CN110423966A

CN110423966A - 一种提高铝锂合金产品综合性能的制备工艺

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Publication number: CN110423966A
Application number: CN201910693641.2A
Authority: CN
Inventors: 李国爱; 郝敏; 陈高红; 吴秀亮; 陆政
Original assignee: AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials
Current assignee: AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials
Priority date: 2019-07-29
Filing date: 2019-07-29
Publication date: 2019-11-08
Anticipated expiration: 2039-07-29
Also published as: CN110423966B

Abstract

本发明涉及铝合金热变形及热处理技术领域，具体涉及一种提高铝锂合金产品综合性能的制备工艺。本发明的制备工艺将热轧板材/热锻完毕的锻件固溶淬火处理后，在一定温度下保温一段时间，进行一定变形量的轧制处理，随后进行二次固溶淬火+冷变形+人工时效处理。固溶淬火后，中温加热保温；随后的中温轧制变形轧制会引入一定的变形储能，使板材在二次固溶处理中发生一定程度的再结晶，消除热轧板材中晶粒间的平直晶界，形成部分“嵌套”形貌，从晶界形貌以及界面“纯净度”两个方面获得改善，提高合金的综合性能。

Description

一种提高铝锂合金产品综合性能的制备工艺

技术领域

本发明涉及铝合金热变形及热处理工艺，具体涉及一种提高铝锂合金产品综合性能的制备工艺，特别是一种提高铝锂合金板材及锻件综合性能的制备工艺。

背景技术

随着航空航天领域高可靠、高减重需求的不断发展，具有高比刚度、高比强度以及优良耐损伤性能的铝锂合金已经逐渐成为上述领域的重要选材。为了进一步降低密度、提高强度，增加Li、Cu含量同时采用多元微合金化的方式已经成为高性能铝锂合金的发展趋势。然而，随着Cu、Li含量的增加，从均匀化缓冷时析出的粗大片针状析出相(魏氏体)容易“遗传”到最终材料中，同时，多元微合金化在提高合金断裂韧度、耐损伤性能的同时，也抑制了再结晶的形成，使热轧时的平直晶界得以保留；粗大的残余“魏氏体“以及平直晶界导致了合金较高的各向异性、较低的抗应力腐蚀性能以及较低的高向塑性，直接影响了合金的应用。

发明内容

本发明的目的是：提出一种提高铝锂合金产品综合性能的制备工艺，以解决高合金含量铝锂合金板材及锻件中在晶界、亚晶界上存在的大尺寸片状“魏氏体”组织以及大量原始平直晶界从而影响合金综合性能的技术问题，通过该方法可使合金板材在强度不降低的情况下，塑性、断裂韧度、腐蚀性能、疲劳性能等综合性能获得较大提升。

为解决此技术问题，本发明的技术方案是：

一种提高铝锂合金产品综合性能的制备工艺，将合金锭坯加热后，进行一次热变形，当变形到产品预定厚度的1.1-1.2倍时冷却至室温，然后进行固溶淬火处理；将固溶处理后的合金锭坯在加热炉内二次加热变形，保温，然后取出进行热轧或者热压变形到产品预定厚度；随后进行二次固溶淬火+冷变形+人工时效处理。

