CN110230014A - 一种调控铝合金锻件晶粒组织均匀性的方法 - Google Patents

一种调控铝合金锻件晶粒组织均匀性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种调控铝合金锻件晶粒组织均匀性的方法，其包括以下步骤：步骤S1：将表层晶粒组织粗大的铝合金锻件进行低温小变形实验；步骤S2：将步骤S1变形实验后获得的锻件进行固溶热处理，固溶温度为380℃～480℃，固溶时间为2h～4h；步骤S3：将步骤S2固溶热处理后的锻件进行时效处理，时效温度为120℃～180℃，时效时间为6h～12h。本发明的方法以较低温度和较小变形量达到调控铝合金锻件晶粒组织均匀性的目的，为提升铝合金锻件品质提供了新技术。

Description

一种调控铝合金锻件晶粒组织均匀性的方法
技术领域
本发明属锻造技术领域，涉及一种调控铝合金锻件晶粒组织均匀性的方法。
背景技术
7XXX系铝合金具有高强韧、塑性加工性能好及可热处理强化等优点，在车辆工业和工兵装备，特别是在航空航天领域得到了广泛的应用。
大型合金锻件在常规热模锻工艺条件下，锻件表层变形温度低，变形量小，从而导致位错密度低，不能为再结晶行为提供能量，表层组织为粗大的原始晶粒组织。而锻件心部发生了再结晶，能量得到释放，晶粒组织细小均匀。这种表层粗大晶粒组织在常规热模锻制造的铝合金航空模锻件上广泛存在且难以避免，使得锻件整体晶粒组织不均匀。
而这类表层粗大晶粒组织会导致航空结构件服役性能的严重弱化，通常需要通过机械加工完全去除，从而造成航空材料利用率大幅降低。虽然在恒温条件下对工件以较低速率进行大流变成形的等温模锻工艺能够提高锻件的晶粒组织均匀性，但是，其调控过程具备高能耗和低效率的特点，不适合工业大批量生产。因此，急需发明一种新方法，既能有效的实现锻件晶粒组织均匀性调控，又能降低能耗，提高生产效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种调控铝合金锻件晶粒组织均匀性的方法，采用低温小变形工艺提高锻件表层位错密度，并结合热处理工艺促进材料发生静态再结晶，实现了以较小变形量调控合金锻件晶粒组织均匀性的目的，解决了现有方法难以在较低温度和较小变形条件下得到表层心部组织均匀的铝合金锻件的难题。
具体地，本发明提供一种调控铝合金锻件晶粒组织均匀性的方法，其包括以下步骤：
步骤S1：将表层晶粒组织粗大的合金锻件进行低温小变形实验；其具体包括以下步骤：
S11、从锻件厚度方向截取直径为10mm，高度为15mm的圆柱锻件，作为实验试件；
S12、将步骤S11得到的实验试件安装在热压缩模拟试验机的压头上，压头与试验试件的温度范围为150℃～300℃，以一定变形速率以及变形量对实验试件进行热压缩变形实验；
S13、对步骤S12得到的热压缩实验试件进行金相观察，观察该实验试件的晶粒组织均匀性是否达到要求，获得实验试件的晶粒组织均匀性达到要求的变形速率和变形量；
S14、利用步骤S13得到的变形速率及变形量对合金锻件进行低温小变形实验；
步骤S2：将步骤S14变形实验后获得的锻件进行固溶热处理实验，固溶温度为380℃～480℃，固溶时间为2h～4h；
步骤S3：将步骤S2固溶热处理后的锻件进行时效处理，时效处理温度为120℃～160℃，时效时间为6h～12h。
优选地，所述步骤S13中热压缩变形的变形量为10％～30％，变形速率为0.1s-1～10s-1。
优选地，所述步骤S2中固溶温度为380℃～420℃，固溶时间为2h。
优选地，所述步骤S3中锻件进行时效处理的时效温度为120℃～160℃。
优选地，所述步骤S14中对合金锻件进行低温小变形实验能够使合金锻件产生高密度位错。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的方法实现了以较低温度和较小变形达到调控铝合金锻件晶粒组织均匀性的目的，为提升合金锻件品质提供了新技术。其采用低温小变形工艺提高锻件表层位错密度，并结合热处理工艺促进材料发生静态再结晶，实现了以较小变形量调控合金锻件晶粒组织均匀性的目的，解决了现有方法难以在较低温度和较小变形条件下得到表层心部组织均匀的铝合金锻件的难题。
本发明对经过低温小变形处理的合金锻件进行金相观察，本发明的方法可以达到调控合金锻件晶粒组织均匀性的目的。另一方面，铝合金锻件的表层粗大晶粒组织经过本发明的方法处理后晶粒得到明显细化，同时心部组织在固溶时效过程中没有发生明显长大，合金锻件表层和心部组织的晶粒尺寸趋于一致。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为铝合金锻件的结构示意图；
图3a为铝合金锻件表层的不均匀晶粒组织；
