CN113981344A - 一种航空用高损伤容限2系铝合金厚板的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种航空用高损伤容限2系铝合金厚板的制备方法，包括如下步骤：步骤一：将铸锭采用双级加热工艺；步骤二：步骤一均热后的铸锭推进加热炉中，预加热温度470‑485℃，保温2‑10h，开始轧制，控制终轧温度小于等于350℃，热粗轧从440mm后热轧粗轧至25‑40mm厚度，采用30‑35道次热轧工艺；步骤三：步骤二热轧完成后，热轧板材在辊底炉中控制温度495‑500℃下固溶，保温时间控制在60‑90min，进行淬火处理；步骤四：步骤三淬火后的板材在放置8‑14h内进行预拉伸，拉伸变形量控制的2.0‑3.0％之间，预拉伸后自然时效96h。本发明板材的性能指标均满足国际标准CMS‑AL‑103力学性能满足标准并且有较高的余量，断裂韧性值高于50MPa.m1/2，超声噪音符合ASTMB594标准要求。

Description

一种航空用高损伤容限2系铝合金厚板的制备方法
技术领域
本发明属于航空铝合金制备领域，具体地说是一种航空用高损伤容限2系铝合金厚板的制备方法。
背景技术
Al-Cu-Mg系铝合金具有高的比强度、良好的塑性和韧性等特点，广泛的应用在航空飞机机翼及机身等关键结构部件。国际航空工业的发展趋势，航空飞机的使用寿命及安全性逐步提高，因此，提出了从静态强度设计要求向动态强度设计要求转变，特别是针对耐腐蚀性能、耐持久性、高耐损伤容限设计提出了更高的要求。
高损伤容限2系铝合金是在2024铝合金的基础上，通过溶体净化、杂质元素含量控制，收窄合金成分控制范围，加强工艺过程控制，保持抗拉、屈服强度不降低的情况下，显著提高合金的耐损伤容限，形成的一种新型高强高耐损伤容限的航空铝合金中厚板材。
目前，国内在高损伤容限2系铝合金的研制有了一定的进展，但是仍然存在一定的问题，主要是所研制高损伤容限的2系铝合金T351状态下，强度能够达到要求值，但是断裂韧性值比传统的2024铝合金同等厚度及状态下的提高不多，与国外同等产品仍然存在一定的差距。高损伤容限2024铝合金厚板已经作为机翼下壁板、机身及中央翼下壁板被应用在空客、波音及中商飞主要新一代大型客机与其他类型飞机中，取代了原有机型中的2024-T351和2324-T39等厚板材料。
天津忠旺铝业有限公司在2020年在专利CN 110952011 A中公开了一种2系高损伤容限铝合金板材及其制备方法。采用不同成分设计制备厚度范围25-41mm厚的板材，配料→熔铸→均匀化、锯铣→加热→热轧→固溶、淬火→自然停放→拉伸→定尺，通过控制固溶到拉伸的自然停放时间以及拉伸延伸率来提高板材的静强度，同时保证断裂韧性不至于大幅度降低；从而得到与基础2024-T351合金相当的断裂韧性，而静强度得到大幅度提高的合金。本专利中并未对轧制工艺提出详细的方案，且几种厚板的断裂韧性值L-T向为38.5-39.2MPa.m1/2左右，T-L向断裂韧性值32.4-33.9MPa.m1/2之间，相比于国际标准CMS-AL-103断裂韧性要求的T-L高于40MPa.m1/2，L-T向断裂韧性高于45MPa.m1/2，并不满足国际标准要求。
大型民机的蒙皮用材料，选用高强地、低密度、良好的耐热性及高抗损伤容限能力的2系铝合金厚板材料料，常用2024-T351/2324-T3911等。本发明通过合金成分优化、大尺寸纯净细晶扁锭熔铸技术、高温均匀化-大压下量多级热轧技术、高温固溶和多参数最优化喷淋淬火技术等技术手段，开发出力学及损伤容限指标高于CMS-AL-103标准要求的一种高损伤容限2系铝合金厚板生产制备工艺。
