CN113430433A

CN113430433A - 一种铝合金构件的时效处理方法

Info

Publication number: CN113430433A
Application number: CN202110978313.4A
Authority: CN
Inventors: 邢清源; 陈军洲; 姜建堂; 戴圣龙
Original assignee: AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials
Current assignee: AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials
Priority date: 2021-08-25
Filing date: 2021-08-25
Publication date: 2021-09-24

Abstract

本发明提供了一种铝合金构件的时效处理方法，包括步骤：S100,对所述铝合金构件进行除杂处理，得到包含Zn组分4.5~11 wt.%，Mg组分1.5~2.5 wt.%，Cu组分0.1~2.5 wt.%，Sc组分0~1.2 wt.%，Zr组分0~1.2 wt.%，Fe组分0~0.5 wt.%，Si组分0~0.5 wt.%的铝合金构件；S200、对除杂后的所述铝合金构件进行加热，使其达到预设温度，在对所述铝合金构件加热过程中控制其升温速度；S300、对达到预设温度的所述铝合金构件进行保温。本发明能够对时效处理过程中不同时间段进行合理搭配，进而实现对铝合金构件性能的合理控制，使铝合金构件的性能得到提高。

Description

一种铝合金构件的时效处理方法

技术领域

本发明涉及铝合金制作技术领域，特别涉及一种铝合金构件的时效处理方法。

背景技术

时效析出是沉淀硬化型铝合金获得良好综合性能的基础，其研究历经100年发展获得巨大成就。为了工艺控制易控，传统的时效处理均采用等温工艺，即铝合金经固溶之后在某一或者某几个恒定的温度下保温一定时间以获得尺寸、形状和性质适当的沉淀相来实现合金的强化。

目前广泛采用的现行等温时效工艺在组织控制方面表现出一定的局限性。例如，单级等温时效中温度一旦确定，则基体过饱和度、析出相形态等组织参数只能通过时效时间的变化进行控制。析出相的演变方向单一、可控性差，相应的性能变化也往往是此消彼长。T7x、RRA等多级时效工艺的提出部分解决了这一问题，但是等温时效工艺热力学参数可调控范围窄的局限性仍难于消除。此外，当对大尺寸构件进行时效处理时，因为快速的加热/冷却难于实现，因此构件势必经历缓冷/缓热的非等温过程并存在不同位置的温度差异，因此以传统的等温时效工艺进行处理构件中容易出现性能不易控制、表层/心部性能差异显著等缺陷，影响材料及构件的服役性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种铝合金构件的时效处理方法，通过对时效处理过程中不同时间段的合理搭配实现对铝合金构件性能的合理控制，进而使铝合金构件的性能得到提高。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种铝合金构件的时效处理方法，包括步骤：

S100、对所述铝合金构件进行除杂处理，得到包含Zn组分4.5~11 wt.%，Mg组分1.5~2.5 wt.%，Cu组分0.1~2.5 wt.%，Sc组分0~1.2 wt.%，Zr组分0~1.2 wt.%，Fe组分0~0.5wt.%，Si组分0~0.5 wt.%的铝合金构件；

