CN112692514A - 利用圆形锭坯生产合金/金属基复合材料板材的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用圆形锭坯生产合金/金属基复合材料板材的方法，将符合要求的合金/金属基复合材料圆锭热挤压为板坯，根据最终要轧制的板材宽度把板坯切割为挤压板坯分段，把挤压板坯分段沿着长边180°拼接对焊为待轧板坯，把待轧板坯旋转90°送入轧机轧制为带焊缝拼接宽幅板，切掉焊缝成为成品板材。本发明方法可以用圆锭坯来生产大规格的宽幅板材，材料利用率高，且生产工艺简单，生产过程中材料不易开裂报废。

Description

利用圆形锭坯生产合金/金属基复合材料板材的方法

技术领域

本发明涉及板材制造领域，具体涉及一种利用圆形锭坯生产合金/金属基复合材料板材的方法。

背景技术

板材是金属材料的最重要品类之一，产量和用量都是占比最高的，例如铝合金板材占所有铝合金材料总量超过50％，航空级铝合金中板材占比超过90％。

目前生产板材最常用的方法是直接以上游工序生产的扁形合金锭(扁锭)为坯料，采用对扁锭分道次轧制的方式得到板材。然而这种加工方法有一个前提条件就是要求坯料为扁锭，也就是截面为近似矩形。但在实际工业生产中总会不可避免的存在需要用圆形合金锭(圆锭)来生产板材的情况，即坯料为圆锭，但却要生产板材产品。这个时候就给工艺实现带来了一定困难。

目前，合金或金属基复合材料(包括铝合金、铝锂合金、镁合金、钛合金、铜合金、铝基复合材料)利用圆锭坯(圆锭的制备方法包括铸造、喷射成形、粉末冶金、3D打印)生产板材的方法主要有以下几种：

1、直接锻造成板材。首先，该种方法只能生产长宽规格比较小的厚板，因为受锻压机工作平台尺寸的限制，并且当厚度减小到一定尺寸后锻板会迅速降温至可锻温度以下。其次，该方法对前文所述的方法生产的圆锭坯进行直接开坯锻造，锻造开裂的风险很高，锭坯容易在锻造环节直接报废。

2、锻造成板坯，然后轧制。该种方法由于轧制前要切边并且铣削加工表面，因此材料的利用率非常低。其次，该方法和也存在方法1中描述的问题，对圆锭坯进行直接开坯锻造，锭坯容易在锻造环节直接报废。

3、挤压成板材(窄幅挤压板)。首先，该种方法生产的板材微观组织是挤压带材组织，有明确的各项异性(沿着挤压方向性能显著高于横向)。其次，挤压板材的宽度非常窄(绝大多数情况下小于挤压所用圆锭的直径)；

4、挤压成板坯后进一步轧制。该种方法主要是沿着挤压方向轧制，由于轧制板材时宽度方向尺寸几乎不增长，只会沿着长度方向边长，所以轧板的宽度尺寸始终等同于挤压板的宽度a，挤压宽度a是比较小的，通常小于圆锭的直径，所以轧的板子也不可能宽，尺寸很小，难以满足宽幅板材需求。如果把挤压的板坯沿挤压方向旋转90°横轧的话，挤压板坯的宽度方向就变成了轧制的长度方向，但这个长度方向的尺寸a往往小于两个传输辊道间距，甚至小于工作辊直径，在实际生产中难以实现，例如出现坯料会掉进辊道坑，轧辊咬不住，坯料卷入轧辊等问题。

5、挤压成管材后切开展平为厚板材，或者挤压成管材切开展平后轧制为板材。该方法工序较为复杂，另外对合金成形性要求比较高，展平过程中容易出现开裂、表面褶皱等缺陷。

6、斜轧成管材后切开展平，或者斜轧成管材切开展平后进一步轧制为板材。该方法生产板材也会出现和方法5中所描述的同样的问题。

综上所述，现有方法主要存在以下问题：

1、生产的板材宽度尺寸小，不能够满足宽幅板材的规格尺寸要求；

2、工艺复杂，生产过程中报废率高，材料利用率低。

发明内容

本发明的目的在于提供利用圆形锭坯生产合金/金属基复合材料板材的方法，以解决工程实际中只有圆形锭坯，却需要宽幅板材产品，现有利用圆锭生产板材的方法中存在的问题，本发明提供的方法可以用圆锭坯来生产大规格的宽幅板材，材料利用率高，另外生产工艺简单，生产过程中材料不易开裂报废。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

