CN110205457B - 一种适用于铝合金板材的喷淋淬火工艺 - Google Patents

Abstract

本发明的适用于铝合金板材的喷淋淬火工艺，根据铝合金材料连续析出曲线CCP所含有的多个析出反应阶段的温度范围，以及每个析出反应阶段的最小临界冷却速率，确定出温度范围与析出反应阶段温度范围一致、冷却速率与最小临界冷却速率一致的铝合金板材的冷却速率调节阶段，按照这种冷却方式对铝合金板材工件进行冷却，所获得的铝合金板材具有较高的力学性能和较低的残余应力，改变了以往采用相同冷却速率对铝板淬火易造成较大残余应力的弊端，以及采用分级淬火+等温保温法的不连续所导致的残余应力过大的问题，对于促进航空航天的铝厚板高质量生产有重大意义。

Description

一种适用于铝合金板材的喷淋淬火工艺

技术领域

本发明涉及一种铝合金板材的喷淋淬火工艺，更具体的说，尤其涉及一种基于多析出反应阶段的最小临界冷却速率的适用于铝合金板材的喷淋淬火工艺。

背景技术

随着飞机设计思想的不断创新，能够满足关键零部件轻量化、高品质化、高效生产需求的航空整体结构件持续受到青睐。在飞机所用先进材料中，铝合金材料因其比模量/比强度高、耐腐蚀及加工性能好、成本低廉等突出优点，在航空整体结构件中大量应用，如飞机机身框、机身隔框、翼梁、翼肋等重要部位。

航空整体结构件一般由铝合金厚板进行90%以上的材料切除后获得，该类产品的性能和质量，除了与其材料成分有关外，主要是由厚板的热处理过程决定。厚板材料作为热处理可强化铝合金，其高性能主要是通过固溶、淬火及时效来获得。为得到材料的较高力学性能，材料固溶处理后必须快速淬火以在后续时效过程中析出强化相，然而较高的冷却速率容易使铝合金厚板芯表温差增大，发生不均匀塑性变形而产生较大残余应力，例如50 mm厚的7010铝合金板材经冷水淬火后残余应力高达200 MPa，并且随板材厚度的增大残余应力呈现增大趋势。

为降低残余应力，现阶段广泛应用机械拉伸/压缩法、超声震动法以及时效热处理等各种手段。然而，这些方法仍难以消除残余应力及其不均匀分布，并且需要相关设备辅助，这无疑增加了生产成本与生产周期。航空整体结构件因其尺寸大、材料去除率高，铝合金厚板中保留的残余应力容易使零件产生变形、裂纹等缺陷，最终降低零件的使用及疲劳寿命。因此，如何有效控制铝合金厚板淬火过程中的残余应力成为制约相关产品生产的瓶颈性问题。

喷淋淬火作为一种先进的可控快冷技术，其原理是将水加压形成液滴束冲击被冷却的物体，在物体表面形成一层气液薄膜，并带走热量达到冷却降温目的，该技术具有传热能力高，冷却过程温差小、工质需求量小、没有沸腾的滞后性以及与固体表面没有接触热等优点，改善了传统池浴淬火不均匀的冷却状态和应力分布，为不同冷却速率的调控提供了有效的技术途径。现有的铝厚板喷淋淬火工艺主要有两种，一种为从冷却开始到结束时始终保持相同的冷却速率，由于冷却时间短暂，这种方法容易造成较大的残余应力；一种为针对铝合金材料TTP曲线（Time-Temperature-Property，又称“C”曲线）存在最小临界冷却速率而改变喷淋冷却速率的多级喷淋淬火工艺（一种时效硬化型铝合金低残余应力的多级喷淋淬火工艺，中国专利，申请号201410465066.8，申请日2014.09.12）。然而，“C”曲线通常采用分级淬火+等温保温法获得，该方法是一种不连续过程。在实际淬火中，冷却是连续变化的过程。在铝厚板淬火过程中，往往存在多个析出反应阶段，每个阶段的最小临界速率并不一致，采用上述两种方法确定的喷淋淬火工艺容易造成较大残余应力，这无疑严重阻碍了铝厚板的喷淋冷却生产工作。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种基于多析出反应阶段的最小临界冷却速率的适用于铝合金板材的喷淋淬火工艺。

