CN115110012B - 一种用于飞行器化铣零件的2024铝合金薄板的制备方法 - Google Patents

一种用于飞行器化铣零件的2024铝合金薄板的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于制备飞行器化铣零件的2024铝合金薄板的制备方法，该方法适用于制备厚度小于等于2.0mm的2024铝合金薄板。相比于常规2024铝合金薄板，本发明通过短时固溶、预拉伸，结合自然时效后的微变形和低温加热工艺大幅度降低了2024铝合金薄板的内应力。

Description

一种用于飞行器化铣零件的2024铝合金薄板的制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金制备技术领域，具体涉及一种可用于制备飞行器化铣零件的2024铝合金薄板的制备方法。
背景技术
在飞行器的蒙皮、机身面板、薄壁曲面等精密结构件制造中，化铣工艺可以作为一种减轻零件重量及加工成型的有效手段，该工艺是指薄板经过化学溶液腐蚀预先确定的部分区域至目标零件厚度，从而获得所需的加工尺寸和加工工艺精度，实现了各钣金部件的结构交接和减重，在航空航天领域具有广泛应用。化铣零件通常需要具有较高的装配精度，而目前常用的2024铝合金薄板由于材料内应力的影响，在化铣后由于局部变薄使应力释放不均匀，易出现零件变形量、翘曲量过大的情况，难以满足装配精度要求。严重时，化铣后的平板零件甚至卷成圆筒状，造成无法装配，因而化铣零件的成品率有待提升。
发明内容
研究发现，目前工业生产中为了减低零件报废率，通常通过调控化铣工艺以提高化铣零件的成品率，并没有报道过从原材料上寻求解决问题的突破口。对于常规2024铝合金薄板原材料，固溶后采用1.0％～3.0％的预拉伸变形可降低残余应力，但降低能力有限，尤其对于精密化铣零件的制造，仅预拉伸并不能完全满足原材料化铣后的装配需求。
为了改善现有技术的不足，本发明提供了一种用于制备飞行器化铣零件的2024铝合金薄板的制备方法，所述方法制备的2024铝合金薄板具有化铣后变形量低、强度高等优点，可满足精密化铣原材料的使用要求，从源头上解决了现有2024铝合金薄板化铣后翘曲大的技术难题，有效的提升了零件成品率。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种2024铝合金薄板的制备方法，所述方法包括如下步骤：
1)对2024铝合金薄板进行500℃保温5min～10min的固溶处理后室温水淬，淬火后进行变形量为2.0％～3.0％的拉伸矫直，并自然时效96小时以上；
2)沿轧制方向对2024铝合金薄板进行去内应力拉伸；
3)对拉伸后的2024铝合金薄板进行低温加热，加热温度为100℃～130℃，保温时间为4h～16h。
根据本发明的实施方式，所述制备方法用于制备飞行器化铣零件的2024铝合金薄板。
根据本发明的实施方式，步骤1)中，所述2024铝合金的成分满足Cu 4.0～4.6wt.％，Mg 1.2～1.8wt.％，Mn 0.4～0.8wt.％，Zn 0.1～0.2wt.％，Si≤0.10wt.％，Fe≤0.10wt.％，余量为Al及不可避免的杂质。
根据本发明的实施方式，步骤1)中，所述2024铝合金的成分满足Cu 4.0～4.6wt.％(如4.1wt.％、4.2wt.％、4.3wt.％、4.4wt.％、4.5wt.％、4.6wt.％)，Mg 1.2～1.8wt.％(如1.2wt.％、1.3wt.％、1.4wt.％、1.5wt.％、1.6wt.％、1.7wt.％、1.8wt.％)，Mn0.4～0.8wt.％(如0.4wt.％、0.5wt.％、0.6wt.％、0.7wt.％、0.8wt.％)，Zn 0.1～0.2wt.％(如0.1wt.％、0.15wt.％、0.2wt.％)，Si≤0.10wt.％，Fe≤0.10wt.％，余量为Al及不可避免的杂质。
根据本发明的实施方式，步骤1)中，所述2024铝合金薄板是通过如下方法制备得到的：