高损伤容限2024铝合金是新一代航空飞行器高强度高韧性及耐损伤容限设计需求的一种关键材料，该材料被广泛的应用在机翼下壁板、机身及中央翼下壁板等关键部位。上一代飞机设计过程中常用2024-T351/2324-T3911等作为损伤容限设计材料。现有高损伤容限2系铝合金板材的断裂韧性值刚刚满足CMS-AL-103标准要求，并没有很多余量。
新一代飞行器在设计过程中，非常注重耐久性和损伤容限设计，以求提高飞行器的使用寿命及结构稳定性。上述技术是在原有2024-T351的基础上，通过成分调控，降低Fe、Si含量的方式来提来其损伤容限，但是最终状态获得断裂韧性值仍然不高，与国际一流水平相差很远，因此，无法为国内飞行器耐久性和损伤容限设计提供较充裕的设计空间，导致高损伤容限2系铝合金厚板主要依赖于进口。
影响最终材料性能的因素不仅包括成分设计同时铸锭均热工艺、轧制过程中的工艺优化控制及其重要，主要是因为铸锭均热制度能够很好的控制残留第二相含量，轧制工艺影响板材的晶粒组织状态，而残留第二相、组织状态是影响性能的决定性因素。
发明内容
本发明提供一种航空用高损伤容限2系铝合金厚板的制备方法，用以解决现有技术中的缺陷。
本发明通过以下技术方案予以实现：
一种航空用高损伤容限2系铝合金厚板的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：将铸锭采用双级加热工艺，以40℃/h的升温速率加热至450-460℃后，保温5-10h，然后40℃/h升温速率到第二级492-496℃，保温时间24小时，自然冷却；
步骤二：步骤一均热后的铸锭推进加热炉中，预加热温度470-485℃，保温2-10h，开始轧制，控制终轧温度小于等于350℃，热粗轧从440mm后热轧粗轧至25-40mm厚度，采用30-35道次热轧工艺，前4-8道次下压量控制在5-10mm/道次，轧制速度控制在1-2.5m/s，中间道次压下量控制10-30mm/道次，轧制速度控制在1-2.5m/s，完成中间道次的轧制后自然凉温至300-350℃，后2-6道次压下量控制在30-50mm，轧制速度控制在0.5-1.5m/s；
步骤三：步骤二热轧完成后，热轧板材在辊底炉中控制温度495-500℃下固溶，保温时间控制在60-90min，进行淬火处理；
步骤四：步骤三淬火后的板材在放置8-14h内进行预拉伸，拉伸变形量控制的2.0-3.0％之间，预拉伸后自然时效96h。
如上所述的一种航空用高损伤容限2系铝合金厚板的制备方法，所述的步骤一中的铸锭合金成分包括：Si含量低于0.03％，Fe含量低于005％，Cu含量3.8％-4.5％，Mn含量0.4％-0.8％，Mg含量1.2％-1.6％，Cr含量低于0.1％，Zn含量小于0.25％，Ti含量低于0.15％，其他杂质元素，单个不超过0.05％，总和不超过0.15％，余量为铝。
如上所述的一种航空用高损伤容限2系铝合金厚板的制备方法，所述的铸锭的制备方法为：将原料置于容量炉中，220℃下干燥60min，加入电解液，700-745℃下熔炼，开始融化后加入覆盖剂，当铝合金原料60-70％溶化后，开启电磁搅拌，全部溶化后进行成分调整，加入铝合金元素添加剂来调整成分，然后扒渣、转移熔体到保温炉。
如上所述的一种航空用高损伤容限2系铝合金厚板的制备方法，所述的步骤二中热轧过程中全程用乳液进行表面润滑。。
本发明的优点是：
1、本发明板材的性能指标均满足国际标准CMS-AL-103力学性能满足标准并且有较高的余量，断裂韧性值高于50MPa.m1/2，超声噪音符合ASTM B594标准要求。通过成分优化控制、高温均匀化、热轧工艺优化、高温固溶淬火工艺、淬火板预拉伸时间及变形量控制、自然时效后或者2系中厚板材强度、断裂韧性等综合性能满足国际CMS-AL-103标准要求，其中断裂韧性值达到了国际先进水平。为推动我国大飞机用铝合金高损伤容限设计的发展提供了材料保障，同时，所生产的板材完全可以替代国外同等材料，实现国产化替代。。
