CN110408868B - 一种基于大变形均匀化的免时效高强韧铝合金的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于大变形均匀化的免时效高强韧铝合金的制备方法，该制备方法步骤如下：A、将7XXX系铝合金铸锭进行切割获得坯体；B、在固溶温度下将坯体进行连续等通道转角挤压加工实现大变形均匀化，获得过饱和固溶体块体挤压坯；C、从块体挤压坯中切割出长度方向平行于等通道转角挤压方向的合金棒；D、对合金棒进行热挤压加工，获得基于大变形均匀化的免时效高强韧铝合金。本发明利用固溶温度下的连续等通道转角挤压实现了大变形均匀化效果，提高了均匀化合金中的缺陷密度，并利用后续热挤压细化晶粒，促使纳米沉淀相的动态析出，获得了具有细晶和均匀高密度纳米沉淀相的铝合金组织，显著提高了合金的强度和韧性。

Description

一种基于大变形均匀化的免时效高强韧铝合金的制备方法
技术领域
本发明属于铝合金加工技术领域，具体地说是一种采用等通道转角挤压实现完全固溶处理并利用后续热挤压促进动态析出的基于大变形均匀化的免时效高强韧铝合金的制备方法。
背景技术
7XXX系铝合金具有高强度、低密度、良好的加工性能和抗应力腐蚀开裂能力，常被加工成各类型材广泛应用于航空航天和轨道交通等领域。7XXX系铝合金以Zn和Mg为主要合金元素，包括Al-Zn-Mg和Al-Zn-Mg-Cu两个主要合金系列。这类合金是典型的析出强化型铝合金，利用时效析出的Mg-Zn或Al-Mg-Zn等亚稳沉淀相，可显著提升合金的强度，使其屈服强度高达500MPa甚至600MPa以上，获得超高强铝合金。
7XXX系铝合金型材的加工工艺包括：均匀化处理→热加工(热挤压或热轧制)→固溶处理→时效处理。其热加工前的均匀化处理通常在450℃以上温度保温20小时以上，热加工后的固溶处理通常在450℃以上保温1～2小时，时效处理通常在100～200℃保温10小时以上，其生产工序繁琐，加工周期相对较长。此外，常规的均匀化和固溶处理其固溶效果一般，合金中晶界区域仍会有较多的第二相颗粒残留，且这些颗粒在热加工或时效过程中会进一步长大，促进后续晶界沉淀相(GBP)和晶间无析出带(PFZ)的形成，从而造成合金的强度、韧性和抗应力腐蚀能力下降。近年来，先后开发了多级固溶、强化固溶、高温预析出、固溶降温处理等一系列固溶工艺来降低晶界沉淀相的尺寸和体积分数。虽然以上固溶工艺对于改善7XXX系合金的固溶程度有一定效果，但依然难以缩短该类合金的生产周期。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种采用等通道转角挤压实现完全固溶处理并利用后续热挤压促进动态析出的基于大变形均匀化的免时效高强韧铝合金的制备方法；该制备方法能够改进现有传统7XXX系合金型材加工中存在的局限，充分发挥沉淀相强化的显著作用，提高7XXX系合金的强韧性，且所需时间显著缩短。
本发明的目的是通过以下技术方案解决的：
一种基于大变形均匀化的免时效高强韧铝合金的制备方法，其特征在于：该制备方法步骤如下：
A、铸锭切割：将7XXX系铝合金铸锭进行切割获得坯体；
B、大变形均匀化：将坯体置于转模等通道转角挤压模具中，在固溶温度下进行连续等通道转角挤压加工实现大变形均匀化，获得第二相完全溶解的过饱和固溶体块体挤压坯；
C、挤压坯切割：从块体挤压坯中切割出长度方向平行于等通道转角挤压方向的合金棒；
D、热挤压：对合金棒进行热挤压加工，获得基于大变形均匀化的免时效高强韧铝合金。
所述步骤A中的坯体为垂直于长度方向的横截面为正方形的方坯。
所述步骤B中的转模等通道转角挤压模具的转模等通道转角挤压加工的温度为450℃～480℃、加工道次为6道次～8道次，挤压加工结束后水淬处理。
所述步骤B中的连续等通道转角挤压加工所需时间为0.5～1小时。
所述步骤C中的合金棒为圆柱状且合金棒的直径为坯体短边边长的85％～95％。
所述步骤D中的热挤压的加工温度为300℃～350℃、挤压速度为0.6m/min～1.2m/min、挤压比为15～35，挤压后水淬处理。
所述步骤D中获得的基于大变形均匀化的免时效高强韧铝合金的屈服强度达到500MPa～600MPa以上且延伸率大于10％。