本发明的适用于铝合金板材的喷淋淬火工艺，其特征在于，铝合金的淬火方法为：首先，根据铝合金材料的多析出反应阶段的温度范围，以及每个析出反应阶段的最小临界冷却速率，确定出铝合金板材的冷却速率调节阶段，以及每个阶段的冷却速率，确定原则为：冷却速率调节阶段的温度范围与析出反应阶段的温度范围一致，且冷却速率调节阶段的冷却速率与相应析出反应阶段的最小临界冷却速率相等；最后根据确定的冷却速率调节阶段和冷却速率对铝合金材料进行喷淋淬火冷却。

本发明的适用于铝合金板材的喷淋淬火工艺，具体通过以下步骤来实现：

a).获取冷却析出曲线，测量待淬火铝合金板材的连续析出曲线CCP，连续析出曲线CCP由铝合金材料的多个析出反应阶段曲线组成；

b).确定析出反应阶段的温度范围，根据步骤a)中获取的连续析出曲线CCP，确定出每个析出反应阶段的温度范围，设由高温至低温共存在N个析出反应阶段，分别记为P₁、P₂、…、P_N，N个析出反应阶段对应的温度范围分别为（T_1max，T_1min）、（T_2max，T_2min）、…、（T_Nmax，T_Nmin），其中，T_{i min} =T_（i+1）max ；

c).确定析出反应阶段的最小临界冷却速率，根据步骤b)中获取的N个析出反应阶段的曲线，确定出每个析出反应阶段的最小临界冷却速率，设析出反应阶段P₁、P₂、…、P_N的最小临界冷却速率分别为：CCR₁、CCR₂、…、CCR_N；

d).确定工件冷却速率调节阶段，根据步骤b)中确定的析出反应阶段，确定出铝合金板材的冷却速率调节阶段为Q₀、Q₁、Q₂、…、Q_N、Q_（N+1），共计N+2段，N+2段冷却速率调节阶段对应的温度范围分别为：（铝合金材料的固溶温度_，T_1max）、（T_1max，T_1min）、（T_2max，T_2min）、…、（T_Nmax，T_Nmin）、（T_Nmin，室温），其中，T_imin =T_（i+1）max；

e).确定冷却速率，铝合金工件淬火的冷却速率调节Q₀阶段的冷却速率为空冷速率CR_air，冷却速率调节阶段Q₁、Q₂、…、Q_N的冷却速率分别为CCR₁、CCR₂、…、CCR_N，冷却速率调节Q_（N+1）阶段的冷却速率为空冷速率CR_air，

f).喷淋冷却，根据每个冷却速率调节阶段对应的温度范围，以及每个冷却速率调节阶段所采用的冷却速率，确定出喷淋冷却设备的喷淋压力、喷淋水流密度、喷淋持续时间信息，对铝合金工件实施喷淋淬火冷却。

本发明的适用于铝合金板材的喷淋淬火工艺，所述冷却速率调节阶段Q₁、Q₂、…、Q_N的冷却速率CCR₁、CCR₂、…、CCR_N的大小依次递增。

本发明的适用于铝合金板材的喷淋淬火工艺，对于AA7150铝合金，冷却速率调节阶段分为Q₀、Q₁、Q₂、Q₃、Q₄共计5段，其对应的温度范围分别为（480℃_，455℃）、（455℃_，350℃）、（350℃_，255℃）、（255℃_，150℃）、（150℃_，室温），Q₀、Q₁、Q₂、Q₃、Q₄冷却速率调节阶段的冷却速率分别为：空冷速率CR_air、10℃/s、80℃/s、300℃/s、空冷速率CR_air。

本发明的适用于铝合金板材的喷淋淬火工艺，对于AA2618铝合金，冷却速率调节阶段分为Q₀、Q₁、Q₂、Q₃共计4段，其对应的温度范围分别为（530℃_，390℃）、（390℃_，280℃）、（280℃_，170℃）、（170℃_，室温），Q₀、Q₁、Q₂、Q₃冷却速率调节阶段的冷却速率分别为：空冷速率CR_air、20℃/s、100℃/s、空冷速率CR_air。

