CN114192708A - 一种大型铝合金环件构筑热轧成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大型铝合金环件构筑热轧成形方法，包括如下步骤：步骤一、构筑环形坯料基元的制备，按照设计要求，准备不同规格的圆柱形坯料，然后将坯料进行镦粗、冲孔获得带小孔的环形坯料，再进行预轧扩孔并表面机加工，获得不同直径的构筑环形坯料基元；步骤二、整体环形坯料构筑，将步骤一获得的构筑环形坯料基元表面清洁处理，然后将构筑环形坯料基元按照由小到大的顺序依次由内而外组装在一起，组装好的环形坯料放入真空加热炉中真空加热处理，获得整体构筑环坯；步骤三、环件热轧成形，将整体构筑坯料取出后到轧环机上热轧成形，获得大型铝合金环件。本发明铝合金铸锭组织性能更好；柔性化程度高；能获得高性能大型铝合金环件。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝合金环件的制造方法，具体涉及一种大型铝合金环件构筑热轧成形方法，属于铝合金环件制造技术领域。
背景技术
大型铝合金环件是航天运载火箭等重大装备的关键构件。随着航天装备大型化发展需要，铝合金环件的尺寸规格要求越来越大，对于铝合金环件的组织性能要求也越来越严格。
环件热轧工艺是目前制造大型无缝环件的主要方法。通常环件热轧是由大铸锭成形大环件，即将大铸锭加热后通过镦拔变形得到实心饼坯，然后冲孔得到环坯，最后进行环件热轧得到大型环件。
随着铝合金环件尺寸规格的不断增大，采用传统热轧方式成形大型铝合金环件面临很多问题，如：1)受铝合金熔铸技术制约，所能生产铝合金铸锭重量有限，大规格铸锭难以制备；2)铸锭尺寸越大，铸锭成分偏析越严重、微缺陷越多、内部组织越差，遗传影响作用下越难以保证轧制成形环件组织性能。
目前，对大型铝合金环件的研究主要集中在轧制成形的工艺处理领域。比如公开号为CN102409270A的中国发明专利，公开了一种大型铝合金环件轧制和电炉固溶处理方法，通过对铝合金环件毛坯的规格限定，以及电炉固溶的参数控制，提高生产效率和产品质量。这些并没有提供新的针对大型铝合金环件的制造方法。因此，亟需开发一种高性能大尺寸铝合金环件制造技术。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供了一种大型铝合金环件构筑热轧成形方法，该方法跳出了现有的环件热轧工艺的局限，通过将多个小的环形坯料组装加工得到大尺寸铝合金环件，具有易加工、质量好的优势。
本发明具体是这样实现的：
一种大型铝合金环件构筑热轧成形方法，包括如下步骤：
步骤一、构筑环形坯料基元的制备
按照设计要求，准备不同规格的圆柱形坯料，然后将坯料进行镦粗、冲孔获得带小孔的环形坯料，再分别对小孔环形坯料进行预轧扩孔并表面机加工，获得不同直径的构筑环形坯料基元；
步骤二、整体环形坯料构筑
将步骤一获得的构筑环形坯料基元表面清洁处理，然后将构筑环形坯料基元按照由小到大的顺序依次由内而外组装在一起，组装好的环形坯料放入真空加热炉中真空加热处理，获得整体构筑环坯；
步骤三、环件热轧成形
将整体构筑坯料取出后到轧环机上热轧成形，获得大型铝合金环件。
更进一步的方案是：
步骤一中，根据大型铝合金环件的尺寸确定构筑环形坯料基元的数量n和外径、内径、高度尺寸，以及用于锻造成形构筑环形坯料基元所需的棒料尺寸；按设计的棒料尺寸进行锯切下料，获得n个不同规格的圆柱形坯料，然后将坯料加热保温一段时间，取出坯料后进行镦粗、冲孔获得带小孔的环形坯料。
