CN107999687A - 一种铝合金叶片锻件及其制备方法 - Google Patents

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方萍
贺小容
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Abstract

本发明公开了一种铝合金叶片锻件及其制备方法，所述方法的主要步骤包括辊锻、镦头制坯、螺旋压力机模锻、固溶、小变形量冷锻和时效热处理，通过合理设置加热和变形参数，精确控制锻件冷锻变形量和时间，对2219铝合金进行加工，其中制坯、模锻工步工件加热温度为380‑480℃，工件变形量为20‑80％，冷锻工步需要在固溶工步后3‑12h内完成，工件变形量为1‑5％，最终获得具有均匀的金相组织状态和良好的力学性能的2219铝合金叶片锻件，能够满足新型航空发动机使用该铝合金叶片锻件的技术要求。

Description

一种铝合金叶片锻件及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料锻造成型领域，尤其涉及一种铝合金叶片锻件及其制备方法。
背景技术
2219铝合金为Al-Cu-Mn系可热处理强化变形铝合金，该合金具有良好的高低温力学性能、抗应力腐蚀性能、焊接性能及断裂韧性，广泛用于航天及航空领域，主要用于制造适用于在313℃下工作的结构件和高强度焊接件，我国现役运载火箭贮箱全面采用了2219铝合金。
我国对2219铝合金综合力学性能和热处理技术的认识还不够深入和系统，对2219铝合金的基本性能主要停留在材料手册中介绍的内容，对材料的高低温力学性能、断裂韧性、抗腐蚀性等方面缺乏深入研究，在产品工艺设计和加工过程中，仍然主要依靠多做实验来摸索，缺乏有效的理论依据和数据积累，如不同变形量对材料性能的影响，冷锻对材料性能的影响等。
CN103389978A公开了一种提高2219铝合金性能的变形热处理条件的方法。该方法过程包括：采用T6热处理确定时效温度，将2219铝合金进行固溶、淬火、时效处理，确定强度和硬度对应的最佳变形热处理的时效温度；采用T8热处理确定时效时间，将该2219铝合金的试样进行固溶、淬火、轧制，在T6热处理所确定的温度下进行时效处理，确定强度和硬度对应的最佳变形热处理的时效时间。CN106498318A公开一种提高2219铝合金环件综合力学性能的工艺方法，以实现大型2219铝合金环件粗大残余结晶相的充分破碎和晶粒的细化、等轴化，使得2219铝合金环件强度与塑性同时提高，各向异性减小。该工艺方法包括：多向锻造、冲孔、马架扩孔、分段轧制及热处理。但上述发明实施步骤复杂繁琐，工艺周期长，能耗高，没有显著提高2219铝合金的综合力学性能。
随着我国航空航天飞行器的发展，对材料性能要求越来越高，导致2219铝合金的综合力学性能不达标，国内尚未有生产新型航空发动机用2219铝合金叶片锻件的先例。因此，开发操作简单、产品性能优良并适用于生产航空用2219铝合金叶片锻件工业化生产的工艺方法，充分挖掘2219铝合金力学性能的潜力，提升我国新型航空发动机的制造水平，具有很强的现实意义和工程价值。
发明内容
针对现有技术的不足及实际的需求，本发明提供一种铝合金叶片锻件及其制备方法，所述方法的主要步骤包括辊锻、镦头制坯、螺旋压力机模锻、固溶、小变形量冷锻和时效热处理，通过合理设置加热和变形参数，精确控制锻件冷锻变形量和时间，对2219铝合金进行加工，不仅可以实现2219铝合金叶片锻件的模锻生产，而且还提升了叶片锻件的力学性能和金相组织均匀度，满足新型航空发动机使用该铝合金叶片锻件的技术要求。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一方面，本发明提供一种铝合金叶片锻件的制备方法，包括如下步骤：
(1)下料后对棒料进行加热制坯；
(2)在螺旋压力机上对坯料进行加热模锻成型；
(3)将步骤(2)得到的锻件进行固溶、冷却；
(4)将步骤(3)冷却后的锻件进行冷锻处理和时效热处理。
本发明通过对现有技术的不断改良和优化，创造性地首次提出辊锻、镦头制坯+螺旋压力机模锻+固溶+冷锻+时效的成型技术，在螺旋压力机上进行加热模锻成型，采用此新型工艺流程能有效提升了叶片锻件的力学性能和金相组织均匀度，满足新型航空发动机使用该铝合金叶片锻件的技术要求。
优选地，所述铝合金为2219铝合金。
优选地，步骤(1)所述制坯包括辊锻和镦头的工序。
优选地，步骤(1)和步骤(2)所述加热的温度为380-480℃，例如可以是380℃、390℃、400℃、410℃、420℃、430℃、440℃、430℃、460℃、470℃或480℃。
优选地，步骤(1)和步骤(2)的工件变形量为20-80％，例如可以是20％、21％、23％、28％、30％、32％、33％、38％、40％、42％、43％、48％、30％、32％、33％、38％、60％、70％或80％。
