CN109161744B - 一种超高强度低应力的铝合金管材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种超高强度低应力的铝合金管材及其制备方法。所述超高强度低应力的铝合金管材为7xxx系铝合金管材，晶粒呈长条状，长度为30～50μm，抗拉强度为618～748MPa，屈服强度为568～702MPa，椭圆度为0.02～0.15mm。所述制备方法包括多级淬火、慢拉伸以及多次深冷处理。本发明制得的铝合金管材力学性能得到显著提高，与常规的7xxx系铝合金管材相比，抗拉强度最多可提升约12％；此外，本发明产品中残余应力得到有效的消除，变形程度最多可降低至常规管材的1/25，可见残余应力消减效果十分显著；且本发明产品的晶粒尺寸得到了有效的细化，晶粒长度仅为常规产品的一半左右。

Description

一种超高强度低应力的铝合金管材及其制备方法

技术领域

本发明属于铝合金制备技术领域，具体涉及一种超高强度低应力的铝合金管材及其制备方法。

背景技术

铝及铝合金具有密度小、比强度高和耐腐蚀等优良性能，且易于加工、储量丰富的特点，在航空航天、机械和汽车制造业等领域得到了广泛的应用。但铝合金构件在快速淬火过程中获得高强度高韧性的同时。造成表面与内部巨大的温差，从而在构件内部产生很大的残余应力。在高强度铝合金的热处理过程中，尤其是淬火过程是无法避免地会在结构内部造成很大的残余应力。有时为了降低淬火残余应力，采用沸水或者油之类的介质进行淬火，减小冷却强度，由于超高强度铝合金的淬火敏感性十分明显，这样会导致材料的力学性能急剧下降，不能满足使用要求。

在后续机械加工中，由于内应力的作用会使再加工后的零件发生变形，影响零件的尺寸精度，残余应力将严重恶化材料的腐蚀、开裂、疲劳强度等力学性能，对结构的强度造成很大危害，历史上许多灾难性破坏事故大多是由结构中的残余应力引起的，从而限制了高强度铝合金的应用范围。高强度铝合金的初始残余应力是引起其加工变形的主要原因，后期的成形及热处理过程中也不断产生残余应力，在机械加工的过程中不断地得到释放，最终影响到产品的加工精度甚至报废。因此降低和消除构件的残余应力就十分必要了。

消除或降低残余应力的方法有很多种。拉伸、压缩、人工时效和振动时效等工艺。拉伸法对设备要求高且变形量难控制，仅适合于形状简单的零件，且对拉伸前铝合金板材的组织均匀性要求较高，同时还会造成铝合金延伸率的损失；压缩法在实际操作中难以精确控制模压变形量；人工时效法效率低效果差，时效消除的残余应力只有10～30％；震动时效法可以消除50～70％的残余应力，然而震动时效法相关工艺还不够成熟，机理研究不够充分。

深冷处理是一种新的消除或降低应力的工艺。铝合金深冷处理能在很大程度上消除残余应力，提高工件的尺寸稳定性。深冷介质中停留时间对应力消除有一定影响，高温有机介质中保温时间对应力消除效果影响很大。与加热阶段的温差越大，应力消除越彻底；深冷急热循环两次对残余应力消除效果较好，继续增加循环次数意义不大。深冷处理的机理是：深冷处理的不同阶段，内外部的应力状态不同，应力作用效果可以部分相互抵消，起到消除残余应力的作用。同时工件内部产生了晶粒细化和择优转动，也起到了缓和应力的作用。现有的深冷处理法对铝合金的残余应力消除效果比较理想，但会造成性能的损失。因此，目前在铝合金残余应力的消减工艺中还没有一种工艺同时具备高效、实用、低损耗、易推广的特点。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种超高强度低应力的铝合金管材及其制备方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种超高强度低应力的铝合金管材，其为7xxx系铝合金管材，晶粒呈长条状，晶粒长度为30～50μm，抗拉强度为618～748MPa，屈服强度为568～702MPa，椭圆度为0.02～0.15mm。

