CN110331351A - 一种Al-Cu-Li系铝锂合金板材的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Al‑Cu‑Li系铝锂合金的板材制备方法，步骤为：将所述铝锂合金铸锭首先经95～121℃保温6～24h，升温至320～400℃并保温3～16h，再升温至420～450℃并保温4～12h，最后升温至480～510℃并保温8～24h的均匀化处理，随后锯切头尾并铣面加工成热轧坯料并预热至480～520℃后，轧制成厚度为0.8～25mm的板材，轧制过程中板材表面温度不低于330℃，轧制过程中道次下压率为10～30％；将轧制板材进行505～525℃保温2～6h的固溶及淬火处理后，进行1～5％变形量的预拉伸变形，最后经人工时效处理至T8状态。本发明能够有效消除铝锂合金板材表层粗晶层，控制板材制备过程中的性能损失，提升板材性能均匀性。

Description

一种Al-Cu-Li系铝锂合金板材的制备方法
技术领域
本发明属于铝合金材料加工技术领域，具体涉及一种Al-Cu-Li系铝锂合金板材的制备方法。
背景技术
锂是地球上最轻的金属，铝合金中添加锂元素后可以获得高比强和比刚度等优良特性。目前铝锂合金的发展已形成了Al-Cu-Li为主合金体系的第三代铝锂合金，具有低密度、高模量、高强度的显著特点，同时还具备良好的耐腐蚀和高/低温性能。在航空航天制造领域长期的结构减重需求背景下，Al-Cu-Li系铝锂合金的应用能够带来相当可观的效益。
Al-Cu-Li系铝锂合金中第二相种类很多，如T1、θ、δ、β、T2、TB等，这种多相组织的组成、分布及形态等易受材料加工制备工艺干扰，从而在制造过程中形成弱化性能的微观组织，如表面粗晶层、晶界偏聚析出等。这也使得Al-Cu-Li系铝锂合金板材的工业生产中，尺寸目标与性能均匀性难以协同实现。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种Al-Cu-Li系铝锂合金板材的制备方法，本发明的制备方法能够有效消除铝锂合金板材表层粗晶层，控制板材制备过程中的性能损失，提升板材性能均匀性。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
本发明一种Al-Cu-Li系铝锂合金板材的制备方法，包括以下步骤：将铝锂合金铸锭进行四级均匀化热处理，加工成坯料，然后进行热轧获得板材，板材进行固溶、淬火处理后，进行预拉伸变形，最后经人工时效处理至T8状态；所述四级均匀化处理过程为：首先加热至95～121℃保温6～24h后，升温至320～400℃并保温3～16h，再升温至420～450℃并保温4～12h，最后升温至480～510℃并保温8～24h。
本发明在Al-Cu-Li系铝锂合金轧制前采用四级均匀化处理铸锭，不仅能够有效消除铸锭内应力，防止铸锭开裂，还能够使铝锂合金铸锭内残余结晶相充分溶解，并达到弥散相均匀分布的效果，从而为铸锭后续开坯加工及轧制成形工序提供了良好的坯料组织，且在轧制成型过程中无需进行退火。
在本发明中，采用了大量的实验，形成了本发明特定的四级均匀化处理程序，首先在95～121℃形成一定数量的GP区，接着在320～400℃尽量多的在晶内和晶界形成圆盘状和立方状析出相作为Al3Zr粒子诱导相，然后在420～450℃通过二级析出的诱导相使得大量析出Al3Zr粒子，最后在480～510℃高温处理将可溶第二相全部溶入基体。
本发明中，四级均匀化处理程序，是本发明的关键，如果不按本发明的四级均匀化程序设定，均无法达到本发明中的效果，比如说，即使减少到三级仍然无法降低板材粗晶层厚度，增加五级均匀化无法进一步提升效果，反而会浪费大量能源；如果二级升温设定为200-300℃；则会使得板材粗晶层较厚，降低板材性能。
优选的方案，所述铝锂合金的成份按质量百分比计为：Cu 2.5～4.5％，Li 0.7～1.8％，Zr 0.08～0.16％，Mg 0.2～0.8％，Ag 0.1～0.8％，杂质元素总量≤0.15％，余量为Al。
