CN111014538B - 一种航天用5米级直径铝锂合金环的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种5米级直径铝锂合金环的制备方法，包括：取长×宽×高为1310×370×1800mm的铝锂合金长方体铸锭，铸锭包括相互垂直的第一、第二和第三端面，第一端面为长×高面，第二端面为高×宽面；加热，保温；将第一端面、第三端面和第二端面分别依次打方和墩粗；将墩粗后铸锭的第三端面再次打方，倒棱滚圆至得到直径800^±50mm圆柱体，墩粗；再次滚圆，再次墩粗；冲孔后再墩粗；机加中心孔；在温度≥350℃下重复多次依次进行扩孔和平整至得到环件；将环件轧制，再机加后固溶淬火，冷变形和时效处理后，得到合金环。本发明通过上述工艺能够制得5米级直径铝锂合金环，方法简单，且合金环具有优异力学性能。

Description

一种航天用5米级直径铝锂合金环的制备方法

技术领域

本发明属于环件制备技术领域，尤其涉及一种航天用5米级直径铝锂合金环的制备方法。

背景技术

铝合金锻环是运载火箭关键连接件。早在1989年，西南铝就为运载火箭研制出号称“亚洲靠前环”的3.5米巨型大锻环，并已成批发射“神舟”系列飞船和“嫦娥一号”工程的运载火箭上。

随着我国航天事业的飞速发展，直径3.5米级锻环已经远远不能满足国家需要，大推力火箭和宇航器大量急需5米级的合金锻环。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种航天用5米级直径铝锂合金环的制备方法，该方法能够制备5米级直径铝锂合金环。

本发明提供了一种航天用5米级直径铝锂合金环的制备方法，包括以下步骤：

取长×宽×高为1310×370×1800mm的铝锂合金长方体铸锭，铸锭包括相互垂直的第一端面、第二端面和第三端面，第一端面为长×高面，第二端面为高×宽面；加热至440～470℃，保温；

将第一端面、第三端面和第二端面分别依次打方和墩粗，打方至740^±20×740^{± 20}mm，墩粗至高度为700⁺²⁰mm；

将墩粗后铸锭的第三端面再次打方至740^±20×740^±20mm，倒棱滚圆至得到直径800^±50mm圆柱体，墩粗至高度800⁺²⁰mm；再次滚圆至得到直径1000⁺⁵⁰mm圆柱体，再次墩粗至高度340⁺²⁰mm；

冲孔后再墩粗至高度320⁺¹⁰mm；

机加中心孔至内径为600^±50mm；

在温度≥350℃下重复多次依次进行扩孔和平整至得到外径Φ3900⁺¹⁰⁰mm，且高度为320⁺¹⁰mm的环件；

将所述环件在380～480℃下轧制至外径为5040^±10mm，再机加至Φ5000⁺¹⁰×Φ4755^-10×315^±1mm后固溶淬火，冷变形和时效处理后，得到航天用5米级直径铝锂合金环。

优选地，所述航天用5米级直径铝锂合金环的尺寸为Φ5025⁺¹⁰×Φ4785^-10×300^{+ 10}mm。

优选地，所述冲孔分三次进行，每次冲孔深度为75～85mm。

优选地，多次扩孔前将坯料在440～470℃下保温至少340min。

优选地，重复多次依次进行扩孔和平整至得到外径为3900⁺¹⁰⁰mm，且高度为320^{+ 10}mm的环件的过程具体包括：

将内径为600±50mm的坯料扩孔至外径为Φ2400⁺¹⁰⁰mm，平整至高度为320⁺¹⁰mm；再扩孔至外径为Φ3400⁺³⁰mm，平整至高度为320⁺¹⁰mm；第三次扩孔至外径Φ3900⁺¹⁰⁰mm，平整至高度为320⁺¹⁰mm。

优选地，所述环件在380～480℃下轧制至外径为5040^±10mm具体包括：

将环件依次以外径4052mm、壁厚183mm；外径4364mm、壁厚174mm；外径4884mm、壁厚159mm；外径4988mm、壁厚155mm；外径5010mm、壁厚153mm进行轧制。

