一种调控2219铝合金环件粗大第二相的方法
技术领域
本发明属于金属材料形变热处理工艺技术领域,尤其涉及一种调控2219铝合金环件粗大第二相的方法。
背景技术
2219铝合金是Al-Cu系,热处理强化型铝合金。该合金具有比强度高、低温高温力学性能好和焊接性能好等特点,在航天航空领域得到了广泛的应用。其中,运载火箭贮箱过渡环,为2219铝合金的重要应用。该环形件用来连接贮箱的筒段、前后底与火箭的箱间段,是传力的关键部位,力学性能要求极高。2219铝合金铜含量为5.8%~6.8%,超出铜原子在铝基体中的最大溶解度,会形成Al2Cu第二相粒子。大型环件所需铸锭尺寸大,冷却速度慢,会出现大量粗大Al2Cu第二相粒子团聚。常规环件制造过程为热变形,由于铝基体在高温下较软,粗大Al2Cu粒子在变形过程中受应力较小,难以分散及破碎,后续的热处理过程,聚集的粗大Al2Cu粒子比表面积小,难以得到充分溶解。因此,常规工艺制造的2219铝合金环件,存在大量粗大Al2Cu第二相粒子。Al2Cu粒子是硬而脆的金属间化合物,粗大Al2Cu粒子易成为应力集中和裂纹萌生之处,拉伸时会因应力集中而导致材料过早失效,降低合金塑性。粗大Al2Cu粒子会消耗大量Cu原子,使得铝基体中铜原子浓度降低,时效析出动力减小,导致材料强度降低,难以满足航天航空环形件高性能需求。
目前减少粗大第二相来提高环件性能的专利文献有:文献1专利号201610194060.0,文献2专利号201610894661.2。
文献1提出了一种提高Al-Cu系高强铝合金环件力学性能的方法,在Al-Cu系高强铝合金环件多向锻造、冲孔、扩孔、环轧等塑性成形过程中,引入高温固溶-降温析出热处理与环轧后最终快速升温-高温固溶处理的多重高温固溶热处理工艺,该工艺可减少第二相的数量、尺寸和促进再结晶,提高高强铝合金环件强度及延伸率;但仅靠增加热处理次数,并不能充分溶解粗大第二相,难以满足更高性能指标的Al-Cu系高强铝合金环件制造。
文献2提出了一种提高2219铝合金环件综合力学性能的工艺方法,主要工艺为“高温多向锻造开坯+高温马扩+高温-中低温分段环轧”,该工艺在开坯,马扩及高温轧制阶段,利用高温变形过程铜元素扩散速率加快的效应,一定程度促进了粗大Al2Cu粒子的溶解,且后续中低温轧制阶段,提高环件位错密度,热处理后实现了晶粒细化,提升了环件综合力学性能。但铝合金在高温条件下动态回复效应显著,位错密度低,铜元素扩散通道不足,大尺寸第二相粒子难以充分扩散溶解,成形后大环仍存在少量粗大Al2Cu第二相粒子,导致局部点性能偏低,同时环轧变形量过大,导致环件各向异性显著,故该工艺难以满足更高性能指标的2219铝合金环件制造。
因此,在现有研究成果基础上,如何改进环件制造的形变热处理工艺,实现粗大第二相的充分破碎和溶解,从而提高2219铝合金环件的综合性能,具有很强的现实意义和工程价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是,克服以上背景技术中提到的不足和缺陷,提供一种调控2219铝合金环件粗大第二相的方法,以至少解决背景技术中存在的技术问题,实现2219铝合金环形件中,粗大第二相的充分破碎溶解,使其综合力学性能提高、各向异性降低。
为解决上述技术问题,本发明提出的技术方案为:
一种调控2219铝合金环件粗大第二相的方法,包括以下步骤:
(1)多向锻造开坯:将2219铝合金铸锭加热至490~510℃,采用多向锻造工艺开坯,然后,将坯料进行滚圆和冲孔;
(2)中低温马架扩孔:将冲孔后的2219铝合金环坯,加热至220~260℃,进行马架扩孔;
(3)高温退火:将马架扩孔后的环坯放入炉中,加热至535~542℃,保温时间为2.5~3.5小时;
(4)中低温环件轧制:将高温退火后的环坯降温至200~240℃,并移至碾环机进行环件轧制;
(5)热处理:将轧制后的环件放入炉中,加热至535~542℃,保温4~6小时,然后出炉进行淬火、冷变形,最后进行时效处理,完成2219铝合金环件粗大第二相的调控。
上述的调控2219铝合金环件粗大第二相的方法,优选的,所述多向锻造工艺为七镦六拔多向锻造工艺,多向锻造过程中,单次镦粗变形量为50~65%,终锻温度不低于400℃。
上述的调控2219铝合金环件粗大第二相的方法,优选的,马架扩孔过程中,变形量为50~70%,终锻温度不低于160℃。