优选地，步骤(1)和步骤(2)的工装预热温度为130-400℃，例如可以是130℃、180℃、200℃、230℃、300℃、330℃或400℃。
本发明提供的方法在制坯、模锻过程中需要对坯料设置合理的加热、变形参数及对工装进行充分预热，防止生产过程中锻件出现质量缺陷(裂纹、折叠)，以使得锻件有较为优异的组织状态及力学性能(抗拉强度、延伸率和屈服强度)。
优选地，步骤(3)所述固溶的温度为490-340℃，例如可以是490℃、300℃、310℃、320℃、330℃或340℃，冷却时间为30-100min，例如可以是30min、30min、80min或100min。
优选地，步骤(4)所述冷锻的完成时间为固溶步骤后3-12h内，例如可以是3h、4h、3h、6h、7h、8h、9h、10h、11h或12h，优选为4-8h。
优选地，步骤(4)所述冷锻的工件变形量为1-3％，例如可以是1％、1.3％、2％、2.3％、3％、3.3％、4％或3％。
本发明提供的方法通过精确控制锻件冷锻变形量和时间来提升锻件性能并消除应力。
优选地，步骤(4)所述时效热处理的温度为130-190℃，例如可以是130℃、160℃、170℃、180℃或190℃。
作为优选方案，本发明提供一种铝合金叶片锻件的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)下料后对棒料进行加热制坯，制坯分为辊锻和镦头工序，加热温度为380-480℃，工件变形量为20-80％，工装预热温度为130-400℃；
(2)在螺旋压力机上对坯料进行加热模锻成型，加热温度为380-480℃，工件变形量为20-80％，保温时间为1-3min/mm，工装预热温度为130-400℃；
(3)将步骤(2)得到的锻件进行固溶、冷却，固溶的温度为490-340℃，冷却时间为30-100min；
(4)将步骤(3)冷却后的锻件进行冷锻处理和时效热处理，冷锻的完成时间在固溶工步后4-8h内，工件变形量为1-3％，时效加热温度为130-190℃。
第二方面，本发明提供一种如第一方面所述方法制备得到的铝合金叶片锻件。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明提供的制备方法首次提出辊锻、镦头制坯+螺旋压力机模锻+固溶+冷锻+时效的成型技术，通过设置合理的过程控制参数，获得具有均匀的组织状态和优良的力学性能的叶片锻件，抗拉强度、延伸率和屈服强度满足新型航空发动机使用该铝合金叶片锻件的技术要求。
(2)本发明提供的方法简洁高效，节省人力物力，能耗低，工艺周期短，便于工业生产应用。
附图说明
图1是本发明生产的2219铝合金叶片锻件示意图；
图2是本发明生产的叶片锻件的金相组织图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果，以下结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案，但本发明并非局限在实施例范围内。
实施例1
1)下料；
2)采用辊锻模进行辊锻拔长和镦头模镦粗成型，棒料加热温度400℃，保温时间2min/mm，棒料变形量60％，工装预热温度为200℃；
3)将坯料放在模具中锻造，选择螺旋压力进行模锻成型，各部位变形量控制在20-80％，坯料加热温度400℃，保温时间2min/mm，工装预热温度200℃；
4)工件进行固溶热处理：保温温度300℃，保温时间100min，升温速率100℃/h，淬火转移时间≤60s，淬火水温≤30℃，淬火过程温升不超过20℃，锻件冷却时间30min；
3)冷锻：工件变形量控制在3％，需要在固溶后3h完成；
6)工件进行时效热处理：保温温度160℃，保温时间1300min，升温速率130℃/h，工件需要在固溶后6h入炉，最后得到2219铝合金叶片锻件，如图1所示。
实施例2
1)下料；
2)采用辊锻模进行辊锻拔长和镦头模镦粗成型，棒料加热温度380℃，保温时间1min/mm，棒料变形量20％，工装预热温度为130℃；
3)将坯料放在模具中锻造，选择螺旋压力进行模锻成型，各部位变形量控制在20％，坯料加热温度380℃，保温时间1min/mm，工装预热温度130℃；
4)工件进行固溶热处理：保温温度490℃，保温时间60min，升温速率30℃/h，淬火转移时间≤60s，淬火水温≤30℃，淬火过程温升不超过20℃，锻件冷却时间30min；
3)冷锻：工件变形量控制在1％，需要在固溶后4h完成；
6)工件进行时效热处理：保温温度190℃，保温时间2000min，升温速率200℃/h，工件需要在固溶后4h入炉。
实施例3
1)下料；
2)采用辊锻模进行辊锻拔长和镦头模镦粗成型，棒料加热温度480℃，保温时间3min/mm，棒料变形量80％，工装预热温度为400℃；