2、本发明采用高温逐步均匀化工艺：采用逐步升温二级均质工艺，能够最大限度的减少可溶第二相的含量。在第一级温度选择低于过烧点温度30℃左右，目的是逐步的消除溶体在结晶过程中形成的大块共晶相组织，使其溶解形成小块的结晶相，由于小块相的热稳定相相比于较大块结晶相稳定，因此二级均匀化温度选择在低于过烧点5-10°的范围，能够残留共晶相组织快速的溶解而不发生过烧现象。本发明采用高温逐步均匀化工艺获得大尺寸铸锭的第二相含量＜0.7％，残留相中仅剩余难溶解的含Fe相。
3、本发明的热轧工艺通过前期摸索得知使材料获得较高强度和高断裂韧性值需要特定的组织状态；选择较高温度预加热使得材料获得较为软化状态，采用大压下量多级热轧工艺：整个热轧道次选择30-35多道次，前几道次选择较小下压量来进行预轧制，中间约20道次采用较大下压量，主要是控制轧制组织形态，降低固溶后产生过多的再结晶组织，保留变形组织和亚结构组织状态，后续几道次采用小变形量来校正厚度精度。
4、本发明采用固溶淬火工艺：通过固溶淬火摸索，所采用固溶温度及时间，能够控制板材的再结晶程度及亚结构保留一定比例，同时，采用较小预拉伸量能够使得材料基体中存在较多的位错形态，进而提高材料的断裂韧性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的对应研发项目文件之一；
图2是本发明的对应研发项目文件之二；
图3是本发明的断裂韧性值检测报告之一；
图4是本发明的断裂韧性值检测报告之二；
图5是本发明的断裂韧性值检测报告之三；
图6是本发明的断裂韧性值检测报告之四；
图7是本发明的断裂韧性值检测报告之五；
图8是本发明的断裂韧性值检测报告之六；
图9是本发明的力学性能检测报告之一；
图10是本发明的力学性能检测报告之二；
图11是本发明的力学性能检测报告之三；
图12是本发明的产品实物图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
1、本发明采用的400-620mm(厚)×1200-2120mm(宽)×2000-8000mm(长)扁锭为半连续铸造方式生产，控制合金成分范围为：Si含量低于0.03％，Fe含量低于005％，Cu含量3.8％-4.5％，Mn含量0.4％-0.8％，Mg含量1.2％-1.6％，Cr含量低于0.1％，Zn含量小于0.25％，Ti含量低于0.15％，其他杂质元素，单个不超过0.05％，总和不超过0.15％。
2、400-620mm(厚)×1200-2120mm(宽)×2000-8000mm(长)扁锭合金的制备方法：按照铝合金薄板成分及质量百分比准备原材料。将原料置于容量炉中，220℃下干燥60min，加入电解液，700-745℃下熔炼，开始融化后加入覆盖剂，当铝合金原料60-70％溶化后，开启电磁搅拌，全部溶化后进行成分调整，加入铝合金元素添加剂来调整成分，然后扒渣、转移熔体到保温炉。炉侧混合气体精炼40min，当熔体温度达到705-710℃时，静置40min后经在线(SNIF除气、添加细化剂(Al5Ti1B点入量1.5-2.0kg/t)、CCF双层过滤)。浇注成铝合金铸锭，铸造温度控制在650℃-690℃之间，铸造速度控制在35-45mm/min。过程控制含氢量小于0.08mL/100g，Na含量2ppm以内，Ca含量3ppm以内。渣尺寸20μm以上去除率95％以上。保证熔体中氢、渣含量满足航空铝合金要求。
3.高温均热工艺：将铸锭步进式推进炉中，采用双级加热工艺，以40℃/小时的升温速率加热至450-460℃后，保温5-10小时，然后40℃/小时升温速率到第二级492-496℃，保温时间24小时，出炉后自然冷却。铸锭铸造完成后，通过优化均匀化工艺获得残余第二相体积分数小于0.6％的优质均热铸锭。