优选地，所述固溶淬火包括：在495～505℃下环件保温5.5～6.5h，再在40～50℃水中浸泡≥12min，淬火前2min开启循环水直至淬火结束。

优选地，对环件进行轴向冷变形；冷变形率为3～4％；冷变形在固溶淬火后8小时内完成。

优选地，时效处理的温度为145～155℃，空气气氛下保温21～23h。

本发明提供了一种航天用5米级直径铝锂合金环的制备方法，包括以下步骤：取长×宽×高为1310×370×1800mm的铝锂合金长方体铸锭，铸锭包括相互垂直的第一端面、第二端面和第三端面，第一端面为长×高面，第二端面为高×宽面；加热至440～470℃，保温；将第一端面、第三端面和第二端面分别依次打方和墩粗，打方至740^±20×740^±20mm，墩粗至高度为700⁺²⁰mm；将墩粗后铸锭的第三端面再次打方至740^±20×740^±20mm，倒棱滚圆至得到直径800^±50mm圆柱体，墩粗至高度800⁺²⁰mm；再次滚圆至得到直径1000⁺⁵⁰mm圆柱体，再次墩粗至高度340⁺²⁰mm；冲孔后再墩粗至高度320⁺¹⁰mm；机加中心孔至内径为600^±50mm；在温度≥350℃下重复多次依次进行扩孔和平整至得到外径Φ3900⁺¹⁰⁰mm，且高度为320⁺¹⁰mm的环件；将所述环件在380～480℃下轧制至外径为5040^±10mm，再机加至Φ5000⁺¹⁰×Φ4755^-10×315^{± 1}mm后固溶淬火，冷变形和时效处理后，得到航天用5米级直径铝锂合金环。本发明通过上述工艺能够制得5米级直径铝锂合金环，方法简单，且制备的合金环具有优异的力学性能。实验结果表明：5米级直径铝锂合金环的纵向(切向)抗拉强度为587～600MPa，屈服强度为544～559MPa，延伸率为6.5～7.2％；横向(轴向)抗拉强度为538～542MPa，屈服强度为468～470MPa，延伸率为3.6～4.1％；高向(径向)抗拉强度为526～538MPa，屈服强度为482～488MPa，延伸率为2.8～2.9％。

附图说明

图1为实施例1中锻造工步a～j的示意图；

图2为本发明实施例1制备的5米环的结构示意图；

图3为本发明实施例1制备的5米环的外观图。

具体实施方式

本发明提供了一种航天用5米级直径铝锂合金环的制备方法，包括以下步骤：

取长×宽×高为1310×370×1800mm的铝锂合金长方体铸锭，铸锭包括相互垂直的第一端面、第二端面和第三端面，第一端面为长×高面，第二端面为高×宽面；加热至440～470℃，保温；

将第一端面、第三端面和第二端面分别依次打方和墩粗，打方至740^±20×740^{± 20}mm，墩粗至高度为700⁺²⁰mm；

将墩粗后铸锭的第三端面再次打方至740^±20×740^±20mm，倒棱滚圆至得到直径800^±50mm圆柱体，墩粗至高度800⁺²⁰mm；再次滚圆至得到直径1000⁺⁵⁰mm圆柱体，再次墩粗至高度340⁺²⁰mm；

冲孔后再墩粗至高度320⁺¹⁰mm；

机加中心孔至内径为600^±50mm；

在温度≥350℃下重复多次依次进行扩孔和平整至得到外径Φ3900⁺¹⁰⁰mm，且高度为320⁺¹⁰mm的环件；

将所述环件在380～480℃下轧制至外径为5040^±10mm，再机加至Φ5000⁺¹⁰×Φ4755^-10×315^±1mm后固溶淬火，冷变形和时效处理后，得到航天用5米级直径铝锂合金环。

本发明取长×宽×高为1310×370×1800mm的铝锂合金长方体铸锭，铸锭包括相互垂直的第一端面、第二端面和第三端面，第一端面为长×高面，第二端面为高×宽面；加热至440～470℃，保温。

