CN115261752B - 一种高强2024铝合金加工工艺及高强2024铝合金 - Google Patents

一种高强2024铝合金加工工艺及高强2024铝合金 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强2024铝合金加工工艺及高强2024铝合金，涉及铝合金技术领域，其技术方案要点是：将固溶与峰时效处理后的样品在室温下进行冷轧变形，下压量为A；将S1中的样品放置在110‑130℃退火t时间后在室温下进行轧制，累计下压量为B；将S2中的样品放置在110‑130℃退火2t时间后在室温下进行轧制，累计下压量为C；将S3中的样品放置在110‑130℃退火4t时间后在室温下进行轧制，累计下压量为D；将S4中的样品放置在110‑130℃退火8t时间后在室温进行轧制，最后总下压量为E。本发明中的2024铝合金在室温时为层状界面组织，并且拥有较高的位错密度，具有842MPa的抗拉强度。

Description

一种高强2024铝合金加工工艺及高强2024铝合金
技术领域
本发明涉及铝合金技术领域，更具体地说，它涉及一种高强2024铝合金加工工艺及高强2024铝合金。
背景技术
2xxx系铝合金为Al-Cu系，具有高的抗拉强度、韧性和耐疲劳强度，有一定的耐热性，良好的加工性能，被广泛应用于飞机结构、汽车轮毂、及兵器工业等领域。其中，Al-Cu-Mg合金是2xxx系铝合金中最具代表性的系列之一，是开发较早、研究较为深入、应用较为成熟的高强度铝合金系列之一。常见的Al-Cu-Mg合金包括美国的2014、2048、2×24系列和中国的2A12等，其中以2×24系列合金的发展最具代表性。2024合金是2×24系列合金中最早研发出来的高强度铝合金，以其优异的力学性能在航空航天领域得到广泛应用，常用作飞机机翼、机身蒙皮以及骨架和肋梁结构。
大塑性变形处理工艺是一种有效的细化晶粒的方法，其主要的强度贡献归于晶粒细化造成的强化以及位错密度增加带来的强化。对于细晶强化，其原理在于晶粒细化后合金内部晶界的含量大幅度增加阻碍位错运动。一方面，晶界本身的特性为各种溶质原子的扩撒提供了短路快速通道，使原子易在晶界处产生偏聚，为阻碍位错的运动提供了大量的屏障。另一方面，对于等体积的同一种材料，晶粒的尺寸越小也就意味着材料单位体积中晶界的密度就越高，整体上对阻碍位错进一步运动的作用越大，位错之间更容易相互交割并发生束集，位错继续运动到相邻晶粒所需要克服的临界应力就越大，也就是说合金的强度可以得到更大幅度的提升。至于位错强化，其实质是通过塑性变形在晶粒内部引入高密度位错，当位错密度较高时，增大了位错之间相互交割反应产生割阶和位错锁的等的几率，进一步通过不可动位错能够使位错增值产生更多的位错，当变形量一定时甚至可以在基体中形成位错墙、位错胞等结构。这些高密度位错和不可动位错极大阻碍了位错进一步运动，由此金属发生塑性变形的抗力增大，从而使合金得到强化。
中间退火可调控合金中合金元素的聚集形式，对于富集合金元素的2024铝合金，在高温淬火得到的过饱和固溶体经过低温时效，溶质原子会从基体中通过脱溶析出形成纳米级的结构或析出相，这些细小弥散分布的结构或析出相会造成基体晶格局部畸变，并进一步在合金塑性变形过程中作为位错运动的锚点，起到钉扎位错，阻碍位错运动或使位错增值的作用，对合金强化产生贡献。而对于2024铝合金，通过传统的轧制加上退火或时效工艺，其抗拉及屈服性能只能达到700MPa左右。因此，如何研究设计一种更高抗拉强度和屈服强度高强2024铝合金加工工艺及高强2024铝合金是我们目前急需解决的问题。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种高强2024铝合金加工工艺及高强2024铝合金，相比于传统的大变形加退火工艺处理的2024铝合金，具有更高的抗拉强度和屈服强度以及消耗更低的成本。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
第一方面，提供了一种高强2024铝合金加工工艺，包括以下步骤：
S1：将固溶与峰时效处理后的样品在室温下进行冷轧变形，下压量为A；