3)将坯料放在模具中锻造，选择螺旋压力进行模锻成型，各部位变形量控制在80％，坯料加热温度480℃，保温时间3min/mm，工装预热温度400℃；
4)工件进行固溶热处理：保温温度340℃，保温时间120min，升温速率130℃/h，淬火转移时间≤60s，淬火水温≤30℃，淬火过程温升不超过20℃，锻件冷却时间100min；
3)冷锻：工件变形量控制在3％，需要在固溶后8h内完成；
6)工件进行时效热处理：保温温度190℃，保温时间2000min，升温速率200℃/h，工件需要在固溶后8h内入炉。
对比例1
与实施例1相比，除了步骤(2)和步骤(3)的加热温度改为200℃，变形量该为90％外，其他条件与实施例1相同。
对比例2
与实施例1相比，除了步骤(2)和步骤(3)的加热温度改为600℃，变形量改为3％外，其他条件与实施例1相同。
对比例3
与实施例1相比，除了步骤(3)的变形量为10％，完成时间为13h外，其他条件与实施例1相同。
对比例4
与实施例1相比，除了步骤(3)的变形量改为0.1％，完成时间改为2h外，其他条件与实施例1相同。
实施例4
对实施例1的叶片锻件进行理化检测，观察该锻件的金相组织，结果如图2所示；
检测实施例1-3和对比例1-4叶片锻件的常规力学性能，结果如表1所示；
表1
由表1可知，实施例1-3中按照本发明提供的方法锻造成型的叶片锻件具有优异的常规力学性能，远远高于规范要求，当对比例1-4中加热温度、变现量及冷锻时间不在本发明提供的范围内时，锻造得到的锻件常规力学性能明显降低。由图2可知，实施例1得到的锻件的金相组织分布较为均匀。
综上所述，本发明通过设置合理的过程控制参数，获得具有均匀的组织状态和优良的力学性能的叶片锻件，抗拉强度、延伸率和屈服强度满足新型航空发动机使用该铝合金叶片锻件的技术要求。锻造成型方法简洁高效，节省人力物力，能耗低，工艺周期短，便于工业生产应用。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种铝合金叶片锻件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)下料后对棒料进行加热制坯；
(2)在螺旋压力机上对坯料进行加热模锻成型；
(3)将步骤(2)得到的锻件进行固溶、冷却；
(4)将步骤(3)冷却后的锻件进行冷锻处理和时效热处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铝合金为2219铝合金；
优选地，步骤(1)所述制坯包括辊锻和镦头的工序。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(2)所述加热的温度为380-480℃。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(2)的工件变形量为20-80％。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(2)的工装预热温度为150-400℃。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述固溶的温度为490-540℃；
优选地，步骤(3)所述冷却的时间为30-100min。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(4)所述冷锻的完成时间为固溶步骤后3-12h内，优选为4-8h；
优选地，步骤(4)所述冷锻处理后的工件变形量为1-5％。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(4)所述时效热处理的温度为150-190℃。
9.根据权利要求1-8中任一项所述方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)下料后对棒料进行加热制坯，制坯分为辊锻和镦头工序，加热温度为380-480℃，工件变形量为20-80％，工装预热温度为150-400℃；
(2)在螺旋压力机上对坯料进行加热模锻成型，加热温度为380-480℃，工件变形量为20-80％，保温时间为1-3min/mm，工装预热温度为150-400℃；
(3)将步骤(2)得到的锻件进行固溶、冷却，固溶的温度为490-540℃，冷却时间为30-100min；
(4)将步骤(3)冷却后的锻件进行冷锻处理，冷锻的完成时间在固溶步骤后4-8h内，工件变形量为1-5％，时效加热温度为150-190℃。
10.一种如权利要求1-9中任一项所述方法制备得到的铝合金叶片锻件。
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