CN110184515B - 一种火箭燃料箱用超宽铝合金板材的制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属板材制备技术领域，涉及一种火箭燃料箱用超宽铝合金板材的制备工艺，包括：配料、熔铸、均匀化、铸锭加热、热轧锯切、中间退火、冷轧、成品退火和拉伸锯切包装，其中热轧锯切工艺中铝合金铸锭在轧机辊道上进行长宽对调，中间退火和成品退火的过程中严格控制出炉温度和冷却速率，使得最终制备的铝合金板材表面没有橘皮现象且表面没有划伤缺陷。
Description
技术领域
本发明属于金属板材制备技术领域，涉及一种火箭燃料箱用超宽铝合金板材的制备工艺，尤其涉及一种厚度为4～20mm的火箭燃料箱用超宽2219铝合金板材的制备工艺。
背景技术
铝合金具有强度高、重量轻的特点，其中2系和7系作为可热处理强化铝合金，广泛应用于飞机机翼、机身、蒙皮以及火箭结构件等航空、航天领域。对于火箭燃料储箱结构材料来说，材料应具有低比重、易加工、良好的断裂韧性和焊接性能等特点；2219铝合金因具有以上性能特点而成为目前火箭燃料储箱结构首选材料；为了降低成本，提高零部件可靠性，要求材料性能满足要求的同时，还应具有大宽幅的特点，以满足材料一体化成型的要求。
限于工艺设备及技术条件，国内生产的铝合金最大宽幅低于3800mm，而低于3800mm的铝合金板材不能满足燃料储箱结构材料一体化设计要求，板材在后续旋压成型过程中需要进行拼焊才能达到要求尺寸，这样不仅会增加成本，而且会影响产品性能的稳定性；而宽度高于4100mm的超宽铝合金能够满足航天领域对材料一体化成型的要求，显著降低材料后续成型过程焊接等制造成本，其中厚度4～20mm的大规格超宽板材是航天领域常用的厚度规格，但生产难度大、技术门槛高。其中成型过程橘皮问题及表面划伤等缺陷问题是限制超宽板生产的两个难点。
目前，解决超宽板材成型过程橘皮现象是板材生产的关键，橘皮是由材料微观不均匀及晶粒内部形变不均匀造成的，如何通过控制轧制及热处理工艺提高组织均匀性是超宽板生产的技术难题之一；另外，板材宽幅较大，轧制过程中极易产生踏腰现象，造成下表面划伤等缺陷，如何通过调整轧制工艺控制表面划伤等缺陷的产生是另外一个技术难题。
发明内容
有鉴于此，本发明为了解决现有技术中超宽铝合金板材成型过程中容易出现橘皮现象以及生产过程中容易出现表面划伤缺陷的问题，提供一种火箭燃料箱用超宽铝合金板材的制备工艺。
为达到上述目的，本发明提供一种火箭燃料箱用超宽铝合金板材的制备工艺，包括以下步骤：
A、配料：将制备火箭燃料箱的铝合金原料按照重量百分比进行配料，即：Si≤0.20％、Fe≤0.30％、Cu：5.8～6.8％、Mn：0.20～0.40％、Mg≤0.20％、Zn≤0.10％、Ti：0.02～0.1％、Zr：0.1～0.25％、单个杂质≤0.05％，合计≤0.15％，余量为Al；
B、熔铸：将配制好的铝合金原料加入到熔炼炉中均匀混合后熔炼为液态铝合金，经过静置、精炼、扒渣、在线除气、过滤工序后，将液态铝合金熔铸为铝合金铸锭；
C、均匀化：铝合金铸锭在均质炉中进行均匀化热处理，将均匀化热处理后的铝合金铸锭切去头尾并铣去铝合金铸锭表面凝壳层；
D、铸锭加热：均匀化热处理后的铝合金铸锭置于加热炉中加热，加热温度控制在420～480℃，保温时间为2～18h；
E、热轧锯切：加热保温后的铝合金铸锭在轧机辊道上长宽对调后进行热轧，热轧后铝合金板材厚度需保证后续冷轧加工率在60～85％，终轧温度200～330℃，热轧后的铝合金板材沿长度方向锯切到成品所需要的宽度尺寸，即4100mm～4300mm；