本发明的机理如下：利用较高的固溶温度450℃～480℃对7XXX系铸态铝合金进行6道次～8道次转模等通道转角挤压加工来实现均匀化，一方面，高的加工温度能够促进铸态网状连续第二相溶解于基体中；另一方面，6道次～8道次大塑性加工引入的大应变量能够促进铝合金基体中大量的位错、亚晶和大角度晶界形成(增加了各类晶体缺陷的密度)，这些高能量的晶体缺陷能够吸收溶质原子以降低体系的自由能。因而，在固溶温度下的大变形均匀化发挥了“增强固溶”效果，进一步促进了晶界第二相的溶解，提高了基体固溶度，获得接近单相的过饱和固溶体铝合金。通过采用大变形均匀化获得的过饱和固溶体铝合金，具有比传统均匀化/固溶处理更加细小的晶粒组织，因而塑性显著提高，能够降低后续热挤压所需的变形温度。同时，大量晶体缺陷的存在也为沉淀相在热挤压过程中的动态析出提供了有利形核位置和充足的溶质原子，通过控制热挤压温度和加工速率，能够对晶粒尺寸，GP区和沉淀相的尺寸、密度和形貌等进行调控，获得兼具高强和高韧的7XXX系变形铝合金。
本发明相比现有技术有如下优点：
本发明提供的制备方法先采用固溶温度下的多道次连续等通道转角挤压加工实现均匀化，使7XXX系合金中形成具有高密度缺陷和较低晶粒尺寸的过饱和固溶体，提高了铝合金的塑性和成形能力，然后通过降低热挤压温度，促使GP区和沉淀相在热挤压过程中动态析出，并进一步细化晶粒，最终获得一种高密度纳米沉淀相强化和细晶强化的高强韧铝合金。
本发明的制备方法获得的大变形均匀化的免时效高强韧铝合金具有以下两大特性：
(1)大变形均匀化的固溶效果好，导致合金中几乎不存在晶界沉淀相；基于大变形均匀化引入的高密度晶体缺陷，热挤压过程中促进均匀动态析出，晶间无析出带的宽度小；热挤压时间短，动态析出的GP区和纳米级η′相密度高且尺寸细；双重塑性加工下，合金的晶粒细化效果显著；高强韧铝合金的屈服强度达到500～600MPa以上、延伸率大于10％，获得了强度和韧性的良好结合。
(2)大变形均匀化的温度与传统固溶工艺相当，所需时间显著降低，6～8道次转模等通道转角挤压加工所需时间为0.5～1小时；且本发明在热加工后不需要后续时效处理，进一步缩短了生产周期；另外，较低的热挤压加工温度能够提高模具寿命；使得该制备方法具有短周期和低能耗的特点。
附图说明
附图1为本发明的基于大变形均匀化的免时效高强韧铝合金的制备方法的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示：一种基于大变形均匀化的免时效高强韧铝合金的制备方法，该制备方法步骤如下：A、铸锭切割：从7XXX系铝合金铸锭中切割尺寸为50mm×50mm×100mm的方坯；B、大变形均匀化：将坯体置于转模等通道转角挤压模具中，进行连续等通道转角挤压加工实现大变形均匀化，转模等通道转角挤压加工的温度为450℃～480℃、加工道次为6道次～8道次，挤压加工结束后水淬处理，获得第二相完全溶解的过饱和固溶体块体挤压坯；C、挤压坯切割：从块体挤压坯中切割出直径为45mm的合金棒，合金棒的长度方向平行于等通道转角挤压方向的合金棒；D、热挤压：对合金棒进行热挤压加工，加工温度为300℃～350℃、挤压速度为0.6m/min～1.2m/min、挤压比为15～35，挤压后水淬处理，获得基于大变形均匀化的免时效高强韧铝合金。
实施例一
从7050铝合金铸锭中切割尺寸为50mm×50mm×100mm的方坯；将方坯置于转模等通道转角挤压模具中，在450℃的温度下进行8道次连续等通道转角挤压加工，随后水淬处理，获得过饱和固溶体块体挤压坯；从上述块体挤压坯中切割出直径为45mm的合金棒，合金棒的长度方向平行于等通道转角挤压方向；对合金棒进行热挤压加工，挤压温度为350℃、挤压速度为0.8m/min、挤压比为15，挤压后水淬处理，获得基于大变形均匀化的免时效高强韧铝合金。
实施例二
从7050铝合金铸锭中切割尺寸为50mm×50mm×100mm的方坯；将方坯置于转模等通道转角挤压模具中，在480℃的温度下进行6道次连续等通道转角挤压加工，随后水淬处理，获得过饱和固溶体块体挤压坯；从上述块体挤压坯中切割出直径为45mm的合金棒，合金棒的长度方向平行于等通道转角挤压方向；对合金棒进行热挤压加工，挤压温度为320℃、挤压速度为0.6m/min、挤压比为20，挤压后水淬处理，获得基于大变形均匀化的免时效高强韧铝合金。
实施例三
