CN113564502A

CN113564502A - 一种超宽铝合金板材及其制备方法

Info

Publication number: CN113564502A
Application number: CN202111129744.XA
Authority: CN
Inventors: 黄粒; 邢清源; 陈军洲; 臧金鑫; 何维维; 戴圣龙
Original assignee: AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials
Current assignee: AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials
Priority date: 2021-09-26
Filing date: 2021-09-26
Publication date: 2021-10-29
Anticipated expiration: 2041-09-26
Also published as: CN113564502B

Abstract

本发明属于铝合金技术领域，特别涉及一种超宽铝合金板材及其制备方法。本发明在热轧过程中进行超声处理，通过超声振动不断的向材料中注入空位，使材料动态析出大量细小、弥散的纳米析出相，并在固溶处理前增加预拉伸工序，降低铝合金板材的残余内应力，使得铝合金板材的强度和延伸性能得到提高，生产出的铝合金板材性能稳定、表面平整度高、板材残余内应力低、板材机械加工时不易变形。

Description

一种超宽铝合金板材及其制备方法

技术领域

本发明属于铝合金技术领域，特别涉及一种超宽铝合金板材及其制备方法。

背景技术

随着经济和科学技术的快速发展，铝材的需求量不断增大，特别是具有高强度、高韧性、耐磨、耐腐蚀、耐高温等优点的2A12、5083、5A06、7050、7075等大规格铝合金板材的需求量猛增，该类铝合金大规格板材不仅用于航空航天工业，而且在汽车、高速列车、舰船等领域的应用也十分广泛。

在铝合金板材的生产过程中，需要通过淬火将板材快速冷却到某个温度以下，以将高温下形成的过饱和固溶体保留到室温，为随后的时效强化处理奠定基础。然而，由于急剧冷却使得板材内、外温度梯度加大，形成不均匀温度场，导致板材内部应力过大，残留大量的淬火应力；此外，相对于尺寸规格较窄的铝合金板材，超宽的大规格铝合金板材由于沿宽度方向的内在组织和外在冷却条件的差异性，不可避免地因残余应力的不均匀分布引起板材变形，尤其是超宽铝合金板材轧制时极易出现二肋波浪及厚度不均的问题，因此，提高宽度2000 mm以上的超宽铝合金板材的平面度和生产效率十分必要。

发明内容

为了改善现有技术的不足，本发明的目的是提供一种超宽铝合金板材及其制备方法，所述制备方法可以降低铝合金板材的残余内应力、提高板材的表面平整度，能够生产出宽度不低于2000mm、表面不平度≤1mm/m的铝合金板材。

本发明中，如果没有特别的定义，术语“超宽铝合金板材”均是指宽度不低于2000mm的铝合金板材。

本发明目的是通过如下技术方案实现的：

一种超宽铝合金板材的制备方法，包括以下步骤：

1）对铝合金铸锭进行均匀化热处理；

2）对均匀化热处理后的铝合金铸锭进行热轧，得到板坯；在所述热轧过程中对坯料进行超声处理；

3）对步骤2）的板坯进行预拉伸；

4）对经过预拉伸处理后的板坯进行固溶处理；

5）对经过固溶处理后的板坯进行时效处理；

6）对经过时效处理后的板坯进行拉伸矫直、锯切，得到所述超宽铝合金板材。

在其中一些实施例中，步骤1）中，所述铝合金铸锭的厚度为50mm~70mm，例如50mm、60mm或70mm；所述铝合金铸锭的宽度为800mm~1000mm，例如800mm、900mm或1000mm。

在其中一些实施例中，步骤1）中，所述均匀化热处理的温度为430℃~460℃，例如为430℃、440℃、450℃或460℃；时间为5h~8h，例如为5 h、6 h、7 h或8 h。

优选地，将铝合金铸锭置于加热炉中，升温至430℃~460℃，保温5h~8h，进行均匀化热处理后切去头尾并进行铣面。

在其中一些实施例中，步骤1）中，所述铝合金铸锭为7系铝合金铸锭或2系铝合金铸锭。示例性地，所述7系铝合金铸锭含有Al、Zn、Mg、Cu元素以及Zr、Cr等微量元素中的至少一种。示例性地，所述2系铝合金铸锭含有Al、Mg、Cu元素以及Zr、Cr、Mn等微量元素中的至少一种。