4、热轧工艺：均热后的铸锭推进加热炉中，预加热温度470-485℃，保温2-10小时后，开始轧制，控制终轧温度小于等于350℃。热粗轧从440mm后热轧粗轧至25-40mm厚度，采用30-35道次热轧工艺，前4-8道次下压量控制在5-10mm/道次，轧制速度控制在1-2.5m/s，中间道次压下量控制10-30mm/道次，轧制速度控制在1-2.5m/s，完成中间道次的轧制后自然凉温至300-350℃，后2-6道次压下量控制在30-50mm，轧制速度控制在0.5-1.5m/s，全过程使用乳液进行表面润滑。
5、高温固溶淬火处理：因在均热过程中采用二级均热制度，控制残留难溶第二相低于0.5％，因此，热轧后的相主要为高熔点的难溶第二相和热轧过程中析出相，为高温固溶提供温升空间，热轧后的板在辊底炉中控制温度495-500℃下固溶，保温时间控制在60-90min，进行淬火处理，能够保证基体形成充分的过饱和固溶状态。
6、预拉伸及自然时效：淬火后的厚板在放置8-14小时内进行预拉伸，拉伸变形量控制的2.0-3.0％之间，预拉伸后自然时效96小时。
板材的性能指标均满足国际标准CMS-AL-103，其中L向抗拉强度504.5Mpa(标准≥430MPa)、屈服强度392MPa(标准≥310MPa)(实际检测数据如图9样品编号10检测数据所示)，LT向抗拉强度490MPa(标准≥430MPa)，屈服强度358MPa(标准≥300MPa)(实际检测数据如图10样品编号28检测数据所示)，L-T向断裂韧性值为54.2MPa.m1/2(标准值≥45MPa.m1 /2)，T-L向断裂韧性值为50.6MPa.m1/2(标准值≥40MPa.m1/2)(实际检测结果如图3中41BL-T,41BT-L检测结果所示)。力学性能满足标准并且有较高的余量，断裂韧性值高于50MPa.m1/2，超声噪音符合ASTM B594标准要求。
实施例2
1、本发明采用的400-620mm(厚)×1200-2120mm(宽)×2000-8000mm(长)扁锭为半连续铸造方式生产，控制合金成分范围为：Si含量低于0.03％，Fe含量低于0.05％，Cu含量3.8％-4.5％，Mn含量0.4％-0.8％，Mg含量1.2％-1.6％，Cr含量低于0.1％，Zn含量小于0.25％，Ti含量低于0.15％，其他杂质元素，单个不超过0.05％，总和不超过0.15％。
2、400-620mm(厚)×1200-2120mm(宽)×2000-8000mm(长)扁锭合金的制备方法：按照铝合金薄板成分及质量百分比准备原材料。将原料置于容量炉中，220℃下干燥60min，加入电解液，700-745℃下熔炼，开始融化后加入覆盖剂，当铝合金原料60-70％溶化后，开启电磁搅拌，全部溶化后进行成分调整，加入铝合金元素添加剂来调整成分，然后扒渣、转移熔体到保温炉。炉侧混合气体精炼40min，当熔体温度达到705-710℃时，静置40min后经在线(SNIF除气、添加细化剂(Al5Ti1B点入量1.5-2.0kg/t)、CCF双层过滤)。浇注成铝合金铸锭，铸造温度控制在650℃-690℃之间，铸造速度控制在35-45mm/min。过程控制含氢量小于0.08mL/100g，Na含量2ppm以内，Ca含量3ppm以内。渣尺寸20μm以上去除率95％以上。保证熔体中氢、渣含量满足航空铝合金要求。
3.高温均热工艺：将铸锭步进式推进炉中，采用双级加热工艺，以40℃/小时的升温速率加热至450-460℃后，保温5-10小时，然后40℃/小时升温速率到第二级492-496℃，保温时间24小时，出炉后自然冷却。铸锭铸造完成后，通过优化均匀化工艺获得残余第二相体积分数小于0.5％的优质均热铸锭。
