CN110170606B - 一种2a14铝合金高筒件的制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种2A14铝合金高筒件的制备工艺：将2A14铝合金铸锭于电阻炉中加热至475～485℃，在液压机上进行多向锻压；将经过多向锻压后的坯料在液压机上冲孔；将冲孔后的坯料加热至498～502℃，保温4～5h；扩孔；将扩孔后的环坯加热至498～502℃，保温4～5h；中温环轧：将高温固溶后的环坯在室温下冷却至200～250℃，然后进行环轧，变形量为25～30％；热处理，完成2A14铝合金高筒件的制备。本发明通过中温马架扩孔与中温环轧并结合高温固溶热处理碎化溶解粗大第二相并细化晶粒，可同时提升高筒件强度与塑性，实现2A14铝合金高筒件的高性能制造，满足航天用结构件力学性能要求。

Description

一种2A14铝合金高筒件的制备工艺

技术领域

本发明属于铝合金材料塑性加工与热处理领域，尤其是一种可实现大型2A14铝合金高筒件强韧性综合提升的高性能制造工艺。

背景技术

2A14铝合金属于可热处理强化变形铝合金，具有高强度、高塑性以及优异的可焊接性能等优点，是用于航天领域轻质高强合金构件制造的一种重要结构材料。随着航空航天用结构件逐步向整体化、轻量化及大型化方向发展，对其结构设计与制造性能提出了极高要求。应用于某型号战略武器装备的大型2A14铝合金高筒件，其直径已超过2m，具有薄壁、深腔的特殊结构，需大直径铸锭

进行制造，由于铸造冷却凝固过程产生偏析，且2A14铝合金属于Al-Cu-Mg-Si系合金，含多种合金元素，导致其易形成多种粗大第二相化合物。采用“460℃多向锻开坯+冲孔+460℃马架扩孔、芯轴拔长+460℃连续环轧”的常规传统成形工艺制造高筒件，塑性成形与热处理过程中粗大第二相难以充分破碎并溶入基体中，构件中仍存在大量粗大相且分布不均匀，其在高载荷作用下将在粗大相周围引起严重应力集中，易产生裂纹，从而导致高筒件整体力学性能无法达到高性能指标要求(尤其是径向延伸率)。此外，在460℃下环轧，由于发生高温回复与动态再结晶使基体软化，热处理后构件中形成的沿压延方向分布的条状粗大纤维晶粒组织严重制约了高筒件力学性能的提升，并导致其产生严重各向异性。

针对2A14铝合金高筒件制造工艺研究领域，中国发明专利CN 104759850A中提出的是高筒件传统成形制造工艺——“460℃多向锻造开坯+冲孔+460℃马架扩孔、芯轴拔长+460℃连续环轧”，该工艺通过热塑性加工可以较好实现高筒件的成形，但由于高温马架扩孔与高温环轧成形过程发生动态软化，基体变形抗力较小，变形剪切作用对粗大相破碎不充分，基体中仍残留大量粗大第二相，尺寸较大，并且在随后热处理过程中难以溶解，导致高筒件受载时在粗大相处极易形成高度应力集中，严重降低高筒件塑性；此外，由于动态回复，高温环轧成形后构件中以位错形式存储的能量较少，热处理过程再结晶形核率降低，易形成粗大晶粒组织，导致高筒件强度难以提升。中国发明专利CN 104438419 A中提出了十字镦拔法的开坯工艺以降低高筒件件的各向异性，并通过改变环轧速度防止构件端面起皮和产生凹槽，该专利提出的改进工艺改善了锻坯变形均匀性，使组织均匀化，但仍采用高温环轧成形将导致形成粗大纤维组织，且构件中粗大第二相在高温塑性变形与热处理过程中仍难以破碎溶解，严重降低高筒件塑性与力学性能均匀性。因此，亟需改进高筒件制造工艺以使其满足航天用铝合金结构件的高性能要求。

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，提供一种适用于航天用2A14铝合金高性能高筒形结构件的成形制造，采用中温马架扩孔、中间高温固溶热处理与中温环轧工艺，破碎溶解粗大第二相化合物并细化晶粒组织，以提升2A14铝合金高筒件综合力学性能。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种2A14铝合金高筒件的制备工艺，包括以下步骤：

(1)多向锻开坯：将2A14铝合金铸锭于电阻炉中加热至475～485℃，在液压机上进行多向锻压；

(2)冲孔：将经过多向锻压后的坯料在液压机上冲孔；

(3)高温固溶：将冲孔后的坯料加热至498～502℃，保温4～5h；

(4)扩孔；

(5)高温固溶：将扩孔后的环坯加热至498～502℃，保温4～5h；

(6)中温环轧：将高温固溶后的环坯在室温下冷却至200～250℃，然后进行环轧，变形量为25～30％；

(7)热处理，完成2A14铝合金高筒件的制备。

上述的制备工艺，优选的，所述扩孔包括两个阶段：首先，将高温固溶后的坯料于液压机上进行高温马架扩孔与芯轴拔长，平整轴向以制备辗环环坯；然后将坯料在室温下冷却至200～250℃，进行中温马架扩孔。