实际操作过程中，铝锂合金铸锭经过四级均匀化热处理后，锯切头尾并铣面加工成坯料。
优选的方案，所述坯料先预热至480～520℃；然后热轧获得厚度为0.8～25mm的板材。
作为进一步的优选，所述热轧过程中板材表面温度不低于330℃，热轧过程中道次下压率为10～30％。
优选的方案，所述固溶温度为505～525℃，固溶时间为2～6h。
优选的方案，所述淬火为水淬至室温，淬火转移时间小于5s。
优选的方案，所述预拉伸变形的变形量为1～5％。
优选的方案，所述人工时效的温度为150～180℃，时间为18～48h。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明在Al-Cu-Li系铝锂合金轧制前采用四级均匀化处理铸锭，不仅能够有效消除铸锭内应力，防止铸锭开裂，还能够使铝锂合金铸锭内残余结晶相充分溶解，并达到弥散相均匀分布的效果，从而为铸锭后续开坯加工及轧制成形工序提供了良好的坯料组织。一方面，通过逐级升至高温(480～510℃)保温，使铸锭内多种残余结晶相能够充分溶解，避免这些残余结晶相带来的对最终板材的强韧性及均匀性的不利影响。另一方面，通过前两级的预处理，可形成充分抑制再结晶的微观组织，从而扩大了后续轧制加工工艺窗口，减小板材制备过程中的性能损失。此外，由较低温度(95～121℃)逐级升温的工艺方法，适应工业大规格加热所需要的时间过程，提高加热效率。
(2)本发明采用先热处理获得改性坯料再热轧制成形的技术途径，避免了以往的工艺路径中需要的反复中间退火工序，提高轧制生产效率，并且能够更有效地避免轧制过程中反复转移造成的板材区域组织不均匀性问题。此外，该技术途径下能够在后续固溶处理中采用较高的固溶温度，获得充分过饱和固溶组织，从而为后续时效处理获得高性能板材提供保障。
(3)本发明的技术方法不需采用冷轧变形的方式，能够避免铝锂合金板材加工过程产生微缺陷，提高铝锂合金板材产品质量及生产稳定性。
(4)本发明Al-Cu-Li系铝锂合金板材的制备方法，能够有效消除板材表面粗晶层，对于采用喷射沉积技术制备的铝锂合金铸锭效果更加明显。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的铝锂合金板材光学显微组织照片；
图2为本发明实施例2制备的铝锂合金板材光学显微组织照片；
图3为本发明对比例1制备的铝锂合金板材光学显微组织照片；
图4为本发明对比例2制备的铝锂合金板材光学显微组织照片；
图5为本发明对比例3制备的铝锂合金板材光学显微组织照片；
图6为本发明对比例4制备的铝锂合金板材光学显微组织照片。
具体实施方式
以下实施例与对比例所用的合金成分按质量百分比计为：Cu 4％，Li 1％，Zr0.095％，Mg 0.525％，Ag 0.425％，杂质元素总量≤0.15％，余量为Al。
实施例1
将铝锂合金铸锭首先加热至120℃保温12h后升温至370℃并保温10h，再升温至420℃并保温8h，最后升温至510℃并保温18h，随后锯切头尾并铣面加工成热轧坯料并预热至510℃后，轧制成厚度为25mm的板材，轧制过程中板材表面温度不低于330℃，轧制过程中道次下压率为20％；将轧制板材进行510℃/3h固溶及淬火处理后，进行2％变形量的预拉伸变形，最后经160℃/24h人工时效处理后即得到最终铝锂合金板材。
实施例2
将铝锂合金铸锭首先加热至120℃保温12h后升温至350℃并保温10h，再升温至450℃并保温8h，最后升温至510℃并保温18h，随后锯切头尾并铣面加工成热轧坯料并预热至510℃后，轧制成厚度为25mm的板材，轧制过程中板材表面温度不低于330℃，轧制过程中道次下压率为20％；将轧制板材进行510℃/3h固溶，立即水淬至室温后，进行2％变形量的预拉伸变形，最后经160℃/24h人工时效处理后即得到最终铝锂合金板材。
对比例1
