CN109457149A - 一种7系铝合金厚板的加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于铝合金生产制造技术领域，涉及一种7系铝合金厚板的加工方法，铝合金铸锭按照如下质量百分比配料：Si：≤0.20％、Fe：≤0.25％、Cu：1.2～2.1％、Mg：1.2～2.2％、Zn：5.0‑7.0％、Ti：0.02～0.15％、Zr：0.02～0.15％、Ti+Zr≤0.15％、单个杂质≤0.05％，杂质合计≤0.15％，余量为Al，铝合金厚板的加工方法采用了多道次热轧的方式，并且采用了双级固溶和双级时效的加工方法，使得最终制备的7系铝合金厚板获得优良的强度和断裂韧性。

Description

一种7系铝合金厚板的加工方法
技术领域
本发明属于铝合金生产制造技术领域，涉及一种7系铝合金厚板的加工方法，尤其涉及一种厚度大于12mm的7系铝合金厚板加工方法。
背景技术
随着双通道飞机的广泛采用，对飞机整体加工性能的要求越来越高，航空结构件逐渐向厚板甚至超厚板的方向发展。7xxx系(Al-Zn-Mg-Cu系)铝合金因高强度而广泛应用于航空结构件中，其厚板产品对断裂韧性、疲劳性能、耐腐蚀性能等性能，尤其是板材厚度方向性能均匀性提出较高的要求。
材料的微观组织决定着性能，板材厚度方向的性能均匀性受微观组织均匀性的影响。要获得不同厚度位置综合性能的匹配，必须处理好不同厚度位置的微观组织。7xxx系铝合金良好的微观组织要求获得细小弥散的分布的晶内析出相，主要为GP区、叶′(MgZn2)相；不连续分布的晶界析出相，主要为η(MgZn2)。此外，应控制粗大相的尺寸和分布，如尺寸较大的T(A1ZnMgCu)四元相、S(Al2CuMg)相、粗大化合物(如Al7Cu2Fe)等。粗大化合物，往往硬度高、脆性低，在疲劳、断裂过程中会成为裂纹萌生源。而其他粗大相，会使合金再结晶比例提高，影响其腐蚀性能。故板材厚度方向如何获得理想和均匀的微观组织成为7xxx系铝合金厚板的控制重点。
控制合金中的杂质元素含量是控制粗大化合物的有效手段之一。纵观7xxx系铝合金的发展史，自7075以来，为降低粗大化合物的不利影响，Si、Fe杂质元素逐渐降低，7050、7150、7449、7055中Si、Fe含量分别降低至0.12％和0.15％以下，而7085更是降低至0.06％和0.08％以下。但降低杂质元素提高合金给铝合金制造商带来巨大的生产成本，主要体现在必须采用高纯铝生产、原料价格高昂；生产过程控制更为严格，洁净化生产要求高，生产工具必须经常更换，导致产品的废品率较高。
发明内容
有鉴于此，本发明为了解决现有技术中通过控制杂质元素含量方式来减少7系铝合金厚板中粗大化合物的方式会导致生产成本剧增的问题，提供一种7系铝合金厚板的加工方法。
为达到上述目的，本发明提供一种7系铝合金厚板的加工方法，包括如下步骤：
A、配料：铝合金铸锭按照如下质量百分比配料：Si：≤0.20％、Fe：≤0.25％、Cu：1.2～2.1％、Mg：1.2～2.2％、Zn：5.0～7.0％、Ti：0.02～0.15％、Zr：0.02～0.15％、Ti+Zr≤0.15％、单个杂质≤0.05％，杂质合计≤0.15％，余量为Al；
B、熔炼：将配制好的铝合金原料置于熔炼炉中熔炼为液态铝合金，将液态铝合金熔铸为铝合金铸锭；
C、均匀化处理：将熔铸后的铝合金铸锭在均热炉进行均匀化处理降低铝合金铸锭中的粗大化合物同时消除铝合金铸锭的铸造应力，将均匀化处理后的铝合金铸锭切去头尾，并铣去表面凝壳层；
