CN108531836B - 一种制备高性能低残余应力铝合金的热处理技术 - Google Patents

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Abstract

本发明本发明涉及一种制备高性能低残余应力铝合金的热处理技术，属于铝合金热机械处理技术领域。该方法包括下述步骤：步骤一、将铝合金试样固溶保温后，进行低温淬火，转移时间不超过10s；步骤二、将步骤一所得的试样进行深冷变形，得到深冷变形试样，深冷变形处理温度低于‑120℃，深冷变形量≥5％，步骤三、将步骤二所得深冷变形试样放入热介质中，利用激振器对其进行振动处理；保温和保持振动；得到振动逆向淬火处理后的试样；步骤四、将步骤三所得振动逆向淬火处理后的试样进行时效处理，得到成品。本发明工艺制备的铝合金具有高综合性能、低残余应力，显著增强了材料服役过程的稳定性。

Description

一种制备高性能低残余应力铝合金的热处理技术
技术领域
本发明涉及一种制备高性能低残余应力铝合金的热处理技术，可以有效提高铝合金强度、塑性的同时显著降低残余应力；属于铝合金热机械处理技术领域。
技术背景
铝合金作为一种具有优良性能的有色金属结构材料，在航空航天、汽车、船舶等领域得到了广泛应用。全球社会经济和科学技术的飞速发展，对铝合金的性能提出了越来越高的要求，使铝合金的研究也随之深入。
铝合金在工业中的应用逐年增加，但成品质量参差不齐。生产出高质量的铝合金材料成为当务之急。随着科学技术的不断进步发展，铝合金型材不断向着大型化、整体化、组织性能的均匀化与优质化方向发展。因此制备高性能铝合金成为人们关注的热点。
铝合金经工业常规的热机械处理工艺处理后，强度往往会得到大幅度提升，但同时塑性会降低，使得其强塑性匹配较差。另外，在热机械处理过程中，铝合金要提高其性能必然要经过固溶处理甚至变形处理。而铝合金在固溶后的淬火过程和变形过程中，因受热作用和不均匀变形会产生较大的残余应力。残余应力的存在使得工件在后续加工过程中产生变形、翘曲，服役过程中提前失效等不良后果。残余应力还会引起铝合金材料的应力腐蚀开裂、疲劳性能等。目前，消减残余应力的方法大致可分为两类：①热处理法，包括热时效、退火等。热时效方法的残余应力消减率仅为35％左右，且效率低下。退火处理消减残余应力效果较好，但常常伴随强度的下降；②机械法，包括拉伸和压缩。机械法消除残余应力具有一定效果，但机械法消除残余应力是以增大塑性变形为代价的，严重消耗材料的塑性储备，而且对材料的形状尺寸要求苛刻。
因此，本领域亟需发明新的热机械处理工艺，以期提高铝合金强塑性的同时降低残余应力。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术之不足，提供一种制备高性能低残余应力铝合金的热处理技术，达到提升铝合金的强度、塑性同时降低残余应力的目的。
本发明一种制备高性能低残余应力铝合金的热处理技术，包括下述步骤：
步骤一固溶淬火处理
将铝合金试样固溶保温后，进行低温淬火，转移时间不超过10s；
步骤二深冷变形
将步骤一所得的试样进行深冷变形，得到深冷变形试样，深冷变形处理温度低于-120℃，深冷变形量≥5％，
步骤三振动逆向淬火处理
将步骤二所得深冷变形试样放入热介质中，利用激振器对其进行振动处理；保温和保持振动；得到振动逆向淬火处理后的试样；
步骤四时效处理
将步骤三所得振动逆向淬火处理后的试样进行时效处理，得到成品。
本发明一种制备高性能低残余应力铝合金的热处理技术；步骤一中，试样固溶保温的温度为470℃～550℃，保温时间为30min～3h，低温介质可为液氮、干冰等，淬火方式为喷淋或浸没，具体实施方式由工件尺寸决定。
本发明一种制备高性能低残余应力铝合金的热处理技术，步骤二中，深冷轧变形的温度为-196℃～-120℃，总变形量为5％～40％，道次变形量为5％～10％，道次保温时间为5min～15min。
本发明一种制备高性能低残余应力铝合金的热处理技术，步骤三中，热介质温度为150℃～200℃，保温时间为5min～15min，同时利用激振器对其进行振动处理，所选择的激振力由合金本身性质及其残余应力水平决定，若已知材料残余应力值，激振器提供的动应力可由过载系数K＝σd/σRS＝0.45，其中σd为动应力，σRS为材料振动处理前的残余应力值；若未测得残余应力值，激振器提供的动应力可由(σb-σs)/3≤σd≤σb/3求得，其中σb、σs为材料进行振动处理前的抗拉强度、屈服强度。