在其中一些实施例中，步骤2）中，所述超声处理的超声波的频率f=f₀±（5~200）Hz，其中，f₀为板坯材料的固有频率，即超声波的频率接近板坯材料的固有频率，例如所述超声处理的超声波的频率f=f₀±（5、10、20、30、50、80、90、100、120、140、150、180或200）Hz，此时会使板坯材料发生反复的震动，以此引入大量空位。铝合金板坯材料的固有频率f₀一般为（1~5）×10⁴Hz，具体取决于实际铝合金板坯材料的大小、质量、形状以及温度。通过施加于板坯材料的固有频率相近的超声波，能够在热轧过程产生超声共振，不但能够提高材料的强度和延伸性，还可以在较小的压力下对板材表面产生较大的冲击而引入较大的塑性变形，细化表面组织，提高板材表面的粗糙度和缩短处理时间。

在其中一些实施例中，步骤2）中，所述超声处理例如为同时向板坯的上下表面施加超声波，所述超声波的振幅大小为10μm~15μm，例如为10μm、11μm、12μm、13μm、14μm或15μm，所述超声处理的时间为1min~20min。

在其中一些实施例中，步骤2）中，可以在单道次热轧的同时进行超声处理，也可以在单道次热轧完成后进行超声处理，还可以在单道次热轧的同时和单道次热轧完成后均进行超声处理。

在其中一些实施例中，步骤2）中，在单道次热轧的同时进行超声处理的时间不小于20s，例如为20s~300s，例如为20s、30s、40s、50s、60s、70s、80s、90s、100s、120s、140s、150s、180s、200s、220s、240s、250s、280s或300s。在单道次热轧完成后进行超声处理的时间不小于20s，例如为20s~180s，例如为20s、30s、40s、50s、60s、70s、80s、90s、100s、120s、140s、150s或180s。

在其中一些实施例中，步骤2）中，所述热轧的总变形量为40%~50%，例如为40%、41%、42%、43%、44%、45%、46%、47%、48%、49%或50%。

在其中一些实施例中，步骤2）中，所述热轧的道次为2~4道次（如2道次、3道次或4道次），每一道次的变形量为6%~20%（优选为8%~18%，例如为8%、9%、10%、11%、12%、13%、14%、15%、16%、17%或18%）。如此，通过加大热轧过程的道次压下量，可以提高铝合金板材的变形程度，使得弥合疏松缩孔等缺陷，减少裂纹源，提高板材的强度和韧性。

在其中一些实施例中，步骤2）中，所述热轧的过程中使材料的温度维持在350℃~430℃，例如为350℃、360℃、370℃、380℃、390℃、400℃、410℃、420℃或430℃，进一步地，在热轧的过程中使材料内外温度均匀的保持在350℃~430℃，例如为350℃、360℃、370℃、380℃、390℃、400℃、410℃、420℃或430℃。

在其中一些实施例中，步骤2）中，所述热轧的终轧温度不低于280℃。进一步地，所述热轧的开轧温度为380℃~430℃，例如为380℃、390℃、400℃、410℃、420℃或430℃，终轧温度为350℃~380℃，例如为350℃、360℃、370℃或380℃。如此，通过提高终轧温度充分释放变形储能，结合优化的热处理工艺，能够降低板材心部再结晶织构，使得板材不同厚度位置均保留扁长型织构。

在其中一些实施例中，步骤2）中，所述热轧的应变速率为（8~20）s^-1，例如为8 s^-1、10 s^-1、12 s^-1、14 s^-1、16 s^-1、18 s^-1或20 s^-1。

在其中一些实施例中，步骤3）中，所述预拉伸的拉伸率为1%~3%，优选为1.5%~2.5%，例如为1%、1.2%、1.5%、1.8%、2%、2.3%、2.5%、2.8%或3%；所述预拉伸的方式为匀速拉伸，所述预拉伸的拉伸速率为3m/s~5m/s，所述预拉伸时铝合金板材的温度不低于100℃。

在其中一些实施例中，步骤4）中，所述固溶处理的温度为460℃~495℃，所述固溶处理的时间为2h~8h。

在其中一些实施例中，步骤4）中，所述固溶处理的激冷介质可以采用空冷、风冷、水淬、油淬等中的一种或几种。示例性地，固溶处理后的激冷步骤是在辊底式喷淋淬火炉中采用60℃~80℃的水或水雾进行。

在其中一些实施例中，步骤5）中，所述时效处理为二级时效，所述二级时效包括第一时效和第二时效，其中，第一时效的温度为115℃~125℃、第一时效的时间为5h~7h，第二时效的温度为160℃~163℃、第二时效的时间为15h~27h。

示例性地，针对7系铝合金的第一时效的温度为121±3℃、时间为6h，第二时效的温度为163±3℃、时间为18h~24h；针对2系铝合金的第一时效温度为123±3℃、时间为6h，第二时效为161±3℃、时间为18h~22h。