优选的，所述超高强度低应力的铝合金管材椭圆度为0.02～0.1mm。

一种超高强度低应力的铝合金管材的制备方法，采用深冷处理工艺，具体步骤如下：

将淬火后的挤压管材冷却至-100℃～-250℃，保温20～90min，然后升温至120～250℃并放置5～60min；随后将所述挤压管材冷却至-80℃～-250℃，保温10～30min，取出后进行预拉伸；拉伸结束后将所述挤压管材冷却至-100℃～-250℃，保温20～60min，然后升温至40～150℃并放置1200～2400min，然后对所述挤压管材进行预拉伸；拉伸结束后再将所述挤压管材冷却至-80℃～-250℃，保温20～60min，然后升温至100～250℃并放置60～600min，最终得到所述超高强度低应力的铝合金管材；所述铝合金管材为7xxx系铝合金管材。

优选的，所述冷却速度均为10～35℃/s，所述升温速度均为15～45℃/min。

优选的，所述预拉伸的拉伸量为0.5～1.5％。

优选的，所述淬火为分级淬火工艺，具体步骤如下：

将挤压管材在固溶保温温度460～490℃下保温2～6h，然后进行分级淬火，其中：

第一级PAG淬火：将挤压管材于PAG溶液中从460～490℃冷却至410～440℃；

第二级水淬火：将第一级淬火结束的挤压管材在水中冷却至210℃～230℃；

第三级水淬火：将第二级淬火结束的挤压管材在水中冷却至60℃～90℃。

更优选的，第一级PAG淬火中所述PAG溶液温度为30～60℃，冷却速率为10～25℃/s，第二级水淬火中水温为10～60℃，冷却速率为50～100℃/s，第三级水淬火中水温为40～90℃，冷却速率为5～15℃/s。

再优选的，完成所述分级淬火工艺0.5～3h后，实施所述深冷处理工艺前实施拉伸工艺，具体步骤如下：

将经淬火的挤压管材预拉伸至材料屈服，然后第一步拉伸至0.2～0.5％，保压停留10～60s；第二步拉伸至0.5～1.0％，保压停留10～60s；第三步再拉伸至1.0～1.5％，保压停留20～90s；所述拉伸速率为0.5～2mm/min。

相比现有技术，本发明具有如下优点：

(1)本发明制得的超高强度低应力铝合金管材力学性能得到显著提高。由图1可见，本发明产品相比常规的现有产品时效强化相更均匀、弥散、细小地析出，同时时效强化相的数量也大幅增加，因此挤压管材的力学性能得到大幅提高。参见具体实施方式中的表1可知，与常规的7xxx系铝合金管材相比，本发明制得的超高强度低应力铝合金管材抗拉强度最多可提升约12％。

(2)本发明制得的超高强度低应力铝合金管材残余应力得到有效的消除。参见具体实施方式中的表1可知，挤压管材精车后的椭圆度大幅降低，变形程度最多可降低至常规管材的1/25，可见残余应力消减效果十分显著。

(3)本发明制得的超高强度低应力铝合金管材晶粒尺寸更小，由图2可见，晶粒呈长条状，长度尺寸仅为30～50μm，而现有管材晶粒长度尺寸一般为80～100μm。

附图说明

图1中左图为本发明实施例6产品的时效强化相的TEM照片，而右图为市售7055铝合金管材的时效强化相的TEM照片。

图2中左图为本发明实施例6产品的晶粒组织的OM照片，而右图为市售7055铝合金管材的晶粒组织的OM照片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

以下实施例中所述挤压管材均采用7055铝合金挤压管材，所述挤压管材规格为外径50mm，壁厚5mm，其可采用本领域常规的制备手段制得，制备流程如下：配料→熔炼→铸造→均匀化→锯切、车皮→感应加热→挤压；具体的，下列实施例中挤压管材的制备步骤为：

(1)按重量取各金属材料，各金属材料的种类和重量百分比为：Zn 7.6～8.4wt％，Mg 1.8～2.3wt％，Cu 2.0～2.6wt％，Zr 0.08～0.25wt％，Fe≤0.08wt％，Si≤0.04wt％，Cr≤0.05wt％，并且Cu/Mg≤0.95，余量为Al和不可避免的元素，每种不可避免的元素都低于0.05wt％且总量小于0.15wt％；

