CN115305421A - 调控高强铝合金残余应力和性能的热振动时效方法及装置 - Google Patents
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Abstract
调控高强铝合金残余应力和性能的热振动时效方法及装置，所述方法是将固溶淬火后铝合金在相同时效温度下依次进行预时效+250‑600m/s2大加速度热振动时效+再时效。所述装置包括弹性支撑、振动平台、偏心电机、振动控制装置、加速度传感器、加热炉、温控装置；所述振动平台设置在弹性支撑上，一端安装有偏心电机及加速度传感器，另一端延伸至加热炉炉腔；偏心电机及加速度传感器均与振动控制装置电连接；加热炉与温控装置电连接。本发明克服了现有振动处理技术消减合金残余应力和无析出带不彻底或引起微观损伤、降低合金冲击韧性的问题，有效提高了时效硬化铝合金腐蚀抗力，更彻底地消除合金的残余应力的同时解决了冲击韧性下降的问题。
Description
技术领域
本发明属于热处理技术领域，具体涉及一种通过预时效-热振动时效-再时效调控高强铝合金残余应力和性能的热振动时效方法及装置。通过调整振动时效的激振力及时间、热时效的保温温度和热时效的保温时间，达到调控高强铝合金残余应力和冲击韧性的目的。
背景技术
高强铝合金常用于制造重要的承力件，往往需要承受较强的冲击载荷，所处的潮湿环境对合金会产生腐蚀作用，所以需要在保证不降低强度的情况下，使用各种技术手段尽可能地提高高强铝合金的冲击韧性和腐蚀抗力。
高强铝合金是时效硬化铝合金，通过淬火形成处于亚稳态的过饱和固溶体，再在比较低的温度下进行时效，让过饱和固溶体分解，析出强化相，产生时效硬化效果，提高高强铝合金的力学性能。上述时效硬化工艺引发两个问题。第一，淬火会导致淬火残余应力。第二，时效过程中，因为晶界和夹杂物界面等处的晶格畸变能较高，析出相优先这些界面上形核，能量较高的晶界还会吸收附近的空位，在晶界附近形成空位的贫乏区域，导致该区域缺少形核核心，成为无析出带，析出相富集于晶界。由于无析出带中没有析出强化相，所以它们的抗拉强度和屈服强度都比晶粒内部低很多，服役时载荷作用下优先发生屈服和塑性变形过程中，应变集中在无析出带内，引起晶间断裂，制约材料的塑性、冲击韧性、疲劳、腐蚀等性能。另外，合金基体和析出相之间的电化学电位差异较大，在服役过程中，无析出带与富集的晶界析出相间易于产生微电池腐蚀、形成腐蚀通道，应力作用加剧腐蚀处开裂，导致晶间腐蚀开裂，显著降低高强铝合金的腐蚀抗力。
目前，消除淬火残余应力，一般用预变形(拉伸或者压缩宏观塑性变形)方法，但是这些方法带来两个问题；一个是局限于规则形状的材料，而对结构件不能施加均匀的拉伸或压缩变形；另一个是，预拉伸或预压缩变形要产生一定的塑性变形量，往往会带来材料的损伤，制约预拉伸或预压缩变形的量及其作用效果。近来，有人发展了采用小加速度条件下的热振动的方法消减残余应力，因为振动可以降低材料的微屈服强度，且在工件上产生附加动应力，当附加动应力与工件本身的残余应力叠加超过工件的微屈服强度时，材料内部就会产生微观塑性变形，消减残余应力。另外，高温下材料的屈服强度降低，所以提高振动温度是更彻底地消除残余应力的一种方法。现有技术采用50～100m/s2的热振动处理加速度，对消减残余应力有一定作用，但此条件下的振动对消除残余应力不彻底，对消除无析出带、提高合金冲击韧性及合金腐蚀抗力没有显见的作用。原因是小加速度条件振动施加的动应力不大，降低材料的微屈服强度有限，不能使材料产生显著的微屈服变形。