更进一步的方案是：
构筑环形坯料基元的数量n通过下式计算，
式中n为构筑环形坯料基元数量，计算值不为整数时，向上取整；
棒料重量按下式计算，
棒料长度按下式计算，
棒料镦粗、冲孔后的小孔环形坯料的尺寸按下式计算，
式中，Bp、rp、Rp分别为冲孔后的小孔环形坯料的高度、内半径和外半径，kB为构筑环坯热轧成形的轴向变形比，通常取0.15～0.3。
更进一步的方案是：
机加工后的构筑环形坯料基元按外径由小到大分别编号为1、2、……、n，其中第1个构筑环形坯料基元只需要加工外表面，第n个构筑环形坯料基元只需要加工内表面，第2，3，……，n-1个构筑环形坯料基元需要加工内表面和外表面，机加工后的构筑环形坯料基元尺寸可以按下式设计，
式中，Ri、ri分别为机加工后的构筑环形坯料基元的外半径和内半径。
构筑环形坯料基元机加工前的尺寸可以按下式设计，
式中，R0i、r0i分别为机加工前的构筑环形坯料基元的外半径和内半径。
更进一步的方案是：
步骤二中，构筑环形坯料基元表面清洁处理，是将最大直径的构筑环形坯料基元的内表面和最小直径的构筑环形坯料基元的外表面清洁处理，其余构筑环形坯料基元的内、外表面都清洁处理，其中表面清洁处理是采用超声波清洗方式清洁处理。
更进一步的方案是：
在清洗完的构筑环形坯料基元表面上涂一层有机溶液形成有机液膜进行表面保护；
真空加热处理，是在真空加热炉中，抽真空后以一定的升温速率加热到目标铝合金材料的扩散焊温度后保温一段时间，使构筑界面原子扩散，实现界面预连接，获得整体构筑环坯。
其中，有机溶液为己硫醇，这种材料在150℃即会挥发，该温度远远低于铝合金扩散焊接温度，在缓慢加热的过程中会挥发，因此己硫醇有机液膜不会影响铝合金界面间的扩散焊接，同时界面氧化膜的减少会大大增加扩散连接的质量。
更进一步的方案是：
扩散焊温度为0.85Tm，Tm为铝合金材料的熔点，单位为℃；保温时间至少3h，若整体构筑环坯横截面积较大，应适当增加保温时间；升温速率为7～12℃/min。
更进一步的方案是：
将整体构筑坯料取出前，先将真空加热炉温度降低至铝合金材料始锻温度后保温一段时间，然后再取出。
更进一步的方案是：
在轧环机上热轧成形时，夹持整体构筑坯料的机械手需要用保温棉包裹，轧辊需要提前预热到300～350℃。热轧成形过程中，驱动辊作旋转运动，芯辊作径向直线进给运动，上锥辊作旋转运动和轴向进给运动，并且上、下锥辊随环件的长大向后运动，在驱动辊和芯辊构成的径向孔型作用下，环件壁厚减小，在上下锥辊构成的轴向孔型作用下，环件的高度减小，随着环件壁厚和高度的减小，环件外径逐渐长大。轧制过程按照规划的轧制曲线进行轧制，先仅沿径向轧制，利于界面进一步热变形愈合，然后进行径向和轴向轧制，使环件壁厚和高度同时减小，直径快速长大，最后仅进行径向轧制，待环件外径达到目标尺寸后停止轧制。轧制过程至少采用两火轧制，每火次的截面变化量尽量控制在20％以上，通过变形与加热交替的方式进一步促进界面愈合。轧制过程严格控制进给速度，进给速度不宜过大，否则环件容易开裂。
更进一步的方案是：
轧制过程的轧制曲线可以按下式进行规划，
其中，Bt为环件瞬时高度，Ht为环件瞬时壁厚。h1为第一阶段径向轧制结束时环件壁厚，h1＝H0-k1(H0-H)，k1一般取0.2～0.45，h2为第二阶段径轴双向轧制结束时环件壁厚，h2＝H0-k2(H0-H)，k2一般取0.3～0.5。