上述的制备工艺，优选的，所述高温马架扩孔的温度为475～485℃，高温马架扩孔后的锻造变形量为35～50％，终锻温度为340～370℃；

所述中温马架扩孔的锻造变形量为15～20％。

上述的制备工艺，优选的，所述多向锻开坯过程为分别沿轴向、径向、切向各进行两次镦粗与拔长，接着滚圆并进行轴向平整。

上述的制备工艺，优选的，单次镦粗变形量为50～62％，终锻温度为340～370℃。

上述的制备工艺，优选的，所述热处理是指将中温环扎后的高筒件加热至498～502℃，保温4～5h后立即淬火，然后进行时效处理。

上述的制备工艺，优选的，所述时效的温度为155～165℃，时效保温的时间为8～12h。

上述的制备工艺，优选的，所述多向锻开坯过程中所用的平砧、扩孔过程(包括芯轴拔长过程)所用的芯轴、环轧过程中的轧辊均须加热至350～400℃。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的制备工艺采用中温(200～250℃)马架扩孔，降低变形温度，利用强变形剪切作用增强对粗大第二相化合物的破碎能力，减小粗大相尺寸并改善其在基体中的不均匀分布，并结合随后的高温固溶热处理，促进粗大相的扩散与溶解，一定程度上降低了最终成形高筒件中粗大第二相数量与尺寸，改善了高筒件塑性。

(2)本发明的制备工艺采用中温(200～250℃)环轧成形，在再结晶温度以下进行中温环轧，可累积高密度位错，且环轧过程产生的强剪切力可使粗大相尺寸降低，结合最终固溶过程实现粗大相溶解并改善了其在基体中的聚集程度，降低了材料受载时在粗大相周围的应力集中程度，大幅提升高筒件延伸率。同时，中温环轧可在一定程度上抑制铝合金变形过程的动态回复效应并获得大量高密度位错缺陷，显著提高以位错形式存储在材料内部的能量，促进了随后固溶过程的静态再结晶及时效过程强化相均匀弥散析出，可使成形后的高筒件获得极细小等轴的再结晶晶粒组织，显著提升高筒件综合力学性能。

(3)本发明工艺分别于马架扩孔(含芯轴拔长)与环轧之前增加高温固溶热处理，在一定程度上降低最终成形高筒件中粗大相数量，有助于高筒件塑性的提升；此外，高温固溶热处理提高了锻坯的塑性，有助于抑制其在马架扩孔与环轧等塑性加工过程的变形损伤。

综上所述，相较铝合金高筒件传统制造工艺，本发明通过中温马架扩孔与中温环轧并结合高温固溶热处理碎化溶解粗大第二相并细化晶粒，可同时提升高筒件强度与塑性，实现2A14铝合金高筒件的高性能制造，满足航天用结构件力学性能要求。此外，本发明工艺仅通过降低马架扩孔与环轧温度并增加中间热处理，便可实现高筒件力学性能综合提升，满足其性能指标要求，未增加其他繁琐的制造环节，工艺操作便于工程实施，生产周期短。

附图说明

图1为本发明实施例1的高筒件制造工艺示意图；

图2为本发明实施例1制备的高筒件三向力学性能；

图3为本发明对比例制备的高筒件三向力学性能；

图4为本发明实施例1和对比例制备的高筒件的金相组织；

图5为本发明实施例1和对比例制备的高筒件的SEM图像。

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：

一种本发明的2A14铝合金高筒件的制备工艺，其流程图如图1所示，包括：

(1)将经过均匀化处理后的2A14铝合金铸锭于电阻炉中加热至480℃±5℃，保温2h后在液压机上进行多向锻压(分别沿轴向、径向、切向各进行两次镦粗与拔长，接着滚圆并进行轴向平整)，其中，上下模均加热至400℃，单次镦粗变形量为60％，终锻温度≥380℃；

(2)将经过多向锻造后的坯料在液压机上冲孔，冲孔所用冲头加热至380℃，冲孔后机加工，清除毛刺、飞边等锻造缺陷；

(3)将冲孔后坯料于电阻炉中加热至500℃±2℃，保温4h；

(4)先将加热后的坯料于液压机上进行高温马架扩孔与芯轴拔长，平整轴向以制备辗环环坯，扩孔用芯轴加热至380℃，锻造变形量为30％，终锻温度≥370℃；再将坯料在室温下冷却至250℃，继续进行中温马架扩孔，锻造变形量为20％，扩孔后用平砧平整轴向；