本发明的有益效果是：本发明的适用于铝合金板材的喷淋淬火工艺，根据铝合金材料连续析出曲线CCP所含有的多个析出反应阶段的温度范围，以及每个析出反应阶段的最小临界冷却速率，确定出温度范围与析出反应阶段温度范围一致、冷却速率与最小临界冷却速率一致的铝合金板材的冷却速率调节阶段，按照这种冷却方式对铝合金板材工件进行冷却，初期阶段采用空气冷却，较低的空气冷却速率能够使铝板的芯表温差较小，使得在冷却过程中可获得较小的残余应力，后续冷却速率逐渐增大，较大的芯表热梯度所引起的变形反而较小，最后再次空冷使得工件获得很小的残余应力。

本发明的铝合金板材的喷淋淬火工艺，改变了以往采用相同冷却速率对铝板淬火易造成较大残余应力的弊端，以及采用分级淬火+等温保温法的不连续所导致的残余应力过大的问题，采用本发明的铝合金板材的喷淋淬火工艺，所获取的铝合金板材具有较高的力学性能和较低的残余应力，对于促进航空航天的铝厚板高质量生产有重大意义。

附图说明

图1为传统单级喷淋淬火工艺、传统多级喷淋淬火工艺、本发明的喷淋淬火工艺以及铝合金材料的C曲线和CCP曲线的示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

为了解决现有铝厚板喷淋淬火工艺冷却速率并不能覆盖材料多级析出反应阶段临界最小冷却速率，容易造成较大残余应力的问题，本发明专利提出了一种适用于材料存在多析出反应阶段的喷淋淬火工艺，根据被冷却材料的每一析出反应阶段临界最小冷却速率进行调整，具有实用性与经济性。

如图1所示，给出了传统单级喷淋淬火工艺、传统多级喷淋淬火工艺、本发明的喷淋淬火工艺以及铝合金材料的C曲线和CCP曲线的示意图，C曲线又称TTP曲线，为Time-Temperature-Property的缩写，CCP曲线为Continuous Cooling Precipitation的缩写，所示的传统单级喷淋淬火工艺和多级喷淋淬火工艺，均没有考虑铝合金材料在不同析出反应阶段对淬火速度的要求，即铝合金材料在不同温度范围内的淬火需要不同的冷却速率，才能最大限度地消除其残余应力，保证铝合金材料的力学性能。

本发明的适用于铝合金板材的喷淋淬火工艺，具体通过以下步骤来实现：

a).获取冷却析出曲线，测量待淬火铝合金板材的连续析出曲线CCP，连续析出曲线CCP由铝合金材料的多个析出反应阶段曲线组成；

如图1中所示，所示的多个析出反应阶段为3段，每段都对应有自己的温度范围。

b).确定析出反应阶段的温度范围，根据步骤a)中获取的连续析出曲线CCP，确定出每个析出反应阶段的温度范围，设由高温至低温共存在N个析出反应阶段，分别记为P₁、P₂、…、P_N，N个析出反应阶段对应的温度范围分别为（T_1max，T_1min）、（T_2max，T_2min）、…、（T_Nmax，T_Nmin），其中，T_{i min} =T_（i+1）max；

c).确定析出反应阶段的最小临界冷却速率，根据步骤b)中获取的N个析出反应阶段的曲线，确定出每个析出反应阶段的最小临界冷却速率，设析出反应阶段P₁、P₂、…、P_N的最小临界冷却速率分别为：CCR₁、CCR₂、…、CCR_N；

图1中，对于所示的3个析出反应阶段曲线来说，在其温度范围内对每个析出反应阶段曲线求导，导数的最小值即为该析出反应阶段内的最小临界冷却速率；经求取可以发现，最小临界冷却速率为析出反应阶段曲线左顶点处的斜率。

d).确定工件冷却速率调节阶段，根据步骤b)中确定的析出反应阶段，确定出铝合金板材的冷却速率调节阶段为Q₀、Q₁、Q₂、…、Q_N、Q_（N+1），共计N+2段，N+2段冷却速率调节阶段对应的温度范围分别为：（铝合金材料的固溶温度_，T_1max）、（T_1max，T_1min）、（T_2max，T_2min）、…、（T_Nmax，T_Nmin）、（T_Nmin，室温），其中，T_imin =T_（i+1）max ；

