CN110129638B

CN110129638B - 一种航天用铝合金多变截面挤压型材及其制备方法

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Publication number: CN110129638B
Application number: CN201910389433.3A
Authority: CN
Inventors: 章伟; 魏新民; 赵蛟龙; 李维忠; 赵育宏; 田建强; 张世通; 周霞; 陈小霞; 刘旭明
Original assignee: Northwest Aluminum Industry Co ltd
Current assignee: Northwest Aluminum Industry Co ltd
Priority date: 2019-05-10
Filing date: 2019-05-10
Publication date: 2021-06-01
Anticipated expiration: 2039-05-10
Also published as: CN110129638A

Abstract

本发明公开了一种航天用铝合金多变截面挤压型材及其制备方法，该型材由以下重量百分比含量的元素组成：Zn 5.0‑6.0%、Cu1.0‑2.0%、Mn 0.04‑0.1%、Mg2.0‑3.0%、Cr0.15‑0.25%、Fe0.35‑0.42%、Si≤0.25%，余量为Al。制备时经过熔炼、净化静置、铸造、均匀化处理、铸锭加热、挤压、预精整、固溶处理、矫直精整、深加工、时效处理、微调处理后得到成品。本发明通过设定特定的合金成分组成及其制备工艺，获得一次成型的铝合金多变截面挤压型材，大大提高了铝合金型材的强度、抗疲劳韧性、耐腐蚀性能和抗应力腐蚀性能，能满足运载火箭发射架对多变截面铝合金型材的综合性能要求，突破了目前多截面型材挤压成型的瓶颈，保证了其各项指标均满足标准和使用要求，为我国新型运载火箭的研究提供了材料保障。

Description

一种航天用铝合金多变截面挤压型材及其制备方法

技术领域

本发明属于铝合金型材加工技术领域，具体涉及一种航天用铝合金多变截面挤压型材及其制备方法。

背景技术

运载火箭是实现航天器快速部署、重构、扩充和维护的保障，是大规模开发和利用太空资源的重要载体，也是国民经济发展的重要推动力量。目前，国内发射架使用的多变截面型材主要通过焊接、机加工成型，存在连接区域应力集中、强度比母材低等情况。为了提高发射架承重件的承载能力、安全性和使用寿命，要求铝合金多变截面型材一次成型，并且具备更高的强度、更好的抗疲劳韧性、耐腐蚀性能和抗应力腐蚀性能。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的技术问题，提供一种通过设计特定合金组成，能提高铝合金型材的强度、抗疲劳韧性、耐腐蚀性能和抗应力腐蚀性能，且能满足运载火箭发射架对多变截面铝合金型材综合性能要求的航天用铝合金多变截面挤压型材。

本发明的另一个目的是提供一种航天用铝合金多变截面挤压型材的制备方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种航天用铝合金多变截面挤压型材，由以下重量百分比含量的元素组成：Zn 5.0-6.0%、Cu1.0-2.0%、Mn 0.04-0.1%、Mg2.0-3.0%、Cr0.15-0.25%、Fe0.35-0.42%、Si≤0.25%，余量为Al。

一种天用铝合金多变截面挤压型材的制备方法，该方法包括以下步骤：

（1）按元素组成选用品味≥99.80%的重熔铝锭、纯度≥99.90%的锌锭、纯度≥99.95%的镁锭、纯度99.99%的电解铜板和Al-4Cr合金、Al-10Mn合金、Al-10Fe合金作为原材料；

（2）使用电阻反射炉将重熔铝锭和Al-4Cr合金、Al-10Mn合金、Al-10Fe合金在710-750℃熔化，熔化后在熔体内加入锌锭、镁锭和电解铜板，搅拌熔化成铝合金熔体；