上述的调控2219铝合金环件粗大第二相的方法,优选的,环件轧制过程中,变形量为30~50%,终轧温度不低于180℃。
上述的调控2219铝合金环件粗大第二相的方法,优选的,冷变形过程中的变形量为2~5%。
上述的调控2219铝合金环件粗大第二相的方法,优选的,时效处理的温度为150~180℃,时效处理保温时间为20~30小时。
上述的调控2219铝合金环件粗大第二相的方法,优选的,所述2219铝合金环件是指外径为3~10米的大型环件,即该工艺可应用于制造外径为3~10米的大型环件。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
(1)本发明采用多重“中低温大变形+高温退火”的工艺方法,包括“中低温马架扩孔+高温退火”和“中低温环件轧制+固溶”,通过低温变形强剪切作用充分破碎粗大第二相,利用低温条件抑制动态回复,产生高密度的元素扩散位错通道,在后续高温退火过程,实现破碎后第二相的充分溶解,进而提高环件力学性能。Al2Cu第二相粒子脆而硬,在中低温条件下,铝基体较硬,流动过程中,Al2Cu第二相粒子受到的应力较大,容易破碎;破碎后的第二相粒子,比表面积大,且中低温条件下,大量位错累积,可以作为铜元素的扩散通道,提高第二相粒子高温下的溶解效率;Al2Cu第二相粒子得到充分分散及溶解,可以减小粗大第二相粒子聚集引起的提前断裂,提升环件塑性。此外,溶解效率的提高,可提高固溶后基体的过饱和度,增强时效析出动力,使析出相分布更密集,更均匀,有效提升环件综合强度。针对大规格铸锭所带来的第二相富集问题,本申请基于反复的研究和大量实验得出需采用多重“中低温大变形+高温退火”,即“中低温马架扩孔+高温退火”和“中低温环件轧制+固溶”,以充分破碎溶解尺寸较大的第二相,解决大型环件局部点性能偏低问题。
(2)本发明的工艺过程中,减小环轧变形量,增大马扩变形量,可减少第二相粒子层状分布趋势,降低环件性能各向差异,同时可实现环件精确成形。相较于马架扩孔变形,环轧过程金属流动方向更集中,基本沿周向流动,可引起第二相粒子的沿周向层状分布趋势,使环件在径轴方向上更容易出现应力集中,进而提前断裂,故将环轧变形量减少,马扩变形量提高,以减少第二相粒子层状分布的趋势,降低环件各向异性。
综上,在环件制造过程中,本发明既可以减少粗大第二相粒子的数量和尺寸,也可以减弱其层状分布趋势,能够在极大提升环件力学性能的同时,降低其各向异性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例和对比例所用七镦六拔多向锻造开坯过程示意图。
图2为本发明实施例1环件制造过程示意图。
图3是本发明实施例1的工艺流程图。
图4是本发明对比例1的工艺流程图。
图5是本发明对比例2的工艺流程图。
图6是本发明对比例3的工艺流程图。
图7为本发明实施例1和对比例1、2、3制造所得环件的SEM组织(热处理后)对比图。
具体实施方式
为了便于理解本发明,下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述,但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义,下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的,并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明,本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1(中低温马扩+退火+中低温环轧):
本发明调控2219铝合金环件粗大第二相的工艺方法,其制造过程如图2所示,工艺流程如图3所示,具体包括:
(1)多向锻造开坯:将2219铝合金铸锭预热至510℃,置于压机,采用七镦六拔多向锻造工艺开坯(如图1所示,虚线框中步骤进行2次),单次镦粗变形量为65%,终锻温度≥400℃,然后,将坯料进行滚圆和冲孔。
(2)中低温马架扩孔:将冲孔后的2219铝合金环坯,加热至240℃,转移至压机,将与坯料接触的模具预热至200℃,进行马架扩孔;挤压环坯径向,环壁逐渐变薄,最后平整轴向,变形量为65%。
(3)高温退火:将扩孔后的环坯放入炉中,加热至温度538℃,保温3小时。
(4)中低温环件轧制:将环坯置于碾环机,环轧方式为径向轧制,开轧温度为200~240℃,轧制变形量为35%。