在其中一些实施例中，步骤6）中，将时效处理后的板坯冷却至室温后，用多辊矫直机进行拉伸矫直，然后锯切成铝合金板材成品。

本发明还提供一种铝合金板材，所述铝合金板材的宽度不低于2000mm，且板材表面不平度≤1mm/m。

在其中一些实施例中，所述铝合金板材的宽度大于等于2500mm，例如大于等于3000mm，例如可以是2000mm~3500mm。

在其中一些实施例中，所述铝合金板材是采用上述制备方法制备得到的。

本发明具有以下有益效果：

（1）本发明在热轧过程中进行超声处理，通过超声振动不断的向材料中注入空位，使材料动态析出大量细小、弥散的纳米析出相，并在固溶处理前增加预拉伸工序，降低铝合金板材的残余内应力，使得铝合金板材的强度和延伸性能得到提高，生产出的铝合金板材性能稳定、表面平整度高、板材残余内应力低、板材机械加工时不易变形。

（2）本发明在热轧过程中进行超声共振处理，可以在较小的压力下对板材表面产生较大的冲击而引入较大塑性变形，细化表面组织，提高板材表面的粗糙度，还能降低压下量，缩短生产周期。

（3）本发明的方法解决了超宽铝合金板材轧制时出现二肋波浪及厚度不均的问题，能够生产出板材宽度不低于2000mm的超宽铝合金板材，且板材横向不平度从（20~30）mm/m控制到不超过1mm/m，提高了航空工业超宽铝合金板材料的成品率。

（4）本发明大规格铝合金板材的制备方法，工艺简单、成本较低，易于实现大规模工业化生产。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，并给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明实施例说明书中所提到的相关成分的重量不仅仅可以指代各组分的具体含量，也可以表示各组分间重量的比例关系，因此，只要是按照本发明实施例说明书相关组分的含量按比例放大或缩小均在本发明实施例说明书公开的范围之内。

实施例1 7050铝合金超宽板材的制备

（1）7050合金化学成分为：Zn 6.2 wt%，Mg 2.2 wt%，Cu 2.3wt%，Zr 0.1 wt%，Mn≤0.1 wt%，Ti≤0.06，Cr≤0.04 wt%，Fe≤0.15 wt%，Si≤0.12 wt%，余量为Al以及不可避免的其他杂质。

（2）按照合金成分进行配料、熔炼、扒渣、除气、过滤后，将合金液采用低速半连续铸造工艺铸造成铝合金方铸锭；熔炼温度为720℃。

（3）将铝合金铸锭置于加热炉中进行均匀化处理后切去头尾进行铣面，均匀化处理温度为450℃，处理时间为6.5h。

（4）将均匀化处理后的铝合金铸锭进行3道次热轧，热轧同时进行超声处理，得到板坯；开轧温度为410℃，终轧温度为380℃，控制热轧的应变速率为10 s^-1，热轧总变形量为45%（共3道轧制，第一道轧制量为12%，第二道轧制量为15%、第三道轧制量为18%）；在每一道次热轧时于板坯材料的上下表面施加超声波，超声波的频率f = f₀+200Hz，其中，f₀为板坯材料的固有频率（第一道轧制前板坯材料的固有频率为1.8×10⁴Hz，第二道轧制前板坯材料的固有频率为2.3×10⁴Hz，第三道轧制前板坯材料的固有频率为3.9×10⁴Hz），超声波的振幅为10μm，超声时间为100s。

（5）对板坯进行匀速预拉伸，拉伸率为2.2%，拉伸速率为3 m/s，拉伸是板坯的温度为120℃。

（6）对板坯进行固溶处理；固溶处理的温度为480℃，保温时间为6h；随后采用70℃水雾进行激冷。

（7）将固溶处理后的板坯进行二级人工时效，第一时效的温度为121℃、保温时间为6h，第二时效的温度为163℃、保温时间为20h。

（8）将人工时效后的板坯进行拉伸矫直、锯切，得到厚度为18mm、宽度为3100mm的铝合金板材成品的横向不平度不超过1mm/m。

实施例2 7475铝合金超宽板材的制备

（1）7475合金化学成分为：Zn 5.8 wt%，Mg 2.4 wt%，Cu 1.6wt%，Cr 0.22 wt%，Mn≤0.06wt%，Ti≤0.06 wt%， Fe≤0.12 wt%，Si≤0.10 wt%，余量为Al以及不可避免的其他杂质。

（2）按照合金成分进行配料、熔炼、扒渣、除气、过滤后，将合金液采用低速半连续铸造工艺铸造成铝合金方铸锭；熔炼温度为710℃。

（3）将铝合金铸锭置于加热炉中进行均匀化处理后切去头尾进行铣面，均匀化处理温度为480℃，处理时间为7h。

（4）将均匀化处理后的铝合金铸锭进行3道次热轧，热轧同时进行超声处理，得到板坯；开轧温度为415℃，终轧温度为360℃，控制热轧的应变速率为10 s^-1，热轧总变形量为42%（共3道轧制，第一道轧制量为15%，第二道轧制量为15%、第三道轧制量为12%）；在每一道次热轧时于板坯材料的上下表面施加超声波，超声波的频率f = f₀+160Hz，其中f₀为板坯材料的固有频率（第一道轧制前板坯材料的固有频率为2.6×10⁴Hz，第二道轧制前板坯材料的固有频率为2.9×10⁴Hz，第三道轧制前板坯材料的固有频率为4.1×10⁴Hz），超声波的振幅为15μm，超声时间为120s。