图3b为铝合金锻件芯部的不均匀晶粒组织；
图4a为实施例1采用低温小变形工艺获得的铝合金锻件表层的晶粒组织；
图4b为实施例1采用低温小变形工艺获得的铝合金锻件芯部的晶粒组织；
图5a为实施例1的高温短时退火+时效热处理后铝合金锻件表层的晶粒组织；
图5b为实施例1的高温短时退火+时效热处理后铝合金锻件芯部的晶粒组织；
图6a为实施例2采用低温小变形工艺获得的铝合金锻件表层的晶粒组织；
图6b为实施例2采用低温小变形工艺获得的铝合金锻件芯部的晶粒组织；
图7a为实施例2的高温短时退火加时效热处理后铝合金锻件表层的晶粒组织；
图7b为实施例2的高温短时退火加时效热处理后铝合金锻件芯部的晶粒组织；
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
具体地，本发明提供一种调控铝合金锻件晶粒组织均匀性的方法，本实施例中以铝合金为例进行说明，具体地，其包括以下步骤：
步骤S1：将表层晶粒组织粗大的铝合金锻件进行低温小变形实验；其具体包括以下步骤：
S11、从锻件厚度方向截取直径为10mm，高度为15mm的圆柱锻件，作为实验试件；
S12、将步骤S11得到的实验试件安装在热压缩模拟试验机的压头上，压头与试验试件的温度范围为150℃～300℃，以一定变形速率以及变形量对实验试件进行热压缩变形实验；
S13、对步骤S12得到的热压缩后的实验试件进行金相观察，观察该实验试件的晶粒组织均匀性是否达到要求，如达到要求，获得实验试件的晶粒组织均匀性达到要求的变形速率和变形量。
如该实验试件的晶粒组织均匀性未达到要求，重复步骤S11至步骤S13，直至该实验试件的晶粒组织均匀性达到要求。
S14、利用步骤S13得到的变形速率及变形量对铝合金锻件进行低温小变形实验；
步骤S2：将步骤S14变形实验后获得的锻件进行固溶热处理实验，固溶温度为380℃～480℃，固溶时间为2h～4h；
步骤S3：将步骤S2固溶热处理后的锻件进行时效处理，时效温度为120℃～180℃，时效时间为6h～12h。
优选地，步骤S13中热压缩变形的变形量为10％～30％，变形速率为0.1s-1～10s-1。
优选地，步骤S14中对合金锻件进行低温小变形实验能够使合金锻件产生高密度位错。
优选地，步骤S2中对铝合金锻件进行短时固溶热处理，使得铝合金锻件表层发生静态再结晶，并在再结晶晶粒的晶界上析出细小弥散的第二相，抑制再结晶晶粒的长大。同时，调控固溶工艺中的温度和时间，避免锻件心部发生晶粒粗化。
优选地，步骤S3中锻件进行时效处理包括第一级失效处理和第二级时效处理，所述第一级时效处理温度为120℃～140℃，所述第二级时效处理温度为140℃～160℃。
在实际应用中，在常规热模锻工艺条件下，锻件表层变形温度低，变形量小，从而导致位错密度低，不能为再结晶行为提供能量，表层组织为粗大的原始晶粒组织，但能量仍存在变形组织中。而锻件心部发生了再结晶，能量得到释放，晶粒组织细小均匀。此外，在后续固溶时效过程中，锻件表层高形变储能反而为第二相的形核与长大提供了驱动力，导致析出相尺寸粗大，如图2所示。显然，这种表层粗大组织在常规热模锻制造的铝合金航空模锻件上广泛存在且难以避免，使得锻件整体组织不均匀。而这类表层粗大组织会导致航空结构件服役性能的严重弱化，通常需要通过机械加工完全去除，从而造成航空材料利用率大幅降低。
本发明通过低温小变形调控锻件表层位错密度，并与后续热处理工艺相匹配，使锻件表层充分发生静态再结晶，细化晶粒组织，同时避免锻件心部晶粒发生较明显的粗化。低温小变形工艺通过对锻件进行低温快速塑性变形，使锻件表层获得应变的高效累积。在后续热处理过程中，累积的形变储能通过静态再结晶行为释放，防止锻件表层析出相在热处理过程中发生异常长大。
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
具体实施例1
本发明是一种铝合金锻件晶粒组织均匀性低温小变形调控方法，下面所有实施例中均选用7050铝合金锻件为对象，其化学成分如表1所示。
表1 本发明实施例1中所用材料7050铝合金的合金成分(wt.％)
Al Zn Mg Cu Si Fe Cr Mn
86.11 6.5 4.68 1.66 0.368 0.288 0.262 0.089
步骤S1：将具有不均匀变形组织的铝合金锻件进行低温小变形，铝合金锻件的结构如图2所示，变形参数为：变形量为30％，变形温度为150℃，变形速度为0.1s-1，铝合金锻件的不均匀组织如图3a和图3b所示，图3a为铝合金锻件表层的不均匀晶粒组织，图3b为铝合金锻件芯部的不均匀晶粒组织。
铝合金锻件经步骤S1处理后的组织如图4a和图4b所示，图4a为实施例1采用低温小变形工艺获得的铝合金锻件表层的晶粒组织，图4b为实施例1采用低温小变形工艺获得的铝合金锻件芯部的晶粒组织。