D、热粗轧：将均匀化处理后的铝合金铸锭在加热炉中加热到380～460℃，保温2～24h后进行轧制，轧制道次为5～11道次，除首末道次外，其他道次压下量为40～70mm，轧制过程中温度控制在380～460℃，终轧温度控制在380～450℃，轧制速度控制在1～2m/s；
E、固溶淬火：将热粗轧后的铝合金板材进行双级固溶处理，第一级温度为440～460℃，第二级温度为470～485℃，第一级和第二级保温时间均为1～4h，固溶处理后的铝合金板材进行水冷淬火，得到淬火后的铝合金板材；
F、拉伸：将固溶淬火后的铝合金板材置于拉伸机进行拉伸处理，拉伸量为1～3％；
G、时效热处理：将拉伸后的铝合金板材进行双级时效热处理，其中第一级时效温度为110～130℃，时效时间为3～8h，第二级时效温度为160～180℃，时效时间为18～36h；
H、后处理：将双级时效热处理后的铝合金板材锯切成成品规格。
进一步，步骤B中液态铝合金的熔炼温度为700～760℃，铝合金原料在30～50％熔化为铝液时，开启电磁搅拌，当铝合金原料全部融化后，加入中间合金、添加剂、纯金属，并进行扒渣、调成分、转炉至保温炉进行炉内精炼，成分合格后，熔体静置30～120min，随后在700～720℃条件下去除熔体中的气体和炉渣，随后在680～710℃条件下浇铸成铝合金铸锭。
进一步，步骤B铝合金在保温炉内精炼时加入液态铝合金量0.5～2％的精炼剂，并进行均匀搅拌，液态铝合金精炼20～40min，直到液面无气泡产生。
进一步，步骤C的均匀化制度为在470～480℃保温23～48h。
进一步，步骤D中加热炉为推进式加热炉。
进一步，步骤E中淬火过程为固溶后的板材在水中或采用喷淋的方式进行淬火，冷却速度为130～500℃/s。
本发明的有益效果在于：
1、本发明所公开的7系铝合金厚板的加工方法，采用轧制的方式制备厚度大于12mm的7系铝合金厚板，通过控制轧制过程中的压下量、轧制温度以及轧制速度，使得最终制备的7系铝合金厚板获得优良的强度和断裂韧性。Zr元素能提高合金强度、抗应力腐蚀性能和断裂韧性，而且能降低淬火敏感性，Ti元素能够细化晶粒、提高合金的强度，并能控制热处理和热加工时晶粒的结构。Ti+Zr含量较少时，随着含量的增大，晶粒细化和均匀化效果增加明显，当元素增加到0.15％时细化效果增强趋势减弱，含量继续增大，Ti+Zr熔入合金基体，随着固溶、时效等析出化合物，降低合金综合性能效果，因此将Ti+Zr含量控制在0.15％以下。
2、本发明所公开的7系铝合金厚板的加工方法，采用了双级固溶和双级时效的加工方法，双级固溶能够使得充分调整铝合金组织结构，消除或降低晶内化学成分和组织的不均匀性，消除或减少在铝合金板材快速冷却时所产生的内应力，改善铝合金板材的热塑性。双级时效的低温预时效(预时效)是成核处理阶段，形成高密度的GP区。GP区通常是均匀生核，当其达到一定尺寸，就可以成为随后时效沉淀相的核心，从而大大提高组织的均匀性。第二级是高温时效，为稳定化阶段，在晶内主要形成均匀分布的盘状相，在亚晶界上形成尺寸较大的η’相，在大角度晶界上形成粗大稳定的η相。随着时效时间的延长，晶内η’相粗化，晶界η相稳定并长大，亚晶界上PFZ明显增宽。
经双级时效处理，合金中的主要强化相是较细的η’相。合金晶界上分布着断续的粗大η沉淀相，η相是平衡相，与基体不共格，产生的基体点阵畸变程度较弱，因此对自由电子散射作用减弱，位错滑移机制也从切过转变为绕过，晶界组织提高了抗腐蚀性能。