(2)将步骤(1)所述金属材料按照重量百分比混合，加热至750℃，使物料熔化，保温5h；

(3)通过多级联合除气除渣工序降低铝熔体中的氢渣浓度，以减少铸锭中的气孔。通过过滤工序去除铝熔体中的氧化物、非金属夹杂物和其他有害金属杂质，以减少铸锭中的疏松、气孔、夹渣等缺陷。由此可以改善铸锭的质量。

(4)经过以上工序后，铸造出铝合金圆锭并进行均匀化。

(5)将锭坯切头尾，锯切并车皮成直径225mm，长度600mm的挤压坯料。

(6)将铸棒在感应炉下加热至400℃。

(7)感应炉内加热完成后，在2200T的反向双动挤压机上将铸锭挤压成外径50mm、壁厚5mm的挤压管材。

实施例1

一种超高强度低应力的铝合金管材的制备方法，包括如下步骤：

(1)将挤压管材在固溶保温温度475℃下保温4h，立即转移到室温水中进行淬火冷却至室温。

(2)将步骤(1)所得挤压管材放入深冷处理装置中，以25℃/s的速度冷却至-200℃，保温40min，取出后迅速转移到油槽中，油温为160℃，放置时间20min，升温速度为35℃/min；取出后迅速放入深冷处理装置中，以25℃/s的速度冷却至-200℃，保温20min，取出后进行预拉伸，拉伸量为1.0％；拉伸结束后放入深冷处理装置中，以25℃/s的速度冷却至-200℃，保温30min，取出后迅速转移到油槽中，油温90℃，放置时间2400min，升温速度为20℃/min；取出后进行预拉伸，拉伸量为1.5％；拉伸结束放入深冷处理装置中，以25℃/s的速度冷却至-200℃，保温30min，取出后迅速转移到油槽中，油温155℃，放置时间360min，升温速度为30℃/min，最终得到所述超高强度低应力的铝合金管材。

多次深冷处理技术融合了超高强度铝合金的断续时效技术和机械热处理技术，有利于时效强化相均匀、弥散、细小的析出，同时时效强化相的数量也大幅增加，因此大幅度提升了挤压管材的力学性能。

此外，深冷处理过程中，位错在内部压应力作用下发生增殖，产生亚结构，同时位错又与溶质原子相互作用致使沉淀物弥散析出，这些增殖位错和弥散析出的沉淀物在随后的时效处理中严重阻碍了晶粒长大的趋势，起到了细化晶粒的作用。

实施例2

一种超高强度低应力的铝合金管材的制备方法，包括如下步骤：

(1)将挤压管材在固溶保温温度475℃下保温4h，然后进行分级淬火，其中：第一级PAG淬火：挤压管材温度从475℃冷却至420℃，PAG溶液温度30℃，冷却速率15℃/s；第二级水淬火：将第一级淬火结束的挤压管材冷却至230℃，水温10～60℃，冷却速率80℃/s；第三级水淬火：将第二级淬火结束的挤压管材冷却至60℃，水温80℃，冷却速率10℃/s；此步骤确保挤压管材淬火后残余应力达到最低，不发生弯曲；

(2)1h后将步骤(1)得到的挤压管材预拉伸至材料屈服，然后第一步拉伸至0.5％，保压停留30s；第二步拉伸至1.0％，保压停留30s；第三步再拉伸至1.5％，保压停留60s，其中拉伸速率为1mm/min；

(3)将步骤(2)所得挤压管材放入深冷处理装置中，以25℃/s的速度冷却至-200℃，保温40min，取出后迅速转移到油槽中，油温120℃，放置时间30min，升温速度为35℃/min；取出后迅速放入深冷处理装置中，以25℃/s的速度冷却至-200℃，保温20min，取出后进行预拉伸，拉伸量为1.0％；拉伸结束后放入深冷处理装置中，以25℃/s的速度冷却至-200℃，保温30min，取出后迅速转移到油槽中，油温80℃，放置时间1200min，升温速度为35℃/min；取出后进行预拉伸，拉伸量为1.5％；拉伸结束放入深冷处理装置中，以25℃/s的速度冷却至-200℃，保温30min，取出后迅速转移到油槽中，油温160℃，放置时间360min，升温速度为30℃/min，最终得到所述超高强度低应力的铝合金管材。