本发明人于2021年1月15日申请的专利申请号为“2021100563904”，名称为“一种提高7xxx系铝合金应力腐蚀抗力的振动预处理方法”的发明专利，常温下采用大振动加速度(振动加速度为200～400m/s2)对固溶淬火处理后的铝合金进行振动预处理，然后进行时效热处理，可以较好的消除无析出带、残余应力，同时有效提高合金的应力腐蚀抗力。其机理是：淬火-自然时效或人工预时效状态晶界附近的无析出带的屈服强度比较低，利用大加速度振动使合金产生的微观塑性变形优先在晶界附近的无析出带位置发生，而塑性变形的本质是位错萌生和运动，位错运动会产生空位；因此，一方面，大加速度振动产生的显著微观塑性变形可以较好的消除淬火残余应力；另一方面，显著微观塑性变形可以在无析出带中形成较多的位错和空位，在后续进行时效热处理时，无析出带中的位错和空位可以作为形核核心，诱导时效强化相析出，有效提高晶界无析出带中强化相的含量，减少晶界析出相的富集，使析出相分布的均匀程度得到明显改善，合金内部的强度均匀性更好，使晶界与无析出带之间的电化学电位差趋于一致，从而有效降低时效硬化铝合金沿晶界腐蚀和断裂的倾向，达到提高合金应力腐蚀抗力的技术效果。但是，由于室温大加速度振动产生的位错数量多、累积快，容易形成过高的位错密度，产生微观损伤，严重时成为裂纹源、降低合金的塑性和冲击韧性；同时，室温大加速度振动产生的位错在后续的热时效过程中快速消失，降低了无析出带中形核核心数量，限制了消除无析出带效果；上述两方面制约了室温大加速度振动实际应用效果。
因此，研发一种可以同时高效消减高强铝合金残余应力和无析出带、提高性能的热振动时效方法及装置是本领域亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种调控高强铝合金残余应力和性能的热振动时效方法及装置；本发明的方法及装置，采用大加速度热振动时效方法可以同时高效消除高强铝合金残余应力和无析出带、提高高强铝合金性能。
本发明调控高强铝合金残余应力和性能的热振动时效方法是：将固溶淬火后铝合金在相同时效温度下依次进行预时效+大加速度热振动时效+再时效。
本发明调控高强铝合金残余应力和性能的热振动时效方法，时效温度为153℃-162℃。
本发明调控高强铝合金残余应力和性能的热振动时效方法，预时效时间1-2小时。
本发明调控高强铝合金残余应力和性能的热振动时效方法，热振动时效的振动加速度大于等于250m/s2，热振动时效时间4～9小时；优选振动加速度为250-600m/s2。更优选振动加速度为300-550m/s2；再优选振动加速度为350-500m/s2；更优的振动加速度为400-450m/s2。
本发明调控高强铝合金残余应力和性能的热振动时效方法，再时效时间1-4小时。
本发明调控高强铝合金残余应力和性能的热振动时效方法，所述高强铝合金是指2xxx、6xxx和7xxx系时效硬化合金，例如2A14铝合金、6061铝合金和7056铝合金。
本发明调控高强铝合金残余应力和性能的热振动时效装置，包括振动系统、加热系统；所述振动系统包括弹性支撑、振动平台、偏心电机、振动控制装置、加速度传感器；所述加热系统包括加热炉、温控装置；所述振动平台设置在弹性支撑上，在振动平台的一端安装有偏心电机及加速度传感器，另一端延伸至加热炉炉腔；所述偏心电机及加速度传感器均与振动控制装置电连接；所述加热炉与温控装置电连接。
本发明调控高强铝合金残余应力和性能的热振动时效装置，所述弹性支撑由橡胶材料制成，优选废旧轮胎或者环形橡胶垫。
本发明调控高强铝合金残余应力和性能的热振动时效装置，所述振动平台延伸至加热炉炉腔一端安装有待处理铝合金工件，铝合金工件通过夹具与振动平台连接固定。
本发明调控高强铝合金残余应力和性能的热振动时效装置，所述偏心电机的主轴上安装有偏心块，偏心块与主轴的相对位置可调。
本发明调控高强铝合金残余应力和性能的热振动时效装置，所述加速度传感器上设有磁铁，吸附在振动平台上。