（3）使用氮氯混合气体吹入法进行熔体净化，吹入时间为10-15分钟，扒渣后静置40分钟；

（4）将铝合金熔体依次通过在线除气设备和陶瓷过滤片，进行在线除气和过滤；

（5）在铸造温度715-725℃、铸造速度50-55mm/min、铸造水压0.05-0.08MPa的工艺条件下，将铝合金熔体半连续铸造成铝合金圆铸锭；

（6）将铝合金圆铸锭加热至390-400℃均匀化处理6小时，再升温至450-465℃均匀化处理12小时，然后随炉冷却至250℃以下；

（7）再将铝合金圆铸锭加热至380-450℃，在挤压筒温度380-450℃、挤压速度0.2-1.1mm/s、挤压比3-45的条件下通过不推出铸锭、连续三次更换模具的方法，挤压成多变截面型材，空冷至室温；

（8）将多变截面挤压型材通过预精整后加热至472-477℃，保温2.5小时进行固溶热处理；

（9）将固溶热处理后的多变截面挤压型材通过矫直、精整处理后进行深加工；

（10）将最终深加工制品进行最终精整后时效热处理；

（11）时效后微调得到最终航天用铝合金多变截面挤压型材。

进一步地，所述步骤（3）中的氮氯混合气体比例分别为N₂=83%、Cl₂=17%。

进一步地，所述步骤（4）中在线除气设备转子转速为15-200r/min、气体压力为0.2-0.3MPa，陶瓷过滤片为孔隙率为30+50ppi的双级陶瓷过滤片。

进一步地，所述步骤（5）中铸造成的铝合金圆铸锭为外径为255mm的实心圆铸锭。

进一步地，所述步骤（7）中挤压成的铝合金多变截面型材依次包括底端凸台段、三级段、二级段和一级段，所述底端凸台段的截面形状为“凸”字型，所述一级段的截面形状为倒“T”字型，所述底端凸台段、三级段、二级段和一级段之间的各段连接处外形自然过渡。

进一步地，所述步骤（8）中挤压成的铝合金多变截面型材固溶采用18米立式淬火炉。

进一步地，所述步骤（9）中挤压成的铝合金多变截面型材矫直、精整处理分别采用张力矫直机、立式压力机。

进一步地，所述步骤（9）中挤压成的铝合金多变截面型材深加工采用数控加工中心进行加工。

本发明相对现有技术具有以下有益效果：

1、由于多变截面型材是构成新型运载火箭发射架的主要承重件之一，起到支撑的作用，其截面过渡区性能指标及外形尺寸质量的好坏直接关系到运载火箭的整体运行性能。本发明通过设定特定的合金成分组成及其制备工艺，获得一次成型的铝合金多变截面挤压型材，大大提高了铝合金型材的强度、抗疲劳韧性、耐腐蚀性能和抗应力腐蚀性能，能满足运载火箭发射架对多变截面铝合金型材的综合性能要求，突破了目前多截面型材挤压成型的瓶颈，保证了其各项指标均满足标准和使用要求，为我国新型运载火箭的研究提供了材料保障，具有很好的使用价值和应用前景。

2、本发明铝合金多变截面挤压型材的合金成分组成中，Zn和Mg是铝合金型材的主要强化元素，他们共同存在时，会形成η（MgZn₂）和T（Al₂Mg₂Zn₃）相，η和T相在Al中溶解度很大，且随温度升降剧烈变化，MgZn2在共晶温度下的溶解度达28%，在室温降低到4-5%，有很强的实效强化效果，Zn和Mg含量的提高可使得型材的强度、硬度大大提高，但会使塑性、抗应力腐蚀性能和断裂韧性降低，Cu能降低结晶和晶内电位差，可以改变沉淀相结构和细化晶界沉淀相，抑制沿晶界开裂的趋势，改善合金的抗应力腐蚀性能。本发明通过对合金成分的系统研究和对比后发现，当Zn含量为5.0-6.0%，Mg含量为2.0-3.0%，Cu含量为1.0-2.0%时，可以平衡强度和耐腐蚀性能之间的关系，满足运载火箭对多变截面型材的高综合性能要求。另外，Mn和Cr元素在铸锭均匀化退火时产生弥散质点，阻止位错和晶界的迁移，提高再结晶温度，有效的阻止了晶粒的长大，可细化晶粒，并保证阻止在热加工及热处理后保持未再结晶或部分再结晶状态，使强度提高的同时具有较好的抗应力腐蚀性能，本发明通过对合金成分的研究和对比得出，当Mn含量为0.04-0.1%，Cr含量为0.15-0.25%时，可有效缓解强度和抗应力腐蚀性能的矛盾。