在本发明中，所述保温的时间至少740min。

本发明将第一端面、第三端面和第二端面分别依次打方和墩粗，打方至740^±20×740^±20mm，墩粗至高度为700⁺²⁰mm。本发明在10000吨油压机(3级压力)上完成锻造；在10000吨油压机上模安装2300×2200平砧，2200×2300平砧下模安装在下砧座上。开锻温度为430～470℃，终锻温度≥350℃，模具使用温度250～420℃。

具体的，本发明将第一端面、第三端面和第二端面分别依次打方和墩粗优选包括：

将第一端面打方至(740±20)×(740±20)mm端面，再墩粗至高度为700±20mm；

将第三端面打方至(740±20)×(740±20)mm端面，再墩粗至高度为700±20mm；

将第二端面打方至(740±20)×(740±20)mm端面，再墩粗至高度为700±20mm。

本发明将墩粗后铸锭的第三端面再次打方至740^±20×740^±20mm，倒棱滚圆至得到直径800^±50mm圆柱体，墩粗至高度800⁺²⁰mm；再次滚圆至得到直径1000⁺⁵⁰mm圆柱体，再次墩粗至高度340⁺²⁰mm。初次倒棱滚圆前对铸件进行测温，确保铸件温度不低于终锻温度。

再次墩粗至高度340⁺²⁰mm后冲孔。本发明优选采用Φ500长冲头冲中心孔，用尺子对中，偏心需≤20mm。所述冲孔优选分三次进行，每次冲孔深度为75～85mm。每次冲孔时均在冲头上抹上石墨+气缸油润滑剂，在饼坯冲孔位置撒上石墨+锯木粉专用润滑剂，深冲时在饼坯冲孔内撒上100％锯木粉，冲孔连皮＝100～200mm。冲孔时人员需远离压机以防被高速喷出的火屑烧伤。

冲孔后再墩粗至高度320⁺¹⁰mm，测温，确保铸件温度不低于终锻温度。

机加中心孔至内径为600^±50mm。本发明以外圆为基准机加中心孔车除90％以上冲孔锥度，至内径为600^±50mm。表面折叠等缺陷须清除。

本发明在温度≥350℃下重复多次依次进行扩孔和平整至得到外径Φ3900⁺¹⁰⁰mm，且高度为320⁺¹⁰mm的环件。本发明优选采用10000吨油压机、30000吨水压机和3T锻造车进行扩孔。多次扩孔前将坯料在440～470℃下保温至少340min。重复多次依次进行扩孔和平整至得到外径为3900⁺¹⁰⁰mm，且高度为320⁺¹⁰mm的环件的过程优选具体包括：

将内径为600±50mm的坯料扩孔至外径为Φ2400⁺¹⁰⁰mm，平整至高度为320⁺¹⁰mm；再扩孔至外径为Φ3400⁺³⁰mm，平整至高度为320⁺¹⁰mm；第三次扩孔至外径Φ3900⁺¹⁰⁰mm，平整至高度为320⁺¹⁰mm。

本发明将所述环件在380～480℃下轧制至外径为5040^±10mm，再机加至Φ5000⁺¹⁰×Φ4755^-10×315^±1mm后固溶淬火，冷变形和时效处理后，得到航天用5米级直径铝锂合金环。所述环件在380～480℃下轧制至外径为5040^±10mm优选具体包括：

将环件依次以外径4052mm、壁厚183mm；外径4364mm、壁厚174mm；外径4884mm、壁厚159mm；外径4988mm、壁厚155mm；外径5010mm、壁厚153mm进行轧制。

在本发明中，所述固溶淬火包括：在495～505℃下环件保温5.5～6.5h，再在40～50℃水中浸泡≥12min，淬火前2min开启循环水直至淬火结束。转移时间≤25s。

本发明优选对环件进行轴向冷变形；冷变形率为3～4％；冷变形在固溶淬火后8小时内完成。

在本发明中，所述时效处理的温度优选为145～155℃，空气气氛下保温21～23h。

为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种航天用5米级直径铝锂合金环的制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