本实施例进一步使用了多级淬火和慢拉伸配合深冷处理，三个工艺配合协同作用，效果最为显著。制备中根据7xxx系铝合金淬火敏感区间，在其区间内进行快速淬火，区间外进行慢速淬火，利用多种介质的分级淬火技术，通过对每级淬火工艺的优化，使得淬火后残余应力较低；深冷处理配合多级淬火工艺，使得工件内部急速受热膨胀而产生微塑性变形，生成的内部拉应力抵消了由于铝合金工件高温加工后急速冷却产生的原始内部残余压应力，该组合对工件原始内部残余应力起到减小和消除的积极作用，经过多次循环操作，工件内部残余应力基本得到消除。接着，淬火后采用多步骤慢速率拉伸工艺和深冷处理工艺优化，可以更好地释放淬火残余应力。多次深冷处理技术结合超高强度铝合金的断续时效技术和机械热处理技术可在残余应力大大消减的情况下，大幅度提升挤压管材的力学性能，获得残余应力较低且后续机械加工时基本不产生变形的铝合金管材。

实施例3

一种超高强度低应力的铝合金管材的制备方法，包括如下步骤：

(1)与实施例2的步骤(1)相同；

(2)与实施例2的步骤(2)相同；

(3)将步骤(2)所得挤压管材放入深冷处理装置中，以25℃/s的速度冷却至-200℃，保温40min，取出后迅速转移到油槽中，油温180℃，放置时间30min，升温速度为35℃/min；取出后迅速放入深冷处理装置中，以25℃/s的速度冷却至-200℃，保温20min，取出后进行预拉伸，拉伸量为1.0％；拉伸结束后放入深冷处理装置中，以25℃/s的速度冷却至-200℃，保温30min，取出后迅速转移到油槽中，油温80℃，放置时间1200min，升温速度为35℃/min；取出后进行预拉伸，拉伸量为1.5％；拉伸结束放入深冷处理装置中，以25℃/s的速度冷却至-200℃，保温30min，取出后迅速转移到油槽中，油温160℃，放置时间360min，升温速度为30℃/min，最终得到所述超高强度低应力的铝合金管材。

实施例4

一种超高强度低应力的铝合金管材的制备方法，包括如下步骤：

(1)与实施例2的步骤(1)相同；

(2)与实施例2的步骤(2)相同；

(3)将步骤(2)所得挤压管材放入深冷处理装置中，以25℃/s的速度冷却至-200℃，保温40min，取出后迅速转移到油槽中，油温250℃，放置时间30min，升温速度为35℃/min；取出后迅速放入深冷处理装置中，以25℃/s的速度冷却至-200℃，保温20min，取出后进行预拉伸，拉伸量为1.0％；拉伸结束后放入深冷处理装置中，以25℃/s的速度冷却至-200℃，保温30min，取出后迅速转移到油槽中，油温80℃，放置时间1200min，升温速度为35℃/min；取出后进行预拉伸，拉伸量为1.5％；拉伸结束放入深冷处理装置中，以25℃/s的速度冷却至-200℃，保温30min，取出后迅速转移到油槽中，油温160℃，放置时间360min，升温速度为30℃/min，最终得到所述超高强度低应力的铝合金管材。

实施例5

一种超高强度低应力的铝合金管材的制备方法，包括如下步骤：

(1)与实施例2的步骤(1)相同；

(2)与实施例2的步骤(2)相同；

(3)将步骤(2)所得挤压管材放入深冷处理装置中，以25℃/s的速度冷却至-200℃，保温40min，取出后迅速转移到油槽中，油温180℃，放置时间20min，升温速度为35℃/min；取出后迅速放入深冷处理装置中，以25℃/s的速度冷却至-200℃，保温20min，取出后进行预拉伸，拉伸量为1.0％；拉伸结束后放入深冷处理装置中，以25℃/s的速度冷却至-200℃，保温30min，取出后迅速转移到油槽中，油温50℃，放置时间2400min，升温速度为35℃/min；取出后进行预拉伸，拉伸量为1.5％；拉伸结束放入深冷处理装置中，以25℃/s的速度冷却至-200℃，保温30min，取出后迅速转移到油槽中，油温160℃，放置时间360min，升温速度为30℃/min，最终得到所述超高强度低应力的铝合金管材。