双级时效能够使合金元素充分固溶而获得较小尺寸晶粒组织，最后一级固溶温度就可以适当超过多相共晶温度，抗拉强度和屈服强度均能达到峰值。
双级时效后晶内主要分布着均匀的盘状相，亚晶界上析出较大尺寸的η相。经双级时效的合金晶内析出物粗大，使得合金的强度相对单级峰值时效降低10％左右，但是由于晶界析出物的聚集长大使得合金抗应力腐蚀性能明显增强。
同时双级固溶和双级时效的合金最终强度与单级固溶、单级时效合金强度相似，抗应力腐蚀明显提升。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明7系铝合金厚板中心位置(T/2)处组织结构示意图；
图2为本发明7系铝合金厚板中心位置(T/4)处组织结构示意图；
图3为本发明7系铝合金厚板中心位置(T/10)处组织结构示意图。
具体实施方式
下面将对本发明的优选实施例进行详细的描述。
实施例1
一种7系铝合金厚板的加工方法，包括如下步骤：
A、配料：铝合金铸锭按照如下质量百分比配料：
元素 Si Fe Cu Mg Zn Ti Zr Al
含量 0.2 0.25 1.2 1.2 5.5 0.02 0.13 余量
单个杂质≤0.05％，杂质合计≤0.15％；
B、熔炼：将配制好的铝合金原料置于熔炼炉中熔炼为液态铝合金，将液态铝合金熔铸为铝合金铸锭。其中液态铝合金的熔炼温度为700℃，铝合金原料在30％熔化为铝液时，开启电磁搅拌，当铝合金原料全部融化后，加入中间合金、添加剂、纯金属，并进行扒渣、调成分、转炉至保温炉进行炉内精炼，成分合格后，熔体静置30min，随后在700℃条件下去除熔体中的气体和炉渣，随后在680℃条件下浇铸成铝合金铸锭；
C、均匀化处理：将熔铸后的铝合金铸锭在均热炉进行均匀化处理消除铝合金铸锭中的晶粒偏析，将均匀化处理后的铝合金铸锭切去头尾，并铣去表面凝壳层，其中均匀化制度为在470℃保温20h；
D、热粗轧：将均匀化处理后的铝合金铸锭在推进式加热炉中加热到400℃，保温12h后轧制到100mm厚度，轧制道次为11道次，除首末道次外，其他道次压下量为40mm，轧制过程中温度控制在380～460℃，终轧温度控制在450℃，轧制速度控制在2m/s；
E、固溶淬火：将热粗轧后的铝合金板材进行双级固溶处理，第一级温度为460℃，第二级温度为475℃，第一级和第二级保温时间均为3h，固溶处理后的铝合金板材进行水冷淬火，淬火过程为固溶后的板材在水中或采用喷淋的方式进行淬火，冷却速度为300℃/s，得到淬火后的铝合金板材；
F、拉伸：将固溶淬火后的铝合金板材置于拉伸机进行拉伸处理，拉伸量为2％；
G、时效热处理：将拉伸后的铝合金板材进行双级时效热处理，其中第一级时效温度为110℃，时效时间为7h，第二级时效温度为160℃，时效时间为36h；
H、后处理：将双级时效热处理后的铝合金板材锯切成成品规格。
实施例2
一种7系铝合金厚板的加工方法，包括如下步骤：
A、配料：铝合金铸锭按照如下质量百分比配料：
元素 Si Fe Cu Mg Zn Ti Zr Al
含量 0.12 0.20 2.0 1.7 6.2 0.08 0.07 余量
单个杂质≤0.05％，杂质合计≤0.15％；
B、熔炼：将配制好的铝合金原料置于熔炼炉中熔炼为液态铝合金，将液态铝合金熔铸为铝合金铸锭。其中液态铝合金的熔炼温度为760℃，铝合金原料在30％熔化为铝液时，开启电磁搅拌，当铝合金原料全部融化后，加入中间合金、添加剂、纯金属，并进行扒渣、调成分、转炉至保温炉进行炉内精炼，成分合格后，熔体静置30min，随后在720℃条件下去除熔体中的气体和炉渣，随后在710℃条件下浇铸成铝合金铸锭；