所述制备工艺包含以下步骤：

步骤一、一次热变形：将坯料放入加热炉内进行加热，加热温度380℃～560℃，待合金锭坯热透后进行热变形，预留10～20％的二次变形余量；

步骤二、固溶淬火：将经过步骤一处理的合金锭坯进行固溶淬火处理，固溶温度490℃～545℃，室温水冷却；

步骤三、二次热变形：将所述合金锭坯放入加热炉内加热，加热温度220℃～340℃，进行保温；保温完毕后，取出进行二次变形，直至达到预定厚度，然后空冷至室温；

步骤四、二次固溶淬火处理：将所述合金锭坯进行二次固溶淬火处理，固溶温度495℃～550℃，进行保温；保温完毕后室温水冷却；

步骤五、冷变形处理：二次淬火后的合金锭坯在不大于4h内完成冷拉伸或冷压缩处理；

步骤六、冷变形的合金锭坯进行人工时效处理。

步骤三中保温时间10～24h。

步骤四中保温时间为第一次固溶处理的1/2～2/3。

步骤五中冷变形量范围为3.0～7.0％。

人工时效处理可以为单级人工时效处理或双级人工时效处理。

单级时效温度135℃～175℃。

双级时效时一级时效温度115℃～125℃，二级时效温度140～165℃。

该工艺的铝锂合金产品的合金成分及重量百分比为：Cu 3.0～6.5％，Li 1.0～2.3％，Mg 0.2～5.0％,Mn 0.20～1.0％，Zr 0.02～0.25％，Ti 0.01～0.10％，以及Sc0.05～0.35％，Ag 0.2～0.8％，Er 0.10～0.25％中的任意1～4种，杂质元素Si≤0.15％,Fe≤0.15％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al。

本发明的有益效果是：

1、使用本发明的板材及锻件的制备工艺可以大幅度改善高合金含量铝锂合金的综合性能，使合金强度不降低的同时，具备优良的疲劳、断裂、耐腐蚀等性能；

2、本发明通过一次固溶淬火后的中温保温+轧制的方式，解决了大尺寸“魏氏体”在晶界、亚晶界“遗传”的问题，并且改善合金的晶界形貌，扩大了铝合金成分设计与制备的窗口，使高合金含量铝锂合金板材及锻件的工业化制备以及工程应用变为可行。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将详细描述本发明实施例的各个方面的特征。在下面的详细描述中，提出了许多具体的细节，以便对本发明的全面理解。但是，对于本领域的普通技术人员来说，很明显的是，本发明也可以在不需要这些具体细节的情况下就可以实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例对本发明更好的理解。本发明不限于下面所提供的任何具体设置和方法，而是覆盖了不脱离本发明精神的前提下所覆盖的所有的产品结构、方法的任何改进、替换等。

在下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。

本发明的工艺将热轧板材或者热锻完毕的锻件固溶淬火处理后，在一定温度下保温一段时间，进行一定变形量的轧制处理，随后进行二次固溶淬火+冷变形+人工时效处理。固溶淬火后，中温加热保温时，会从晶内、晶界析出颗粒状的析出相，同时，晶界、亚晶界上的大尺寸片针状残余相发生回溶、碎化。随后的中温轧制变形轧制会引入一定的变形储能，使板材在二次固溶处理中发生一定程度的再结晶，消除热轧板材中晶粒间的平直晶界，形成部分“嵌套”形貌，从晶界形貌以及界面“纯净度”两个方面获得改善，提高合金的综合性能。其制备步骤为：热轧；固溶淬火；适当温度下加热保温；二次轧制；二次固溶淬火+冷变形+人工时效处理。本工艺适用于航空、航天、兵器领域所用的铝锂合金厚板及锻件等变形产品。

实施例一

采用本发明所涉及的提高铝锂合金产品综合性能的工艺，所对应的合金成分及重量百分比为：Cu 3.89％，Li 1.73％，Mg 0.38％，Zn 0.35％，Mn 0.44％，Ag 0.35％，Zr0.10％，Ti 0.02％，Si 0.06％，Fe 0.11％，余量为Al，将厚度400mm的扁锭在380℃温度下进行加热，然后出炉热轧，快速轧制到70mm，冷却至室温。随后，将板材进行固溶淬火(495℃/7h,室温水淬火)，淬火后板材放入加热炉内进行加热，加热温度220℃，保温12h，然后在轧机上轧制到50mm。轧制完毕的板材进行二次固溶淬火(495℃/3h,室温水淬火)+预拉伸处理(预拉伸变形量4.5％～5.5％)+人工时效处理(时效工艺140℃～160℃/15～33h)分别从上述工艺处理后的板材上取样，测量时效处理后板材不同方向的拉伸、断裂韧度(K_IC)以及晶间、剥落、抗应力腐蚀性能(C环)以及疲劳裂纹扩展速率(da/dN)，经过本发明的工艺处理前后综合性能比较结果如表1所示。

可以发现通过本发明的方法处理后，可以发现在经过一次固溶+中温加热处理后，晶内及晶界上的均析出了大量颗粒状析出相，在晶界以及亚晶界上残存的粗大发生了显著碎化；二次固溶处理之后，在热轧组织中发生了部分再结晶，使原来的平直晶界转变为相互“嵌套”的多边结构，从而使厚板在强度不降低的前提下，塑性、断裂韧度、耐腐蚀性能以及疲劳裂纹扩展速率均获得显著提高，综合性能显著提升。