实施例6

一种超高强度低应力的铝合金管材的制备方法，包括如下步骤：

(1)与实施例2的步骤(1)相同；

(2)与实施例2的步骤(2)相同；

(3)将步骤(2)所得挤压管材放入深冷处理装置中，以25℃/s的速度冷却至-200℃，保温40min，取出后迅速转移到油槽中，油温180℃，放置时间20min，升温速度为35℃/min；取出后迅速放入深冷处理装置中，以25℃/s的速度冷却至-200℃，保温20min，取出后进行预拉伸，拉伸量为1.0％；拉伸结束后放入深冷处理装置中，以25℃/s的速度冷却至-200℃，保温30min，取出后迅速转移到油槽中，油温75℃，放置时间2400min，升温速度为20℃/min；取出后进行预拉伸，拉伸量为1.5％；拉伸结束放入深冷处理装置中，以25℃/s的速度冷却至-200℃，保温30min，取出后迅速转移到油槽中，油温160℃，放置时间360min，升温速度为30℃/min，最终得到所述超高强度低应力的铝合金管材。

由图1可见，实施例6所得产品相比市售产品时效强化相更均匀、弥散、细小地析出，同时时效强化相的数量也大幅增加，因此挤压管材的力学性能得到大幅提高。

由图2可见，实施例6产品晶粒呈长条状，长度尺寸仅为30～50μm，而相比之下市售产品晶粒长度尺寸一般为80～100μm，表明本发明的制备工艺能有效细化产品的晶粒尺寸。

实施例7

一种超高强度低应力的铝合金管材的制备方法，包括如下步骤：

(1)与实施例2的步骤(1)相同；

(2)与实施例2的步骤(2)相同；

(3)将步骤(2)所得挤压管材放入深冷处理装置中，以25℃/s的速度冷却至-200℃，保温40min，取出后迅速转移到油槽中，油温180℃，放置时间20min，升温速度为35℃/min；取出后迅速放入深冷处理装置中，以25℃/s的速度冷却至-200℃，保温20min，取出后进行预拉伸，拉伸量为1.0％；拉伸结束后放入深冷处理装置中，以25℃/s的速度冷却至-200℃，保温30min，取出后迅速转移到油槽中，油温130℃，放置时间2000min，升温速度为35℃/min；取出后进行预拉伸，拉伸量为1.5％；拉伸结束放入深冷处理装置中，以25℃/s的速度冷却至-200℃，保温30min，取出后迅速转移到油槽中，油温160℃，放置时间360min，升温速度为30℃/min，最终得到所述超高强度低应力的铝合金管材。

对比例1

一种铝合金管材的制备方法，包括如下步骤：

(1)与实施例2的步骤(1)相同；

(2)与实施例2的步骤(2)相同；

(3)挤压管材在120℃的空气炉中保温24h。

对比例2

一种铝合金管材的制备方法，包括如下步骤：

(1)将挤压管材在固溶保温温度475℃下保温4h，然后立即转移到室温水中进行淬火冷却至室温。

(2)在拉伸机上进行拉伸，拉伸率为2.5％。

(3)挤压管材在120℃的空气炉中保温24h。

检测实施例1-7和对比例1-2的制备得到的铝合金管材的拉伸性能和残余应力(精车后的椭圆度)状况，测试结果如表1。

表1实施例1-7和对比例1-2的制备得到的铝合金管材的拉伸性能和残余应力

注：力学性能检测标准：GB/T 228金属材料室温拉伸试验方法；

应力的检测方法：取φ50×5mm，长度200mm的管材，将管材壁厚每次车掉0.5mm，5次后共车掉一半，即余下2.5mm壁厚，车完后检测椭圆度。

由上表可见：

(1)比较对比例2与各实施例可知，本发明制得的产品相比于常规产品残余应力大幅降低，各实施例产品精车后的椭圆度相比对比例2降低70％以上，最多时(实施例6)甚至可降低96％，晶粒也得到了有效的细化。同时，力学性能一般也能得到改善，最多时(实施例6)可提升约12％。