(a)制备2024铸锭，并将铸锭依次进行均匀化处理、对称铣面、锯切的操作，制成板坯；
(b)将步骤(a)的板坯依次经过热轧、冷轧、退火、终轧，制备得到所述2024铝合金薄板。
根据本发明的实施方式，步骤1)中，所述2024铝合金薄板的厚度为0.3mm～2.0mm，例如为0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1.0mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm或2.0mm。
根据本发明的实施方式，步骤1)中，淬火后进行2.0％、2.1％、2.2％、2.3％、2.4％、2.5％、2.6％、2.7％、2.8％、2.9％或3.0％变形量的拉伸矫直。
根据本发明的实施方式，步骤2)中，所述拉伸的变形量为0.6％～1.0％，例如为0.6％、0.7％、0.8％、0.9％或1.0％。
根据本发明的实施方式，步骤3)中，所述加热温度为100℃、110℃、120℃或130℃，保温时间为4h、6h、8h、10h、12h、14h或16h。
本发明还提供一种上述方法制备得到的2024铝合金薄板。
根据本发明的实施方式，所述2024铝合金薄板经化铣后最大翘曲量小于50mm。本发明中，所述化铣是采用中国航空行业标准HB/Z 5125中的全表面化铣方法进行的。所述的化铣方法例如是对2024铝合金薄板的全表面进行化铣，然后将该2024铝合金薄板平放在平面台上，用直尺测量化铣后的最大翘曲量。
根据本发明的实施方式，所述2024铝合金薄板L向的屈服性能为370MPa以上。所述2024铝合金薄板L向的拉伸性能为475MPa以上。
根据本发明的实施方式，所述2024铝合金薄板LT向的屈服性能为330MPa以上。所述2024铝合金薄板LT向的拉伸性能为450MPa以上。
有益效果：
本发明提供了一种用于制备飞行器化铣零件的2024铝合金薄板的制备方法，该方法适用于制备厚度小于等于2.0mm的2024铝合金薄板。相比于常规2024铝合金薄板，本发明通过短时固溶、预拉伸，结合自然时效后的微变形(变形量为0.6％～1.0％的拉伸)和低温加热工艺大幅度降低了2024铝合金薄板的内应力。
具体地，2024铝合金薄板经过短时固溶后，合金内部细小的第二相溶解，但因时间较短，来不及发生回复与再结晶，从而大量保留了轧制态组织，短时固溶后的2024铝合金薄板经过变形量为2.0％～3.0％的预拉伸可消除部分残余应力并提升自然时效强度；对2024铝合金薄板进行去内应力拉伸使其产生微变形则进一步消除了轧制和时效过程中产生的残余应力，同时控制变形量避免产生过量的加工硬化，从而保留自然时效态的强度特征。随后采用低于人工时效温度(140℃～200℃)进行低温加热，在低于人工时效温度进行加热可以使材料不发生明显的时效强化现象，仍保持自然时效态的材料特性。在100℃～130℃保温4h～16h后，前期经过短时固溶、时效前预拉伸和时效后微变形(变形量为0.6％～1.0％的拉伸)积累的加工硬化会发生部分回复，使2024铝合金薄板软化释放残余应力，更进一步降低了2024铝合金薄板的内应力，从而降低了化铣变形。通过上述工序的结合，使成品态2024铝合金薄板具有低内应力的特点。与常规2024-T3预拉伸板相比，采用本发明制备的2024薄板在保障高强度的同时，降低化铣后变形量60％以上，可广泛应用于各类飞行器精密化铣零件的制造。
附图说明
图1为制备飞行器化铣零件用2024铝合金薄板的工艺流程。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
配置成分为Cu4.35wt.％，Mg 1.50wt.％，Mn 0.6wt.％，Zn 0.15wt.％，Si0.06wt.％，Fe 0.08wt.％，余量铝的合格铸锭，并依次进行均匀化、铣面、热轧、冷轧等工序，制成规格为0.6mm厚的薄板。薄板经过500℃/5min固溶淬火后预拉伸2％并自然时效96h。自然时效后对薄板进行0.6％的时效后拉伸，并采用125℃保温6h。