从7050铝合金铸锭中切割尺寸为50mm×50mm×100mm的方坯；将方坯置于转模等通道转角挤压模具中，在470℃的温度下进行7道次连续等通道转角挤压加工，随后水淬处理，获得过饱和固溶体块体挤压坯；从上述块体挤压坯中切割出直径为45mm的合金棒，合金棒的长度方向平行于等通道转角挤压方向；对合金棒进行热挤压加工，挤压温度为300℃、挤压速度为1.2m/min、挤压比为35，挤压后水淬处理，获得基于大变形均匀化的免时效高强韧铝合金。
实施例四
从7150铝合金铸锭中切割尺寸为50mm×50mm×100mm的方坯；将方坯置于转模等通道转角挤压模具中，在480℃的温度下进行8道次连续等通道转角挤压加工，随后水淬处理，获得过饱和固溶体块体挤压坯；从上述块体挤压坯中切割出直径为45mm的合金棒，合金棒的长度方向平行于等通道转角挤压方向；对合金棒进行热挤压加工，挤压温度为320℃、挤压速度为0.8m/min、挤压比为16，挤压后水淬处理，获得基于大变形均匀化的免时效高强韧铝合金。
对实施例一～实施例四制得的铝合金进行室温拉伸力学性能测试，并将实施例一的测试结果于文献[1]～文献[4]进行对比，对比文献具体为：文献[1](金属学报，2017，53(9)，1075-1090.)、文献[2](上海交通大学学报，2013，47(11)，1712-1716.)、文献[3](Materials Science&Engineering A,2018,733,307–315.)、文献[4](MaterialsScience&Engineering A,2016,650,454–468.)；对比的具体数据如表1所示。
表1 本发明实施例一与文献[1]～文献[4]中的合金的室温拉伸力学性能
Figure BDA0002188309680000041
从表1可以看出，实施例一获得的7050铝合金的屈服强度高于600MPa、同时延伸率大于10％，获得了强度和塑性的良好结合；与文献[1]公开的现有商业7050航空铝合金(7050-T7651，美国铝业公司)和文献[2]公开的的常规热挤压态7050合金相比，本发明的实施例一获得的合金强度和延伸率均显著提高。与近年来发展的深冷处理加工(如文献[1]：低温冷却+轧制+时效)相比，获得7050合金的强度相当，但本发明的实施例一制备的合金塑性更优。与文献[3]、文献[4]公开的采用异步轧制获得的合金相比，本发明的实施例一制备的合金的强度具有明显优势。综上，本发明所公开的基于大变形均匀化的免时效高强韧铝合金制备工艺能够显著提升合金的强韧性，实现超高强度与良好塑性的结合。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。

Claims (4)

1.一种基于大变形均匀化的免时效高强韧铝合金的制备方法，其特征在于：该制备方法步骤如下：
A、铸锭切割：将7XXX系铝合金铸锭进行切割获得坯体；
B、大变形均匀化：将坯体置于转模等通道转角挤压模具中，在固溶温度下进行连续等通道转角挤压加工实现大变形均匀化，获得过饱和固溶体块体挤压坯；
C、挤压坯切割：从块体挤压坯中切割出长度方向平行于等通道转角挤压方向的合金棒；
D、热挤压：对合金棒进行热挤压加工，获得基于大变形均匀化的免时效高强韧铝合金；
所述步骤B中的转模等通道转角挤压模具的转模等通道转角挤压加工的温度为450℃～480℃、加工道次为6道次～8道次，挤压加工结束后水淬处理；
所述步骤D中的热挤压的加工温度为300℃～350℃、挤压速度为0.6m/min～1.2m/min、挤压比为15～35，挤压后水淬处理；
所述步骤D中获得的基于大变形均匀化的免时效高强韧铝合金的屈服强度达到500MPa以上且延伸率大于10%。
2.根据权利要求1所述的基于大变形均匀化的免时效高强韧铝合金的制备方法，其特征在于：所述步骤A中的坯体为垂直于长度方向的横截面为正方形的方坯。
3.根据权利要求1所述的基于大变形均匀化的免时效高强韧铝合金的制备方法，其特征在于：所述步骤B中的连续等通道转角挤压加工所需时间为0.5～1小时。
4.根据权利要求1所述的基于大变形均匀化的免时效高强韧铝合金的制备方法，其特征在于：所述步骤C中的合金棒为圆柱状且合金棒的直径为坯体短边边长的85%～95%。
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