F、中间退火：锯切后铝合金板材进行退火处理以消除加工硬化，其中热处理温度为400～470℃，保温时间为1～8h，出炉温度为100～240℃，冷却速率≤30℃/h；
G、冷轧：退火后的铝合金板材采用横轧的方式在轧机上冷轧至所需厚度，即4～20mm；
H、成品退火：铝合金板材横轧后需退火成o态组织，退火温度为380～440℃，保温时间为2～9h，出炉温度为150℃，冷却速率≤26℃/h；
I、拉伸锯切包装：铝合金板材出炉后在拉伸机上进行拉伸以矫正板形，延伸率为0.8％～2％，拉伸后铝合金板材用精密锯锯切定尺，验收包装。
进一步，步骤B采用半连续水冷铸造方式将液态铝合金熔铸为铝合金铸锭。
进一步，步骤B精炼过程中加入A1-5Ti-B丝精炼剂，在线除气采用双转子，氩气流量为3.2～7.1m3/h，氯气流量为0～0.05m3/h，转子转速为400～700r/min，过滤采用双层过滤板过滤。
进一步，步骤C中均匀化处理的温度为520±5℃，保温时间为18～22h，出炉后的铝合金铸锭强风冷却至室温。
本发明的有益效果在于：
1、本发明所公开的火箭燃料箱用超宽铝合金板材制备工艺，在热轧锯切的过程中采用长宽对调的方法，采用铸锭长宽对调的热轧方式主要是为了得到大宽幅的热轧坯料，为后续冷轧的顺利进行做准备，后续需要冷轧，所以热轧对成品的组织形态影响不大，这样能够保证热轧后铝合金板材尺寸符合尺寸规格要求。
2、本发明所公开的火箭燃料箱用超宽铝合金板材制备工艺，通过冷轧以及保证冷轧加工率来保证退火后成品板材的晶粒组织，冷轧后组织内部储能高，在后续退火过程中形核质点多，退火后晶粒细小，能够有效改善后续成型过程中橘皮现象的产生，避免了后续成型过程中橘皮问题的出现。
3、本发明所公开的火箭燃料箱用超宽铝合金板材制备工艺，热轧后板材较宽，温度较高，板材踏腰现象越严重，在辊道上运输的过程中表面划伤现象越严重，本发明是通过降低终轧温度降低踏腰问题，改善表面划伤情况。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
一种火箭燃料箱用超宽铝合金板材的制备工艺，包括以下步骤：
A、配料：计算各铝合金原料用量并按配比准备铝合金原料，铝合金原料各元素质量百分数配比如下：
| 元素 | Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Zn | Ti | Zr | 杂质 | Al |
| 含量 | 0.04 | 0.08 | 6.1 | 0.3 | 0.02 | 0.06 | 0.03 | 0.18 | 0.15 | 余量 |
B、熔铸：将配制好的铝合金原料加入到熔炼炉中均匀混合后熔炼为液态铝合金，经过静置、精炼、扒渣、在线除气、过滤工序后，将液态铝合金熔铸为铝合金铸锭，铝合金铸锭规格为：500×1680×6500mm；
C、均匀化：铝合金铸锭在均质炉中进行均匀化热处理，均匀化处理的温度为520℃，保温时间为20h，将均匀化热处理后的铝合金铸锭切去头尾锯切至4000mm，铣去铝合金铸锭表面凝壳层；
D、铸锭加热：均匀化热处理后的铝合金铸锭置于加热炉中加热，加热温度控制在430℃，保温时间为3h；
E、热轧锯切：加热保温后的铝合金铸锭在轧机辊道上旋转90°进行长宽对调后热轧，热轧后铝合金板材厚度为30mm，终轧温度310℃，热轧后的铝合金板材通过精密锯沿长度方向锯切到4100mm，锯切后的铝合金板材规格为4100×4000×30mm；
F、中间退火：锯切后铝合金板材进行退火处理以消除加工硬化，热处理温度为420℃，保温时间为1h，出炉温度为150℃，冷却速率26℃/h；
G、冷轧：退火后的铝合金板材在轧机轨道上旋转90°后，以长度方向作为宽度方向将板材轧至6mm，轧制后板材宽度为4100mm；