S2：将S1中的样品放置在110-130℃退火t时间后在室温下进行轧制，累计下压量为B；
S3：将S2中的样品放置在110-130℃退火2t时间后在室温下进行轧制，累计下压量为C；
S4：将S3中的样品放置在110-130℃退火4t时间后在室温下进行轧制，累计下压量为D；
S5：将S4中的样品放置在110-130℃退火8t时间后在室温进行轧制，最后总下压量为E；
其中，28min≤t≤36min；A≥35％；95％≤D＜1；
以及，(B-A)/A、(C-B)/(B-A)、(D-C)/(C-B)以及(E-D)/(D-C)的取值范围为0.25-0.75。
优选的，在步骤S2-S5中，退火的温度均为120℃。
优选的，在步骤S2-S5中，退火的时间t取值为32min。
优选的，包括以下步骤：
S1：将固溶与峰时效处理后的样品在室温下进行冷轧变形，下压量为40％；
S2：将S1中的样品放置在120℃退火32min后在室温下进行轧制，累计下压量为70％；
S3：将S2中的样品放置在120℃退火64min后在室温下进行轧制，累计下压量为90％；
S4：将S3中的样品放置在120℃退火128min后在室温下进行轧制，累计下压量为95％；
S5：将S4中的样品放置在120℃退火256min后在室温进行轧制，最后总下压量为98％。
优选的，在步骤S1中，样品的尺寸为100mm×100mm×10mm。
优选的，在步骤S5中，轧制后样品的厚度为0.2mm。
第二方面，提供了一种高强2024铝合金，该高强2024铝合金以第一方面任意一项所述的一种高强2024铝合金加工工艺所制备而成。
本发明将10mm厚热轧板材在490℃的温度下保温1小时进行固溶处理，随后水冷；通过这一步可将大部分合金元素固溶进基体，以及消除基体中的某些空位、位错等缺陷；随后再将固溶后的材料在195℃峰时效9小时，通过峰时效工艺可以将已经固溶进基体中的的合金元素以第二相的形式析出，有利于后续的轧制加退火工艺。
本发明中的2024铝合金在室温时为层状界面组织，并且拥有较高的位错密度，具有842MPa的抗拉强度。
本发明中的总变形量为98％，不断的轧制是为了获得细化的晶粒和较高的位错密度最终其晶粒尺寸也就是片层间距在34nm左右。
本发明中的退火温度为120℃，在该温度下晶粒不易长大，因此对晶粒尺寸几乎无影响，但对基体中的空位、置换原子等影响较大，因此中间退火消除了变形后基体中的一部分内应力。
本发明中的2024铝合金主要强化机制都为：位错强化、细晶强化、析出强化。位错强化和细晶强化是98％冷轧过程中引入的，大量位错和晶界可以阻碍位错的运动，从而提高材料的强度。析出强化主要是前期热处理过程中析出的T相和S相。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明利用简单的轧制与热处理工艺，以较低的成本达到较高的性能，具有显著的经济效益和工业价值。
2、本发采用大变形的方式引入大量位错、细化晶粒，保证材料在室温下保持优异的性能。
3、本发明通过峰时效的处理使合金元素以第二相的形式在基体中析出，而不产生较多裂纹，大大便捷了后续的轧制工艺。
4、本发明不断的中间退火加轧制可以是材料达到更高的变形量，而且可获得更细的晶粒尺寸，从而拥有优异的性能。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明实施例中冷轧98％后的样品的ECC图及统计的第二相尺寸；
图2是本发明实施例中冷轧98％后的样品的拉伸曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例：一种高强2024铝合金加工工艺
本实施例中所用商业铝合金原始板材的加工工艺为：经半连续铸造工艺获得高度为48mm的铸锭，经过双级均匀化处理(460℃/6h+465℃/24h，升温速度：30℃/h)后，再在460℃保温2h，后经过8道次热轧，最终得到厚度为10mm、总压下量为79％的热轧板。
2024合金成分：Al-4.3Cu-1.5Mg-0.6Mn-0.5Fe-0.5Si-0.3Z。