实施例2
配置成分为Cu 4.35wt.％，Mg 1.50wt.％，Mn 0.6wt.％，Zn 0.15wt.％，Si0.06wt.％，Fe 0.08wt.％，余量铝的合格铸锭，并依次进行均匀化、铣面、热轧、冷轧等工序，制成规格为1.5mm厚的薄板。薄板经过500℃/8min固溶淬火后预拉伸2.5％并自然时效96h。自然时效后对薄板进行0.8％的时效后拉伸，并采用125℃保温8h。
实施例3
配置成分为Cu 4.35wt.％，Mg 1.50wt.％，Mn 0.6wt.％，Zn 0.15wt.％，Si0.06wt.％，Fe 0.08wt.％，余量铝的合格铸锭，并依次进行均匀化、铣面、热轧、冷轧等工序，制成规格为0.6mm厚的薄板。薄板经过500℃/5min固溶淬火后预拉伸2％并自然时效96h。自然时效后对薄板进行2％的时效后拉伸，并采用125℃保温6h。
实施例4
配置成分为Cu 4.35wt.％，Mg 1.50wt.％，Mn 0.6wt.％，Zn 0.15wt.％，Si0.06wt.％，Fe 0.08wt.％，余量铝的合格铸锭，并依次进行均匀化、铣面、热轧、冷轧等工序，制成规格为1.5mm厚的薄板。薄板经过500℃/8min固溶淬火后预拉伸2.5％并自然时效96h。自然时效后对薄板进行2.5％的时效后拉伸，并采用125℃保温8h。
对比例1
配置成分为Cu 4.35wt.％，Mg 1.50wt.％，Mn 0.6wt.％，Zn 0.15wt.％，Si0.06wt.％，Fe 0.08wt.％，余量铝的合格铸锭，并依次进行均匀化、铣面、热轧、冷轧等工序，制成规格为0.6mm厚的薄板。薄板经过500℃/30min固溶淬火后预拉伸2％并自然时效96h。
对比例2
配置成分为Cu 4.35wt.％，Mg 1.50wt.％，Mn 0.6wt.％，Zn 0.15wt.％，Si0.06wt.％，Fe 0.08wt.％，余量铝的合格铸锭，并依次进行均匀化、铣面、热轧、冷轧等工序，制成规格为1.5mm厚的薄板。薄板经过500℃/35min固溶淬火后预拉伸2.5％并自然时效96h。
对比例3
配置成分为Cu 4.35wt.％，Mg 1.50wt.％，Mn 0.6wt.％，Zn 0.15wt.％，Si0.06wt.％，Fe 0.08wt.％，余量铝的合格铸锭，并依次进行均匀化、铣面、热轧、冷轧等工序，制成规格0.6mm厚的薄板。薄板经过500℃/30min固溶淬火后预拉伸2％并自然时效96h，自然时效后对薄板进行250℃/2h的去应力退火。
对比例4
配置成分为Cu 4.35wt.％，Mg 1.50wt.％，Mn 0.6wt.％，Zn 0.15wt.％，Si0.06wt.％，Fe 0.08wt.％，余量铝的合格铸锭，并依次进行均匀化、铣面、热轧、冷轧等工序，制成规格为1.5mm厚的薄板。薄板经过500℃/35min固溶淬火后预拉伸2.5％并自然时效96h，自然时效后对薄板进行250℃/2h的去应力退火。
对比例5
配置成分为Cu 4.35wt.％，Mg 1.50wt.％，Mn 0.6wt.％，Zn 0.15wt.％，Si0.06wt.％，Fe 0.08wt.％，余量铝的合格铸锭，并依次进行均匀化、铣面、热轧、冷轧等工序，制成规格0.6mm厚的薄板。薄板经过500℃/5min固溶淬火后预拉伸2％并自然时效96h，自然时效后采用125℃保温6h。
对比例6
配置成分为Cu 4.35wt.％，Mg 1.50wt.％，Mn 0.6wt.％，Zn 0.15wt.％，Si0.06wt.％，Fe 0.08wt.％，余量铝的合格铸锭，并依次进行均匀化、铣面、热轧、冷轧等工序，制成规格为1.5mm厚的薄板。薄板经过500℃/8min固溶淬火后预拉伸2.5％并自然时效96h，自然时效后采用125℃保温8h。
表1给出了上述实施例和对比例的工艺参数，表2给出了上述实施例和对比例的性能。