轧制过程的径向进给速度可以按下式计算
其中，kv为速度调节系数，一般取1.0～1.5，n1和Rd分别为驱动辊的转速和工作半径，Rm为芯辊的工作半径。
本发明提出了一种采用优质小尺寸铝合金环坯制造高性能大尺寸铝合金环件的技术方法，该方法具有以下优点：
(1)传统热轧成形大型铝合金环件往往需要制造大尺寸铝合金铸锭，而铝合金铸锭尺寸越大，成分偏析越严重、微缺陷越多、内部组织越差，本方法可以采用小型铝合金铸锭作为原材料制备大型环件，避免了制造大尺寸铝合金铸锭的难题，并且小尺寸铝合金铸锭组织性能更好；
(2)采用锻造制坯再预轧的方式获得不同尺寸的环坯基元，原材料由铸态组织转变为锻态组织，进一步改善了环坯基元的组织状态，并且可以适用不同规格的环坯基元的制造，柔性化程度高；
(3)采用真空扩散焊的方式实现环坯基元的构筑预连接，真空加热减少了铝合金加热过程界面的氧化，高温扩散有利于促进构筑界面预连接；
(4)热轧成形初始阶段仅沿径向轧制变形，使界面处于压应力状态，利于界面愈合，轧制过程分多火次进行，通过变形与加热保温交替的方式进一步促进界面愈合，从而获得高性能大型铝合金环件。
附图说明
图1为构筑环形坯料基元制备流程示意图；
图2为整体环形坯料构筑流程示意图；
图3为环件热轧成形示意图；
图4为环件热轧成形过程的轧制曲线示意图；
图中：1、驱动辊；2、整体构筑坯料；3、芯辊；4、锥辊；5、大型铝合金环件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本实施例提供的成品大型2219铝合金环件尺寸为Φ9000(外径)×Φ8600(内径)×200mm(高度)。如图1～图4所示，大型铝合金环件的具体制备步骤如下：
1、构筑环形坯料基元制备。根据大型铝合金环件尺寸确定构筑环形坯料基元的数量n为4，将构筑环形坯料基元从内到外命名为第一构筑环形坯料基元、第二构筑环形坯料基元、第三构筑环形坯料基元、第四构筑环形坯料基元。选取2219铝合金棒材，下料质量为815.1kg，下料尺寸Φ600×1015mm，得到四个相同尺寸的坯料。然后将坯料加热到460℃后保温3h，取出坯料后进行镦粗、冲孔获得4个带小孔的环形坯料，依次对应命名为第一小孔环形坯料、第二小孔环形坯料、第三小孔环形坯料、第四小孔环形坯料，小孔环形坯料尺寸均为Φ1263.4×Φ400×250mm。分别对第二小孔环形坯料、第三小孔环形坯料、第四小孔环形坯料进行预轧扩孔并表面机加工，机加工后的构筑环形坯料基元的尺寸从第一构筑环形坯料基元到4分别为Φ1252.2×Φ400×250mm、Φ1725.2×Φ1252.2×250mm、Φ2094×Φ1725.2×250mm、Φ2407×Φ2094×250mm。机加工前的构筑环形坯料基元的尺寸从第一构筑环形坯料基元到4分别为Φ1263.4×Φ400×250mm、Φ1729.4×Φ1246.4×250mm、Φ2097.4×Φ1721×250mm、Φ2407×Φ2090.6×250mm。
