CN111074123A - 一种航空用7055合金生产方法 - Google Patents

一种航空用7055合金生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于金属材料热处理领域，涉及一种航空用7055合金生产方法，铝合金铸锭按照如下质量百分比配料：Si：≤0.04％、Fe：≤0.06％、Cu：2.3～2.45％、Mn：≤0.05％、Mg：2.1～2.2％、Cr：≤0.04％、Zn：8.05～8.25％、Ti：≤0.018％、Zr：0.11～0.15％、单个杂质≤0.05％，杂质合计≤0.15％，余量为Al，采用特有轧机轧制时除去尾道次，中后部三道次均采用大压下量轧制，使粗大第二相破碎，获得组织更均匀的大变形量铝合金板材，板材固溶后经预拉伸再进行三级时效处理，特有的三级时效温度、时效时间两者相互联系相辅相成，获得屈服强度和抗拉强度均高的铝合金板材，为航空用7055合金中厚板的工业化生产提供优化的生产工艺。

Description

一种航空用7055合金生产方法
技术领域
本发明属于金属材料热处理领域，涉及一种航空用7055合金生产方法。
背景技术
7055铝合金属于7系Al-Zn-Mg-Cu超高强铝合金，拥有强度高、韧性高、耐蚀性好等优点，广泛用于航空、航天等高科技领域。随着航空航天技术的高速发展，对飞机的综合性能要求也越来越严苛。整体结构部件可以大量减少零件数量，减少装配量，提高结构强度，具有显著的优势，目前航空工业中大量结构件都采用了整体结构件，尤其是中厚尺寸大型结构件。
国内对大规格中厚板的工业化生产还尚未完全攻克，因此，急需开发出能够工业化生产强度高、韧性好、耐蚀性强等综合性能优异的7055合金的热处理工艺。
发明内容
有鉴于此，本发明为了解决现有7055铝合金不能工业化生产，影响其应用范围的问题，提供一种航空用7055合金生产方法，通过设计优化现有热处理工艺，增加预拉伸和三级时效相结合的生产方法，获得断续分布晶界组织、弥散分布晶内组织，从而获得强度高、韧性好、耐蚀性强等综合性能强的7055铝合金板材，使板材具有较高的强度及良好的抗腐蚀性能，应用在航空航天领域。
为达到上述目的，本发明提供一种航空用7055合金生产方法，包括如下步骤：
A、配料：铝合金铸锭按照如下质量百分比配料：Si：≤0.04％、Fe：≤0.06％、Cu：2.3～2.45％、Mn：≤0.05％、Mg：2.1～2.2％、Cr：≤0.04％、Zn：8.05～8.25％、Ti：≤0.018％、Zr：0.11～0.15％、单个杂质≤0.05％，杂质合计≤0.15％，余量为Al；
B、熔炼：将配制好的铝合金原料置于熔炼炉中熔炼为液态铝合金，将液态铝合金熔铸为铝合金铸锭；
C、均匀化处理：将熔铸后的铝合金铸锭在均热炉进行均匀化处理降低铝合金铸锭中的粗大化合物同时消除铝合金铸锭的铸造应力，将均匀化处理后的铝合金铸锭切去头尾，并铣去表面凝壳层；
D、热轧：将均匀化处理后的铝合金铸锭在加热炉中加热保温后轧制为铝合金板材；
E、固溶淬火：将热轧后的铝合金板材进行双级固溶处理，第一级固溶温度为460±5℃，固溶时间为1h，第二级固溶温度为475±5℃，固溶时间为2h，固溶处理后的铝合金板材进行水冷淬火，淬火温度为20～30℃，淬火后空冷至室温，得到淬火后的铝合金板材；
F、拉伸：将固溶淬火后的铝合金板材置于拉伸机进行拉伸处理，拉伸量为2.4～2.6％，拉伸时屈服力为230Mpa，拉伸速度≤8mm/s；
G、时效热处理：将拉伸后的铝合金板材进行三级时效热处理，其中第一级时效为：从室温升至120±5℃，保温24h，取出空冷至室温；第二级时效为：从室温升至160～185℃，保温1～2h，进行水淬处理，淬火水温20～30℃，淬火后空冷至室温；第三级时效为：从室温升至120±5℃，保温24h，取出空冷至室温；