3、本发明在铝合金多变截面挤压型材制备时选择原材料并配料计算，然后经过熔炼、净化静置、铸造、均匀化处理、铸锭加热、挤压、预精整、固溶处理、矫直精整、深加工、时效处理、微调处理后得到成品，各个步骤之间具有严格的逻辑关系，且各个步骤设定了特定的工艺参数。例如（1）在上述步骤中铸造完成后进行均匀化处理的目的是消除铸锭内部合金元素的宏观和微观偏析，使合金元素和粗大化合物充分固溶。本发明经过大量实验及对比研究后发现，将铝合金铸锭加热至390-400℃均匀化处理6小时，再升温至450-465℃均匀化处理12小时，然后随炉冷却至250℃以下。在这种特定条件下可以完全消除铸锭内部Zn、Mg、Cu元素的宏微观偏析，使元素和粗大金属间化合物充分固溶。均匀化温度低于该温度条件或不进行梯度均匀化或时间小于18小时，均不能消除晶内元素的宏观和微观偏析以及破碎细化金属间化合物。而均匀化温度超过该温度条件或均匀化时间超过18小时，则会导致铝合金铸锭局部过烧，均会恶化铝合金型材的力学性能。（2）在上述步骤中本发明经过大量实验及对比研究后发现，将铸锭加热至380-450℃，在挤压筒温度380-450℃、挤压速度0.2-1.1mm/s、挤压比3-45的条件下先挤压一级最小壁厚截面，挤压到工艺要求长度，先将挤压筒从压型嘴推出，卸掉一级组合模，然后放入二级组合模具，将挤压筒推入进行二级截面挤压，依次进行三级截面挤压，最终获得的型材过渡区性能优良，能展现出优异的综合性能。（3）在上述步骤中本发明经过大量实验及对比研究后发现，将多变截面挤压型材通过预精整后加热至472-477℃，保温2.5小时进行固溶热处理，可得到性能最佳的固溶组织。如果温度过高、时间过长会产生高倍组织过烧；如果温度过低、时间太短，固溶会不充分，得不到最佳固溶组织。（4）气孔和夹渣是铝合金型材的致命缺陷，因此，提高铝合金型材的纯净度是保障铝合金型材获得高综合性能的基础。本发明先采用氮氯混合气体对炉内熔体进行喷吹精炼除气除渣，再将铝熔体通过转子转速为15-200r/min，气体压力为0.2-0.3MPa的除气除渣设备，最后通过30+50ppi的双级陶瓷过滤片进行过滤处理，对铝合金熔体进行深度净化，有效提高了最终铝合金型材成品的纯净度。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图；

图2为本发明铝合金多变截面挤压型材底端凸台段的外形图；

图3为本发明铝合金多变截面挤压型材三级段的外形图；

图4为本发明铝合金多变截面挤压型材二级段的外形图；

图5为本发明铝合金多变截面挤压型材一级段的外形图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

一种航天用铝合金多变截面挤压型材，由以下重量百分比含量的元素组成：Zn5.0%、Cu2.0%、Mn 0.04%、Mg3.0%、Cr0.15%、Fe0.42%、Si≤0.25%，余量为Al。

该航天用铝合金多变截面挤压型材的制备方法，包括以下步骤：

（1）按元素组成选用品味≥99.80%的重熔铝锭、纯度≥99.90%的锌锭、纯度≥99.95%的镁锭、纯度99.99%的电解铜板和Al-4Cr合金、Al-10Mn合金、Al-10Fe合金作为原材料。

（2）使用电阻反射炉将重熔铝锭和Al-4Cr合金、Al-10Mn合金、Al-10Fe合金在710℃熔化，熔化后在熔体内加入锌锭、镁锭和电解铜板，搅拌熔化成铝合金熔体。