4、热轧工艺：均热后的铸锭推进加热炉中，预加热温度470-485℃，保温2-10小时后，开始轧制，控制终轧温度大于等于400℃。热粗轧从440mm厚热轧粗轧至25-40mm厚度，采用30-35道次热轧工艺，下压量控制在10-15mm，轧制速度控制在1-2.5m/s，全过程使用乳液进行表面润滑。
5、高温固溶淬火处理：因在均热过程中采用二级均热制度，控制残留难溶第二相低于0.5％，因此，热轧后的相主要为高熔点的难溶第二相和热轧过程中析出相，为高温固溶提供温升空间，热轧后的板在辊底炉中控制温度495-500℃下固溶，保温时间控制在60-90min，进行淬火处理，能够保证基体形成充分的过饱和固溶状态。
6、预拉伸及自然时效：淬火后的厚板在放置8-14小时内进行预拉伸，拉伸变形量控制的2.0-3.0％之间，预拉伸后自然时效96小时。
板材的性能指标均满足国际标准CMS-AL-103，其中L向抗拉强度513Mpa(标准≥430MPa)、屈服强度410MPa(标准≥310MPa)(实际检测数据如图9样品编号1检测数据所示)，LT向抗拉强度432.5MPa(标准≥430MPa)，屈服强度354MPa(标准≥300MPa)(实际检测数据如图10样品编号19检测数据所示)，L-T向断裂韧性值为54.7MPa.m1/2(标准值≥45MPa.m1 /2)，T-L向断裂韧性值为51.9MPa.m1/2(标准值≥40MPa.m1/2)(实际检测结果如图3中41HL-T,41HT-L检测结果所示)。力学性能满足标准并且有较高的余量，断裂韧性值高于50MPa.m1/2，超声噪音符合ASTM B594标准要求。
实施例3
1、本发明采用的400-620mm(厚)×1200-2120mm(宽)×2000-8000mm(长)扁锭为半连续铸造方式生产，控制合金成分范围为：Si含量低于0.03％，Fe含量低于005％，Cu含量3.8％-4.5％，Mn含量0.4％-0.8％，Mg含量1.2％-1.6％，Cr含量低于0.1％，Zn含量小于0.25％，Ti含量低于0.15％，其他杂质元素，单个不超过0.05％，总和不超过0.15％。
2、400-620mm(厚)×1200-2120mm(宽)×2000-8000mm(长)扁锭合金的制备方法：按照铝合金薄板成分及质量百分比准备原材料。将原料置于容量炉中，220℃下干燥60min，加入电解液，700-745℃下熔炼，开始融化后加入覆盖剂，当铝合金原料60-70％溶化后，开启电磁搅拌，全部溶化后进行成分调整，加入铝合金元素添加剂来调整成分，然后扒渣、转移熔体到保温炉。炉侧混合气体精炼40min，当熔体温度达到705-710℃时，静置40min后经在线(SNIF除气、添加细化剂(Al5Ti0.2B点入量1.0-2.0kg/t、CCF双层过滤)。浇注成铝合金铸锭，铸造温度控制在650℃-690℃之间，铸造速度控制在35-45mm/min。过程控制含氢量小于0.08mL/100g，Na含量2ppm以内，Ca含量3ppm以内。渣尺寸20μm以上去除率95％以上。保证熔体中氢、渣含量满足航空铝合金要求。
3.高温均热工艺：将铸锭步进式推进炉中，采用单级加热工艺，以40℃/小时升温速率到492-496℃，保温时间24小时，出炉后自然冷却。铸锭铸造完成后，通过优化均匀化工艺获得残余第二相体积分数大约在1.4％的均热铸锭。
4、热轧工艺：均热后的铸锭推进加热炉中，预加热温度470-485℃，保温2-10小时后，开始轧制，控制终轧温度大于等于400℃。热粗轧从440mm后热轧粗轧至25-40mm厚度，采用30-35道次热轧工艺，下压量控制在10-15mm，轧制速度控制在1-2.5m/s，全过程使用乳液进行表面润滑。