利用圆形锭坯生产合金/金属基复合材料板材的方法，包括以下步骤：

步骤一：对合金/金属基复合材料圆锭沿轴向进行热挤压，热挤压得到的产品截面形状为长方形，即得到板坯；

步骤二：以所要轧制的成品板材的宽度尺寸L1为标称长度尺寸，把步骤一中的板坯切割为长度L1的若干段，即得到挤压板坯分段；

步骤三：把切割下来的长度为L1的n段挤压板坯分段沿着L1边180°对接拼焊，得到待轧板坯，待轧板坯的长度为L2＝n×a，其中n≥2的自然数，a为挤压板坯分段的宽度；

步骤四：沿着步骤中所述的待轧板坯的长度L2的方向轧制、淬火、校直，即得到带焊缝拼接宽幅板；

步骤五：把步骤中轧制好的带焊缝拼接宽幅板沿着焊缝两侧焊接热影响区与基材交界的位置切开，裁边后即得到所需的成品板材。

进一步地，所述合金/金属基复合材料圆锭为铝合金、铝锂合金、镁合金、钛合金、铜合金、铝基复合材料的圆形锭坯。

进一步地，步骤一中热挤压条件具体为：铝合金、铝锂合金、铝基复合材料的圆形锭坯加热温度为420℃-500℃；镁合金的圆形锭坯加热温度为360-500℃；铜合金的圆形锭坯加热温度为630-900℃；钛合金的圆形锭坯加热温度为800-1100℃，热挤压时保温时间：3-6h，挤压速率：主推杆0.1-0.5mm/s。

进一步地，步骤四中轧制、淬火、校直具体条件为：铝合金和铝锂合金的待轧板坯加热至470-520℃保温0.5-2h，0-50℃水温淬火，淬火后沿轧制方向拉伸或者辊压1％-3％，拉伸或辊压后自然时效或者人工时效。

进一步地，所述合金/金属基复合材料圆锭的制备方法包括铸造、喷射成形、粉末冶金及3D打印。

进一步地，步骤三中拼焊采用熔化焊或搅拌摩擦焊。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明挤压后拼焊然后再转90度轧制，“挤压+焊接”这两步是一个巧妙的制备轧制用的坯料的过程，如果不焊接，只沿着挤压板坯挤压方向轧制的话板子是很窄的，因为轧制只会沿着长度方向变长，宽度方向是不会增加的，所以宽度始终等同于挤压的宽度W(挤压宽度W是比较小的，通常小于圆锭的直径，所以轧的板子也不可能宽)。如果仅仅切下来横过90度轧的话，挤压板坯的宽向W就变成了轧制的长向，这个长向则太短，比轧机辊道距离还窄，没办在轧机上传输和被轧辊咬入，因为横过来轧，轧制的方向就是挤压的宽度方向，长向也就只有挤压板的宽度那么长，这个长度太短，一方面辊道上放不住会掉入传输辊之间，另一方面轧制时会偏斜。所以本发明把n块(n≥2)挤压板坯焊接在一起，然后横90°轧制(包括热轧或冷轧)，轧制的长向L2就变成了n×W，这样轧制坯长向就可以满足轧机正常传输和咬入，无论冷轧还是热轧，最后再切下来就是宽幅板材，本发明方法适用于几种合金和金属基复合材料(铝合金，铝锂合金，镁合金，钛合金，铜合金，铝基复合材料等)的圆锭(包括铸造圆锭，喷射成形圆锭，粉末冶金圆锭，3D打印圆锭等)来制备宽幅板材，可以利用圆锭生产宽幅板材，板材的宽度几乎不受限制，可以根据所要求的板材的宽度尺寸及轧机条件，来生产任何宽度的板材，同时材料利用率高，相比把圆锭先锻造为扁锭，机加工后再轧制的方式，本发明没有大量的切边和机加工过程，因此材料利用率高，另外挤压加工过程对圆锭而言本身是一个模具约束下压缩变形的过程，所以会使合金进一步致密化，相比自由锻造后轧制，本发明选用的技术路线材料成品率高。

此外通过压力加工的合金产品都不可避免的会出现各向异性，以板材为例轧制方向被称为L方向，宽度方向被成为L-T方向。通常情况下L方向强度略高于LT方向[参考美国航空航天材料规范SAE AMS 4206A-20067055-T7751铝合金板材和SAE AMS 4474-2012-102195-T8薄板]。而本发明的加工方法，第一步先采用挤压，提高了合金沿挤压方向的性能，第二步转换90°后轧制，又提高了轧制方向(原挤压宽度方向)的性能，综合下来本发明改善了板材的各项异性，生产的板材长度方向和宽度方向性能都比较优异。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图。

图中：1—合金/金属基复合材料圆锭；2—板坯；3—挤压板坯分段；4—待轧板坯；5—带焊缝拼接宽幅板；6—成品板材。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