H、后处理：将三级时效热处理后的铝合金板材锯切成成品规格。
进一步，步骤B中液态铝合金的熔炼温度为700～760℃，铝合金原料在30～50％熔化为铝液时，开启电磁搅拌，当铝合金原料全部融化后，加入中间合金、添加剂、纯金属，并进行扒渣、调成分、转炉至保温炉进行炉内精炼，成分合格后，熔体静置30～120min，随后在700～720℃条件下去除熔体中的气体和炉渣，随后在680～710℃条件下浇铸成铝合金铸锭。
进一步，步骤C的均匀化制度为400℃×4h+(460～465)℃×16h+(478-479)℃×(36～48)h。
进一步，步骤D均匀化处理后的铝合金铸锭在加热炉中加热到380～460℃，保温2～24h后进行轧制，轧制道次为5～11道次，轧制中后部存在至少3个最大压下量道次，最大压下量在50～70mm之间；终轧温度控制在400～465℃。
进一步，步骤E水冷淬火速度为10～40℃/s。
进一步，步骤G第一级时效升温速度为10～56℃/h，降温速度为5～20℃/h，第二级时效升温速度为10～56℃/h，降温速度为10～40℃/s，第三级时效升温速度为10～56℃/h，降温速度为5～20℃/h。
本发明的有益效果在于：
1、现有航空用厚板材经过固溶处理后经常会出现板形不良的情况，加上现场工序不能及时完成时效步骤，存放时间长会因自然时效影响后期性能，间隔时间越长会造成板材自然时效越严重，对板材综合性能的影响也越严重。本发明所公开的航空用7055合金生产方法，采用预拉伸的办法，使板材内产生位错，这些位错与大尺寸原子团簇的交互作用，破坏原子团簇结构并束缚淬火形成的空位，抑制自然时效，又能消除板材内由于淬火产生的残余应力。这样预拉伸就不但可以矫正淬火后板形，并且可以抑制自然时效，又能解决现场时间上不能连续生产情况。
2、本发明所公开的航空用7055合金生产方法，三级时效选取温度先低温然后升高再低温的方式，具体原因如下：第一级低温时效处理使材料处于峰时效状态，晶界连续，晶内弥散，提高了材料的强度，但断裂韧性不高；第二级在较高温度下进行短时加热处理，预时效形成的GP区或析出相发生部分回溶，晶界上的链状析出相长大并聚集，开始呈断续分布，这种结构的晶界析出相改善了合金的应力腐蚀开裂(SCC)，而晶内析出相溶解使合金的强度降低；这时高温时效处理给晶界相一个动力，让晶界呈断续状分布，进一步降低材料的内应力，提高了抗应力腐蚀开裂和抗疲劳性能；然后由于第二级高温时效晶内相会回溶，所以依靠第三级低温峰时效状态让晶内弥散相再次析出来，进行类似预时效的热处理使合金达到峰值强度，晶内析出细小弥散的η′相，晶界仍为断续的非共格的η相。这样经固溶后预拉伸并三级时效热处理的铝合金板材，合金晶界断续分布、晶内弥散分布，获得强度高，抗腐蚀性能、疲劳性能明显增强的航空铝材。
3、本发明所公开的航空用7055合金生产方法，板材固溶后经预拉伸再进行三级时效处理。现有技术在正常固溶后需随即完成三级时效，但是在现场实际生产中，会遇到各类问题，不能满足淬火后及时完成三级时效过程，预拉伸可以解决现场各工序等不连续问题，再结合本专利特有的三级时效温度、时效时间等，两者相互联系相辅相成，以可获得屈服强度高，抗拉强度高，为航空用7055合金中厚板的工业化生产提供优化的生产工艺，使合金具有强度高韧性好腐蚀性强的综合性能。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为实施例1～3以及对比例1～2所制备铝合金板材各力学性能趋势图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
一种航空用7055合金生产方法，包括如下步骤：
A、配料：计算各铝合金原料用量并按配比准备铝合金原料，7系铝合金原料各元素质量百分数配比如下：
元素 Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Zr 杂质 Al