将铝锂合金铸锭首先经500℃保温24h均匀化处理，随后锯切头尾并铣面加工成热轧坯料并预热至510℃后，轧制成厚度为25mm的板材，轧制过程中板材表面温度不低于330℃，轧制过程中道次下压率为10～30％；将轧制板材进行510℃/3h固溶，立即水淬至室温后，进行2％变形量的预拉伸变形，最后经160℃/24h人工时效处理后即得到最终铝锂合金板材。
对比例2
将铝锂合金铸锭首先经420℃保温12h，再升温至490℃保温12h均匀化处理，随后锯切头尾并铣面加工成热轧坯料并预热至510℃后，轧制成厚度为6.5mm的板材，轧制过程中板材表面温度不低于330℃，轧制过程中道次下压率为20％；将轧制板材进行510℃/3h固溶及淬火处理后，进行2％变形量的预拉伸变形，最后经160℃/24h人工时效处理后即得到最终铝锂合金板材。
对比例3
将铝锂合金铸锭首先经500℃保温24h均匀化处理，随后锯切头尾并铣面加工成热轧坯料并预热至478℃后，轧制成厚度为10mm的板材后进行400℃/10h中间退火，再冷轧成厚度为6.5mm的板材；将轧制板材进行510℃/3h固溶及淬火处理后，进行2％变形量的预拉伸变形，最后经160℃/24h人工时效处理后即得到最终铝锂合金板材。
对比例4
将所述铝锂合金铸锭首先加热至112.5℃保温12h后升温至250℃并保温10h，再升温至427.5℃并保温8h，最后升温至502.5℃并保温18h，随后锯切头尾并铣面加工成热轧坯料并预热至510℃后，轧制成厚度为25mm的板材，轧制过程中板材表面温度不低于330℃，轧制过程中道次下压率为20％；将轧制板材进行510℃/3h固溶及淬火处理后，进行2％变形量的预拉伸变形，最后经160℃/24h人工时效处理后即得到最终铝锂合金板材。
实施例1～2和对比例1～4制备的铝锂合金板材室温力学性能和表面粗晶层厚度测试结果见表1。
表1本发明实施例与对比例的室温力学性能及表面粗晶层测试结果
通过实施例1～2与对比例1～4的力学性能测试结果对比以及附图1～6的对比可知，本发明制备工艺能够显著减小Al-Cu-Li系铝锂合金板材表面粗晶层厚度，使相同时效强化状态的铝锂合金板材室温力学性能得到较大幅度提升。

Claims (8)

1.一种Al-Cu-Li系铝锂合金板材的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：将铝锂合金铸锭进行四级均匀化热处理，加工成坯料，然后进行热轧获得板材，板材进行固溶、淬火处理后，进行预拉伸变形，最后经人工时效处理至T8状态；所述四级均匀化处理过程为：首先加热至95～121℃保温6～24h后，升温至320～400℃并保温3～16h，再升温至420～450℃并保温4～12h，最后升温至480～510℃并保温8～24h。
2.根据权利要求1所述的一种Al-Cu-Li系铝锂合金板材的制备方法，其特征在于：所述铝锂合金的成份按质量百分比计为：Cu 2.5～4.5％，Li 0.7～1.8％，Zr 0.08～0.16％，Mg0.2～0.8％，Ag 0.1～0.8％，杂质元素总量≤0.15％，余量为Al。
3.根据权利要求1所述的一种Al-Cu-Li系铝锂合金板材的制备方法，其特征在于：所述坯料先预热至480～520℃；然后热轧获得厚度为0.8～25mm的板材。
4.根据权利要求1或3所述的一种Al-Cu-Li系铝锂合金板材的制备方法，其特征在于：所述热轧过程中板材表面温度不低于330℃，热轧过程中道次下压率为10～30％。
5.根据权利要求1所述的一种Al-Cu-Li系铝锂合金板材的制备方法，其特征在于：所述固溶温度为505～525℃，固溶时间为2～6h。
6.根据权利要求1所述的一种Al-Cu-Li系铝锂合金板材的制备方法，其特征在于：所述淬火为水淬至室温，淬火转移时间小于5s。
7.根据权利要求1所述的一种Al-Cu-Li系铝锂合金板材的制备方法，其特征在于，所述预拉伸变形的变形量为1～5％。
8.根据权利要求1所述的一种Al-Cu-Li系铝锂合金板材的制备方法，其特征在于，所述人工时效的温度为150～180℃，时间为18～48h。
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