本发明采用上述预时效+大加速度热振动时效+再时效的热处理工艺。首先，通过精确控制预时效温度及时间，在晶界附件形成无析出带。然后，进行振动加速度为现有技术4～8倍的大加速度热振动时效(振动加速度大于250m/s2)，其一，在时效温度下施加振动，材料的微屈服强度比室温下的要低，在同样的振动加速度条件下，能更彻底的消除残余应力；其二，在热振动时效温度下，可以不断地产生位错，在位错密度比较高的情况下，会产生一定的回复消解作用，有效限制位错密度，不至于使位错的累计密度过高，既可以比较彻底的消减残余应力和消除无晶界析出带，同时又避免损伤合金；克服了现有冷振动技术易于造成位错密度过高、形成微裂纹、损伤材料，降低材料的塑性、韧性、疲劳性能的问题。其三，大加速度热振动时效，使合金无析出带区域优先发生微塑性变形，形成较多的空位和位错，诱导析出相在该区域内形核，消除无析出带，使析出相分布均匀，降低合金基体、晶界、晶界附近区域以及晶粒内部的强度差异，提高合金塑性、冲击韧性、应力腐蚀抗力。最后，再进行4-5小时的再时效，使析出相有充足的时间析出长大，获得合金最终均匀析出组织，在更好的消除合金淬火残余应力的基础上提高合金的塑性、韧性、疲劳性能。
附图说明
图1是实施本发明装置的结构示意图。
图2为本发明装置中偏心电机安装固定结构示意图。
图3为本发明装置中工件安装固定结构示意图。
图中：1.保温炉；2.工件固定部件；3.弹性支撑；4.锁紧螺栓；5.C形夹具；6.振动控制装置；7.加速度电信号传输线；8.偏心电机控制线；9.加速度传感器；10.偏心电机；11.振动平台；12.加热炉；13.加热炉控制线；14.温控装置；15.工件用夹具；16.工件。
具体实施方式
实施例1：
参见图1，本发明调控高强铝合金残余应力和性能的热振动时效装置，包括振动系统、加热系统；所述振动系统包括弹性支撑3、振动平台11、偏心电机10、振动控制装置6、加速度传感器9；所述加热系统包括加热炉1、温控装置14；所述振动平台11设置在弹性支撑3上，在振动平台11的一端通过C形夹具5、锁紧螺栓4安装有偏心电机10及加速度传感器9，另一端延伸至加热炉1炉腔，加热炉炉门12关闭时，底边与振动平台11之间有2-6厘米的空隙；所述偏心电机10通过偏心电机控制线8与振动控制装置6电连接，加速度传感器9通过加速度电信号传输线7偏心电机控制线8与振动控制装置6电连接；所述加热炉12通过加热炉控制线13与温控装置14电连接；
所述弹性支撑3是由橡胶材料制成的环形橡胶垫；
所述振动平台11延伸至加热炉炉腔一端设有工件固定部件2，其上安装有待处理铝合金工件16，铝合金工件16通过工件用夹具15与振动平台11的工件固定部件2连接固定；
所述偏心电机10的主轴上安装有偏心块，偏心块与主轴的相对位置可调；
所述加速度传感器9上设有磁铁，吸附在振动平台11上。
以下实施例2-4及对比例1-5中：
冲击韧性根据国家标准GB/T 229-2020《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》进行制样及测量；
耐腐蚀性能根据国家标准GB/T 7998-2005《铝合金晶间腐蚀测定方法》制备腐蚀介质并进行检测；
残余应力根据国家标准GB/T 31310-2014《金属材料残余应力测定钻孔应变法》进行测量。
实施例2、3、4中，合金固溶淬火后的淬火残余应力为：152.0MPa。
实施例2、3、4及对比例1-5处理后的合金性能指标列于表1中。
实施例2：
2A14合金样品尺寸为150mm×15mm×15mm，在503±2℃固溶3h后水淬，然后将样品安装在实施例1的调控高强铝合金残余应力和性能的热振动时效装置中，在160±2℃进行1h预时效，然后在400m/s2的振动加速度下进行9h的热振动时效，振动结束后迅速打开炉门，取出样品并丢入水中。
本发明方法处理后，合金性能指标为：
冲击韧性试样尺寸为50mm×10mm×10mm，，测得冲击韧性为29.4J/cm2。
在35±1℃下腐蚀12h后测得腐蚀坑的深度为150.6微米。
测得合金的残余应力为68MPa。
实施例3：
2A14合金样品尺寸为150mm×15mm×15mm，在503±2℃固溶3h后水淬，然后将样品安装在实施例1的调控高强铝合金残余应力和性能的热振动时效装置中，在160±2℃进行2h预时效，然后在500m/s2的振动加速度下进行为期7h的热振动时效，再时效1小时后迅速打开炉门，取出样品并丢入水中。
本发明方法处理后，合金性能指标为：
冲击韧性试样尺寸为50mm×10mm×10mm，测得冲击韧性为34.6J/cm2。