表1实施例与对比例制备的2024铝合金薄板工艺路线
表2实施例与对比例制备的2024铝合金薄板性能对比
从表2的性能结果可以看出，本发明的2024铝合金薄板经过化铣后的变形量低于对比例1-2的常规工艺的2024-T3薄板经过化铣后的变形量的60％以上，低于对比例3-4的对比工艺的2024铝合金薄板经过化铣后的变形量的30％以上。本发明的2024铝合金薄板的L向和LT向的拉伸性能也明显优于常规工艺和对比工艺，这是因为本发明制备的2024铝合金薄板通过短时固溶相对保留了大量的轧制态组织，时效后沿轧制方向的微变形工艺使2024铝合金薄板的强度进一步提高，虽然低温加热后薄板发生部分回复，但强度仍保持在较高水平。
从实施例1-4可以看出，时效后的微变形增大到一定程度，不能进一步降低化铣变形量。这是因为，残余应力并不能完全被消除，只能尽量降低。时效后沿轧制方向(L向)拉伸0.6～1.0％可使屈服强度大幅度提高，抗拉强度也有一定程度提升。由于拉伸过程中位错发生的交滑移作用，LT向的强度提升程度比主变形方向L向低。继续增大变形量会使薄板强度过高，增加L向和LT向的强度差异，加剧各向异性，对材料的整体性能不利，化铣后薄板反而更容易翘曲。
从实施例1-4、对比例5-6可以看出，微变形对减小化铣变形量具有巨大作用，拉伸微变形可消除时效过程中残余应力，使化铣变形量大幅度下降，同时提高强度，与前期的加工硬化相累积为低温加热做准备。低温加热工艺发生的少量回复进一步释放了应力，起到降低薄板化铣变形、稳定薄板尺寸的作用。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种2024铝合金薄板的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：1）对2024铝合金薄板进行500℃保温5min~10min的固溶处理后室温水淬，淬火后进行变形量为2.0%~3.0%的拉伸矫直，并自然时效96小时以上；2）沿轧制方向对2024铝合金薄板进行去内应力拉伸；3）对拉伸后的2024铝合金薄板进行低温加热，加热温度为100℃~130℃，保温时间为4h~16h；步骤1）中，所述2024铝合金薄板的厚度为0.3mm~2.0mm；步骤2）中，所述拉伸的变形量为0.6%~1.0%。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法用于制备飞行器化铣零件的2024铝合金薄板。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1）中，所述2024铝合金的成分满足Cu 4.0~4.6wt.%，Mg 1.2~1.8wt.%，Mn 0.4~0.8wt.%，Zn 0.1~0.2wt.%，Si≤0.10wt.%，Fe≤0.10wt.%，余量为Al及不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1）中，所述2024铝合金薄板是通过如下方法制备得到的：（a）制备2024铸锭，并将铸锭依次进行均匀化处理、对称铣面、锯切的操作，制成板坯；（b）将步骤（a）的板坯依次经过热轧、冷轧、退火、终轧，制备得到所述2024铝合金薄板。
5.一种权利要求1-4任一项所述方法制备得到的2024铝合金薄板。
6.根据权利要求5所述的2024铝合金薄板，其特征在于，所述2024铝合金薄板经化铣后最大翘曲量小于50mm。
7.根据权利要求5所述的2024铝合金薄板，其特征在于，所述2024铝合金薄板L向的屈服性能为370MPa以上；所述2024铝合金薄板L向的拉伸性能为475MPa以上。
8.根据权利要求5所述的2024铝合金薄板，其特征在于，所述2024铝合金薄板LT向的屈服性能为330MPa以上；所述2024铝合金薄板LT向的拉伸性能为450MPa以上。
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