从原始板材线切割加工出尺寸为100mm×100mm×10mm的块状样品进行热处理，热处理工艺为：495℃固溶处理1h，冷却方式采用水冷，得到固溶态样品，选取固溶处理后的一部分样品在195℃进行9h时效处理，冷却方式仍用空冷，得到峰时效态样品。
将固溶与峰时效处理后的样品在室温下进行冷轧变形，下压量为40％；将样品放置在120℃退火32分钟后在室温下进行轧制，累计下压量为70％；随后在120℃退火64分钟，再次在室温下进行轧制，累计下压量90％；将样品放置120℃退火128分钟后在室温下进行轧制，累计下压量为95％；在120℃退火256分钟后在室温进行轧制，最后总下压量为98％，样品厚0.2mm。如图1所示，通过ECC统计其第二相尺寸在83nm左右。拉伸曲线如附图2所示，其拉伸性能总结于表1。
表1实施例中样品冷轧98％拉伸和延伸率
屈服强度(MPa) 抗拉强度(MPa) 总延伸率(％)
实施例 807 842 1.2
现有技术中2024铝合金不同处理工艺后得到的硬度、强度和均匀延伸率如表2所示。
表2现有2024铝合金不同处理工艺后得到的硬度、强度和均匀延伸率
现有技术中的2024铝合金通过传统的轧制+退火或时效工艺，其抗拉及屈服性能不超过700MPa。而本发明通过不断的中间退火加轧制可以是材料达到更高的变形量，而且可获得更细的晶粒尺寸，从而拥有优异的性能，2024铝合金在室温时为层状界面组织，并且拥有较高的位错密度，具有842MPa的抗拉强度。
此外，本发明通过对退火温度和每次轧制的下压量进行调整，最终得到的2024铝合金的抗拉强度在842±20MPa的范围内波动，屈服强度在807±10MPa的范围内波动，均比现有的2024铝合金的性能较优。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，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 (7)

1.一种高强2024铝合金加工工艺，其特征是，包括以下步骤：
S1：将固溶与峰时效处理后的样品在室温下进行冷轧变形，下压量为A；
S2：将S1中的样品放置在110-130℃退火t时间后在室温下进行轧制，累计下压量为B；
S3：将S2中的样品放置在110-130℃退火2t时间后在室温下进行轧制，累计下压量为C；
S4：将S3中的样品放置在110-130℃退火4t时间后在室温下进行轧制，累计下压量为D；
S5：将S4中的样品放置在110-130℃退火8t时间后在室温进行轧制，最后总下压量为E；
其中，28min≤t≤36min；A≥35％；95％≤D＜1；
以及，(B-A)/A、(C-B)/(B-A)、(D-C)/(C-B)以及(E-D)/(D-C)的取值范围为0.25-0.75。
2.根据权利要求1所述的一种高强2024铝合金加工工艺，其特征是，在步骤S2-S5中，退火的温度均为120℃。
3.根据权利要求1所述的一种高强2024铝合金加工工艺，其特征是，在步骤S2-S5中，退火的时间t取值为32min。
4.根据权利要求1所述的一种高强2024铝合金加工工艺，其特征是，包括以下步骤：
S1：将固溶与峰时效处理后的样品在室温下进行冷轧变形，下压量为40％；
S2：将S1中的样品放置在120℃退火32min后在室温下进行轧制，累计下压量为70％；
S3：将S2中的样品放置在120℃退火64min后在室温下进行轧制，累计下压量为90％；
S4：将S3中的样品放置在120℃退火128min后在室温下进行轧制，累计下压量为95％；
S5：将S4中的样品放置在120℃退火256min后在室温进行轧制，最后总下压量为98％。
5.根据权利要求1所述的一种高强2024铝合金加工工艺，其特征是，在步骤S1中，样品的尺寸为100mm×100mm×10mm。
6.根据权利要求1所述的一种高强2024铝合金加工工艺，其特征是，在步骤S5中，轧制后样品的厚度为0.2mm。
7.一种高强2024铝合金，其特征是，该高强2024铝合金以权利要求1-6任意一项所述的一种高强2024铝合金加工工艺所制备而成。
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