C、均匀化处理：将熔铸后的铝合金铸锭在均热炉进行均匀化处理消除铝合金铸锭中的晶粒偏析，将均匀化处理后的铝合金铸锭切去头尾，并铣去表面凝壳层，其中均匀化制度为在475℃保温20h；
D、热粗轧：将均匀化处理后的铝合金铸锭在推进式加热炉中加热到400℃，保温12h后轧制到100mm厚度，轧制道次为7道次，除首末道次外，其他道次压下量为60mm，轧制过程中温度控制在380～460℃，终轧温度控制在450℃，轧制速度控制在2m/s；
E、固溶淬火：将热粗轧后的铝合金板材进行双级固溶处理，第一级温度为450℃，第二级温度为480℃，第一级和第二级保温时间均为3h，固溶处理后的铝合金板材进行水冷淬火，淬火过程为固溶后的板材在水中或采用喷淋的方式进行淬火，冷却速度为300℃/s，得到淬火后的铝合金板材；
F、拉伸：将固溶淬火后的铝合金板材置于拉伸机进行拉伸处理，拉伸量为2％；
G、时效热处理：将拉伸后的铝合金板材进行双级时效热处理，其中第一级时效温度为120℃，时效时间为7.5h，第二级时效温度为170℃，时效时间为20h；
H、后处理：将双级时效热处理后的铝合金板材锯切成成品规格。
实施例3
一种7系铝合金厚板的加工方法，包括如下步骤：
A、配料：铝合金铸锭按照如下质量百分比配料：
元素 Si Fe Cu Mg Zn Ti Zr Al
含量 0.2 0.25 1.7 1.5 6.0 0.12 0.03 余量
单个杂质≤0.05％，杂质合计≤0.15％；
B、熔炼：将配制好的铝合金原料置于熔炼炉中熔炼为液态铝合金，将液态铝合金熔铸为铝合金铸锭。其中液态铝合金的熔炼温度为760℃，铝合金原料在40％熔化为铝液时，开启电磁搅拌，当铝合金原料全部融化后，加入中间合金、添加剂、纯金属，并进行扒渣、调成分、转炉至保温炉进行炉内精炼，成分合格后，熔体静置80min，随后在710℃条件下去除熔体中的气体和炉渣，随后在700℃条件下浇铸成铝合金铸锭；
C、均匀化处理：将熔铸后的铝合金铸锭在均热炉进行均匀化处理消除铝合金铸锭中的晶粒偏析，将均匀化处理后的铝合金铸锭切去头尾，并铣去表面凝壳层，其中均匀化制度为在475℃保温20h；
D、热粗轧：将均匀化处理后的铝合金铸锭在推进式加热炉中加热到400℃，保温12h后轧制100mm厚度，轧制道次为7道次，除首末道次外，其他道次压下量为60mm，轧制过程中温度控制在380～460℃，终轧温度控制在430℃，轧制速度控制在2m/s；
E、固溶淬火：将热粗轧后的铝合金板材进行双级固溶处理，第一级温度为440℃，第二级温度为475℃，第一级和第二级保温时间均为2h，固溶处理后的铝合金板材进行水冷淬火，淬火过程为固溶后的板材在水中或采用喷淋的方式进行淬火，冷却速度为300℃/s，得到淬火后的铝合金板材；
F、拉伸：将固溶淬火后的铝合金板材置于拉伸机进行拉伸处理，拉伸量为2％；
G、时效热处理：将拉伸后的铝合金板材进行双级时效热处理，其中第一级时效温度为130℃，时效时间为6h，第二级时效温度为165℃，时效时间为30h；
H、后处理：将双级时效热处理后的铝合金板材锯切成成品规格。
对比例1
一种7系铝合金厚板的加工方法，包括如下步骤：
A、配料：铝合金铸锭按照如下质量百分比配料：
元素 Si Fe Cu Mg Zn Ti Zr Al
含量 0.05 0.08 1.2 1.2 5.5 0.02 0.13 余量
单个杂质≤0.05％，杂质合计≤0.15％；