如图1所示，本发明的技术路线为：符合要求的合金/金属基复合材料圆锭1→热加压为板坯2→根据最终要轧制的板材宽度把板坯2切割为挤压板坯分段3→把挤压板坯分段3沿着长边180°拼接对焊为待轧板坯4→把待轧板坯4旋转90°送入轧机轧制为带焊缝拼接宽幅板5→切掉焊缝成为成品板材6。

本发明具体步骤如下：

(1)对合金/金属基复合材料圆锭1(合金/金属基复合材料包括铝合金、铝锂合金、镁合金、钛合金、铜合金、铝基复合材料；圆锭的制备方法包括铸造、喷射成形、粉末冶金、3D打印)进行热挤压，热挤压得到的产品截面形状为长方形，也被称为挤压板材或者挤压带材，即板坯2。所用的热挤压设备、挤压筒尺寸、挤压模具尺寸均为常规要求，具体选用则根据圆锭直径大小。不同合金的热挤压温度和热挤压速度参数根据具体合金确定，最佳匹配为原则，具体地，铝合金、铝锂合金、铝基复合材料的圆形锭坯加热温度为420℃-500℃；镁合金的圆形锭坯加热温度为360-500℃；铜合金的圆形锭坯加热温度为630-900℃；钛合金的圆形锭坯加热温度为800-1100℃，热挤压时保温时间：3-6h，挤压速率：主推杆0.1-0.5mm/s。

(2)以所要轧制的成品板材6的宽度尺寸L1为标称长度尺寸，把步骤(1)中的板坯2切割为长度L1的若干段，即得到挤压板坯分段3，挤压板坯分段3可以是一根板坯2上切下来的，也可以是从不同根板坯2上切下来的。

(3)把切割下来的长度为L1的n段(n≥2的自然数)挤压板坯分段3沿着L1边180°对接拼焊。挤压板坯分段3的宽度为a，则拼焊后待轧板坯4的长度为L2＝n×a，L2的长度取决于所用轧机辊道间距，通常情况L2需要大于两个辊道间距，也就是待轧坯料可以同时搭在3个传输辊上，避免掉入辊道间。本步骤中焊接可以采用熔化焊，也可以采用搅拌摩擦焊，视材料的可焊性和成本等具体情况来选择。

(4)沿着步骤(3)中所述的待轧板坯4的长度L2的方向轧制、淬火、校直等，得到带焊缝拼接宽幅板5。所用轧机、原料加热炉，热处理设备、校直设备等均为常规要求，轧制温度、道次下压量、轧辊转速、润滑、热处理等工艺参数根据合金特性具体确定，具体地，轧制、淬火、校直具体条件为：铝合金和铝锂合金的待轧板坯加热至470-520℃保温0.5-2h，0-50℃水温淬火，淬火后沿轧制方向拉伸或辊压1％-3％，铝合金板材的校直一般分为拉校(拉伸校直)和辊校(辊压校直)，拉伸或辊压后自然时效或者人工时效。

(5)把步骤(4)中轧制好的带焊缝拼接宽幅板5沿着焊缝两侧焊接热影响区与基材交界的位置切开，裁边后即为所需宽幅的成品板材6，需要时效的时效后包装入库，不需要时效的直接包装入库。

下面结合具体实施例对本发明做进一步描述。

实施例1

1、把直径565mm的2195铝锂合金圆锭加热到480℃，保温3h，在125MN的挤压机上挤压，挤压速度为0.3mm/s(挤压机主推杆速度)，挤压筒直径570mm，挤压模具尺寸760mm*35mm。

2、把步骤1中的挤压板材去头尾后切成长度1500mm的若干段，每2段沿着长度方向采用Mig焊拼焊在一起，焊接后的坯料尺寸为1520mm*1500mm*35mm。

3、把步骤2中的坯料加热到480℃，保温1h，在宽度1600mm热轧机组上沿着1520mm方向分道次轧制为10mm±0.3mm热轧板。

4、把轧制好的板材加热到520℃保温40min，喷淋淬火，然后沿着长度方向拉伸1.5％。

5、从焊缝两侧切开为2660mm*1500*10mm，转入时效炉160℃,保温20h，出炉。

6、上述板材力学性能如下：

L方向：抗拉强度590MPa，屈服强度560MPa，延伸率11.5％。

L-T方向：抗拉强度591MPa，屈服强度558MPa，延伸率12％。

板材性能全面优于美国航空航天材料规范：SAE AMS 4474-2012-102195-T8薄板。

实施例2

1、把直径560mm的7055铝合金圆锭加热到450℃，保温3h，在125MN的挤压机上挤压，挤压速度为0.2mm/s(挤压机主推杆速度)，挤压筒直径570mm，挤压模具尺寸710mm*30mm。

2、把步骤1中的挤压板材去头尾后切成长度1500mm的若干段，每2段沿着长度方向采用搅拌摩擦焊拼焊在一起，焊接后的坯料尺寸为1420mm*1500mm*30mm。