e).确定冷却速率，铝合金工件淬火的冷却速率调节Q₀阶段的冷却速率为空冷速率CR_air，冷却速率调节阶段Q₁、Q₂、…、Q_N的冷却速率分别为CCR₁、CCR₂、…、CCR_N，冷却速率调节Q_（N+1）阶段的冷却速率为空冷速率CR_air，

f).喷淋冷却，根据每个冷却速率调节阶段对应的温度范围，以及每个冷却速率调节阶段所采用的冷却速率，确定出喷淋冷却设备的喷淋压力、喷淋水流密度、喷淋持续时间信息，对铝合金工件实施喷淋淬火冷却。

在喷淋淬火过程中，可采用辊底式淬火炉，其采用上、下两组喷嘴同时喷淋的淬火方式，根据冷却速率、板材的热导率、板厚情况确定喷嘴角度、喷嘴直径、介质种类及温度、喷淋距离、喷淋压力等喷淋工艺参数情况。

实施例1：

AA7150铝合金（固溶温度480℃）板材喷淋淬火，板厚为80mm，该材料存在三个析出反应阶段，分别为P₁阶段（455℃，350℃）最小临界冷却速率CR₁为10℃/s，P₂阶段（350℃，255℃）最小临界冷却速率CR₂为80℃/s，P₃阶段（255℃，150℃）最小临界冷却速率CR₃为300℃/s；

由此，该铝厚板的冷却曲线设计为5段，即Q₀阶段（480℃，455℃）冷却速率为空冷速率CR_air，Q₁、Q₂、Q₃阶段的温度范围分别为（455℃，350℃）、（350℃，255℃）、（255℃，150℃），Q₁阶段冷却速率为10℃/s，Q₂阶段冷却速率为80℃/s，Q₃阶段冷却速率为300℃/s，Q₄阶段（150℃，室温）冷却速率为空冷速率CR_air；

当采用20℃的工业自来水为冷却介质时，0-23s时喷嘴无水喷射，由于Q₁阶段冷却速率10℃/s与空冷速率CR_air相等，将其合在一起，0-23s包括Q₀阶段和Q₁阶段；23s-24.2s时喷嘴压力100kPa，喷淋体积通量为100L⋅m^-2⋅s^-1，24.2-24.5s时喷嘴压力300kPa，喷淋体积通量为400L⋅m^-2⋅s^-1，24.5-37.5s时喷嘴无水喷射。

实施例2：

AA2618铝合金（固溶温度530℃）板材淬火，板厚80mm，该材料存在两个析出反应阶段，分别为P₁阶段（390℃，280℃）最小临界冷却速率CR₁为20℃/s，P₂阶段（280℃，170℃）最小临界冷却速率CR₂为100℃/s；

由此，该铝厚板的冷却曲线设计为4段，即Q₀阶段（530℃，390℃）冷却速率为空冷速率CR_air，Q₁、Q₂阶段的温度范围分别为（390℃，280℃）、（280℃，170℃），Q₁阶段冷却速率为20℃/s，Q₂阶段冷却速率为100℃/s， Q₃阶段（170℃，室温）冷却速率为空冷速率CR_air；

当采用20℃的工业自来水水为冷却介质时，0-14s时喷嘴无水喷射，14s-19.5s时喷嘴无水喷射并使用强制对流空气冷却，19.5s-20.6s时喷嘴压力100kPa，喷淋体积通量为400L⋅m^-2⋅s^-1，20.6s-35.6s时喷嘴无水喷射。

虽然在本发明的不同示例中对铝厚板的喷淋淬火工艺实施方法做了表述，但是由于铝合金材料的多样性，其具体材料的喷淋冷却工艺将根据该材料的多析出阶段最小临界冷却速率做出改变，但是相关具体实施方法并不脱离本发明的范围。提供本发明的上述示例仅为了说明目的，绝不视为限制本发明。在实例中描述本发明喷淋工艺参数的词语是说明性和示意性的，并不是限制性的。受益于该说明书和权利要求的启示，本领域的技术人员可以对本发明做出多种不脱离本发明范围的修改和变化。

Claims (4)