本发明一种制备高性能低残余应力铝合金的热处理技术，步骤四中，时效处理为人工时效，时效处理温度为120℃-210℃，时效时间为30min-48h。
本发明一种制备高性能低残余应力铝合金的热处理技术，所述铝合金优选为2系铝合金、6系铝合金、7系铝合金中的一种。
本发明一种制备高性能低残余应力铝合金的热处理技术，处理2系铝合金后，所得产品的屈服强度大于等于420MPa、优选为大于等于430MPa，抗拉强度大于等于550MPa、优选为大于等于570MPa，延伸率大于等于10％、优选为大于等于11％，残余应力消减率大于等于53％。
作为优选；所述2系铝合金以质量百分比计包括下述组分：
Cu 4.2-4.6％、优选为4.4-4.5％；
Mg 1.2-2％、优选为1.45-1.55％；
Mn 0.5-0.6％、优选为0.53-0.55％；
余量为Al和不可避免杂质。
本发明一种制备高性能低残余应力铝合金的热处理技术，处理6系铝合金后，所得产品的屈服强度大于等于410MPa、抗拉强度大于等于460MPa、延伸率大于等于10％、残余应力消减率大于等于58％。作为优选；所述6系铝合金以质量百分比计包括下述组分：
Mg 1.0-1.5％、优选为1.1-1.2％；
Si 1.0-1.2％、优选为1.05-1.1％；
Cu 0.8-0.95％、优选为0.88-0.9％；
余量为Al和不可避免杂质。
相较于传统工艺，本发明的优点是：
1、本发明开创性地提出了振动逆向淬火工艺。具体工艺为铝合金经深冷变形后迅速转移至高温热介质中进行短时保温，保温的同时对样品施加一定的激振力(尤其是合适一定的激振力配合深冷变性后所得样品的亚共振频率)。在本发明中的振动逆向淬火工艺中，逆向淬火工艺使试样内部因急冷急热发生微塑性变形，产生与原始残余应力相反的应力，进而达到减小残余应力的效果；振动处理产生的能量使得合金高应力区的位错塞积群得到开动，位错产生滑移，出现微小塑性变形，位错组态发生变化，位错分布均匀化，扭曲的晶格旋转回正常的晶格位置，减小了晶格畸变，最终合金所积累的残余应力得到缓解。逆向淬火和振动处理的结合，使得试样在热介质中加热速度更快，受热更均匀，从而产生更均匀的塑性变形。同时，逆向淬火为振动处理提供良好的高温环境，使得位错、原子扩散的阻力进一步减小，更加有利于发挥其微屈服作用机制。本发明的工艺中，振动处理实质是一个等应力幅的激振过程，对样品施加一定交变循环载荷的过程，高温更易激发材料蠕变机制，多种机制作用，使应力得到松弛。本发明的工艺通过同时进行的逆向淬火和振动处理的协同作用，使得残余应力的消减效果得到显著提升，同时较常规振动处理，所用时间短，效率高。本发明的工艺在保证了高强度的条件下，提高塑性，同时残余应力得到消减。
2、本发明中的振动逆向淬火工艺，在消减残余应力的同时能提升合金的综合性能。在高温振动进行过程中，合金内部会产生原子偏聚，进而形成原子团簇，其强化机理类似于进一步固溶强化。振动过程中，组织内位错产生滑移、发生增殖，由于铝合金具有较高的层错能，位错通过交互作用产生缠结，同时原子团簇阻碍位错运动，减小了位错运动中相互合并或抵消的可能，使得位错缠结和网状化程度增加，进而合金得到强化。振动后复杂的位错组态在测试韧性试验过程中，使裂纹扩展阶段阻力增大，裂纹扩展过程中需要多次绕过位错，绕过的次数有很大程度地增加，裂纹扩展所需的能量将增大，材料的韧性提高。
3、本发明中铝合金经固溶处理后进行低温淬火，冷却速度接近相变的临界冷却速度，较大程度抑制相变的发生，较室温水淬更大限度地保留了过饱和固溶体组织，随后的深冷变形过程中引入大量位错等缺陷，两者为后续时效硬化过程提供了良好的基体组织和条件。而且低温淬火工件变形及开裂的可能性极小。在液氮或干冰中淬火，表面是液体冷却而实质上是气体冷却，工件淬入后立即被气体包围，没有普通介质淬火时那样产生热冲击的三个阶段(汽膜期、沸腾期、对流期)，那么工件就不会因过度热冲击而产生变形或微裂纹。深冷变形在低温中进行，有效抑制回复再结晶，产生位错胞、位错墙等结构提高位错密度，降低原子析出激活能，为后续析出相提供大量形核质点，并在终时效阶段有效细化晶粒，细小的晶粒可以一定程度上抑制沿晶断裂机制的发生，从而有利于韧性和塑性的提高。同时细小的晶粒使得裂纹在合金中扩展时所需要克服的总表面能变大，晶界对它的阻碍作用变大，减小了裂纹在合金中的扩展速率，增加了合金的疲劳寿命，从而改善了合金的疲劳性能。