（3）使用氮氯混合气体吹入法进行熔体净化，氮氯混合气体比例分别为N₂=83%、Cl₂=17%，吹入时间为10分钟，扒渣后静置40分钟。

（4）将铝合金熔体依次通过在线除气设备和陶瓷过滤片进行在线除气和过滤，在线除气设备转子转速为15r/min、气体压力为0.3MPa，陶瓷过滤片为孔隙率为30+50ppi的双级陶瓷过滤片。

（5）在铸造温度715℃、铸造速度50mm/min、铸造水压0.05MPa的工艺条件下，将铝合金熔体半连续铸造成外径为255mm的实心铝合金圆铸锭。

（6）将铝合金圆铸锭加热至390℃均匀化处理6小时，再升温至450℃均匀化处理12小时，然后随炉冷却至250℃以下。

（7）再将铝合金圆铸锭加热至380℃，在挤压筒温度380℃、挤压速度0.2mm/s、挤压比3的条件下通过不推出铸锭、连续三次更换模具的方法，挤压成多变截面型材，空冷至室温，挤压成的铝合金多变截面型材依次包括底端凸台段、三级段、二级段和一级段，其中底端凸台段的截面形状为“凸”字型，一级段的截面形状为倒“T”字型，底端凸台段、三级段、二级段和一级段之间的各段连接处外形自然过渡。

（8）将多变截面挤压型材通过预精整后加热至472℃，保温2.5小时采用18米立式淬火炉进行固溶热处理。

（9）将固溶热处理后的多变截面挤压型材采用卧式张力矫直机进行多次矫直、然后采用立式压力机进行精整，处理后采用数控加工中心进行深加工。

（10）将最终深加工制品进行最终精整后采用普通7A09时效工艺进行时效热处理。

（11）时效后采用立式压力机进行微调得到最终航天用铝合金多变截面挤压型材。

实施例2

一种航天用铝合金多变截面挤压型材，由以下重量百分比含量的元素组成：Zn6.0%、Cu1.0%、Mn 0.1%、Mg2.0%、Cr0.25%、Fe0.35%、Si≤0.25%，余量为Al。

该航天用铝合金多变截面挤压型材的制备方法包括以下步骤：

（2）使用电阻反射炉将重熔铝锭和Al-4Cr合金、Al-10Mn合金、Al-10Fe合金在750℃熔化，熔化后在熔体内加入锌锭、镁锭和电解铜板，搅拌熔化成铝合金熔体。

（3）使用氮氯混合气体吹入法进行熔体净化，氮氯混合气体比例分别为N₂=83%、Cl₂=17%，吹入时间为15分钟，扒渣后静置40分钟。

（4）将铝合金熔体依次通过在线除气设备和陶瓷过滤片进行在线除气和过滤，在线除气设备转子转速为200r/min、气体压力为0.2MPa，陶瓷过滤片为孔隙率为30+50ppi的双级陶瓷过滤片。

（5）在铸造温度725℃、铸造速度55mm/min、铸造水压0.08MPa的工艺条件下，将铝合金熔体半连续铸造成外径为255mm的实心铝合金圆铸锭。

（6）将铝合金圆铸锭加热至400℃均匀化处理6小时，再升温至465℃均匀化处理12小时，然后随炉冷却至250℃以下。

（7）再将铝合金圆铸锭加热至450℃，在挤压筒温度450℃、挤压速度1.1mm/s、挤压比45的条件下通过不推出铸锭、连续三次更换模具的方法，挤压成多变截面型材，空冷至室温，挤压成的铝合金多变截面型材依次包括底端凸台段、三级段、二级段和一级段，其中底端凸台段的截面形状为“凸”字型，一级段的截面形状为倒“T”字型，底端凸台段、三级段、二级段和一级段之间的各段连接处外形自然过渡。

（8）将多变截面挤压型材通过预精整后加热至477℃，保温2.5小时采用18米立式淬火炉进行固溶热处理。

实施例3

一种航天用铝合金多变截面挤压型材，由以下重量百分比含量的元素组成：Zn6.0%、Cu2.0%、Mn 0.04%、Mg2.0%、Cr0.20%、Fe0.40%、Si≤0.25%，余量为Al。