表1

实施例二

采用本发明所涉及的提高铝锂合金产品综合性能的工艺，对合金成分及重量百分比为：Cu4.2％，Li1.8％，Mg0.42％，Mn 0.38％，Zn0.48％，Zr 0.12％，Ti 0.03％，Si0.06％，Fe 0.10％，余量为Al，将直径为500mm经过均匀化处理后的圆锭在560℃温度下进行加热，出炉热锻，锻造时预留20％的变形量，空冷至室温，然后进行固溶淬火(545℃/3h,室温水淬火)。淬火后的锻件放入加热炉内加热，加热温度340℃，保温18h，随后取出进行锻造处理，达到预定尺寸后停止，空冷至室温。最后，进行二次固溶处理，固溶温度550℃/1.5h，室温水淬火，淬火后进行3.5～6.5％的冷压变形，120±3℃/15～20h+140±3℃/10～16h人工时效后测量锻件的拉伸、断裂韧度、剥落及抗应力腐蚀性能(C环)，经过本发明的工艺处理前后综合性能比较结果如表2所示。

可以发现通过本发明的方法处理后，使锻件的强度、塑性特别是高向塑性、断裂韧度、耐腐蚀性能获得显著提高，其综合性能显著提升。

表2

本发明通过一次固溶淬火处理后的中温加热+二次热变形，结合后续的二次固溶处理，一方面通过颗粒状析出相的析出使大尺寸残余“魏氏体”碎化，另一方面通过中温变形，引入一定量的变形储能，二次固溶时发生部分再结晶，改变晶界形貌，从而在不降低合金强度的同时，大幅度提高合金的断裂韧度、塑性(特别是高向塑性)、耐蚀性能，获得具有优良综合性能的产品。

最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种提高铝锂合金产品综合性能的制备工艺，其特征在于：将合金锭坯加热后，进行一次热变形，当变形到产品预定厚度的1.1-1.2倍时冷却至室温，然后进行固溶淬火处理；将固溶处理后的合金锭坯在加热炉内二次加热变形，保温，然后取出进行热轧或者热压变形到产品预定厚度；随后进行二次固溶淬火+冷变形+人工时效处理。

2.根据权利要求1所述的提高铝锂合金产品综合性能的制备工艺，其特征在于：所述制备工艺包含以下步骤：

步骤一、一次热变形：将合金锭坯放入加热炉内进行加热，加热温度380℃～560℃，待合金锭坯热透后进行热变形，预留10～20％的二次变形余量；

步骤六、冷变形的合金锭坯进行人工时效处理。

3.根据权利要求2所述的提高铝锂合金产品综合性能的制备工艺，其特征在于：所述步骤三中保温时间10～24h。

4.根据权利要求2所述的提高铝锂合金产品综合性能的制备工艺，其特征在于：所述步骤四中保温时间为第一次固溶处理的1/2～2/3。

5.根据权利要求2所述的提高铝锂合金产品综合性能的制备工艺，其特征在于：所述步骤五中冷变形量范围为3.0～7.0％。

6.根据权利要求2所述的提高铝锂合金产品综合性能的制备工艺，其特征在于：所述人工时效处理为单级人工时效处理。

7.根据权利要求2所述的提高铝锂合金产品综合性能的制备工艺，其特征在于：所述人工时效处理为双级人工时效处理。

8.根据权利要求6所述的提高铝锂合金产品综合性能的制备工艺，其特征在于：所述单级时效温度135℃～175℃。

9.根据权利要求7所述的提高铝锂合金产品综合性能的制备工艺，其特征在于：所述双级时效时一级时效温度115℃～125℃，二级时效温度140～165℃。

10.根据权利要求1至9任一项所述的提高铝锂合金产品综合性能的制备工艺，其特征在于：所述铝锂合金产品的合金成分及重量百分比为：Cu 3.0～6.5％，Li 1.0～2.3％，Mg0.2～5.0％,Mn 0.20～1.0％，Zr 0.02～0.25％，Ti 0.01～0.10％，以及Sc 0.05～0.35％，Ag 0.2～0.8％，Er 0.10～0.25％中的任意1～4种；杂质元素Si≤0.15％,Fe≤0.15％；其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al。