2、整体环形坯料构筑。对机加工后的构筑环形坯料基元进行表面清洁处理，其中第四构筑环形坯料基元的内表面和第一构筑环形坯料基元的外表面需要清洁处理，其余构筑环形坯料基元的内、外表面都需要清洁处理。进行表面清洁处理时采用超声波清洗方式在清洗完的构筑环形坯料基元表面上涂一层己硫醇有机液膜进行表面保护。然后尽快将构筑环坯基元按照直径由小到大的顺序依次组装到一起，第一构筑环形坯料基元放在最内侧，第四构筑环形坯料基元放在最外侧。将组装好的环形坯料尽快放入真空加热炉中，抽真空后以7～12℃/min的升温速率加热到2219铝合金材料的扩散焊温度520～540℃后保温2～4h，使构筑界面原子扩散，实现界面预连接，获得整体构筑环坯。
3、环件热轧成形。将真空加热炉温度降低至480℃后保温1～3h，然后将环坯取出后尽快转移到轧环机上进行热轧成形。如附图3所示，其中夹持整体构筑坯料2的机械手需要用保温棉包裹，轧辊需要提前预热到300～350℃。热轧成形过程中，驱动辊1作旋转运动，芯辊3作径向直线进给运动，上锥辊4作旋转运动和轴向进给运动，并且上、下锥辊4随环件的长大向后运动，在驱动辊1和芯辊3构成的径向孔型作用下，环件壁厚减小，在上下锥辊4构成的轴向孔型作用下，环件的高度减小，随着环件壁厚和高度的减小，环件外径逐渐长大。轧制过程按照规划的轧制曲线进行轧制，如附图4所示，第一阶段仅沿径向轧制，壁厚变形量占总体的45％；第二阶段进行径向和轴向轧制，壁厚变形量占总体的40％；最后阶段仅进行径向轧制，壁厚变形量占总体的15％，待环件外径达到目标尺寸后停止轧制。轧制过程采用两火轧制，每火次的截面变化量尽量控制在20％以上，通过变形与加热交替的方式进一步促进界面愈合。轧制过程的径向进给速度V＝0.2mm/s，将成形后的工件送入加热炉中在460～540℃下保温3～8h，取出后冷却得到轧制成形的大型铝合金环件5。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。
Claims (10)
1.一种大型铝合金环件构筑热轧成形方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、构筑环形坯料基元的制备
按照设计要求，准备不同规格的圆柱形坯料，然后将坯料进行镦粗、冲孔获得带小孔的环形坯料，再分别对小孔环形坯料进行预轧扩孔并表面机加工，获得不同直径的构筑环形坯料基元；
步骤二、整体环形坯料构筑
将步骤一获得的构筑环形坯料基元表面清洁处理，然后将构筑环形坯料基元按照由小到大的顺序依次由内而外组装在一起，组装好的环形坯料放入真空加热炉中真空加热处理，获得整体构筑环坯；
步骤三、环件热轧成形
将整体构筑坯料取出后到轧环机上热轧成形，获得大型铝合金环件。
2.根据权利要求1所述大型铝合金环件构筑热轧成形方法，其特征在于：
步骤一中，根据大型铝合金环件的尺寸确定构筑环形坯料基元的数量n和外径、内径、高度尺寸，以及用于锻造成形构筑环形坯料基元所需的棒料尺寸；按设计的棒料尺寸进行锯切下料，获得n个不同规格的圆柱形坯料，然后将坯料加热保温一段时间，取出坯料后进行镦粗、冲孔获得带小孔的环形坯料。
3.根据权利要求2所述大型铝合金环件构筑热轧成形方法，其特征在于：
构筑环形坯料基元的数量n通过下式计算，
式中n为构筑环形坯料基元数量，计算值不为整数时，向上取整；
棒料重量按下式计算，
棒料长度按下式计算，
棒料镦粗、冲孔后的小孔环形坯料的尺寸按下式计算，
式中，Bp、rp、Rp分别为冲孔后的小孔环形坯料的高度、内半径和外半径，kB为构筑环坯热轧成形的轴向变形比，取值0.15～0.3。
