CN109487186A - 一种蠕变时效成形铝合金构件形/性协同优化的方法 - Google Patents

一种蠕变时效成形铝合金构件形/性协同优化的方法 Download PDF

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Abstract

一种蠕变时效成形铝合金构件形/性协同优化的方法，铝合金板材固溶后水淬，淬火后板材进行人工时效处理，之后在室温下进行变形量为20‑90％的预变形至所需厚度，然后进行蠕变时效成形。本发明与传统方法加工的铝合金构件相比，屈服强度可以提升40‑100MPa而保持延伸率不降低，同时蠕变量大大提高；与蠕变时效成形前只添加了预变形工艺相比，延伸率在保持的同时屈服强度可以进一步提升15‑60MPa，可以在较小的预变形量下实现性能的显著提升，而在总的蠕变量保持的情况下，显著提高时效成形初期的蠕变速率和蠕变量，达到同样蠕变量的时间可以缩减一倍，提高壁板构件的制造效率。

Description

一种蠕变时效成形铝合金构件形/性协同优化的方法
技术领域
本发明属于有色金属材料加工工程技术领域，特别涉及一种蠕变时效成形铝合金构件形/性协同优化的方法。
背景技术
铝合金密度小，比强度大，耐腐蚀性优良，表面美观，利用铝合金代替传统金属材料是实现轻量化和节能减排的重要方法。蠕变时效成形技术(Creep age forming；简称CAF)，又称时效成形技术。蠕变时效成形利用材料的蠕变特性，将人工时效与材料变形相统一，从而实现构件成形的一种制造工艺。CAF在精确成形的同时实现宏微观性能的提升，目前该技术在国外已经取得了较大的发展，空客、波音和麦道等公司都采用了蠕变时效成形技术。该技术可有效解决大型复杂曲率整体壁板制造过程形性协同难题，且成形后的薄壁光滑、变形均匀、残余应力低、成形精度高、尺寸稳定、性能均匀以及可重复性好，装配容差可控制在±1mm以内。
但在实际应用中，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。人们通过引入较大预变形来提高蠕变时效成形的效果，国内发明专利公开号为CN108486508A的发明专利提出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。该工艺可在较低温度和应力下提高合金蠕变量以及成形效率。航空航天和深空探索事业的发展对大型构件强度提出了更高的要求，如何保证成形的同时进一步提高性能是该领域零件制造业面临的永恒问题。
新型航空航天装备对铝合金大型构件性能和成形精度的要求越来越高，开发一种能够更加显著的提升构件蠕变成形效率以及服役性能的工艺极为重要。另外，降低预变形量也能减少铝合金在室温变形时开裂的可能，同样具有重要的现实意义。
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蠕变时效成形铝合金构件形/性协同优化的方法，铝合金板材在蠕变时效前通过预时效加上冷轧(20％以上)，提前引入细小的析出相调控预变形组织的特征进而影响后续蠕变时效过程中位错的运动与析出过程，从而提高蠕变时效的蠕变效率以及力学性能。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种蠕变时效成形铝合金构件形/性协同优化的方法，铝合金板材固溶后水淬，淬火后板材进行适当的人工时效处理，之后在室温下进行变形量为20-90％的预变形至所需厚度，然后进行蠕变时效成形。
本发明采用的固溶和水淬是常规铝合金处理工艺。
本发明所述适当的时效处理主要指人工时效，这里选取的时效温度为80-180℃，处理时间为0.5～24h，但不局限于此。
本发明所述预变形主要指冷轧处理，但不局限于此。
本发明所述蠕变时效的温度选取80-180℃，处理时间为2～24h，施加的应力与构件在模具中的状态有关，一般在0-450MPa之间。
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。
优选地，所述铝合金板材为热轧铝合金板材。
本发明的原理：通过合金固溶-淬火后进行人工时效，引入不同分布特征的纳米尺寸析出相，这些不同状态的析出相可以影响预变形过程产生位错的密度和分布，进而改变蠕变时效成形时的交互作用规律。铝合金中初始引入的大量人工时效析出相也可作为后续蠕变时效过程中析出相的异质形核核心，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。合理设置参数可以在蠕变时效成形前引入更多的可动位错来提高蠕变成形效率，同时获得强化效果更佳的析出和位错状态，实现形/性的协同改善。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明提出的蠕变时效成形工艺处理后与传统方法加工的铝合金构件相比，屈服强度可以提升40-100MPa而保持延伸率不降低，同时蠕变量大大提高(在相同温度相同加载的情况下蠕变量提高6-15倍)；与蠕变时效成形前只添加了预变形工艺(公开号CN108486508A发明专利)相比，延伸率在保持的同时屈服强度可以进一步提升15-60MPa，可以在较小的预变形量下实现性能的显著提升。
2.本发明提供的工艺可以进一步改善铝合金构件的形/性协同，提升铝合金构件的品质。在总的蠕变量保持的情况下，显著提高时效成形初期的蠕变速率和蠕变量，达到同样蠕变量的时间可以缩减一倍，提高壁板构件的制造效率。
附图说明
图1是对比实施例和实施例铝合金板材的微观硬度曲线。
图2是本发明实施例铝合金板材的微观硬度曲线。
图3是对比实施例铝合金板材的蠕变曲线。
图4是本发明实施例铝合金板材的蠕变曲线。
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10s。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后，得铝合金板材；在室温下进行冷轧20％的变形处理，然后在蠕变机上进行蠕变时效实验，温度选取140℃，用Vickers硬度试验机上进行整个过程的硬度测试，取峰值点试样进行拉伸实验。
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后，得铝合金板材；在室温下进行冷轧80％的变形处理，然后在蠕变机上进行蠕变时效实验，温度选取120℃，用Vickers硬度试验机上进行整个过程的硬度测试，取峰值点试样进行拉伸实验。
对比实施例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；在室温下自然时效24h，再在室温下进行冷轧80％的变形处理，然后在蠕变机上进行蠕变时效实验，时效温度选取120℃，用Vickers硬度试验机上进行整个过程的硬度测试，取峰值点试样进行拉伸实验。
对比实施例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；在室温下进行冷轧20％的变形处理，然后在蠕变机里进行蠕变实验，蠕变时效温度选取140℃，蠕变时间为12h，蠕变应力为150MPa。
对比实施例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；在室温下进行冷轧80％的变形处理，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。
对比实施例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；在室温下自然时效24h，再在室温下进行冷轧80％的变形处理，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。
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；在时效炉里进行165℃人工时效8h，再在室温下进行冷轧20％的变形处理，然后在蠕变机进行蠕变时效实验，温度选取140℃，用Vickers硬度试验机上进行整个过程的硬度测试，取峰值点试样进行拉伸实验。
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；在时效炉里进行165℃人工时效8h，再在室温下进行冷轧80％的变形处理，然后在蠕变炉进行蠕变时效实验，温度选取120℃，用Vickers硬度试验机上进行整个过程的硬度测试，取峰值点试样进行拉伸实验。
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；在时效炉里进行165℃人工时效24h，再在室温下进行冷轧80％的变形处理，然后在蠕变机进行蠕变时效实验，温度选取120℃，用Vickers硬度试验机上进行整个过程的硬度测试，取峰值点试样进行拉伸实验。
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；在时效炉里进行165℃人工时效24h，再在室温下进行冷轧20％的变形处理，然后在蠕变机进行蠕变时效实验，温度选取140℃，用Vickers硬度试验机上进行整个过程的硬度测试，取峰值点试样进行拉伸实验。
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；在时效炉里进行165℃人工时效8h，再在室温下进行冷轧20％的变形处理，然后在蠕变机里进行蠕变实验，蠕变时效温度选取140℃，蠕变时间为12h，蠕变应力为150MPa。
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；在时效炉里进行165℃人工时效8h，再在室温下进行冷轧80％的变形处理，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。
实施例7
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；在时效炉里进行165℃人工时效24h，再在室温下进行冷轧80％的变形处理，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。
表1对比实施例1和2和实施例1-4相应工艺处理后力学性能(强度单位：MPa)
对比例1 对比例2 对比例3 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
屈服强度 382 462 459 431 479 474 438
抗拉强度 467 515 509 501 521 508 486
延伸率 10.6％ 10.8％ 9.7％ 9.7％ 10.1％ 7.2％ 8.9％
表2对比实施例4-6和实施例5-7相应工艺处理后蠕变量
对比例4 对比例5 对比例6 实施例5 实施例6 实施例7
蠕变量 0.6％ 0.75％ 0.76％ 0.452％ 0.85％ 0.79％
表1是使用不进行预时效与使用本发明方法后2219铝合金的抗拉强度、屈服强度、断后延伸率。表2是不进行预时效与使用本发明方法后2219铝合金的蠕变量。图1和图2分别是对比例和实施例随时间变化的微观硬度曲线。图3和图4分别是对比例和部分实施例随时间变化的蠕变曲线。已知使用CN108486508A发明专利方法(单一引入预变形)与传统的相比可以在延伸率保持的同时屈服强度提升30-70MPa，在相同温度下蠕变量提高6-15倍。从这些图表中可以明显得知，在预变形前添加预时效可以在延伸率保持的同时屈服强度再次提升15-60MPa，在相同温度下蠕变量基本一致(是传统蠕变量的6-15倍)，但初期的蠕变速率和蠕变量更大，达到同样蠕变量的时间可以缩减一倍。
以上数据证明本发明提出的蠕变时效成形工艺可以在现有的工艺基础上进一步提高铝合金构件的蠕变量和力学性能，显著提升铝合金构件性能和成形精度，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，较低的预变形量下获得较高强度，本发明是一种可以使铝合金构件形/性协同优化的方法。

