CN109719131B - 2000系铝合金板材的热成型方法 - Google Patents

Abstract

一种2000系铝合金板材的热成型方法，能够进一步提高2000系铝合金的断裂韧性，实现更优异的损伤容限性能。所述热成型方法的核心生产工艺是热轧→一次固溶→冷轧，在进行所述热轧的工序中，将轧制温度选择为405℃‑430℃，并且在轧制初期采用较小的单道次变形量，在轧制变形接近一半时开始加大单道次变形量，在轧制后期采用较小的单道次变形量进行轧制，在进行冷轧的工序中，将轧制的变形量设定为20±5％。

Description

2000系铝合金板材的热成型方法

技术领域

本发明涉及一种中强度、高损伤容限型铝合金板材的热成型工艺，更具体地，涉及2000系铝合金板材的热成型方法。

背景技术

2000系铝合金板材，例如2000系的Al-Cu-(Mg)合金板材，作为一种中强度、高损伤容限型铝合金板材，具有优良的韧性、强度及疲劳性能，特别是在耐热性方面显著优于其它系列的铝合金板材，因而是最主要的轻量化结构材料，而被广泛应用于航空航天工业(例如飞机机身蒙皮、下翼蒙皮等)。但是，如何提髙可热处理型2000系航空铝合金的强度、韧性、腐蚀性能、耐热性能和疲劳损伤容限性能，一直是科学界和工程界研究的热点问题，同时也是难点问题。

2024HDT-T351铝合金是国外近年来在原有2024铝合金基础上新开发的高损伤容限型铝合金，具有高比强度、高断裂韧性和优异的综合性能，其疲劳抗力也在原有基础上得到提升。2024HDT合金的制备需要在合金成分、热加工工艺等方面进行严格控制。热加工工艺流程和参数窗口对制备合格的2024HDT-T351铝合金具有重要的影响。

中国专利申请CN1867689A公开了一种用于生产高损伤容限铝合金的方法，主要针对的是生产2-7mm的薄板，其特征是对热轧产品的冷却速度进行控制。

美国专利申请US2008/0060724A公开了一种2000系铝合金厚板和薄板的生产流程，其中，

厚板(厚度：25mm-50mm)的流程：铸造→均匀化→热轧→退火和/或二次加热→热轧→固溶淬火→拉伸→自然时效；

薄板(厚度：2.0mm-12mm)的流程：铸造→均匀化→热轧→固溶淬火(采用均匀化时的温度和时间)→冷轧→拉伸→自然时效。

美国专利第5938867号提出铸锭热轧后在385℃-468℃进行中间退火，制备出2024HDT合金。

另外，美国专利第5213639号在2024系铝合金的成分上进行了调整，并提出热轧后在479℃-524℃加热继续热轧。

但是，如何能进一步提高2000系铝合金的断裂韧性，以实现更优异的损伤容限性能是本发明所要解决的一个技术问题。

发明内容

本发明为解决上述技术问题而作，其目的在于提供一种2000系铝合金板材的热成型方法，能够进一步提高2000系铝合金的断裂韧性，实现更优异的损伤容限性能。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种2000系铝合金板材的热成型方法，其中，所述热成型方法的核心生产工艺是热轧→一次固溶→冷轧，在进行所述热轧的工序中，将轧制温度选择为405℃-430℃，并且在轧制初期采用较小的单道次变形量，在轧制变形接近一半时开始加大单道次变形量，在轧制后期采用较小的单道次变形量进行轧制，在进行冷轧的工序中，将轧制的变形量设定为20±5％。

根据如上所述的热成型方法，基于试样的高温瞬时性能，并结合实际生产，在热轧工艺中将轧制温度选择在具有良好的加工工艺性能的405℃-430℃，并且在轧制初期采用较小的单道次变形量，在轧制变形接近一半时加大单道次变形量，在轧制后期为了保证板型而采取较小的单道次变形量进行轧制，由此使合金能够保持良好的热塑性，另外，在冷轧工艺中，将轧制的变形量设定为20±5％，由此，能在确保强化效果的同时不易产生缺陷。