（2）使用电阻反射炉将重熔铝锭和Al-4Cr合金、Al-10Mn合金、Al-10Fe合金在730℃熔化，熔化后在熔体内加入锌锭、镁锭和电解铜板，搅拌熔化成铝合金熔体。

（3）使用氮氯混合气体吹入法进行熔体净化，氮氯混合气体比例分别为N₂=83%、Cl₂=17%，吹入时间为12分钟，扒渣后静置40分钟。

（4）将铝合金熔体依次通过在线除气设备和陶瓷过滤片进行在线除气和过滤，在线除气设备转子转速为100r/min、气体压力为0.2MPa，陶瓷过滤片为孔隙率为30+50ppi的双级陶瓷过滤片。

（5）在铸造温度720℃、铸造速度53mm/min、铸造水压0.06MPa的工艺条件下，将铝合金熔体半连续铸造成外径为255mm的实心铝合金圆铸锭。

（6）将铝合金圆铸锭加热至395℃均匀化处理6小时，再升温至460℃均匀化处理12小时，然后随炉冷却至250℃以下。

（7）再将铝合金圆铸锭加热至400℃，在挤压筒温度400℃、挤压速度0.5mm/s、挤压比20的条件下通过不推出铸锭、连续三次更换模具的方法，挤压成多变截面型材，空冷至室温，挤压成的铝合金多变截面型材依次包括底端凸台段、三级段、二级段和一级段，其中底端凸台段的截面形状为“凸”字型，一级段的截面形状为倒“T”字型，底端凸台段、三级段、二级段和一级段之间的各段连接处外形自然过渡。

（8）将多变截面挤压型材通过预精整后加热至475℃，保温2.5小时采用18米立式淬火炉进行固溶热处理。

Claims

1.一种航天用铝合金多变截面挤压型材，其特征在于：由以下重量百分比含量的元素组成：Zn 5.0-6.0%、Cu1.0-2.0%、Mn 0.04-0.1%、Mg2.0-3.0%、Cr0.15-0.25%、Fe0.35-0.42%、Si≤0.25%，余量为Al；其航天用铝合金多变截面挤压型材制备时包括以下步骤：

（7）再将铝合金圆铸锭加热至380-450℃，在挤压筒温度380-450℃、挤压速度0.2-1.1mm/s、挤压比3-45的条件下通过不推出铸锭、连续三次更换模具的方法，挤压成多变截面型材，空冷至室温；挤压成的铝合金多变截面型材依次包括底端凸台段、三级段、二级段和一级段，所述底端凸台段的截面形状为“凸”字型，所述一级段的截面形状为倒“T”字型，所述底端凸台段、三级段、二级段和一级段之间的各段连接处外形自然过渡；

（10）将最终深加工制品进行最终精整后时效热处理；

2.根据权利要求1所述的一种航天用铝合金多变截面挤压型材，其特征在于：所述步骤（3）中的氮氯混合气体比例分别为N₂=83%、Cl₂=17%。

3.根据权利要求1所述的一种航天用铝合金多变截面挤压型材，其特征在于：所述步骤（4）中在线除气设备转子转速为15-200r/min、气体压力为0.2-0.3MPa，陶瓷过滤片为孔隙率为30+50ppi的双级陶瓷过滤片。

4.根据权利要求1所述的一种航天用铝合金多变截面挤压型材，其特征在于：所述步骤（5）中铸造成的铝合金圆铸锭为外径为255mm的实心圆铸锭。

5.根据权利要求1所述的一种航天用铝合金多变截面挤压型材，其特征在于：所述步骤（8）中挤压成的铝合金多变截面型材固溶采用18米立式淬火炉。

6.根据权利要求1所述的一种航天用铝合金多变截面挤压型材，其特征在于：所述步骤（9）中挤压成的铝合金多变截面型材矫直、精整处理分别采用张力矫直机、立式压力机。

7.根据权利要求1所述的一种航天用铝合金多变截面挤压型材，其特征在于：所述步骤（9）中挤压成的铝合金多变截面型材深加工采用数控加工中心进行加工。