H、成品退火：铝合金板材横轧后需退火成o态组织，退火温度为400℃，保温时间为5h，出炉温度为150℃，冷却速率26℃/h；
I、拉伸锯切包装：铝合金板材出炉后在在40MN拉伸机上进行拉伸以矫正板形，延伸率为1.5％，拉伸后铝合金板材用精密锯锯切6×4200×4100mm定尺，验收包装。
实施例2
一种火箭燃料箱用超宽铝合金板材的制备工艺，包括以下步骤：
A、配料：计算各铝合金原料用量并按配比准备铝合金原料，铝合金原料各元素质量百分数配比如下：
| 元素 | Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Zn | Ti | Zr | 杂质 | Al |
| 含量 | 0.04 | 0.08 | 6.1 | 0.3 | 0.02 | 0.06 | 0.03 | 0.18 | 0.15 | 余量 |
B、熔铸：将配制好的铝合金原料加入到熔炼炉中均匀混合后熔炼为液态铝合金，经过静置、精炼、扒渣、在线除气、过滤工序后，将液态铝合金熔铸为铝合金铸锭，铝合金铸锭规格为：500×1680×6500mm；
C、均匀化：铝合金铸锭在均质炉中进行均匀化热处理，均匀化处理的温度为520℃，保温时间为20h，将均匀化热处理后的铝合金铸锭切去头尾锯切至4000mm，铣去铝合金铸锭表面凝壳层；
D、铸锭加热：均匀化热处理后的铝合金铸锭置于加热炉中加热，加热温度控制在430℃，保温时间为3h；
E、热轧锯切：加热保温后的铝合金铸锭在轧机辊道上旋转90°进行长宽对调后热轧，热轧后铝合金板材厚度为30mm，终轧温度260℃，热轧后的铝合金板材通过精密锯沿长度方向锯切到4200mm，锯切后的铝合金板材规格为4200×4000×30mm；
F、中间退火：锯切后铝合金板材进行退火处理以消除加工硬化，热处理温度为420℃，保温时间为3h，出炉温度为150℃，冷却速率26℃/h；
G、冷轧：退火后的铝合金板材在轧机轨道上旋转90°后，以长度方向作为宽度方向将板材轧至9mm，轧制后板材宽度为4200mm；
H、成品退火：铝合金板材横轧后需退火成o态组织，退火温度为400℃，保温时间为3h，出炉温度为150℃，冷却速率26℃/h；
I、拉伸锯切包装：铝合金板材出炉后在在40MN拉伸机上进行拉伸以矫正板形，延伸率为1.9％，拉伸后铝合金板材用精密锯锯切9×4200×4200mm定尺，验收包装。
实施例3
一种火箭燃料箱用超宽铝合金板材的制备工艺，包括以下步骤：
A、配料：计算各铝合金原料用量并按配比准备铝合金原料，铝合金原料各元素质量百分数配比如下：
| 元素 | Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Zn | Ti | Zr | 杂质 | Al |
| 含量 | 0.04 | 0.08 | 6.1 | 0.3 | 0.02 | 0.06 | 0.03 | 0.18 | 0.15 | 余量 |
B、熔铸：将配制好的铝合金原料加入到熔炼炉中均匀混合后熔炼为液态铝合金，经过静置、精炼、扒渣、在线除气、过滤工序后，将液态铝合金熔铸为铝合金铸锭，铝合金铸锭规格为：500×1680×6500mm；
C、均匀化：铝合金铸锭在均质炉中进行均匀化热处理，均匀化处理的温度为520℃，保温时间为20h，将均匀化热处理后的铝合金铸锭切去头尾锯切至4000mm，铣去铝合金铸锭表面凝壳层；
D、铸锭加热：均匀化热处理后的铝合金铸锭置于加热炉中加热，加热温度控制在430℃，保温时间为3h；
E、热轧锯切：加热保温后的铝合金铸锭在轧机辊道上旋转90°进行长宽对调后热轧，热轧后铝合金板材厚度为30mm，终轧温度200℃，热轧后的铝合金板材通过精密锯沿长度方向锯切到4300mm，锯切后的铝合金板材规格为4300×4000×30mm；