B、熔炼：将配制好的铝合金原料置于熔炼炉中熔炼为液态铝合金，将液态铝合金熔铸为铝合金铸锭。其中液态铝合金的熔炼温度为700℃，铝合金原料在30％熔化为铝液时，开启电磁搅拌，当铝合金原料全部融化后，加入中间合金、添加剂、纯金属，并进行扒渣、调成分、转炉至保温炉进行炉内精炼，成分合格后，熔体静置30min，随后在700℃条件下去除熔体中的气体和炉渣，随后在680℃条件下浇铸成铝合金铸锭；
C、均匀化处理：将熔铸后的铝合金铸锭在均热炉进行均匀化处理消除铝合金铸锭中的晶粒偏析，将均匀化处理后的铝合金铸锭切去头尾，并铣去表面凝壳层，其中均匀化制度为在475℃保温20h；
D、热粗轧：将均匀化处理后的铝合金铸锭在推进式加热炉中加热到400℃，保温12h后轧制到100mm厚度，轧制道次为13道次，除首末道次外，其他道次压下量为35mm，轧制过程中温度控制在460℃，终轧温度控制在450℃，轧制速度控制在2m/s；
E、固溶淬火：将热粗轧后的铝合金管材进行固溶处理，温度为460℃，保温时间为5h，固溶处理后的铝合金管材进行水冷淬火，淬火过程为固溶后的管材在水中或采用喷淋的方式进行淬火，冷却速度为300℃/s，得到淬火后的铝合金管材；
F、拉伸：将固溶淬火后的铝合金管材置于拉伸机进行拉伸处理，拉伸量为2％；
G、时效热处理：将拉伸后的铝合金管材进行时效热处理，其中时效温度为160℃，时效时间为32h；
H、后处理：将双级时效热处理后的铝合金板材锯切成成品规格。
对比例2
一种7系铝合金厚板的加工方法，包括如下步骤：
A、配料：铝合金铸锭按照如下质量百分比配料：
元素 Si Fe Cu Mg Zn Ti Zr Al
含量 0.25 0.35 1.2 1.2 5.7 0.02 0.13 余量
单个杂质≤0.05％，杂质合计≤0.15％；
B、熔炼：将配制好的铝合金原料置于熔炼炉中熔炼为液态铝合金，将液态铝合金熔铸为铝合金铸锭。其中液态铝合金的熔炼温度为700℃，铝合金原料在30％熔化为铝液时，开启电磁搅拌，当铝合金原料全部融化后，加入中间合金、添加剂、纯金属，并进行扒渣、调成分、转炉至保温炉进行炉内精炼，成分合格后，熔体静置30min，随后在700℃条件下去除熔体中的气体和炉渣，随后在680℃条件下浇铸成铝合金铸锭；
C、均匀化处理：将熔铸后的铝合金铸锭在均热炉进行均匀化处理消除铝合金铸锭中的晶粒偏析，将均匀化处理后的铝合金铸锭切去头尾，并铣去表面凝壳层，其中均匀化制度为在475℃保温20h；
D、热粗轧：将均匀化处理后的铝合金铸锭在推进式加热炉中加热到400℃，保温12h后轧制到100mm厚度，轧制道次为13道次，除首末道次外，其他道次压下量为25mm，轧制过程中温度控制在460℃，终轧温度控制在450℃，轧制速度控制在2m/s；
E、固溶淬火：将热粗轧后的铝合金管材进行固溶处理，温度为460℃，保温时间为5h，固溶处理后的铝合金管材进行水冷淬火，淬火过程为固溶后的管材在水中或采用喷淋的方式进行淬火，冷却速度为300℃/s，得到淬火后的铝合金管材；
F、拉伸：将固溶淬火后的铝合金管材置于拉伸机进行拉伸处理，拉伸量为2％；
G、时效热处理：将拉伸后的铝合金管材进行时效热处理，其中时效温度为160℃，时效时间为32h；
H、后处理：将双级时效热处理后的铝合金板材锯切成成品规格。
对实施例1～3和对比例1～2制得的7系铝合金厚板进行力学性能和断裂韧性测试，测试结果见表一：
表一
表中L、LT(T)、ST(S)分别表示铝合金厚板的纵向、横向和高向。