S200、对除杂后的所述铝合金构件进行加热，使其达到预设温度，在对所述铝合金构件加热过程中控制其升温速度；

S300、对达到预设温度的所述铝合金构件进行保温。

较优地，在步骤S200中包括：快速加热步骤和/或缓慢加热步骤；

在所述快速加热步骤中，所述铝合金构件的升温速度在10℃/min 至50℃/min之间；

和/或，在所述缓慢加热步骤中，所述铝合金构件的升温速度在5℃/h至50℃/h之间。

较优地，在步骤S200中包括：所述快速加热步骤和所述缓慢加热步骤；

所述快速加热步骤和所述缓慢加热步骤先后依次进行。

较优地，在所述快速加热步骤中对所述铝合金构件的升温速度进行调节。

较优地，在所述缓慢加热步骤中对所述铝合金构件的升温速度进行调节。

较优地，在所述快速加热步骤中，所述铝合金构件的初始温度为20℃至180℃。

较优地，在所述缓慢加热步骤中，所述铝合金构件的初始温度为20℃至120℃。

较优地，在步骤S300之后还包括步骤：

S400、对所述铝合金部件进行冷却，在对所述铝合金构件冷却过程中控制其降温速度。

较优地，在步骤S300中将所述铝合金的降温速度在5℃/h至50℃/h之间。

较优地，在步骤S300中，所述铝合金构件的初始温度为170℃至200℃。

本发明的铝合金构件的时效处理方法通过采用包括步骤：S200、所述铝合金构件进行加热，使其达到预设温度，在对所述铝合金构件加热过程中控制其升温速度；S300、将达到预设温度的所述铝合金构件进行保温的技术方案，能够对时效处理过程中不同时间段进行合理搭配，进而实现对铝合金构件性能的合理控制，使铝合金构件的性能得到提高。

附图说明

图1本发明的铝合金构件的时效处理方法流程图。

图2为升温速率为10℃/h、起始温度为20℃和120℃时，7A85铝合金硬度变化曲线图。

图3为升温速率为10℃/h、起始温度为20℃和120℃时，7A85铝合金导电率变化曲线图。

图4为升温速率为10℃/h时， 7A85铝合金导力学性能变化曲线图。

图5为升温速率为20℃/h、起始温度为100℃、最高加热温度为185℃时7A85铝合金硬度和电导率随时效温度的变化曲线图。

图6为从100℃以20℃/h升至185℃后，采用相同速率缓慢降温至不同温度处7A85铝合金的力学性能变化曲线图。

图7为采用快速升温-缓慢降温过程中7A85铝合金性能的变化图。

图8为在190℃以20℃/h直接降温至不同温度处7A85铝合金的力学性能变化图。

图9为采用本发明的时效处理的7A85铝合金与7A85-T74主要性能的第一对比图。

图10为采用本发明的时效处理的7A85铝合金与7A85-T74主要性能的第二对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明的铝合金构件的时效处理方法进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种铝合金构件的时效处理方法，包括步骤：

S100、对所述铝合金构件进行除杂处理，得到包含Zn组分4.5~11 wt.%，Mg组分1.5~2.5 wt.%，Cu组分0.1~2.5 wt.%，Sc组分0~1.2 wt.%，Zr组分0~1.2 wt.%，Fe组分0~0.5wt.%，Si组分0~0.5 wt.%的铝合金构件，以保证除杂处理后的铝合金构件中杂质组分含量不超过0.1 wt.%。

S200、对除杂后的铝合金构件进行加热，使其达到预设温度，在对铝合金构件加热过程中控制其升温速度。

S300、对达到预设温度的铝合金构件进行保温。

通过在对铝合金构件加热过程中对铝合金构件的升温速度进行控制，实现了对时效处理过程中不同时间段进行合理搭配，也就是说在加热过程中即对铝合金构件性能的合理控制，进而使铝合金构件的性能得到提高。

进一步地，在步骤S200中包括：快速加热步骤和/或缓慢加热步骤。当包括快速加热步骤时，在快速加热步骤中，铝合金构件的升温速度在10℃/min 至50℃/min之间，并且在快速加热步骤中对铝合金构件的升温速度进行调节，即在快速加热步骤中，可以根据具体情况使铝合金构件分阶段以不同的升温速度升温。当包括缓慢加热步骤时，在缓慢加热步骤中，铝合金构件的升温速度在5℃/h至50℃/h之间，并且在缓慢加热步骤中对铝合金构件的升温速度进行调节，即在缓慢加热步骤中，可以根据具体情况使铝合金构件分阶段以不同的升温速度升温。在实际操作中，在步骤S200中包括：快速加热步骤和缓慢加热步骤，并且快速加热步骤和缓慢加热步骤先后依次进行。具体地，在快速加热步骤中，铝合金构件的初始温度为20℃至180℃。在缓慢加热步骤中，铝合金构件的初始温度为20℃至120℃。