5、高温固溶淬火处理：因在均热过程中采用二级均热制度，控制残留难溶第二相低于0.5％，因此，热轧后的相主要为高熔点的难溶第二相和热轧过程中析出相，为高温固溶提供温升空间，热轧后的板在辊底炉中控制温度495-500℃下固溶，保温时间控制在60-90min，进行淬火处理，能够保证基体形成充分的过饱和固溶状态。
6、预拉伸及自然时效：淬火后的厚板在放置8-14小时内进行预拉伸，拉伸变形量控制的2.0-3.0％之间，预拉伸后自然时效96小时。
板材的性能指标均满足国际标准CMS-AL-103，其中L向抗拉强度503.5Mpa(标准≥430MPa)、屈服强度387MPa(标准≥310MPa)(实际检测数据如图9样品编号13检测数据所示)，LT向抗拉强度480MPa(标准≥430MPa)，屈服强度348MPa(标准≥300MPa)(实际检测数据如图10样品编号31检测数据所示)，L-T向断裂韧性值为51.9MPa.m1/2(标准值≥45MPa.m1 /2)，T-L向断裂韧性值为59.8MPa.m1/2(标准值≥40MPa.m1/2)(实际检测结果如图3中42BL-T,42BT-L检测结果所示)力学性能满足标准并且有较高的余量，断裂韧性值高于50MPa.m1/2，超声噪音符合ASTM B594标准要求。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种航空用高损伤容限2系铝合金厚板的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：将铸锭采用双级加热工艺，以40℃/h的升温速率加热至450-460℃后，保温5-10h，然后40℃/h升温速率到第二级492-496℃，保温时间24小时，自然冷却；
步骤二：步骤一均热后的铸锭推进加热炉中，预加热温度470-485℃，保温2-10h，开始轧制，控制终轧温度小于等于350℃，热粗轧从440mm后热轧粗轧至25-40mm厚度，采用30-35道次热轧工艺，前4-8道次下压量控制在5-10mm/道次，轧制速度控制在1-2.5m/s，中间道次压下量控制10-30mm/道次，轧制速度控制在1-2.5m/s，完成中间道次的轧制后自然凉温至300-350℃，后2-6道次压下量控制在30-50mm，轧制速度控制在0.5-1.5m/s；
步骤三：步骤二热轧完成后，热轧板材在辊底炉中控制温度495-500℃下固溶，保温时间控制在60-90min，进行淬火处理；
步骤四：步骤三淬火后的板材在放置8-14h内进行预拉伸，拉伸变形量控制的2.0-3.0％之间，预拉伸后自然时效96h。
2.根据权利要求1所述的一种航空用高损伤容限2系铝合金厚板的制备方法，其特征在于：所述的步骤一中的铸锭合金成分包括：Si含量低于0.03％，Fe含量低于005％，Cu含量3.8％-4.5％，Mn含量0.4％-0.8％，Mg含量1.2％-1.6％，Cr含量低于0.1％，Zn含量小于0.25％，Ti含量低于0.15％，其他杂质元素，单个不超过0.05％，总和不超过0.15％，余量为铝。
3.根据权利要求1或2所述的一种航空用高损伤容限2系铝合金厚板的制备方法，其特征在于：所述的铸锭的制备方法为：将原料置于容量炉中，220℃下干燥60min，加入电解液，700-745℃下熔炼，开始融化后加入覆盖剂，当铝合金原料60-70％溶化后，开启电磁搅拌，全部溶化后进行成分调整，加入铝合金元素添加剂来调整成分，然后扒渣、转移熔体到保温炉。
4.根据权利要求1所述的一种航空用高损伤容限2系铝合金厚板的制备方法，其特征在于：所述的步骤二中热轧过程中全程用乳液进行表面润滑。
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