1.一种适用于铝合金板材的喷淋淬火工艺，其特征在于，铝合金的淬火方法为：首先，根据铝合金材料的多析出反应阶段的温度范围，以及每个析出反应阶段的最小临界冷却速率，确定出铝合金板材的冷却速率调节阶段，以及每个阶段的冷却速率，确定原则为：冷却速率调节阶段的温度范围与析出反应阶段的温度范围一致，且冷却速率调节阶段的冷却速率与相应析出反应阶段的最小临界冷却速率相等；最后根据确定的冷却速率调节阶段和冷却速率对铝合金材料进行喷淋淬火冷却；

适用于铝合金板材的喷淋淬火工艺具体通过以下步骤来实现：

a).获取冷却析出曲线，测量待淬火铝合金板材的连续析出曲线CCP，连续析出曲线CCP由铝合金材料的多个析出反应阶段曲线组成；

b).确定析出反应阶段的温度范围，根据步骤a)中获取的连续析出曲线CCP，确定出每个析出反应阶段的温度范围，设由高温至低温共存在N个析出反应阶段，分别记为P₁、P₂、…、P_N，N个析出反应阶段对应的温度范围分别为（T_1max，T_1min）、（T_2max，T_2min）、…、（T_Nmax，T_Nmin），其中，T_imin=T_（i+1）max；

c).确定析出反应阶段的最小临界冷却速率，根据步骤b)中获取的N个析出反应阶段的曲线，确定出每个析出反应阶段的最小临界冷却速率，设析出反应阶段P₁、P₂、…、P_N的最小临界冷却速率分别为：CCR₁、CCR₂、…、CCR_N；

d).确定工件冷却速率调节阶段，根据步骤b)中确定的析出反应阶段，确定出铝合金板材的冷却速率调节阶段为Q₀、Q₁、Q₂、…、Q_N、Q_（N+1），共计N+2段，N+2段冷却速率调节阶段对应的温度范围分别为：（铝合金材料的固溶温度_，T_1max）、（T_1max，T_1min）、（T_2max，T_2min）、…、（T_Nmax，T_Nmin）、（T_Nmin，室温），其中，T_imin=T_（i+1）max；

e).确定冷却速率，铝合金工件淬火的冷却速率调节Q₀阶段的冷却速率为空冷速率CR_air，冷却速率调节阶段Q₁、Q₂、…、Q_N的冷却速率分别为CCR₁、CCR₂、…、CCR_N，冷却速率调节Q_（N+1）阶段的冷却速率为空冷速率CR_air，

f).喷淋冷却，根据每个冷却速率调节阶段对应的温度范围，以及每个冷却速率调节阶段所采用的冷却速率，确定出喷淋冷却设备的喷淋压力、喷淋水流密度、喷淋持续时间信息，对铝合金工件实施喷淋淬火冷却。

2.根据权利要求1所述的适用于铝合金板材的喷淋淬火工艺，其特征在于：所述冷却速率调节阶段Q₁、Q₂、…、Q_N的冷却速率CCR₁、CCR₂、…、CCR_N的大小依次递增。

3.根据权利要求1所述的适用于铝合金板材的喷淋淬火工艺，其特征在于：对于AA7150铝合金，冷却速率调节阶段分为Q₀、Q₁、Q₂、Q₃、Q₄共计5段，其对应的温度范围分别为（480℃_，455℃）、（455℃_，350℃）、（350℃_，255℃）、（255℃_，150℃）、（150℃_，室温），Q₀、Q₁、Q₂、Q₃、Q₄冷却速率调节阶段的冷却速率分别为：空冷速率CR_air、10℃/s、80℃/s、300℃/s、空冷速率CR_air。

4.根据权利要求1所述的适用于铝合金板材的喷淋淬火工艺，其特征在于：对于AA2618铝合金，冷却速率调节阶段分为Q₀、Q₁、Q₂、Q₃共计4段，其对应的温度范围分别为（530℃_，390℃）、（390℃_，280℃）、（280℃_，170℃）、（170℃_，室温），Q₀、Q₁、Q₂、Q₃冷却速率调节阶段的冷却速率分别为：空冷速率CR_air、20℃/s、100℃/s、空冷速率CR_air。

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