中，采用空冷、汽冷、炉冷、水淬、油淬中的一种或两种以上组合方式进行淬火。

4.根据权利要求3所述的超大规格铝合金板材的制造方法，其特征在于，在步骤(4)中，淬火过程在辊底式喷淋淬火炉中实现。

5.根据权利要求1所述的超大规格铝合金板材的制造方法，其特征在于，所述的铝合金为可热处理强化型2000系、7000系或Al-Li合金，所制成的铝合金板材为厚度大于80mm或宽度大于1600mm的铝合金板材。

6.根据权利要求5所述的超大规格铝合金板材的制造方法，其特征在于，所述7000系铝合金含有Al、Zn、Mg、Cu元素以及Cr、Zr、Mn、Sc、Er、Co、Sr中的至少一种元素。

7.根据权利要求5所述的超大规格铝合金板材的制造方法，其特征在于，所述2000系铝合金含有Al、Cu、Mg元素以及Cr、Zr、Mn、Sc、Er、Co、Sr中的至少一种元素。

8.根据权利要求5所述的超大规格铝合金板材的制造方法，其特征在于，所述Al-Li合金含有Al、Cu、Li元素或Al、Mg、Li元素，以及Cr、Zr、Mn、Sc、Er、Co、Sr中的至少一种元素。

9.根据权利要求5或6所述的超大规格铝合金板材的制造方法，其特征在于，所述7000系铝合金为国际铝业协会(AA)注册的AA7075、AA7050、AA7150、AA7055、AA7449、AA7036、AA7136、AA7010、AA7140、AA7037、AA7042、AA7047、AA7065、AA7081、AA7181、AA7085、AA7185、AA7285、AA7155、AA7255、AA7056、AA7095、AA7093，或者为中国有色金属及合金牌号注册的7A04、7A09、7B04、7C04、7D04、7A60、7B09、7B50、7A55、7A85、7B85、7A56、7A36、7A93合金。

10.根据权利要求5或7所述的超大规格铝合金板材的制造方法，其特征在于，所述2000系铝合金为国际铝业协会(AA)注册的AA2024、AA2124、AA2224、AA2324、AA2424、AA2524、AA2624、AA2724、AA2026、AA2219、AA2519、AA2824、AA2139、AA2029、AA2618，或者为中国有色金属及合金牌号注册的2A12、2A14、2D12、2E12、2D70合金。

11.根据权利要求5或8所述的超大规格铝合金板材的制造方法，其特征在于，所述Al-Li合金为国际铝业协会(AA)注册的AA2090、AA2091、AA2094、AA2095、AA2195、AA2196、AA2097、AA2197、AA2297、AA2397、AA2295、AA2098、AA2198、AA2099、AA2199、AA2050、AA2055、AA2060、AA2065、AA2070、AA2076、AA2296，或者为中国有色金属及合金牌号注册的2A23、2A97合金。