Claims (7)

1.一种蠕变时效成形铝合金构件形/性协同优化的方法，其特征在于，铝合金板材固溶后水淬，淬火后板材进行人工时效处理，之后在室温下进行变形量为20-90％的预变形至所需厚度，然后进行蠕变时效成形。
2.根据权利要求1所述蠕变时效成形铝合金构件形/性协同优化的方法，其特征在于，所述人工时效处理的温度为80-180℃，时间为0.5～24h。
3.根据权利要求1所述蠕变时效成形铝合金构件形/性协同优化的方法，其特征在于，所述预变形为冷轧处理。
4.根据权利要求1所述蠕变时效成形铝合金构件形/性协同优化的方法，其特征在于，所述蠕变时效成形的时效温度为80-180℃，处理时间为2～24h，施加的应力在0-450MPa之间。
5.根据权利要求1所述蠕变时效成形铝合金构件形/性协同优化的方法，其特征在于，所述铝合金为时效硬化型铝合金。
6.根据权利要求5所述蠕变时效成形铝合金构件形/性协同优化的方法，其特征在于，所述时效硬化型铝合金为2xxx系、6xxx系或7xxx系铝合金。
7.根据权利要求1所述蠕变时效成形铝合金构件形/性协同优化的方法，其特征在于，所述铝合金板材为热轧铝合金板材。
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