4、本发明工艺的终时效阶段，深冷变形引入大量位错等缺陷来促进时效时纳米级沉淀相的析出，加快时效进程，晶内细小弥散的析出相可显著提升铝合金的塑韧性。本发明的工艺改变了热机械处理的单一强化机制，集原子团簇强化、加工硬化、细晶强化、时效强化机制于一体，提高了铝合金包括强度、塑性、疲劳性能在内的综合性能，并获得较低的残余应力。
5、本发明的工艺铝合金与传统的热机械处理工艺相比，强度和塑性得到了提高。本发明处理的铝合金有较好的强塑性配合，其中屈服强度达到410MPa以上，抗拉强度达到550MPa以上，残余应力值仅为44.5MPa。与T6工艺相比，在保持良好的延伸率的情况下，屈服强度提高19％；抗拉强度提高18％；残余应力消减率达53％。
附图说明
附图1为本发明工艺流程图。
图中：
TS-------------固溶处理温度；
Tc-------------深冷变形温度；
To-------------热介质温度；
Ta-------------时效温度；
Tr-------------室温
具体实施方式
下面结合实施例和传统工艺对比例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
采用试样厚为6mm的2xxx系合金冷轧板，其合金成分为Al-4.45Cu-1.5Mg-0.54Mn(质量分数％)。首先，将试样放入温度为495℃的空气炉中保温1h；然后将试样进行低温淬火，经过淬火的试样再进行深冷变形处理，变形量为10％；经过深冷变形处理之后立即放入150℃的热介质中保温12min，同时利用激振器对其进行振动处理，激振器提供的动应力为55MPa；最后进行时效处理，时效温度为120℃，时间为45h。本实施例处理后的2xxx合金的屈服强度、抗拉强度、延伸率、残余应力测量值、残余应力消减率见表1。
实施例2
采用试样厚为6mm的2xxx系合金冷轧板，其合金成分为Al-4.45Cu-1.5Mg-0.54Mn(质量分数％)。首先，将试样放入温度为485℃的空气炉中保温1h；然后将试样进行低温淬火，经过淬火的试样再进行深冷变形处理，变形量为25％；经过深冷变形处理之后立即放入180℃的热介质中保温10min，同时利用激振器对其进行振动处理，激振器提供的动应力为75MPa；最后进行时效处理，时效温度为170℃，时间为16h。本实施例处理后的2xxx合金的屈服强度、抗拉强度、延伸率、残余应力测量值、残余应力消减率见表1。
实施例3
采用试样厚为6mm的2xxx系合金冷轧板，其合金成分为Al-4.45Cu-1.5Mg-0.54Mn(质量分数％)。首先，将试样放入温度为500℃的空气炉中保温1h；然后将试样进行低温淬火，经过淬火的试样再进行深冷变形处理，变形量为40％；经过深冷变形处理之后立即放入200℃的热介质中保温8min，同时利用激振器对其进行振动处理，激振器提供的动应力为84MPa；最后进行时效处理，时效温度为200℃，时间为1.5h。本实施例处理后的2xxx合金的屈服强度、抗拉强度、延伸率、残余应力测量值、残余应力消减率见表1。
实施例4
采用试样厚为6mm的6xxx系合金冷轧板，其合金成分为Al-1.12Mg-1.06Si-0.89Cu(质量分数％)。首先，将试样放入温度为545℃的空气炉中保温1h；然后将试样进行低温淬火，经过淬火的试样再进行深冷变形处理，变形量为40％；经过深冷变形处理之后立即放入200℃的热介质中保温8min，同时利用激振器对其进行振动处理，激振器提供的动应力为50MPa；最后进行时效处理，时效温度为170℃，时间为6h。本实施例处理后的6xxx合金的屈服强度、抗拉强度、延伸率，经测试后均比常规轧制处理有大幅度提高，并具有较低残余应力状态。本发明的工艺适当改变工艺参数，也适用于其他合金，各处理步骤协调配合，同样可得到高性能低残余应力的较为理想的合金状态。
对比例1
采用试样厚为6mm的2xxx系合金冷轧板，其合金成分为Al-4.45Cu-1.5Mg-0.54Mn(质量分数％)。首先，将试样放入温度为485℃的空气炉中保温1h；然后将试样直接水淬，经过淬火的试样再进行室温轧制变形处理，变形量为25％；最后进行时效处理，时效温度为170℃，时间为16h。本实施例处理后的2xxx合金的屈服强度、抗拉强度、延伸率、残余应力测量值见表1。