1.适用范围

本工艺大纲适用于2195合金采用扩孔+轧制的方法试制5米环(Φ5025×Φ4785×300mm)。

2.作业程序

2.1概况

2.1.1尺寸:Φ5025⁺¹⁰×Φ4785^-10×300⁺¹⁰mm

2.1.2合金状态：2195T852

2.1.3技术协议：GJB2351-95、Ⅰ类锻件

2.1.4锻件重量：1.5吨

2.2备料：

2.2.1铸锭规格:370×1310×1800mm(重约2.36吨)。

2.2.2铸锭要求:一级氧化膜、一级疏松。

2.3锻造前加热

2.3.1铸锭加热

2.3.1.1加热炉：模压合用炉。

2.3.1.2铸锭加热：温度440～470℃，保温时间至少740分钟。

2.3.2工具加热：定温450℃，2200×2300平砧上模(有燕尾)、2200×2300平砧下模加热至少16小时,Φ500长冲头。

2.4锻造

2.4.1设备：10000吨油压机和3T锻造车。

2.4.2模具安装：10000吨油压机上模安装2300×2200平砧，2200×2300平砧下模安装在下砧座上。

2.4.3锻造方案：在10000吨油压机(3级压力)上完成

2.4.3.1开锻温度430～470℃,终锻温度≥350℃，模具使用温度250～420℃。

2.4.3.2锻造工步：出炉测温并记录转移时间，第一次墩粗长度方向至1300mm时速度≤5mm/s；其余工步锻造速度控制在10～20mm/s。

2.4.3.3在铸锭长度端头用沥青标A，侧面中心标B，大面中心标C。

2.4.3.4锻造工步a～j见图1，图1为实施例1中锻造工步a～j的示意图；

(a)A打方拔长

C镦粗至高度约1000mm

B墩粗至高度约1000mm

A打方拔长至L1＝1550mm(C、B＝740±20mm，L1长约1550mm)

(b)A镦粗至高度＝700+20mm

(c)C打方拔长(B、A＝740±20mm，L2长约1550mm)

(d)C镦粗至高度＝700+20mm

(e)B拔长(C、A＝740±20mm，L3长约1550mm)

(f)B镦粗至高度＝700+20mm

(g)C拔长(B、A＝740±20mm，L4长约1550mm)(测温，确保稳定不低于终锻温度)

(h)倒棱滚圆至Φ800±50mm

(i)镦粗至高度＝800+20mm

(j)滚圆至Φ1000+50mm(消除鼓肚)

(k)镦粗至高度＝340+20mm(测温，确保稳定不低于终锻温度)

(l)用Φ500长冲头冲中心孔，用尺子对中(偏心需≤20mm)，分3次冲孔，每次冲孔深度约为80mm，每次冲孔时均在冲头上抹上石墨+气缸油润滑剂，在饼坯冲孔位置撒上石墨+锯木粉专用润滑剂，深冲时在饼坯冲孔内撒上100％锯木粉，冲孔连皮＝100～200mm。冲孔时人员需远离压机以防被高速喷出的火屑烧伤。

继续镦粗至高度＝320+10mm。(测温，确保稳定不低于终锻温度)；

2.5机加中心孔

以外圆为基准机加中心孔车除90％以上冲孔锥度，至内径＝Φ600 50mm。表面折叠等缺陷须清除。

2.6扩孔前加热

2.6.1设备：合用炉

2.6.2坯料加热：温度440～470℃，保温时间至少340分钟。

2.7工具加热：工具炉定温450℃，螺杆式平砧(尺寸2000×1500×290mm)、Φ500、Φ800芯棒加热至少10小时，大平砧上模(长宽尺寸3400×2800mm)、2500×2800中平砧下模加热至少16小时。

2.8扩孔、平整

2.8.1设备：10000吨油压机、30000吨水压机和3T锻造车。

2.8.2设备安装：10000吨油压机上模拆除卡爪砧座后安装螺杆式平砧；拆除下砧座后安装大马架，马架必须用螺栓等工具固定；30000吨水压机安装大平砧上模、中平砧下模。