含量 0.04 0.06 2.3 0.05 2.1 0.04 8.05 0.018 0.11 0.05 余量
B、熔炼：将配制好的铝合金原料加入到熔炼炉中均匀混合后熔炼为液态铝合金，液态铝合金的熔炼温度为700～760℃，铝合金原料在30～50％熔化为铝液时，开启电磁搅拌，当铝合金原料全部融化后，加入中间合金、添加剂、纯金属，并进行扒渣、调成分、转炉至保温炉进行炉内精炼，成分合格后，熔体静置30～120min，随后在700～720℃条件下去除熔体中的气体和炉渣，随后在680～710℃条件下浇铸成铝合金铸锭；
C、均匀化处理：将熔铸后的铝合金铸锭在均热炉进行均匀化处理降低铝合金铸锭中的粗大化合物同时消除铝合金铸锭的铸造应力，将均匀化处理后的铝合金铸锭切去头尾，并铣去表面凝壳层，均匀化制度为400℃×4h+460℃×16h+478℃×40h；
D、热轧：将均匀化处理后的铝合金铸锭在加热炉中加热保温后轧制为铝合金板材，均匀化处理后的铝合金铸锭在加热炉中加热到400℃，保温12h后进行轧制，轧制道次为11道次，轧制中后部3道次压下量为60mm，终轧温度控制在450℃，轧制速度控制在1～2m/s；
E、固溶淬火：将热轧后的铝合金板材进行双级固溶处理，第一级固溶温度为460℃，固溶时间为1h，第二级固溶温度为477℃，固溶时间为2h，固溶过程为：从室温升至460℃，将试样放入炉中，保温1h，随后将温度升到477℃保温2h；固溶处理后的铝合金板材进行水冷淬火，淬火温度为25℃，淬火后空冷至室温，得到淬火后的铝合金板材，水冷淬火速度为30℃/s；
F、拉伸：将固溶淬火后的铝合金板材置于拉伸机进行拉伸处理，拉伸量为2.5％，拉伸时屈服力为230Mpa，拉伸速度为8mm/s；
G、时效热处理：将拉伸后的铝合金板材进行三级时效热处理，其中第一级时效为：从室温升至121℃，保温24h，取出空冷至室温，第一级时效升温速度为40℃/h，降温速度为20℃/h；第二级时效为：从室温升至160℃，保温2h，进行水淬处理，淬火水温25℃，淬火后空冷至室温，第二级时效升温速度为45℃/h，降温速度为25℃/s；第三级时效为：从室温升至121℃，保温24h，取出空冷至室温，第三级时效升温速度为40℃/h，降温速度为10℃/h；
H、后处理：将三级时效热处理后的铝合金板材锯切成成品规格。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于，步骤G第一级时效为：从室温升至121℃，保温24h，取出冷却至室温，第一级时效升温速度为30℃/h，降温速度为20℃/h；第二级时效为：从室温升至170℃，保温1h，进行水淬处理，淬火水温25℃，淬火后空冷至室温，第二级时效升温速度为35℃/h，降温速度为25℃/s；第三级时效为：从室温升至121℃，保温24h，取出冷却至室温，第三级时效升温速度为30℃/h，降温速度为10℃/h。
实施例3
实施例3与实施例1的区别在于，步骤G第一级时效为：从室温升至121℃，保温24h，取出冷却至室温，第一级时效升温速度为35℃/h，降温速度为25℃/h；第二级时效为：从室温升至185℃，保温1h，进行水淬处理，淬火水温25℃，淬火后空冷至室温，第二级时效升温速度为40℃/h，降温速度为30℃/s；第三级时效为：从室温升至121℃，保温24h，取出冷却至室温，第三级时效升温速度为35℃/h，降温速度为15℃/h。
对比例1
对比例1与实施例1的区别在于，将步骤E固溶淬火后的铝合金板材直接进行时效热处理，从室温升至121℃，保温24h，取出冷却至室温。
对比例2
对比例2与实施例1的区别在于，步骤G将拉伸后的铝合金板材进行时效热处理，从室温升至121℃，保温24h，取出冷却至室温。
对实施例1～3与对比例1～2得到的7055铝合金板材进行各项性能测试，测试结果见表一，测试结果趋势图见图1：
