CN108486508A - 一种铝合金高效蠕变时效成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种铝合金高效蠕变时效成形方法，热轧铝合金板材固溶后水淬，淬火后板材在中间放置后室温下进行变形量为20‑90％的冷变形至所需厚度，然后进行蠕变时效成形。本发明通过合金固溶‑淬火后和蠕变时效前的冷变形，在合金中引入大量的位错及位错组态和自然时效原子团簇，一部分位错和自然时效原子团簇可作为析出相的异质形核区，促进主要强化相的析出，使析出相的密度增加并且尺寸明显细化，最终大大提高蠕变时效的蠕变速率以及力学性能。20‑90％的冷变形在合金内部引入大量的可动位错，可在较低温度和应力下显著提高合金蠕变量的蠕变时效成形工艺，大大提高合金的时效成形效率。

Description

一种铝合金高效蠕变时效成形方法

技术领域

本发明属于铝合金构件的精密成形技术领域，特别涉及一种铝合金高效蠕变时效成形方法。

背景技术

铝及铝合金具有密度小、耐蚀性高、导电导热性能好等许多优点，广泛应用于航空航天和轨道交通等领域。大型铝合金整体壁板技术是近年来航空航天关键零件制造的研究热点，为了满足航空航天构件高性能和轻量化的要求，近年来蠕变时效成形技术逐渐得到了应用。蠕变时效成形技术适用于可时效强化型铝合金的整体带筋和变厚度复杂外形结构的壁板等构件的成形，具有加工成形与热处理同时进行的特点。与传统壁板类构件的金属加工过程(如喷丸、滚弯和拉形等)相比，蠕变时效成形技术具有成形精度高、残余应力小、尺寸稳定性好等优点。蠕变时效成形技术可利用金属的蠕变/应力松弛以及时效强化特性，使构件在温度场和应力场的共同作用下实现高性能与精确成形协同，其过程是首先用机械加载或者真空加载的方法使构件与模具型面完全贴合，之后将其整体放入热压罐或者加热炉内进行加热，使构件在温度场和应力场的共同作用下，将弹性变形转变为塑性变形，最后保温结束后卸除载荷并在构件自由回弹后得到目标构件。

在蠕变时效成形过程中温度对构件成形有显著的影响，蠕变时效温度越高，蠕变效果越明显。对于传统的T3和T4态合金，低温时效条件会降低构件蠕变成形的速率，从而造成成形效果不明显，构件的蠕变量和力学性能较低，而且制造周期也会很长。而高温蠕变也会对构件的蠕变时效过程造成不利影响。由于目前构件与模具型面的贴合主要是将构件和模具用真空袋包装，并抽真空利用气压加载的方法来实现，在较高温度下时效时，高温会降低构件和模具的贴合气密性，在蠕变时效过程中容易造成真空袋损坏、漏气，造成成形失败。另外由于构件和模具的热膨胀系数有差异，温度越高两者在构件成形过程中越难紧密贴合，进而影响构件成形精度。蠕变时效的温度越高能耗越大，所以在较高温度蠕变时效成形成本较高，而且高温时效容易使铝合金过时效，构件性能明显下降。

实际应用中，低温蠕变时效成形构件的成形效率低，高温蠕变时效可能导致材料发生过时效降低力学性能。目前的解决方案主要是在蠕变成形过程中采用多级时效工艺，例如国内发明专利公开号为CN103924173A的发明专利采用多级蠕变实效的方法，将自然时效后的板材分别进行140～160℃，外加应力为170～230MPa，时间为10～14小时的一级蠕变时效以及160～200℃，外加应力为170～230MPa，时间为10～14小时的二级蠕变时效，可以有效提高板材的力学性能和耐腐蚀性能。该工艺虽然可以在保证铝合金产品性能的基础上实现构件成形，但外加应力较大时才能实现有效形变，蠕变温度较高，不利于构件与模具型面的紧密贴合，并且其蠕变时效时间较长，成形效率低能耗较大，不满足经济性原则。