F、中间退火：锯切后铝合金板材进行退火处理以消除加工硬化，热处理温度为450℃，保温时间为2h，出炉温度为150℃，冷却速率26℃/h；
G、冷轧：退火后的铝合金板材在轧机轨道上旋转90°后，以长度方向作为宽度方向将板材轧至10mm，轧制后板材宽度为4300mm；
H、成品退火：铝合金板材横轧后需退火成o态组织，退火温度为410℃，保温时间为3h，出炉温度为150℃，冷却速率26℃/h；
I、拉伸锯切包装：铝合金板材出炉后在在40MN拉伸机上进行拉伸以矫正板形，延伸率为1.5％，拉伸后铝合金板材用精密锯锯切10×4300×4300mm定尺，验收包装。
实施例4
一种火箭燃料箱用超宽铝合金板材的制备工艺，包括以下步骤：
A、配料：计算各铝合金原料用量并按配比准备铝合金原料，铝合金原料各元素质量百分数配比如下：
| 元素 | Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Zn | Ti | Zr | 杂质 | Al |
| 含量 | 0.04 | 0.08 | 6.1 | 0.3 | 0.02 | 0.06 | 0.03 | 0.18 | 0.15 | 余量 |
B、熔铸：将配制好的铝合金原料加入到熔炼炉中均匀混合后熔炼为液态铝合金，经过静置、精炼、扒渣、在线除气、过滤工序后，将液态铝合金熔铸为铝合金铸锭，铝合金铸锭规格为：500×1680×6500mm；
C、均匀化：铝合金铸锭在均质炉中进行均匀化热处理，均匀化处理的温度为520℃，保温时间为20h，将均匀化热处理后的铝合金铸锭切去头尾锯切至4000mm，铣去铝合金铸锭表面凝壳层；
D、铸锭加热：均匀化热处理后的铝合金铸锭置于加热炉中加热，加热温度控制在430℃，保温时间为3h；
E、热轧锯切：加热保温后的铝合金铸锭在轧机辊道上旋转90°进行长宽对调后热轧，热轧后铝合金板材厚度为35mm，终轧温度320℃，热轧后的铝合金板材通过精密锯沿长度方向锯切到4100mm，锯切后的铝合金板材规格为4100×4000×35mm；
F、中间退火：锯切后铝合金板材进行退火处理以消除加工硬化，热处理温度为450℃，保温时间为1h，出炉温度为150℃，冷却速率26℃/h；
G、冷轧：退火后的铝合金板材在轧机轨道上旋转90°后，以长度方向作为宽度方向将板材轧至10mm，轧制后板材宽度为4100mm；
H、成品退火：铝合金板材横轧后需退火成o态组织，退火温度为380℃，保温时间为3h，出炉温度为150℃，冷却速率26℃/h；
I、拉伸锯切包装：铝合金板材出炉后在在40MN拉伸机上进行拉伸以矫正板形，延伸率为1.0％，拉伸后铝合金板材用精密锯锯切10x4100×4100mm定尺，验收包装。
实施例1～4中制得的铝合金板材室温拉伸试验采用GB/T 16865-2013测试方法，取样方向为板材横向，采用Rm、Rp0.2、A％表征合金的室温力学性能。按照GB/T3880.2-2012标准判定力学性能是否合格。通过后续材料成型过程判定是否有橘皮问题。
表一为实施例1～4中铝合金板材的主要工艺制度，表二为实施例1～4中铝合金板材的力学性能。
表一
表二
从表一中可以看出，实施例1～4中成品板材宽度规格达到甚至超过4100mm，厚度介于4～20mm，尺寸规格均能满足航天领域对2219大宽幅铝合金板材尺寸规格的要求，表面划伤情况均能满足标准要求，后续成型过程均无橘皮现象产生。从表二中可以看出，实施例1～4中抗拉强度Rm在150～170MPa之间，屈服强度Rp0.2在90～100MPa之间，延伸率A％在24.5～26.5％之间，力学性能稳定，强度和延伸率均能达到GB/T3880.2-2012要求。