3、把步骤2中的坯料加热到450℃，保温1h，在宽度1600mm热轧机组上沿着1420mm方向分道次轧制为8mm±0.3mm热轧板。

4、把轧制好的板材加热到475℃保温40min，喷淋淬火，然后沿着长度方向拉伸1.5％。

5、从焊缝两侧切开为2130mm*1500*8mm，转入时效炉120℃,保温24h，出炉。

6、上述板材力学性能如下：

L方向：抗拉强度640MPa，屈服强度600MPa，延伸率10.5％。

L-T方向：抗拉强度639MPa，屈服强度606MPa，延伸率9％。

板材性能全面优于美国航空航天材料规范SAE AMS 4206A-20067055-T7751铝合金板材。

实施例3

1、把直径350mm某超高强度铝合金(A合金)基SiC复合材料A-SiC(8％体积分数)圆锭加热到460℃，保温3h，在50MN的挤压机上挤压，挤压速度为0.1mm/s(挤压机主推杆速度)，挤压筒直径370mm，挤压模具尺寸330mm*20mm。

2、把步骤1中的挤压板材去头尾后切成长度1000mm的若干段，每3段沿着长度方向采用搅拌摩擦焊拼焊在一起，焊接后的坯料尺寸为990mm*1000mm*20mm。

3、把步骤2中的坯料加热到460℃，保温1h，在宽度1200mm热轧机组上沿着990mm方向分道次轧制为7mm±0.3mm热轧板。

4、把轧制好的板材加热到480℃保温30min，喷淋淬火，然后沿着长度方向辊压1％。

5、从焊缝两侧切开为940mm*1000*7mm，转入时效炉150℃,保温20h，出炉。

6、上述A-SiC(8％体积分数)板材力学性能如下：

L方向：抗拉强度623MPa，屈服强度579MPa，延伸率6％。

L-T方向：抗拉强度619MPa，屈服强度566MPa，延伸率5.5％。

弹性模量83±1GPa。

Claims (6)

1.利用圆形锭坯生产合金/金属基复合材料板材的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：对合金/金属基复合材料圆锭(1)沿轴向进行热挤压，热挤压得到的产品截面形状为长方形，即得到板坯(2)；

步骤二：以所要轧制的成品板材的宽度尺寸L1为标称长度尺寸，把步骤一中的板坯(2)切割为长度L1的若干段，即得到挤压板坯分段(3)；

步骤三：把切割下来的长度为L1的n段挤压板坯分段(3)沿着L1边180°对接拼焊，得到待轧板坯(4)，待轧板坯(4)的长度为L2＝n×a，其中n≥2的自然数，a为挤压板坯分段(3)的宽度；

步骤四：沿着步骤(3)中所述的待轧板坯(4)的长度L2的方向轧制、淬火、校直，即得到带焊缝拼接宽幅板(5)；

步骤五：把步骤(4)中轧制好的带焊缝拼接宽幅板(5)沿着焊缝两侧焊接热影响区与基材交界的位置切开，裁边后即得到所需的成品板材(6)。

2.根据权利要求1所述的利用圆形锭坯生产合金/金属基复合材料板材的方法，其特征在于，所述合金/金属基复合材料圆锭(1)为铝合金、铝锂合金、镁合金、钛合金、铜合金、铝基复合材料的圆形锭坯。

3.根据权利要求2所述的利用圆形锭坯生产合金/金属基复合材料板材的方法，其特征在于，步骤一中热挤压条件具体为：铝合金、铝锂合金、铝基复合材料的圆形锭坯加热温度为420℃-500℃；镁合金的圆形锭坯加热温度为360-500℃；铜合金的圆形锭坯加热温度为630-900℃；钛合金的圆形锭坯加热温度为800-1100℃，热挤压时保温时间：3-6h，挤压速率：主推杆0.1-0.5mm/s。

4.根据权利要求2所述的利用圆形锭坯生产合金/金属基复合材料板材的方法，其特征在于，步骤四中轧制、淬火、校直具体条件为：铝合金和铝锂合金的待轧板坯加热至470-520℃保温0.5-2h，0-50℃水温淬火，淬火后沿轧制方向拉伸或者辊压1％-3％，拉伸或辊压后自然时效或者人工时效。

5.根据权利要求1所述的利用圆形锭坯生产合金/金属基复合材料板材的方法，其特征在于，所述合金/金属基复合材料圆锭(1)的制备方法包括铸造、喷射成形、粉末冶金及3D打印。

6.根据权利要求1所述的利用圆形锭坯生产合金/金属基复合材料板材的方法，其特征在于，步骤三中拼焊采用熔化焊或搅拌摩擦焊。

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