现在工业的发展对铝合金构件性能和成形精度都提出了更高的要求，在工艺条件简单易实现的前提下，开发一种便于实际应用的可在较低温和应力下明显提升构件蠕变效率以及蠕变性能的工艺极为重要，同时也可以降低制造成本。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种铝合金高效蠕变时效成形方法，该方法的思路在于：铝合金板材通过在蠕变时效前进行冷轧20％以上的变形调控后续蠕变时效过程中位错的运动与析出过程，从而大大提高蠕变时效的蠕变速率以及力学性能。本发明可在较低温度和应力下显著提高合金蠕变量的蠕变时效成形工艺，大大提高合金的时效成形效率。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种铝合金高效蠕变时效成形方法，热轧铝合金板材固溶后水淬，淬火后板材在中间放置后室温下进行变形量为20-90％的冷变形至所需厚度，然后进行蠕变时效成形。

所述冷变形主要指冷轧处理，但不局限于此。

所述固溶和水淬均是常规铝合金处理工艺。

所述蠕变时效温度选取50～180℃，处理时间为2～24h，蠕变应力为30～250MPa。特点是为了获得相同的蠕变量，处理时间相同的情况下，蠕变温度可以降低50℃，温度相同的情况下，蠕变时间可以减半。

本发明中，铝合金指时效硬化型铝合金，包括2xxx系、6xxx系和7xxx系。

下面对本发明做进一步解释和说明：通过合金固溶-淬火后和蠕变时效前的冷变形，在合金中引入大量的位错及位错组态和自然时效原子团簇，一部分位错和自然时效原子团簇可作为析出相的异质形核区，促进主要强化相的析出，使析出相的密度增加并且尺寸明显细化。20-90％的冷变形在合金内部引入大量的可动位错促进合金的蠕变时效成形效率和效果。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明所述的蠕变时效成形方法可以在现有的蠕变时效装备中进行，不需添加新的成形装备；适合实际生产的铝合金大型构件，便于实际生产，加热温度较低且有较大温度窗口，工艺可控性强，易于保证产品质量稳定。

2、本发明提出的蠕变时效成形工艺处理后铝合金与传统方法制备的构件相比，延伸率在保持的同时屈服强度可以提升30-70MPa。铝合金样件在70℃下蠕变量已经和传统方法中T4态合金在165℃的相当，120℃下蠕变量比T3和T4态合金用传统方法在165℃成形时的蠕变量提升50％以上，而在相同的温度下蠕变量则可提高6-15倍。

3、本发明提供的工艺可以改善铝合金构件的成形能力，铝合金构件在较低温度下蠕变时效成形就可以获得较大的蠕变量和优良力学性能，这大大降低了蠕变时效过程中真空袋破损的几率，提高壁板构件的成形精度和制造效率，便于形性协同控制，提升铝合金构件的品质，节省能耗。

附图说明

图1是对比实施例和部分实施例铝合金板材的蠕变曲线示意图。

具体实施方式

以下结合实施案例对本发明方法进一步阐释并进行数据说明，但本发明不局限于这些实施例。实施例所用样品为商用2219铝合金。合金硬度测试在Vickers硬度试验机上进行,实验载荷为4.9N,持续时间为15s。拉伸试验采用标准为：GB/T 228-2002。高温蠕变时效试验在在三思泰捷公司生产的RMT-D10型电子式高温蠕变持久强度试验机上进行，试验机的控温精度为±2℃，载荷精度为±3N。

基于以上考虑设计了以下实施例：

对比实施例1

2219铝合金在空气循环电阻炉中进行固溶处理水淬(模拟工业T4态)，然后板材进行蠕变时效实验，蠕变时效温度选取165℃，蠕变时间为12h，蠕变应力为150MPa，在板材取出室温冷却后进行拉伸试验。

对比实施例2

2219铝合金在空气循环电阻炉中进行固溶处理水淬，淬火后预拉伸8％(模拟工业T3态)板材进行蠕变时效实验，蠕变时效温度选取165℃，蠕变时间为12h，蠕变应力为150MPa，在板材取出室温冷却后进行拉伸试验。

实施例1

2219铝合金在空气循环电阻炉中进行固溶处理水淬后，得铝合金板材；再在室温下进行冷轧80％的变形处理至8mm，然后在蠕变机里进行蠕变实验，蠕变时效温度选取165℃，蠕变时间为12h，蠕变应力为150MPa，在板材取出室温冷却后进行拉伸试验。

实施例2

2219铝合金在空气循环电阻炉中进行固溶处理水淬后，得铝合金板材；再在室温下进行冷轧80％的变形处理至8mm，然后在蠕变机里进行蠕变实验，蠕变时效温度选取165℃，蠕变时间为12h，蠕变应力为50MPa，在板材取出室温冷却后进行拉伸试验。