对比例2
采用试样厚为6mm的2xxx系合金冷轧板，其合金成分为Al-4.45Cu-1.5Mg-0.54Mn(质量分数％)。首先，将试样放入温度为485℃的空气炉中保温1h；然后将试样进行低温淬火，经过淬火的试样再进行深冷变形处理，变形量为25％；经过深冷变形处理之后立即放入180℃的热介质中保温10min，取出试样并利用激振器对其进行振动处理，激振器提供的动应力为55MPa，振动时间为20min；最后进行时效处理，时效温度为170℃，时间为16h。本实施例处理后的2xxx合金的屈服强度、抗拉强度、延伸率、残余应力测量值、残余应力消减率见表1。
对比例3
采用试样厚为6mm的2xxx系合金冷轧板，其合金成分为Al-4.45Cu-1.5Mg-0.54Mn(质量分数％)。首先，将试样放入温度为485℃的空气炉中保温1h；然后将试样进行低温淬火，经过淬火的试样再进行深冷变形处理，变形量为25％；经过深冷变形处理之后，利用激振器对其进行振动处理，激振器提供的动应力为75MPa，振动时间为20min；经振动处理后的试样放入液氮中保温2h，然后立即将试样放入180℃的热介质中保温10min；最后进行时效处理，时效温度为170℃，时间为16h。本实施例处理后的2xxx合金的屈服强度、抗拉强度、延伸率、残余应力测量值、残余应力消减率见表1。
表1

Claims (7)

1.一种制备高性能低残余应力铝合金的热处理技术，其特征在于；包括下述步骤：
步骤一 固溶淬火处理
将铝合金试样固溶保温后，进行低温淬火，转移时间不超过10s；步骤一中，试样固溶保温的温度为470℃～550℃，保温时间为30min～3h，低温淬火所用低温介质选自液氮、干冰中的至少一种；
步骤二 深冷变形
将步骤一所得的试样进行深冷变形，得到深冷变形试样，深冷变形处理的温度为-196℃～-120℃，总变形量为5％～40％，道次变形量为5％～10％，道次保温时间为5min～15min；
步骤三 振动逆向淬火处理
将步骤二所得深冷变形试样放入热介质中，利用激振器对其进行振动处理；保温和保持振动；得到振动逆向淬火处理后的试样；
步骤三中，热介质温度为150℃～200℃，保温时间为5min～15min，同时利用激振器对其进行振动处理，所选择的激振力由合金本身性质及其残余应力水平决定，若已知材料残余应力值，激振器提供的动应力由过载系数K＝σd/σRs＝0.45求得，其中σd为动应力，σRS为材料振动处理前的残余应力值；若未测得残余应力值，激振器提供的动应力由(σb-σs)/3≤σd≤σb/3求得，其中σb、σs为材料进行振动处理前的抗拉强度、屈服强度；
步骤四 时效处理
将步骤三所得振动逆向淬火处理后的试样进行时效处理，得到成品。
2.根据权利要求1所述的一种制备高性能低残余应力铝合金的热处理技术；其特征在于：步骤四中，时效处理为人工时效，时效处理温度为120℃-210℃，时效时间为30min-48h。
3.根据权利要求1所述的一种制备高性能低残余应力铝合金的热处理技术；其特征在于：所述铝合金为2系铝合金、6系铝合金、7系铝合金中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种制备高性能低残余应力铝合金的热处理技术；其特征在于：处理2系铝合金后，所得产品的屈服强度大于等于420MPa，抗拉强度大于等于550MPa，延伸率大于等于10％，残余应力消减率大于等于53％。
5.根据权利要求4所述的一种制备高性能低残余应力铝合金的热处理技术；其特征在于；所述2系铝合金以质量百分比计包括下述组分：
Cu 4.2-4.6％；
Mg 1.2-2％；
Mn 0.5-0.6％；
余量为Al和不可避免杂质。
6.根据权利要求1所述的一种制备高性能低残余应力铝合金的热处理技术；其特征在于：处理6系铝合金后，所得产品的屈服强度大于等于410MPa、抗拉强度大于等于460MPa、延伸率大于等于10％、残余应力消减率大于等于58％。
7.根据权利要求6所述的一种制备高性能低残余应力铝合金的热处理技术；其特征在于：
所述6系铝合金以质量百分比计包括下述组分：
Mg 1.0-1.5％；
Si 1.0-1.2％；
Cu 0.8-0.95％；
余量为Al和不可避免杂质。
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