步骤S2：将步骤S1获得的变形后的铝合金锻件进行固溶处理，然后立即淬火，固溶处理的工艺为：将铝合金锻件加热到470℃保温，保温时间为2小时。
步骤S3：将固溶后的铝合金锻件进行双级时效处理，时效参数为：第一级时效温度为121℃，时效时间为12小时；第二级时效温度为177℃，时效时间为12小时，经固溶时效后的铝合金锻件晶粒组织如图5a和图5b所示，图5a为实施例1的高温短时退火+时效热处理后铝合金锻件表层的晶粒组织：图5b为实施例1的高温短时退火+时效热处理后铝合金锻件芯部的晶粒组织。
对经过低温小变形处理的铝合金锻件进行金相观察，对比图3a、图3b与图5a、图5b可知，本发明的方法可以达到调控铝合金锻件晶粒组织均匀性的目的。
观察图5a和图5b发现，铝合金锻件的表层粗大晶粒组织经过本发明的方法处理后晶粒得到明显细化，同时心部组织在固溶时效过程中没有发生明显长大，铝合金锻件表层和心部组织的晶粒尺寸趋于一致。
具体实施例2
本发明是一种铝合金锻件晶粒组织均匀性低温小变形调控方法，下面所有实施例中均选用7050铝合金锻件为对象，其化学成分如表2所示。
表2 本发明实施例2中所用材料7050铝合金的合金成分(wt.％)
Al Zn Mg Cu Si Fe Cr Mn
86.11 6.5 4.68 1.66 0.368 0.288 0.262 0.089
步骤S1：将具有不均匀变形组织的铝合金锻件进行低温小变形，变形参数为：变形量为20％，变形温度为250℃，变形速度为1s-1；铝合金锻件的不均匀组织如图2所示，铝合金锻件经步骤S1处理后的组织如图6a和图6b所示，图6a为实施例2采用低温小变形工艺获得的铝合金锻件表层的晶粒组织：图6b为实施例2采用低温小变形工艺获得的铝合金锻件芯部的晶粒组织。
步骤S2：将步骤S1获得的变形后的铝合金锻件进行固溶处理，然后立即淬火，固溶处理的工艺为：将铝合金锻件加热到470℃保温，保温时间为4小时。
步骤S3：将固溶后的铝合金锻件进行双级时效处理，时效参数为：第一级时效温度为121℃，时效时间为12小时；第二级时效温度为177℃，时效时间为12小时，经固溶时效后的铝合金锻件晶粒组织如图7a和图7b所示，图7a为实施例2的高温短时退火和时效热处理后铝合金锻件表层的晶粒组织；图7b为实施例2的高温短时退火和时效热处理后铝合金锻件芯部的晶粒组织。
对经过低温小变形处理的铝合金锻件进行金相观察，对比图3a、图3b与图7a、图7b可知，本发明的方法可以达到调控铝合金锻件晶粒组织均匀性的目的。通过观察图7a和图7b，发现锻件表层组织和心部组织的再结晶程度相当，并且表层与心部晶粒尺寸相当。经过4小时的高温固溶，并未发现再结晶晶粒长大的现象。综上所述，本发明提出的方法能够实现铝合金锻件的晶粒组织均匀性调控。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种调控铝合金锻件晶粒组织均匀性的方法，其特征在于：其包括以下步骤：
步骤S1：将表层晶粒组织粗大的铝合金锻件进行低温小变形实验；其具体包括以下步骤：
S11、从锻件厚度方向截取直径为10mm，高度为15mm的圆柱锻件，作为实验试件；
S12、将步骤S11得到的实验试件安装在热压缩模拟试验机的压头上，压头与试验试件的温度范围为150℃～300℃，以一定变形速率以及变形量对实验试件进行热压缩变形实验；
S13、对步骤S12得到的热压缩实验试件进行金相观察，观察该实验试件的晶粒组织均匀性是否达到要求，获得实验试件的晶粒组织均匀性达到要求的变形速率和变形量；
S14、利用步骤S13得到的变形速率及变形量对合金锻件进行低温小变形实验；
步骤S2：将步骤S14变形实验后获得的锻件进行固溶热处理实验，固溶温度为380℃～480℃，固溶时间为2h～4h；
步骤S3：将步骤S2固溶热处理后的锻件进行时效处理，时效温度为120℃～180℃，时效时间为6h～12h。
2.根据权利要求1所述的调控铝合金锻件晶粒组织均匀性的方法，其特征在于：所述步骤S13中热压缩变形的变形量为10％～30％，变形速率为0.1s-1～10s-1。
3.根据权利要求1所述的调控铝合金锻件晶粒组织均匀性的方法，其特征在于：所述步骤S2中固溶温度为380℃～420℃，固溶时间为2h。
4.根据权利要求1所述的调控铝合金锻件晶粒组织均匀性的方法，其特征在于：所述步骤S3中锻件进行时效处理的时效温度为120℃～160℃。
5.根据权利要求1所述的调控铝合金锻件晶粒组织均匀性的方法，其特征在于：所述步骤S14中对合金锻件进行低温小变形实验能够使合金锻件产生高密度位错。
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