在本发明中，由于在保证铝合金具有良好的热成形性能的基础上，采用更大的单道次压下量能够保证变形充分，因此，较为理想的是，在进行所述热轧的工序中，在轧制变形接近一半时采用单道次大压下量，单道次变形量为20％-30％。在本发明中，较为理想的是，在进行所述热轧的工序中，热轧后的板材厚度根据进行所述冷轧的变形量所确定，以满足进行所述冷轧的工序中的轧制变形量为20±5％，由此使得热轧后的规格能够与冷轧匹配。

在本发明中，较为理想的是，所述一次固溶的工序中的恒温温度为496±3℃。

在本发明中，较为理想的是，所述2000系铝合金板材的成型厚度为12.7mm-38.1mm。

另外，在材料规范中，厚度12.7mm-38.1mm采用统一标准，经过多次对比试验可知，通过上述热成型工艺生产得到的板材具有优异的损伤容限性能，与现有的进口同类材料的断裂韧性得到明显提高。

在本发明中，较为理想的是，所述2000系铝合金板材是2024HDT-T351型的铝合金。

附图说明

图1是表示从铸锭制成的试片在不同温度下的强度、延伸率、断面收缩率的热塑性曲线。

图2是表示采用通过本发明的热成型工艺得到的铝合金板材与现有的进口同类材料的L-T向断裂韧性的对比图。

图3是表示采用通过本发明的热成型工艺得到的铝合金板材与现有的进口同类材料的T-L向断裂韧性的对比图。

具体实施方式

首先，对本发明的高损伤容限型合金板材的生产工艺进行简单说明。

本发明的2000系铝合金板材的生产工艺流程为：铸造→均匀化处理锯切→铣面热轧→一次固溶(采用高温退火的工艺参数)→冷轧(矫直)→二次固溶→预拉伸→自然时效。

另外，由于本发明着眼于高损伤容限型合金板材的强韧性匹配要求，因此，核心的板材生产工艺是：热轧→一次固溶→冷轧。

以下，主要针对热轧、一次固溶、冷轧分别进行展开说明。

此处所说明的2000系铝合金板材以2024HDT-T351型铝合金板材为例，但不局限于此种型号，也可以适用于2000系铝合金板材的其他型号。

另外，此处所使用的2000系铝合金板材(例如2024HDT-T351型)的厚度为12.7mm-38.1mm。

热轧

在本发明中，对于热轧的参数选择，着重考虑的是轧制温度和变形量(单道次变形量和总变形量，以％计)。

-板材轧制预加热-

在板材轧制预加热工序中，主要是轧制温度的选择。轧制温度的选择依据是通过热模拟及热塑性试验获得，而轧制速度依据具体工业化生产中的高损伤容限性能合金(2000系铝合金板材)具体的轧制板型摸索获得。

首先，从铸锭上切取试片加工成高温瞬时试片，测定该试片在不同温度(20℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、425℃、450℃、475℃、500℃)下的强度、延伸率、断面收缩率的性能参数，测得的结构试验结果见表1，而热塑性曲线如图1所示。另外，表1是2000系铝合金板材的铸锭试样的高温瞬时性能。

表1：

其中：

R_m：强度；

A：延伸率；

ψ：断面收缩率

从试样的高温瞬时性能来看，铸锭在400℃-450℃之间具有良好的加工工艺性能。另外，结合实际生产，为了确保能够获得理想的温度控制水平，则优选将轧制温度确定为405℃-430℃。

-板材轧制-

在板材轧制工序中，考虑合金开坯时厚度规格较大，结合2000系铝合金板材的轧制道次分配规律，为了保证合金保持良好的热塑性，轧制初期采用较小的单道次变形量，在轧制变形接近一半时加大单道次变形量，在轧制后期为了保证板型而采取较小的单道次变形量进行轧制。

另外，在保证铝合金具有良好的热成形性能的基础上，采用更大的单道次压下量能够保证变形充分，因此，较为理想的是，在轧制变形接近一半时采用单道次大压下量，单道次变形量为20％-30％。