(2)比较对比例1与各实施例可知，本发明工艺的核心要点在于多次深冷处理工艺，使用了多级深冷处理工艺的实施例相比仅使用了多级淬火和慢拉伸工艺的对比例1，精车后的椭圆度降低50％以上，最多时(实施例6)甚至可降低93％以上。同时对比例1和对比例2相对比可以看到，仅使用多级淬火工艺和慢拉伸工艺时对铝合金管材的力学性能还是有一定的影响；而如果紧接着进行多次深冷处理工艺后，一般产品的力学性能能够得到恢复甚至增强。

(3)比较实施例1与其余的实施例可知，使用多级淬火和慢拉伸配合深冷处理，三个工艺配合协同作用，相比单独使用深冷处理，降低残余应力的效果会更为显著。

(4)比较实施例2-7可知，多次深冷处理工艺中加热阶段的温度十分重要，其中第一次加热至180℃时产品的力学性能最佳，随着加热温度的上升(实施例4)或下降(实施例2)，产品力学性能逐渐降低；同样，加热的时间与温度的配合也非常重要，其中第二次加热至75℃保温2400min的实施例6产品具有最佳的力学性能和椭圆度，而随着加热温度的上升(实施例7)或下降(实施例5)，以及加热时间的缩短(实施例3)，产品的性能参数会有不同程度的下降。可见，本发明所限定的参数范围乃实施本发明方法的最佳范围，若超出相应范围，可以预见产品的性能参数会进一步下降，以致不能达到相应的应用要求，甚至劣于常规产品。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种超高强度低应力的铝合金管材的制备方法，其特征在于，采用深冷处理工艺，具体步骤如下：

将淬火后的挤压管材冷却至-100℃～-250℃，保温20～90min，然后升温至120～250℃并放置5～60min；随后将所述挤压管材冷却至-80℃～-250℃，保温10～30min，取出后进行预拉伸；拉伸结束后将所述挤压管材冷却至-100℃～-250℃，保温20～60min，然后升温至40～150℃并放置1200～2400min，然后对所述挤压管材进行预拉伸；拉伸结束后再将所述挤压管材冷却至-80℃～-250℃，保温20～60min，然后升温至100～250℃并放置60～600min，最终得到所述超高强度低应力的铝合金管材；所述铝合金管材为7xxx系铝合金管材；

其中，所述淬火为分级淬火工艺，具体步骤如下：

将挤压管材在固溶保温温度460～490℃下保温2～6h，然后进行分级淬火，其中：

第一级PAG淬火：将挤压管材于PAG溶液中从460～490℃冷却至410～440℃；

第二级水淬火：将第一级淬火结束的挤压管材在水中冷却至210℃～230℃；

第三级水淬火：将第二级淬火结束的挤压管材在水中冷却至60℃～90℃；

第一级PAG淬火中所述PAG溶液温度为30～60℃，冷却速率为10～25℃/s，第二级水淬火中水温为10～60℃，冷却速率为50～100℃/s，第三级水淬火中水温为40～90℃，冷却速率为5～15℃/s。

2.根据权利要求1所述的一种超高强度低应力的铝合金管材的制备方法，其特征在于，所述深冷处理工艺中各所述冷却速度均为10～35℃/s，各所述升温速度均为15～45℃/min。

3.根据权利要求1所述的一种超高强度低应力的铝合金管材的制备方法，其特征在于，所述预拉伸的拉伸量为0.5～1.5％。

4.根据权利要求1所述的一种超高强度低应力的铝合金管材的制备方法，其特征在于，完成所述分级淬火工艺0.5～3h后，实施所述深冷处理工艺前实施拉伸工艺，具体步骤如下：

将经淬火的挤压管材预拉伸至材料屈服，然后第一步拉伸至0.2～0.5％，保压停留10～60s；第二步拉伸至0.5～1.0％，保压停留10～60s；第三步再拉伸至1.0～1.5％，保压停留20～90s；所述拉伸速率为0.5～2mm/min。

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