由此可见，采用本发明的方法，可以生产出性能合格的2219超宽铝合金板材。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种火箭燃料箱用超宽铝合金板材的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
A、配料：将制备火箭燃料箱的铝合金原料按照重量百分比进行配料，即：Si≤0.20％、Fe≤0.30％、Cu：5.8～6.8％、Mn：0.20～0.40％、Mg≤0.20％、Zn≤0.10％、Ti：0.02～0.1％、Zr：0.1～0.25％、单个杂质≤0.05％，合计≤0.15％，余量为Al；
B、熔铸：将配制好的铝合金原料加入到熔炼炉中均匀混合后熔炼为液态铝合金，经过静置、精炼、扒渣、在线除气、过滤工序后，将液态铝合金熔铸为铝合金铸锭；
C、均匀化：铝合金铸锭在均质炉中进行均匀化热处理，将均匀化热处理后的铝合金铸锭切去头尾并铣去铝合金铸锭表面凝壳层；
D、铸锭加热：均匀化热处理后的铝合金铸锭置于加热炉中加热，加热温度控制在420～480℃，保温时间为2～18h；
E、热轧锯切：加热保温后的铝合金铸锭在轧机辊道上长宽对调后进行热轧，热轧后铝合金板材厚度需保证后续冷轧加工率在60～85％，终轧温度200～330℃，热轧后的铝合金板材沿长度方向锯切到成品所需要的宽度尺寸，即4100mm～4300mm；
F、中间退火：锯切后铝合金板材进行退火处理以消除加工硬化，其中热处理温度为400～470℃，保温时间为1～8h，出炉温度为100～240℃，冷却速率≤30℃/h；
G、冷轧：退火后的铝合金板材采用横轧的方式在轧机上冷轧至所需厚度，即4～20mm；
H、成品退火：铝合金板材横轧后需退火成o态组织，退火温度为380～440℃，保温时间为2～9h，出炉温度为150℃，冷却速率≤26℃/h；
I、拉伸锯切包装：铝合金板材出炉后在拉伸机上进行拉伸以矫正板形，延伸率为0.8％～2％，拉伸后铝合金板材用精密锯锯切定尺，验收包装。
2.如权利要求1所述超宽铝合金板材的制备工艺，其特征在于，步骤B采用半连续水冷铸造方式将液态铝合金熔铸为铝合金铸锭。
3.如权利要求2所述超宽铝合金板材的制备工艺，其特征在于，步骤B精炼过程中加入Al-5Ti-B丝精炼剂，在线除气采用双转子，氩气流量为3.2～7.1m3/h，氯气流量为0～0.05m3/h，转子转速为400～700r/min，过滤采用双层过滤板过滤。
4.如权利要求3所述超宽铝合金板材的制备工艺，其特征在于，步骤C中均匀化处理的温度为520±5℃，保温时间为18～22h，出炉后的铝合金铸锭强风冷却至室温。
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Denomination of invention: Preparation process of ultra wide aluminum alloy plate for rocket fuel tank Effective date of registration: 20210730 Granted publication date: 20210209 Pledgee: Bank of Harbin Co.,Ltd. Shenyang Branch Pledgor: TIANJIN ZHONGWANG ALUMINIUM INDUSTRY Co.,Ltd. Registration number: Y2021990000659 |
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