2.8.3生产前准备：准备一根较长的铁弯钩(长1.5～2米)，在对坯料套钢丝绳时使用。

2.8.4扩孔方案：坯料开出炉门后立即测温，并记录转移时间

2.8.4.1开锻温度430～470℃,终锻温度≥350℃(若锻造过程中，温度≤350℃，则返炉加热至500℃后再锻)，工、模具使用温度300～420℃。

2.8.4.2扩孔：10000吨油压机加Φ500芯棒扩孔至外径～Φ2400⁺¹⁰⁰mm。

2.8.4.3平整：在30000吨水压机上用大平砧平整至高度＝320⁺¹⁰mm。

2.8.4.4扩孔：换Φ800芯棒扩孔整圆至外径～Φ3400^±30mm(扩完壁厚～210mm)，扩孔上料前在马架和芯棒涂抹润滑油。扩孔时应尽量保证转动量及压下量一致，保证壁厚均匀及圆度。

2.8.4.5平整：在30000吨水压机上用大平砧平整至高度＝320⁺¹⁰mm。每次平整弧面长约2300mm左右，平整时压下量20～50mm，每次上压应覆盖上一次的压痕，保持端面平整，平整时注意上模四个角不能接压到坯料。

2.8.4.6扩孔：扩孔整圆至外径～Φ3900⁺¹⁰⁰mm，扩孔上料前在马架和芯棒涂抹润滑油。扩孔分3圈完成，最后一圈为整形。扩孔时应尽量保证转动量及压下量一致，保证壁厚均匀及圆度。扩完后不允许内外圆出现有大的突起和棱角。

2.8.4.7平整：在30000吨水压机上用大平砧平整至高度＝320⁺¹⁰mm(平整后外径尺寸为～Φ4000mm)。每次平整弧面长约2300mm左右，平整时压下量20～30mm，每次上压应覆盖上一次的压痕，保持端面平整，平整时注意上模四个角不能接压到坯料。