实施例3

2219铝合金在空气循环电阻炉中进行固溶处理水淬后，得铝合金板材；再在室温下进行冷轧80％的变形处理至8mm，然后在蠕变机里进行蠕变实验，蠕变时效温度选取120℃，蠕变时间为12h，蠕变应力为150MPa，在板材取出室温冷却后进行拉伸试验。

实施例4

2219铝合金在空气循环电阻炉中进行固溶处理水淬后，得铝合金板材；再在室温下进行冷轧80％的变形处理至8mm，然后在蠕变机里进行蠕变实验，蠕变时效温度选取120℃，蠕变时间为12h，蠕变应力为50MPa，在板材取出室温冷却后进行拉伸试验。

实施例5

2219铝合金在空气循环电阻炉中进行固溶处理水淬后，得铝合金板材；再在室温下进行冷轧80％的变形处理至8mm，然后在蠕变机里进行蠕变实验，蠕变时效温度选取70℃，蠕变时间为12h，蠕变应力为150MPa，在板材取出室温冷却后进行拉伸试验。

实施例6

2219铝合金在空气循环电阻炉中进行固溶处理水淬后，得铝合金板材；再在室温下进行冷轧30％的变形处理至8mm，然后在蠕变机里进行蠕变实验，蠕变时效温度选取165℃，蠕变时间为12h，蠕变应力为150MPa，在板材取出室温冷却后进行拉伸试验。

表1对比实施例1和2和实施例1-6相应工艺处理后力学性能(强度单位：MPa)

	对比例1	对比例2	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5	实施例6
									屈服强度	279	336	382	389	408	412	409	363
抗拉强度	392	412	426	431	451	449	436	406
									延伸率	15％	10％	9.8％	10.2％	9.9％	9.6％	9.7％	10.1％

表2对比实施例1和2和实施例1-6相应工艺处理后蠕变量

对比例1

对比例2

实施例1

实施例2

实施例3

实施例4

实施例5

实施例6

蠕变量

0.15％

0.49％

3.0％

0.5％

0.81％

0.3％

0.31％

1.6％

表一是传统方法和使用本发明方法蠕变时效成形后2219铝合金的抗拉强度、屈服强度、断后延伸率。表二是传统方法和使用本发明方法蠕变时效成形后2219铝合金的蠕变量。图1是对比例和部分实施例随时间变化的蠕变曲线。可知，利用本发明提出的蠕变时效成形工艺，处理后铝合金与传统方法制备的合金相比，延伸率在保持的同时屈服强度可以提升30-70MPa。该工艺处理后的铝合金在70℃下蠕变量已经和T4态合金传统方法相当，120℃下时蠕变量比T3和T4态合金传统方法在165℃成形时的蠕变量提升50％以上，而在相同的温度下蠕变量则可提高6-15倍。以上数据证明本发明提出的蠕变时效成形工艺可以大幅度提高铝合金构件的蠕变量和力学性能，构件在较低温度和应力下蠕变时效就可获得较大的蠕变量和优良的力学性能，避免了常规蠕变时效工艺温度较低时成形效果差以及温度较高对成形后性能的不利影响，本发明是一种可以提升铝合金制件的品质的形性协同控制方法。

Claims (5)

1.一种铝合金高效蠕变时效成形方法，其特征在于，热轧铝合金板材固溶后水淬，淬火后板材在中间放置后室温下进行变形量为20-90％的冷变形至所需厚度，然后进行蠕变时效成形。

2.根据权利要求1所述铝合金高效蠕变时效成形方法，其特征在于，所述冷变形为冷轧处理。

3.根据权利要求1所述铝合金高效蠕变时效成形方法，其特征在于，所述蠕变时效成形中，蠕变时效温度选取50～180℃，处理时间为2～24h，蠕变应力为30～250MPa。

4.根据权利要求3所述铝合金高效蠕变时效成形方法，其特征在于，所述蠕变时效成形中，在处理时间相同的情况下，蠕变温度降低50℃；在温度相同的情况下，蠕变时间减半；能够获得相同的蠕变量。

5.根据权利要求1所述铝合金高效蠕变时效成形方法，其特征在于，所述铝合金指时效硬化型铝合金，包括2xxx系、6xxx系和7xxx系。