(5)热处理:轧后环件室温装炉,坯料升温至538℃,保温4h。将固溶后环件没入淬火池,水池中水保持流动。使用夹具固定环件,采用分段轴向冷压,变形量为3%,冷压后环件立刻转移至时效炉,时效温度为155℃,保温30小时,完成2219铝合金3米环件粗大第二相的调控。
对比例1:(高温马扩+高温环轧)
本对比例调控2219铝合金环件粗大第二相的工艺方法,工艺流程如图4所示,具体包括:
(1)多向锻造开坯过程同实施例1相同;
(2)高温马架扩孔:将冲孔后的2219铝合金环坯,加热至500℃,转移至压机,将与坯料接触的模具预热至400℃,进行马架扩孔,变形量为55%;
(3)高温环件轧制:将环坯置于碾环机,将与环坯接触的轧辊预热至300℃,环轧方式为径向轧制,开轧温度为500℃,轧制变形量为45%;
(4)热处理:热处理过程同实施例1。
相较于实施例1,对比例1并未使用“中低温大变形+高温退火”的工艺方法,马架扩孔的初锻温度为500℃,高温退火步骤省略,环轧的开轧温度为500℃。其余步骤与实施例一致。热处理后对环件的组织、力学性能进行测试。
对比例2(高温马扩+高温-中低温两阶段环轧):
本对比例调控2219铝合金环件粗大第二相的工艺方法,工艺流程如图5所示,具体包括:
(1)多向锻造开坯过程同实施例1;
(2)高温马架扩孔:将冲孔后的2219铝合金环坯,加热至500℃,转移至压机,将与坯料接触的模具预热至400℃,进行马架扩孔,变形量为45%;
(3)高温-中低温两阶段环件轧制:将环坯置于碾环机,环轧方式为径向轧制,轧制过程分为两阶段:一阶段开轧温度为500℃,轧制变形量为35%;二阶段开轧温度为240℃,轧制变形量为20%;
(4)热处理过程同实施例1。
相较于实施例1,对比例2将马架扩孔初锻温度改为500℃,变形量减小为45%,环轧改为先高温,后中低温的两阶段轧制,其中高温轧制阶段变形量35%,中低温轧制阶段变形量为20%,其余步骤均不变。热处理后对环件的组织、力学性能进行测试。
对比例3(中低温马扩+退火+高温-中低温两阶段环轧):
本对比例调控2219铝合金环件粗大第二相的工艺方法,工艺流程如图6所示,具体包括:
(1)多向锻造开坯过程同实施例1;
(2)中低温马架扩孔:将冲孔后的2219铝合金环坯,加热至240℃,转移至压机,将与坯料接触的模具预热至200℃,进行马架扩孔,变形量为45%;
(3)高温退火过程同实施例1;
(4)高温-中低温两阶段环件轧制:将环坯置于碾环机,环轧方式为径向轧制,轧制过程分为两阶段:一阶段开轧温度为500℃,轧制变形量为20%;二阶段开轧温度为240℃,轧制变形量为35%;
(5)热处理过程同实施例1。
相较于实施例1,对比例3马架扩孔开锻温度不变,变形量减小为45%,环轧为先高温,后中低温的两阶段轧制,其中高温轧制阶段变形量20%,中低温轧制阶段变形量与实施例1一致,为35%,其余步骤均不变。热处理后对环件的组织、力学性能进行测试。
图7所示为实施例1与对比例1、2和3成形环件的SEM组织对比。与对比例1工艺相比,对比例2中加入了中低温轧制步骤,热处理后粗大Al2Cu粒子直径下降,但因为缺乏中间退火步骤,第二相并未得到充分溶解;与对比例1和2工艺对比,实施例1将马扩及环轧过程均安排在中低温条件下进行,且加入高温退火的中间过程,配合最终热处理,粗大Al2Cu粒子经历两次“中低温大变形+高温退火”过程,得到充分破碎及溶解,尺寸及数量均极大减少;此外,粗大第二相分布的方向性也极大减弱。
表1为实施例1与对比例1,2和3的成形环件力学性能对比。
表1实施例1与对比例1,2和3的成形环件力学性能对比
通过表1可知,实施例1“中低温马扩+退火+中低温环轧”工艺制造所得环件的综合力学性能明显强于对比例1、2和3,强度普遍提升40~60MPa,延伸率普遍提升5~8%。这是因为粗大第二相尺寸及数量的减少,既减弱了应力集中型断裂的趋势,也提高了环件析出强化的效率,能够全面提升环件力学性能。
与对比例2和3相比,实施例1中采用“中低温马扩+退火+中低温环轧”工艺所得环件,其三向力学性能较为接近,各向异性较小。这是因为环轧阶段变形量减小,减弱了第二相粒子分布的方向性,降低了环件各向异性。
综上,“中低温马扩+退火+中低温环轧”工艺能够极大提升环件综合力学性能,且降低环件各向异性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。