由上表可以看到，通过本专利7系铝合金厚板加工方法制备的铝合金厚板，其抗拉强度和屈服强度，实施例较对比例1和对比例2高9～28MPa，尤其的，对于高向力学性能，实施例远高于对比例。在断裂韧性方面，可以看到实施例1～3的与纯度较高的对比例1合金相当，而高于对比例2。
通过本发明获得的典型的厚度方向的组织如图1～3所示，板材厚度中心位置(T/2)、四分之一厚度(T/4)和板材厚度边缘(T/10)的再晶界分布均匀，一致性高。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种7系铝合金厚板的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、配料：铝合金铸锭按照如下质量百分比配料：Si：≤0.20％、Fe：≤0.25％、Cu：1.2～2.1％、Mg：1.2～2.2％、Zn：5.0～7.0％、Ti：0.02～0.15％、Zr：0.02～0.15％、Ti+Zr≤0.15％、单个杂质≤0.05％，杂质合计≤0.15％，余量为Al；
B、熔炼：将配制好的铝合金原料置于熔炼炉中熔炼为液态铝合金，将液态铝合金熔铸为铝合金铸锭；
C、均匀化处理：将熔铸后的铝合金铸锭在均热炉进行均匀化处理降低铝合金铸锭中的粗大化合物同时消除铝合金铸锭的铸造应力，将均匀化处理后的铝合金铸锭切去头尾，并铣去表面凝壳层；
D、热粗轧：将均匀化处理后的铝合金铸锭在加热炉中加热到380～460℃，保温2～24h后进行轧制，轧制道次为5～11道次，除首末道次外，其他道次压下量为40～70mm，轧制过程中温度控制在380～460℃，终轧温度控制在380～450℃，轧制速度控制在1～2m/s；
E、固溶淬火：将热粗轧后的铝合金板材进行双级固溶处理，第一级温度为440～460℃，第二级温度为470～485℃，第一级和第二级保温时间均为1～4h，固溶处理后的铝合金板材进行水冷淬火，得到淬火后的铝合金板材；
F、拉伸：将固溶淬火后的铝合金板材置于拉伸机进行拉伸处理，拉伸量为1～3％；
G、时效热处理：将拉伸后的铝合金板材进行双级时效热处理，其中第一级时效温度为110～130℃，时效时间为3～8h，第二级时效温度为160～180℃，时效时间为18～36h；
H、后处理：将双级时效热处理后的铝合金板材锯切成成品规格。
2.如权利要求1所述7系铝合金厚板的加工方法，其特征在于，步骤B中液态铝合金的熔炼温度为700～760℃，铝合金原料在30～50％熔化为铝液时，开启电磁搅拌，当铝合金原料全部融化后，加入中间合金、添加剂、纯金属，并进行扒渣、调成分、转炉至保温炉进行炉内精炼，成分合格后，熔体静置30～120min，随后在700～720℃条件下去除熔体中的气体和炉渣，随后在680～710℃条件下浇铸成铝合金铸锭。
3.如权利要求2所述7系铝合金厚板的加工方法，其特征在于，步骤B铝合金在保温炉内精炼时加入液态铝合金量0.5～2％的精炼剂，并进行均匀搅拌，液态铝合金精炼20～40min，直到液面无气泡产生。
4.如权利要求1所述7系铝合金厚板的加工方法，其特征在于，步骤C的均匀化制度为在470～480℃保温23～48h。
5.如权利要求1所述7系铝合金厚板的加工方法，其特征在于，步骤D中加热炉为推进式加热炉。
6.如权利要求1所述7系铝合金厚板的加工方法，其特征在于，步骤E中淬火过程为固溶后的板材在水中或采用喷淋的方式进行淬火，冷却速度为130～500℃/s。
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