4.根据权利要求2所述大型铝合金环件构筑热轧成形方法，其特征在于：
机加工后的构筑环形坯料基元按外径由小到大分别编号为1、2、……、n，其中第1个构筑环形坯料基元只需要加工外表面，第n个构筑环形坯料基元只需要加工内表面，第2，3，……，n-1个构筑环形坯料基元需要加工内表面和外表面，机加工后的构筑环形坯料基元尺寸可以按下式设计，
式中，Ri、ri分别为机加工后的构筑环形坯料基元的外半径和内半径；
构筑环形坯料基元机加工前的尺寸可以按下式设计，
式中，R0i、r0i分别为机加工前的构筑环形坯料基元的外半径和内半径。
5.根据权利要求4所述大型铝合金环件构筑热轧成形方法，其特征在于：
步骤二中，构筑环形坯料基元表面清洁处理，是将最大直径的构筑环形坯料基元的内表面和最小直径的构筑环形坯料基元的外表面清洁处理，其余构筑环形坯料基元的内、外表面都清洁处理，其中表面清洁处理是采用超声波清洗方式清洁处理。
6.根据权利要求5所述大型铝合金环件构筑热轧成形方法，其特征在于：
在清洗完的构筑环形坯料基元表面上涂一层有机溶液形成有机液膜进行表面保护，其中有机溶液为己硫醇；
真空加热处理，是在真空加热炉中，抽真空后以一定的升温速率加热到目标铝合金材料的扩散焊温度后保温一段时间，使构筑界面原子扩散，实现界面预连接，获得整体构筑环坯。
7.根据权利要求6所述大型铝合金环件构筑热轧成形方法，其特征在于：
扩散焊温度为0.85Tm，Tm为铝合金材料的熔点，单位为℃；保温时间至少3h，若整体构筑环坯横截面积较大，应适当增加保温时间；升温速率为7～12℃/min。
8.根据权利要求1所述大型铝合金环件构筑热轧成形方法，其特征在于：
将整体构筑坯料取出前，先将真空加热炉温度降低至铝合金材料始锻温度后保温一段时间，然后再取出。
9.根据权利要求8所述大型铝合金环件构筑热轧成形方法，其特征在于：
在轧环机上热轧成形时，夹持整体构筑坯料的机械手需要用保温棉包裹，轧辊需要提前预热到300～350℃；热轧成形过程中，驱动辊作旋转运动，芯辊作径向直线进给运动，上锥辊作旋转运动和轴向进给运动，并且上、下锥辊随环件的长大向后运动，在驱动辊和芯辊构成的径向孔型作用下，环件壁厚减小，在上下锥辊构成的轴向孔型作用下，环件的高度减小，随着环件壁厚和高度的减小，环件外径逐渐长大；轧制过程按照规划的轧制曲线进行轧制，先仅沿径向轧制，利于界面进一步热变形愈合，然后进行径向和轴向轧制，使环件壁厚和高度同时减小，直径快速长大，最后仅进行径向轧制，待环件外径达到目标尺寸后停止轧制；轧制过程至少采用两火轧制，每火次的截面变化量尽量控制在20％以上，通过变形与加热交替的方式进一步促进界面愈合；轧制过程严格控制进给速度，进给速度不宜过大，否则环件容易开裂。
10.根据权利要求9所述大型铝合金环件构筑热轧成形方法，其特征在于：
轧制过程的轧制曲线可以按下式进行规划，
其中，Bt为环件瞬时高度，Ht为环件瞬时壁厚；h1为第一阶段径向轧制结束时环件壁厚，h1＝H0-k1(H0-H)，k1取0.2～0.45，h2为第二阶段径轴双向轧制结束时环件壁厚，h2＝H0-k2(H0-H)，k2取0.3～0.5；
轧制过程的径向进给速度可以按下式计算
其中，kv为速度调节系数，取1.0～1.5，n1和Rd分别为驱动辊的转速和工作半径，Rm为芯辊的工作半径。
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