在35±1℃下腐蚀12h后测得腐蚀坑的深度为137.5微米。
测得合金的残余应力为61MPa。
实施例4：
2A14合金样品尺寸为150mm×15mm×15mm，在503±2℃固溶3h后水淬，然后将样品安装在实施例1的调控高强铝合金残余应力和性能的热振动时效装置中，在160±2℃进行2h预时效，然后在600m/s2的振动加速度下进行为期4h的热振动时效，随后进行4h再时效，再时效结束后迅速打开炉门，取出样品并丢入水中。
本发明方法处理后，合金性能指标为：
冲击韧性试样尺寸为50mm×10mm×10mm，测得冲击韧性为36.8J/cm2。
在35±1℃下腐蚀12h后测得腐蚀坑的深度为102.3微米。
测得合金的残余应力为48MPa。
对比例1(2A14合金仅进行热振动时效)：
2A14合金样品尺寸为150mm×15mm×15mm，在503±2℃固溶3h后水淬，样品不进行预时效，在500m/s2的振动加速度下进行温度为160±2℃，时长为10h的热振动时效，振动结束后迅速打开炉门，取出样品并丢入水中。
处理后合金性能指标为：
冲击韧性试样尺寸为50mm×10mm×10mm，测得冲击韧性为27.6J/cm2。
在35±1℃下腐蚀12h后测得腐蚀坑的深度为177.7μm。
测得合金的残余应力为62MPa。
对比例2(2A14合金仅进行热时效，不进行振动时效)：
2A14合金样品尺寸为150mm×15mm×15mm，在503±2℃固溶3h后水淬，样品在160±2℃下进行热时效达到峰时效态，热时效结束后迅速打开炉门，取出样品并丢入水中。
处理后合金性能指标为：
冲击韧性试样尺寸为50mm×10mm×10mm，测得冲击韧性为30.0J/cm2。
在35±1℃下腐蚀12h后测得腐蚀坑的深度为230.1μm。
测得合金在固溶后的淬火残余应力为152.0MPa，时效后的残余应力为119.0MPa。
对比例3(2A14合金室温振动时效+热时效)：
2A14合金样品尺寸为150mm×15mm×15mm，在503±2℃固溶3h后水淬，样品不进行预时效，在500m/s2的振动加速度下进行1h的室温振动，然后在160±2℃进行9h热时效后迅速打开炉门，取出样品并丢入水中。
处理后合金性能指标为：
冲击韧性试样尺寸为50mm×10mm×10mm，测得冲击韧性为23.6J/cm2。
在35±1℃下腐蚀12h后测得腐蚀坑的深度为150.6μm。
测得合金的残余应力为97MPa。
对比例4(2A14合金预时效+室温振动时效+再时效)：
2A14合金样品尺寸为150mm×15mm×15mm，在503±2℃固溶3h后水淬，样品在160±2℃进行1h预时效，在500m/s2的振动加速度下进行1h的室温振动，然后在160±2℃进行8h再时效，再时效结束后迅速打开炉门取出样品并丢入水中。
处理后合金性能指标为：
冲击韧性试样尺寸为50mm×10mm×10mm，测得冲击韧性为27.9J/cm2。
在35±1℃下腐蚀12h后测得腐蚀坑的深度为132.1μm。
测得合金的残余应力为75MPa。
对比例5(2A14合金预时效+室温振动时效+再时效)：
2A14合金样品尺寸为150mm×15mm×15mm，在503±2℃固溶3h后水淬，样品在160±2℃进行2h预时效，在500m/s2的振动加速度下进行1h的室温振动，然后在160±2℃进行7h再时效，再时效结束后迅速打开炉门取出样品并丢入水中。
处理后合金性能指标为：
冲击韧性试样尺寸为50mm×10mm×10mm，测得冲击韧性为21.9J/cm2。
在35±1℃下腐蚀12h后测得腐蚀坑的深度为123.4μm。
测得合金的残余应力为92MPa。
对比例6(7056合金只进行热振动时效)：
7056合金样品尺寸为150mm×15mm×15mm，在470±2℃保温1h后在475±2℃保温1h，保温结束后水淬，样品在155±2℃下以500m/s2的振动加速度进行10h热时效，时效结束后迅速打开炉门，取出样品并丢入水中。
处理后合金性能指标为：