作为一种可实施方式，在步骤S300之后还包括步骤：S400、对铝合金部件进行冷却，在对铝合金构件冷却过程中控制其降温速度。这样实现了进一步对时效处理过程中不同时间段进行合理搭配，也就是说在冷却过程中即对铝合金构件性能的合理控制，进而使铝合金构件的性能得到进一步的提高。具体地，在步骤S300中将铝合金的降温速度在5℃/h至50℃/h之间。在步骤S300中，铝合金构件的初始温度为170℃至200℃。

为了验证本发明的效果，发明人对7A85铝合金做了以下测试：

一、在步骤S200中包括采用缓慢加热步骤

将固溶-淬火态7A85铝合金构件放入到程序控温鼓风干燥箱中进行升温时效处理。分别选择升温起始温度T为T20℃和120℃，升温速度为10℃/h，升温至220℃；整个过程中升温速率由干燥箱自身的温控系统自动控制。升温至设定温度之后，将样品取出，快速冷却。通过升温到不同温度时中断时效过程，取出合金测其硬度、电导率和强度。获得的结果如图2在升温时效的过程中合金的硬度随温度逐渐升高到峰值后又迅速降低。如图3所示，合金的电导率随着温度的升高持续升高，基本呈现线性特征。如图4所示强度曲线表明，合金的强度也经历了随温度升高先逐渐升高后迅速降低两个阶段，当温度升高到180℃左右时，合金到达峰时效状态；温度升高到200℃，合金进入过时效状态。升温时效到200℃时，合金的典型性能为屈服强度σ_0.2＝474～485 MPa, 抗拉强度σ_b＝510～523 MPa, 延伸率δ＝13％, 电导率l＝40～41.2% IACS。

二、采用在步骤S200中采用缓慢加热步骤，同时包括步骤S300

将固溶淬火处理之后的7A85铝合金放入到程序控温鼓风干燥箱中进行时效处理。分别选择升温起始温度100℃，固定升温速率为20℃/h，升温到185℃；整个过程中升温速率由干燥箱自身的温控系统自动控制。以20℃/h的速率缓慢降温至100℃；整个过程中降温速率由干燥箱自身的温控系统自动控制。降温至设定温度之后，将样品取出，快速冷却。在不同温度时中断时效过程、取出合金测了其硬度、电导率和强度。由图5可知，在测试表明，在升温之后缓慢降温的过程中，合金硬度和电导率均经历了缓慢升高的过程。如图6所示的强度、塑性曲线上同样可以观察到降温过程中合金强度的升高；尤其，在降温过程中合金强度升高的同时，塑性也有显著的提升。这一现象的出现与缓慢降温过程中合金中发生的二次析出密切相关。二次析出一方面形成了大量非常细小的团簇从而提高了合金的强度；另一方面降温过程中合金元素的充分析出又耗竭了基体合金元素，使合金的电导率升高、耐腐蚀性能改善。

经缓慢升温+缓慢降温工艺时效处理，7A85合金综合良好，与7A85-T74合金相当。其中，σ_0.2＝552 MPa，σ_b＝530 MPa，δ＝14.9％, 电导率为38.5 %IACS；并且该工艺仅耗时8.5小时，少于T74工艺的10小时。该工艺下获得铝合金构件的综合性能与7A85-T74合金性能的系统比较如图9和10所示，系统的实验表明，通过升降温速率以及升降温起始温度的协同控制，采用缓慢升温-缓慢降温时效工艺可以在很宽的工艺窗口下实现对合金组织的精细控制并获得良好的综合性能。鉴于缓冷、缓热过程在大型构件的热处理过程中难于避免，所以缓冷-换热时效工艺具有高度的可行性和重要的工程价值。