对于总变形量，由于采用的铸锭规格可以保证充足的总变形量，因此，热轧后的规格(例如，板材厚度)主要考虑与冷轧的匹配性。

一次固溶

一次固溶和二次固溶也均可称为固溶处理，其是指将合金加热到高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中后快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺。

另外，在一次固溶中，对于其中的温度和时间的参数，执行下述表2所示的一次固溶的处理方案，以加以验证。

表2：

温度	时间	时间	时间	时间
					488℃	80min	100min	120min	140min
490℃	80min	100min	120min	140min
					493℃	80min	100min	120min	140min
496℃	80min	100min	120min	140min
					499℃	80min	100min	120min	140min

在验证过程中，在从固溶处理后的厚板表面至厚度中心部二分之一处附近，沿横断面取直径5mm厚度0.7mm的样品进行DSC分析。DSC分析采用的是铝坩埚，从20℃升温至550℃(升温速度控制在10℃/min)。不同状态DSC分析数据见表3。

表3是不同状态DSC分析数据。

表3：

注：0代表热轧板

A1-A4分别代表488℃×80min、100min、120min、140min。

B1-B4分别代表490℃×80min、100min、120min、140min。

C1-C4分别代表493℃×80min、100min、120min、140min。

D1-D4分别代表496℃×80min、100min、120min、140min。

E1-E4分别代表499℃×80min、100min、120min、140min。

根据美国SAE航空航天材料规范AMS2772(铝合金原材料热处理标准)，其中所推荐的温度范围是488℃-499℃，并且根据试验可知温度越高，第二相固溶越充分(焓值越小)，而保温时间影响不大，另外这个温度不能超过过烧温度，因此，取其上限499℃。同时考虑到炉子温度存在±3℃，因此，在一次固溶中，将上述恒温温度最终选取为496±3℃。另外，不同保温时间焓值变化不大，在本发明中，选取为保温90-110分钟。

冷轧

冷轧是提升板材综合性能的关键工序之一，经高温退火处理“软化”后的板材进行冷轧，可以引入位错，在随后的二次固溶处理中位错重排，形成亚晶，有利于改善合金的强度与韧性。

在冷轧工序中，将轧制的变形量(＝(轧制前厚度-轧制后厚度)/轧制前厚度，以％计)设定为20±5％。如果轧制的变形量过小，则强化效果不足，而轧制的变形量过大，则同样易于产生缺陷。