表一：
Figure BDA0002374280840000051
经预拉伸并三级时效处理的板材与正常单极时效的板材、预拉伸并正常单极时效板材对比，抗拉强度提高近30Mpa，屈服强度提高近40Mpa，电导率和硬度性能也都有提高。由上述结果显示，经预拉伸并三级时效制度下，板材获得了合金强度高、电导率高，抗腐蚀性能好等综合性能高的板材成品。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种航空用7055合金生产方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、配料：铝合金铸锭按照如下质量百分比配料：Si：≤0.04％、Fe：≤0.06％、Cu：2.3～2.45％、Mn：≤0.05％、Mg：2.1～2.2％、Cr：≤0.04％、Zn：8.05～8.25％、Ti：≤0.018％、Zr：0.11～0.15％、单个杂质≤0.05％，杂质合计≤0.15％，余量为Al；
B、熔炼：将配制好的铝合金原料置于熔炼炉中熔炼为液态铝合金，将液态铝合金熔铸为铝合金铸锭；
C、均匀化处理：将熔铸后的铝合金铸锭在均热炉进行均匀化处理降低铝合金铸锭中的粗大化合物同时消除铝合金铸锭的铸造应力，将均匀化处理后的铝合金铸锭切去头尾，并铣去表面凝壳层；
D、热轧：将均匀化处理后的铝合金铸锭在加热炉中加热保温后轧制为铝合金板材；
E、固溶淬火：将热轧后的铝合金板材进行双级固溶处理，第一级固溶温度为460±5℃，固溶时间为1h，第二级固溶温度为475±5℃，固溶时间为2h，固溶处理后的铝合金板材进行水冷淬火，淬火温度为20～30℃，淬火后空冷至室温，得到淬火后的铝合金板材；
F、拉伸：将固溶淬火后的铝合金板材置于拉伸机进行拉伸处理，拉伸量为2.4～2.6％，拉伸时屈服力为230Mpa，拉伸速度≤8mm/s；
G、时效热处理：将拉伸后的铝合金板材进行三级时效热处理，其中第一级时效为：从室温升至120±5℃，保温24h，取出空冷至室温；第二级时效为：从室温升至160～185℃，保温1～2h，进行水淬处理，淬火水温20～30℃，淬火后空冷至室温；第三级时效为：从室温升至120±5℃，保温24h，取出空冷至室温；
H、后处理：将三级时效热处理后的铝合金板材锯切成成品规格。
2.如权利要求1所述的航空用7055合金生产方法，其特征在于，步骤B中液态铝合金的熔炼温度为700～760℃，铝合金原料在30～50％熔化为铝液时，开启电磁搅拌，当铝合金原料全部融化后，加入中间合金、添加剂、纯金属，并进行扒渣、调成分、转炉至保温炉进行炉内精炼，成分合格后，熔体静置30～120min，随后在700～720℃条件下去除熔体中的气体和炉渣，随后在680～710℃条件下浇铸成铝合金铸锭。
3.如权利要求1所述的航空用7055合金生产方法，其特征在于，步骤C的均匀化制度为400℃×4h+(460～465)℃×16h+(478-479)℃×(36～48)h。
4.如权利要求1所述的航空用7055合金生产方法，其特征在于，步骤D均匀化处理后的铝合金铸锭在加热炉中加热到380～460℃，保温2～24h后进行轧制，轧制道次为5～11道次，轧制中后部存在至少3个最大压下量道次，最大压下量在50～70mm之间；终轧温度控制在400～465℃。
5.如权利要求1所述的航空用7055合金生产方法，其特征在于，步骤E水冷淬火速度为10～40℃/s。
6.如权利要求1所述的航空用7055合金生产方法，其特征在于，步骤G第一级时效升温速度为10～56℃/h，降温速度为5～20℃/h，第二级时效升温速度为10～56℃/h，降温速度为10～40℃/s，第三级时效升温速度为10～56℃/h，降温速度为5～20℃/h。
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