（5）对板坯进行匀速预拉伸，拉伸率为2%，拉伸速率为4 m/s，拉伸是板坯的温度为105℃。

（6）对板坯进行固溶处理；固溶处理的温度为470℃，保温时间为7h，随后采用80℃水雾进行激冷。

（7）将固溶处理后的板坯进行二级人工时效，第一时效的温度为122℃、保温时间为6.5h，第二时效的温度为160℃、保温时间为18h。

（8）将人工时效后的板坯进行拉伸矫直、锯切，得到厚为17mm、宽度为3100mm的铝合金板材，板材的横向不平度不超过1mm/m。

对比例1

对比例1与实施例1基本相同，不同之处在于步骤（4）中未进行超声处理。

具体步骤（4）为：

将均匀化处理后的铝合金铸锭进行3道次热轧，得到板坯；开轧温度为410℃，终轧温度为380℃，控制热轧的应变速率为10 s^-1，热轧总变形量为45%。

对比例1制得的铝合金板材的横向不平度为（15~20）mm/m。

对比例2

对比例2与实施例1基本相同，不同之处在于：在固溶处理之前不进行预拉伸处理，即没有进行步骤（5）。

对比例2制得的铝合金板材成品的横向不平度为（20~30）mm/m，且存在二肋波浪。

性能测试

测试方法相应参照以下方法进行：

GB/T 228 金属材料室温拉伸试验方法；

HB 5455 铝合金剥层腐蚀试验方法。

对本发明实施例1~2和对比例1~2的铝合金板材、以及进口的7475-T7351铝合金板材和7050-T7651铝合金板材进行性能测试，测试结果见下表1。

表1 铝合金板材的性能测试测试结果

结果表明，本发明实施例1~2制得的超宽7050和7475铝合金板材的综合性能与同规格进口材料基本相当，说明本申请的制备工艺可行。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

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

1.一种超宽铝合金板材的制备方法，其中，所述制备方法包括以下步骤：

1）对铝合金铸锭进行均匀化热处理；

3）对步骤2）的板坯进行预拉伸；

4）对经过预拉伸处理后的板坯进行固溶处理；

5）对经过固溶处理后的板坯进行时效处理；

2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，步骤2）中，所述超声处理的超声波的频率f=f₀±（5~200）Hz，其中，f₀为板坯材料的固有频率。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其中，步骤2）中，所述超声处理为同时向板坯的上下表面施加超声波，所述超声波的振幅大小为10μm~15μm，所述超声处理的时间为1min~20min。

4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其中，步骤2）中，在单道次热轧的同时进行超声处理，或者在单道次热轧完成后进行超声处理，或者在单道次热轧的同时和单道次热轧完成后均进行超声处理；

和/或，步骤2）中，在单道次热轧的同时进行超声处理的时间不小于20s，在单道次热轧完成后进行超声处理的时间不小于20s。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其中，步骤2）中，所述热轧的总变形量为40%~50%；

和/或，步骤2）中，所述热轧的道次为2~4道次，每一道次的变形量为6%~20%；

和/或，步骤2）中，所述热轧的过程中使材料的温度维持在350℃~430℃；

和/或，步骤2）中，所述热轧的开轧温度为380℃~430℃，终轧温度为350℃~380℃；

和/或，步骤2）中，所述热轧的应变速率为（8~20）s^-1。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其中，步骤3）中，所述预拉伸的拉伸率为1%~3%；所述预拉伸的方式为匀速拉伸，所述预拉伸的拉伸速率为3m/s~5m/s，所述预拉伸时铝合金板材的温度不低于100℃。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其中，步骤4）中，所述固溶处理的温度为460℃~495℃，所述固溶处理的时间为2h~8h。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其中，步骤5）中，所述时效处理为二级时效，所述二级时效包括第一时效和第二时效，其中，第一时效的温度为115℃~125℃、第一时效的时间为5h~7h，第二时效的温度为160℃~163℃、第二时效的时间为15h~27h。

9.一种铝合金板材，其中，所述铝合金板材的宽度不低于2000mm，且板材表面不平度≤1mm/m。

10.根据权利要求9所述的铝合金板材，其中，所述铝合金板材是采用权利要求1-8任一项所述制备方法制备得到的。