(5)将扩孔后的环坯于电阻炉中加热至500℃±2℃，保温4h；

(6)将加热后的环坯在室温下冷却至250℃，在辗环机上沿径向进行环轧，变形量为30％；

(7)将成形后高筒件于电阻炉中加热至500±2℃，保温4h后立即淬火；接着转移至时效炉中进行时效处理，时效温度为160±5℃，保温时间10h。

对热处理后高筒件进行力学性能测试，分别沿高筒件轴向、径向与环向切取若干拉伸试样，测试其不同位置的力学性能，并取各方向性能平均值。图2为热处理后2A14铝合金高筒件的三向力学性能，由本发明提出的工艺方法制造的高筒件三向力学性能均达到其性能指标要求。

对比例：

本对比例2A14铝合金高筒件的制造工艺，包括以下步骤：

(1)将经过均匀化处理后的2A14铝合金铸锭于电阻炉中加热至460℃±5℃，保温2h后在液压机上进行多向锻压(分别沿轴向、径向、切向各进行两次镦粗与拔长，接着滚圆并进行轴向平整)，上下模均加热至380℃，单次镦粗变形量为50％，终锻温度≥340℃；

(2)将经过多向锻造后的坯料在液压机上冲孔，冲孔所用冲头加热至380℃，冲孔后机加工内孔，清除毛刺、飞边等锻造缺陷；

(3)将冲孔后坯料加热至460℃，保温2h后于液压机上进行马架扩孔与芯轴拔长以制备辗环环坯，扩孔用芯轴加热至380℃，锻造变形量为50％，终锻温度≥340℃，扩孔后用平砧平整轴向；

(4)将扩孔后环坯加热至460℃，保温2h后于碾环机上进行环轧，采用一火连续环轧成形，变形量为50％；

(5)将成形后高筒件于电阻炉中加热至500±2℃，保温4h后立即淬火；接着转移至时效炉中进行时效处理，时效温度为160±5℃，保温时间10h。

对热处理后高筒件进行力学性能测试，分别沿高筒件轴向、径向与环向切取若干拉伸试样，测试其不同位置的力学性能，并取各方向性能平均值。图3为采用本对比例的成形工艺制造的2A14铝合金高筒件三向力学性能。

从图2和图3的比较可知，采用实施例1提出的工艺制造的铝合金高筒件其力学性能相比于对比例1显著提升，三向抗拉强度提升至453MPa、459MPa、482MPa，屈服强度提升至374MPa、389MPa、446MPa，径、轴向延伸率显著提高至10％以上。

图4为实施例1与对比例制造的高筒件径轴向的金相组织照片，相较于对比例，本发明提出中温环轧成形并结合高温固溶，可以观察到热处理后高筒件获得了极细小等轴的再结晶晶粒，平均晶粒尺寸由约200μm显著降低至50μm，通过细晶强化显著提升高筒件力学性能。

图5为实施例1和对比例制造的高筒件径轴向的SEM图像。本发明通过在高筒件塑性成形过程增加中间热处理以及采用中温马架扩孔与中温环轧成形实现了对粗大第二相化合物的破碎与溶解，图5显示采用本发明工艺制造的高筒件中粗大相显著减少，聚集程度减弱，分布更趋于均匀化，极大程度提升了高筒件塑性。

Claims (7)

1.一种2A14铝合金高筒件的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

(1)多向锻开坯：将2A14铝合金铸锭于电阻炉中加热至475～485℃，在液压机上进行多向锻压；

(2)冲孔：将经过多向锻压后的坯料在液压机上冲孔；

(3)高温固溶：将冲孔后的坯料加热至498～502℃，保温4～5h；

(4)扩孔；所述扩孔包括两个阶段：首先，将高温固溶后的坯料于液压机上进行高温马架扩孔与芯轴拔长，平整轴向以制备辗环环坯；然后将坯料在室温下冷却至200～250℃，进行中温马架扩孔；

(5)高温固溶：将扩孔后的环坯加热至498～502℃，保温4～5h；

(6)中温环轧：将高温固溶后的环坯在室温下冷却至200～250℃，然后进行环轧，变形量为25～30％；

(7)热处理，完成2A14铝合金高筒件的制备。

2.如权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，所述高温马架扩孔的温度为475～485℃，高温马架扩孔后的锻造变形量为35～50％，终锻温度为340～370℃；

所述中温马架扩孔的锻造变形量为15～20％。

3.如权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，所述多向锻开坯过程为分别沿轴向、径向、切向各进行两次镦粗与拔长，接着滚圆并进行轴向平整。

4.如权利要求3所述的制备工艺，其特征在于，单次镦粗变形量为50～62％，终锻温度为340～370℃。

5.如权利要求1～4任一项所述的制备工艺，其特征在于，所述热处理是指将中温环轧后的高筒件加热至498～502℃，保温4～5h后立即淬火，然后进行时效处理。

6.如权利要求5所述的制备工艺，其特征在于，所述时效的温度为155～165℃，时效保温的时间为8～12h。

7.如权利要求1～4任一项所述的制备工艺，其特征在于，所述多向锻开坯过程中所用的平砧、扩孔过程所用的芯轴、环轧过程中的轧辊均须加热至350～400℃。

Images