三、在步骤S200中包括采用快速加热步骤，同时包括步骤S300

将烘干箱的温度升高到190℃之后，将固溶淬火处理之后的7A85铝合金放入到程序控温鼓风干燥箱中进行时效处理。试样放入烘干箱之后温度迅速升高到约190℃。以程序控制炉温以10℃/h的降温速率从190℃逐渐降低到100℃；整个过程中降温速率由干燥箱自身的温控系统自动控制。降温到100℃之后快速冷却、出炉。降温到不同温度时中断时效过程、取出合金测了其硬度、电导率和强度。由图7可知，在测试表明，在缓慢降温的过程中，合金硬度和电导率均经历了缓慢升高的过程。在图8所示的强度、塑性曲线上同样可以观察到降温过程中合金强度的升高；在此过程中合金塑性有微小的下降。与上述缓慢升温-缓慢降温工艺相似，在快速升温-缓慢降温过程中，合金机械性能的变化同样与缓慢降温过程中合金中发生的二次析出密切相关。测试表明，经快速升温+缓慢降温工艺处理，7A85合金性能显著优于7A85-T74合金。其中，σ_0.2＝531 MPa，σ_b＝554 MPa，δ＝13.5％, 电导率为39.6 %IACS；并且该工艺耗时仅4.5小时，远远少于T74工艺的10小时。

通过图9和图10所示的性能对比结果可见，通过缓慢升温-缓慢降温、快速升温-缓慢降温两种时效处理工艺均可以获得与T74态相当或者更优的综合性能；尤其，这两类工艺均很好的兼容了缓冷、缓热过程，且较T74工艺省时、节能。可见快速升温-缓慢降温工艺一方面充分挖掘了合金潜能，获得了高强、高韧、高耐蚀的良好综合性能，并且大幅度简化工艺步骤、缩减了工艺时间，具有良好的综合特性。在本示例之外的系统研究表面，通过对快速升温、缓慢降温两个阶段的精细控制，可以在很大的工艺窗口内对合金的微观组织结构实现快捷、精细的调控，并从而获得良好的综合性能。

总体而言，铝合金变温时效技术组织控制精细、易于与实际生产结合、工艺窗口宽阔，其开发为兼容大型构件固有的缓冷-换热过程、获得良好的综合服役性能提供了有效的解决方法，对要求大型构件整体制造的航空/航天工业尤其重要。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种铝合金构件的时效处理方法，其特征在于：

包括步骤：

S100、对所述铝合金构件进行除杂处理，得到包含Zn组分4.5~11 wt.%，Mg组分1.5~2.5wt.%，Cu组分0.1~2.5 wt.%，Sc组分0~1.2 wt.%，Zr组分0~1.2 wt.%，Fe组分0~0.5 wt.%，Si组分0~0.5 wt.%的铝合金构件；

S300、对达到预设温度的所述铝合金构件进行保温。

2.根据权利要求1所述的铝合金构件的时效处理方法，其特征在于：

在步骤S200中包括：快速加热步骤和/或缓慢加热步骤；

3.根据权利要求2所述的铝合金构件的时效处理方法，其特征在于：

在步骤S200中包括：所述快速加热步骤和所述缓慢加热步骤；

所述快速加热步骤和所述缓慢加热步骤先后依次进行。

4.根据权利要求2所述的铝合金构件的时效处理方法，其特征在于：

在所述快速加热步骤中对所述铝合金构件的升温速度进行调节。

5.根据权利要求2所述的铝合金构件的时效处理方法，其特征在于：

在所述缓慢加热步骤中对所述铝合金构件的升温速度进行调节。

6.根据权利要求2所述的铝合金构件的时效处理方法，其特征在于：

在所述快速加热步骤中，所述铝合金构件的初始温度为20℃至180℃。

7.根据权利要求2所述的铝合金构件的时效处理方法，其特征在于：

在所述缓慢加热步骤中，所述铝合金构件的初始温度为20℃至120℃。

8.根据权利要求1至7任意一项所述的铝合金构件的时效处理方法，其特征在于：

在步骤S300之后还包括步骤：

9.根据权利要求8所述的铝合金构件的时效处理方法，其特征在于：

在步骤S300中将所述铝合金的降温速度在5℃/h至50℃/h之间。

10.根据权利要求8所述的铝合金构件的时效处理方法，其特征在于：

在步骤S300中，所述铝合金构件的初始温度为170℃至200℃。