2.9环轧前加热

2.9.1设备：合用炉

2.9.2坯料加热：温度420～440℃，保温时间至少210分钟。

2.10轧环

2.10.1温度：开轧温度410℃～440℃，380℃≤轧制过程温度≤480℃。

2.10.2轧制：将环件轧至外径尺寸Φ5040±10mm。参考轧制参数见附表1。

2.10.3轧后立即测量并记录尺寸。

2.11机加：将环坯机加至Φ5000⁺¹⁰×Φ4755^-10×315^±1mm。

2.12固溶淬火

2.12.1设备：热处理炉。

2.12.2装炉：绑4只热电偶监控金属温度，上端面、下端面、内圆、外圆各绑一只(用等厚、等高铝块扎热电偶)。

2.12.3淬火制度：温度500℃±5℃金属保温6小时。水温40～50℃，转移时间≤25秒，水中浸泡≥12分钟。

2.12.4淬火前2分钟开启循环水系统直至淬火结束。

2.13冷变形

2.13.1设备：10000吨油压机。

2.13.2设备安装：10000吨油压机配专用环件冷变形模一套。

2.13.3冷变形方案：对环件进行轴向冷变形，冷变形率控制在3～4％，以3.5％为控制基准。

2.13.4尺寸：均分16点测量并记录冷变形前、后高度，均布16处测量内径，并记录。

2.13.5冷变形控制在淬火后8小时内完成。

2.14时效

2.14.1设备：热处理炉

2.14.2时效制度：温度150±5℃，空气保温22小时，得到5米环(Φ5025×Φ4785×300mm)。

表1轧制参数

图2为本发明实施例1制备的5米环的结构示意图；图3为本发明实施例1制备的5米环的外观图。

本发明采用GJB2351-95方法对实施例1制备的5米环进行力学性能测试，结果见表2：

表2为本发明实施例1制备的5米环的力学性能测试结果

由以上实施例可知，本发明提供了一种航天用5米级直径铝锂合金环的制备方法，包括以下步骤：取长×宽×高为1310×370×1800mm的铝锂合金长方体铸锭，铸锭包括相互垂直的第一端面、第二端面和第三端面，第一端面为长×高面，第二端面为高×宽面；加热至440～470℃，保温；将第一端面、第三端面和第二端面分别依次打方和墩粗，打方至740^±20×740^±20mm，墩粗至高度为700⁺²⁰mm；将墩粗后铸锭的第三端面再次打方至740^±20×740^{± 20}mm，倒棱滚圆至得到直径800^±50mm圆柱体，墩粗至高度800⁺²⁰mm；再次滚圆至得到直径1000⁺⁵⁰mm圆柱体，再次墩粗至高度340⁺²⁰mm；冲孔后再墩粗至高度320⁺¹⁰mm；机加中心孔至内径为600^±50mm；在温度≥350℃下重复多次依次进行扩孔和平整至得到外径Φ3900⁺¹⁰⁰mm，且高度为320⁺¹⁰mm的环件；将所述环件在380～480℃下轧制至外径为5040^±10mm，再机加至Φ5000⁺¹⁰×Φ4755^-10×315^±1mm后固溶淬火，冷变形和时效处理后，得到航天用5米级直径铝锂合金环。本发明通过上述工艺能够制得5米级直径铝锂合金环，方法简单，且制备的合金环具有优异的力学性能。实验结果表明：5米级直径铝锂合金环的纵向(切向)抗拉强度为587～600MPa，屈服强度为544～559MPa，延伸率为6.5～7.2％；横向(轴向)抗拉强度为538～542MPa，屈服强度为468～470MPa，延伸率为3.6～4.1％；高向(径向)抗拉强度为526～538MPa，屈服强度为482～488MPa，延伸率为2.8～2.9％。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种航天用5米级直径铝锂合金环的制备方法，包括以下步骤：

取长×宽×高为1310×370×1800mm的铝锂合金长方体铸锭，铸锭包括相互垂直的第一端面、第二端面和第三端面，第一端面为长×高面，第二端面为高×宽面；加热至440～470℃，保温；

将第一端面、第三端面和第二端面分别依次打方和墩粗，打方至740^±20×740^±20mm，墩粗至高度为700⁺²⁰mm；

将墩粗后铸锭的第三端面再次打方至740^±20×740^±20mm，倒棱滚圆至得到直径800^±50mm圆柱体，墩粗至高度800⁺²⁰mm；再次滚圆至得到直径1000⁺⁵⁰mm圆柱体，再次墩粗至高度340^{+ 20}mm；

冲孔后再墩粗至高度320⁺¹⁰mm；

机加中心孔至内径为600^±50mm；

在温度≥350℃下重复多次依次进行扩孔和平整至得到外径Φ3900⁺¹⁰⁰mm，且高度为320⁺¹⁰mm的环件；

将所述环件在380～480℃下轧制至外径为5040^±10mm，再机加至Φ5000⁺¹⁰×Φ4755^-10×315^±1mm后固溶淬火，冷变形和时效处理后，得到航天用5米级直径铝锂合金环；

重复多次依次进行扩孔和平整至得到外径为3900⁺¹⁰⁰mm，且高度为320⁺¹⁰mm的环件的过程具体包括：

将内径为600±50mm的坯料扩孔至外径为Φ2400⁺¹⁰⁰mm，平整至高度为320⁺¹⁰mm；再扩孔至外径为Φ3400⁺³⁰mm，平整至高度为320⁺¹⁰mm；第三次扩孔至外径Φ3900⁺¹⁰⁰mm，平整至高度为320⁺¹⁰mm；

所述环件在380～480℃下轧制至外径为5040^±10mm具体包括：

将环件依次以外径4052mm、壁厚183mm；外径4364mm、壁厚174mm；外径4884mm、壁厚159mm；外径4988mm、壁厚155mm；外径5010mm、壁厚153mm进行轧制；

所述固溶淬火包括：在495～505℃下环件保温5.5～6.5h，再在40～50℃水中浸泡≥12min，淬火前2min开启循环水直至淬火结束；

时效处理的温度为145～155℃，空气气氛下保温21～23h。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述航天用5米级直径铝锂合金环的尺寸为Φ5025⁺¹⁰×Φ4785^-10×300⁺¹⁰mm。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述冲孔分三次进行，每次冲孔深度为75～85mm。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，多次扩孔前将坯料在440～470℃下保温至少340min。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，对环件进行轴向冷变形；冷变形率为3～4％；冷变形在固溶淬火后8小时内完成。

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