在35±1℃下腐蚀6h后测得腐蚀坑的深度为228.2μm。
对比例7(7056合金室温振动时效+再时效)：
7056合金样品尺寸为150mm×15mm×15mm，在470±2℃保温1h后在475±2℃保温1h，保温结束后水淬，样品在500m/s2的振动加速度下进行1h的室温振动，然后在155±2℃进行9h再时效，再时效结束后迅速打开炉门取出样品并丢入水中。
处理后合金性能指标为：
在35±1℃下腐蚀6h后测得腐蚀坑的深度为128.2μm。
对比例8(7056合金室温振动时效+再时效)：
7056合金样品尺寸为150mm×15mm×15mm，在470±2℃保温1h后在475±2℃保温1h，保温结束后水淬，样品在500m/s2的振动加速度下进行2h的室温振动，然后在155±2℃进行8h再时效，再时效结束后迅速打开炉门取出样品并丢入水中。
处理后合金性能指标为：
在35±1℃下腐蚀6h后测得腐蚀坑的深度为157.3μm。
对比例9(7056合金热振动时效+再时效)：
7056合金样品尺寸为150mm×15mm×15mm，在470±2℃保温1h后在475±2℃保温1h，保温结束后水淬，样品在500m/s2的振动加速度下进行1h热振动，热振动的温度时155±2℃，然后在155±2℃进行9h再时效，再时效结束后迅速打开炉门取出样品并丢入水中。
处理后合金性能指标为：
在35±1℃下腐蚀6h后测得腐蚀坑的深度为95.6μm。
表1：实施例及对比例合金性能指标
比较以上性能指标可知：本发明采用预时效+大加速度热振动时效+再时效的处理工艺，可以克服现有振动处理技术消减时效硬化铝合金残余应力和无析出带不彻底或引起微观损伤、降低合金的冲击韧性的问题，带来以下技术效果或优点：不但可以更明显地提高时效硬化铝合金的腐蚀抗力，更彻底地消除时效硬化铝合金的残余应力，同时还能解决室温振动带来的冲击韧性下降的问题。
Claims (10)
1.调控高强铝合金残余应力和性能的热振动时效方法，其特征在于：将固溶淬火后铝合金在相同时效温度下依次进行预时效+大加速度热振动时效+再时效。
2.根据权利要求1所述的调控高强铝合金残余应力和性能的热振动时效方法，其特征在于：预时效时间1-2小时。
3.根据权利要求1所述的调控高强铝合金残余应力和性能的热振动时效方法，其特征在于：热振动时效的振动加速度大于等于250m/s2，热振动时效时间4-9小时。
4.根据权利要求3所述的调控高强铝合金残余应力和性能的热振动时效方法，其特征在于：振动加速度为250-600m/s2。
5.根据权利要求1所述的调控高强铝合金残余应力和性能的热振动时效方法，其特征在于：再时效时间1-4小时。
6.根据权利要求1-3或5任意一项所述的调控高强铝合金残余应力和性能的热振动时效方法，其特征在于：时效温度为153℃-162℃。
7.根据权利要求6所述的调控高强铝合金残余应力和性能的热振动时效方法，其特征在于：所述高强铝合金是指2xxx、6xxx、7xxx系时效硬化合金中的一种。
8.调控高强铝合金残余应力和性能的热振动时效装置，包括振动系统、加热系统；其特征在于：所述振动系统包括弹性支撑、振动平台、偏心电机、振动控制装置、加速度传感器；所述加热系统包括加热炉、温控装置；所述振动平台设置在弹性支撑上，在振动平台的一端安装有偏心电机及加速度传感器，另一端延伸至加热炉炉腔；所述偏心电机及加速度传感器均与振动控制装置电连接；所述加热炉与温控装置电连接。
9.根据权利要求8所述的调控高强铝合金残余应力和性能的热振动时效装置，其特征在于：所述弹性支撑由橡胶材料制成。
10.根据权利要求8或9所述的调控高强铝合金残余应力和性能的热振动时效装置，其特征在于：所述振动平台延伸至加热炉炉腔一端安装有待处理铝合金工件，铝合金工件通过夹具与振动平台连接固定；所述偏心电机的主轴上安装有偏心块，偏心块与主轴的相对位置可调；所述加速度传感器上设有磁铁，吸附在振动平台上。
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