也就是说，热轧后的板材厚度是在考虑了冷轧的轧制变形量满足20±5％的基础上确定的。

下面，以不同的实施例(实施例1-3)，对三个不同厚度的2000系铝合金板材(2024HDT-T351型铝合金板材)的核心制造方法的核心参数进行说明。

实施例1

实施例1的2000系铝合金板材(2024HDT-T351型铝合金板材)的成型厚度为25.4mm，轧制前的铸锭厚度为394mm。

首先，对铸锭进行热轧，在热轧工序中，轧制温度(出炉温度)选取405℃-430℃，轧制道次分配参见表4。

板材在进行了热轧后进行一次固溶，在一次固溶工序中，将恒温温度选取为496±3℃，加热时间为40±5分钟，保温时间为90±5分钟，淬火行进速度为285mm/s。

板材在进行了一次固溶后再进行冷轧，在冷轧工序中，冷轧道次分配如下：

33.5mm→32.5mm→31.5mm→30.5mm→29.5mm→28.5mm→27.5mm→26mm。

从表4可见，热轧的最后一个道次轧制后的厚度为33.5mm，冷轧的最后一个道次轧制后的厚度为26mm，冷轧工序中的轧制变形量为22.3％。

实施例2

实施例2的2000系铝合金板材(2024HDT-T351型铝合金板材)的成型厚度为27mm，轧制前的铸锭厚度为394mm。

首先，对铸锭进行热轧，在热轧工序中，轧制温度(出炉温度)选取405℃-430℃，轧制道次分配参见表5。

板材在进行了热轧后进行一次固溶，在一次固溶工序中，将恒温温度选取为496±3℃，加热时间为45±5分钟，保温时间为100±5分钟，淬火行进速度为285mm/s。

板材在进行了一次固溶后再进行冷轧，在冷轧工序中，冷轧道次分配如下：

35.5mm→34.5mm→33.5mm→32.5mm→31.5mm→30.5mm→29.5mm→28mm。

从表5可见，热轧的最后一个道次轧制后的厚度为35.5mm，冷轧的最后一个道次轧制后的厚度为28mm，冷轧工序中的轧制变形量为21.1％。

实施例3

实施例3的2000系铝合金板材(2024HDT-T351型铝合金板材)的成型厚度为30mm，轧制前的铸锭厚度为394mm。

首先，对铸锭进行热轧，在热轧工序中，轧制温度(出炉温度)选取405℃-430℃，轧制道次分配参见表6。

板材在进行了热轧后进行一次固溶，在一次固溶工序中，将恒温温度选取为496±3℃，加热时间为50±5分钟，保温时间为110±5分钟，淬火行进速度为285mm/s。

板材在进行了一次固溶后再进行冷轧，在冷轧工序中，冷轧道次分配如下：

39.2mm→38.2mm→37.2mm→36.2mm→35.2mm→34.2mm→33.2mm→32.2mm→31mm。

从表6可见，热轧的最后一个道次轧制后的厚度为39.2mm，冷轧的最后一个道次轧制后的厚度为31mm，冷轧工序中的轧制变形量为20.9％。

损伤容限性能试验结果

经过多批次不同厚度(12.7-38.1mm范围内)的材料的试验的对比结果分析，通过上述热成型工艺生产得到的板材，具有优异的损伤容限性能，与现有的进口同类材料的断裂韧性对比结果见表7。

相比于现有的进口同类材料，采用本发明生产得到的铝合金板材的L-T向断裂韧性平均提高了8.6％，T-L向断裂韧性平均提高了9.9％。

另外，虽然此处仅示出了厚度为25.4mm、27.0mm、30.0mm的示例性的轧制道次表，但在材料规范中，厚度12.7mm-38.1mm采用的是统一标准，通过本发明的2000系铝合金板材的热成型方法生产得到的板材同样具有优异的损伤容限性能，与现有的进口同类材料的断裂韧性相比，均有不同程度的显著提高。

表4 2024HDT合金25.4mm板材轧制道次表

表5 2024HDT合金27.0mm板材轧制道次表

表6 2024HDT合金30.0mm板材轧制道次表

表7本发明与现有材料的L-T向、T-L向的断裂韧性的对比

Claims (6)

1.一种2000系铝合金板材的热成型方法，其特征在于，

所述热成型方法的核心生产工艺是热轧→一次固溶→冷轧，

在进行所述热轧的工序中，将轧制温度选择为405℃-425℃，并且在轧制初期采用较小的单道次变形量，在轧制变形接近一半时开始加大单道次变形量，在轧制后期采用较小的单道次变形量进行轧制，

在进行冷轧的工序中，将轧制的变形量设定为20±5％。

2.如权利要求1所述的2000系铝合金板材的热成型方法，其特征在于，

在进行所述热轧的工序中，在轧制变形接近一半时采用单道次大压下量，单道次变形量为20％-30％。

3.如权利要求1所述的2000系铝合金板材的热成型方法，其特征在于，

在进行所述热轧的工序中，热轧后的板材厚度根据进行所述冷轧的变形量所确定，以满足进行所述冷轧的工序中的轧制变形量为20±5％。

4.如权利要求1所述的2000系铝合金板材的热成型方法，其特征在于，

所述一次固溶的工序中的恒温温度为496±3℃。

5.如权利要求1所述的2000系铝合金板材的热成型方法，其特征在于，

所述2000系铝合金板材的成型厚度为12.7mm-38.1mm。

6.如权利要求1所述的2000系铝合金板材的热成型方法，其特征在于，

所述2000系铝合金板材是2024HDT-T351型的铝合金。

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