CN110144533B - 一种调控2219铝合金环件粗大第二相的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种调控2219铝合金环件粗大第二相的方法，包括：多向锻造开坯、中低温马架扩孔、高温退火、中低温环件轧制和热处理工艺。本发明采用“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。
Description
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。
Claims (7)
1.一种调控2219铝合金环件粗大第二相的方法，其特征在于，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；所述多向锻造工艺为七镦六拔多向锻造工艺，单次镦粗变形量为50～65％；
(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；马架扩孔过程中变形量为50～70％；
(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；环件轧制过程中，变形量为30～50％；
(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。
2.如权利要求1所述的调控2219铝合金环件粗大第二相的方法，其特征在于，所述多向锻造工艺的终锻温度不低于400℃。
3.如权利要求1所述的调控2219铝合金环件粗大第二相的方法，其特征在于，马架扩孔过程中，终锻温度不低于160℃。
4.如权利要求1所述的调控2219铝合金环件粗大第二相的方法，其特征在于，环件轧制过程中，终轧温度不低于180℃。
5.如权利要求1所述的调控2219铝合金环件粗大第二相的方法，其特征在于，冷变形过程中的变形量为2～5％。
6.如权利要求1所述的调控2219铝合金环件粗大第二相的方法，其特征在于，时效处理的温度为150～180℃，时效处理保温时间为20～30小时。
7.如权利要求1所述的调控2219铝合金环件粗大第二相的方法，其特征在于，所述2219铝合金环件是指外径为3～10米的大型环件。
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