CN115386748B - 一种飞机机头窗框的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种飞机机头窗框的制备方法，包括：将铸锭依次进行制坯、加热、成形、固溶淬火、冷变形、人工时效，得到飞机机头窗框。本发明提供的方法建立了包含材料流变模型、大尺寸大弧面风挡零件锻造成形工艺方案、工艺参数选取范围、预制坯优化设计、材料微观组织演变模型、热处理规程和残余应力消减方法在内的分析体系，提供了该类零件制造的核心生产技术，具有重大的科学研究和工程实际意义。

Description

一种飞机机头窗框的制备方法

技术领域

本发明属于飞机技术领域，尤其涉及一种飞机机头窗框的制备方法。

背景技术

前风挡作为风挡系统部件支撑骨架，是C919客机的关键零部件之一，为保证飞机安全性及风挡系统的强度和刚度，风挡系统中窗框零件尺寸大、骨架截面设计复杂、装配协调关系要求高。C919采用四面式风挡技术，即采用4块曲面承重风挡的宽视窗设计，如图2所示，材料为7050-T7452，技术标准AMS4108，由4个窗框组成，左右两个为对称件，中间两个框最大外轮廓为长度1940mm、宽度1100mm、厚度190mm、最大弧度0.7rad；外侧两个框最大外轮廓为长度2100mm、宽度1400mm、厚度210mm、最大弧度0.58rad，4个窗框件皆为大尺寸大弧面构件。

前风挡作为民用飞机上的重要承力构件，具有结构复杂、曲率大、难加工部位多、加工变形控制难等特点，国内对该类大尺寸大弧面零件制造技术尚为空白，亟待解决的技术问题有：大尺寸大弧面风挡零件锻造成形工艺的制定，该类零件尺寸大、弧面大，其锻造工艺方案的设计、坯料形状及尺寸选择和锻造工艺参数的选取对锻件成形精度、流线分布、成形载荷影响很大，如何制定合理的锻造成形工艺是保证该类零件锻造成形的关键问题。大尺寸大弧面风挡锻件组织性能的控制，该类锻件生产要经过制坯、加热、锻造成形、热处理、校形等工序，零件规格大、加热与塑性变形次数多、微观组织演变复杂，如何控制锻件的组织性能是保证该类锻件微观组织匀细、力学性能均匀的重要问题。大尺寸大弧面风挡锻件残余应力的控制，该类零件经压力加工和热处理产生较大的残余应力，若无合适的消除措施极易在后续机加工过程中发生变形，如何消减残余应力是保证零件加工合格的紧要问题。而在国内，大尺寸大弧面风挡在制坯、锻造、热处理和消除残余应力等制造工艺技术是空白，亟待开发和填补相应技术。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种飞机机头窗框的制备方法，本发明提供的方法制备的飞机机头窗框具有较好的性能。

本发明提供了一种飞机机头窗框的制备方法，包括：

将铸锭依次进行制坯、加热、成形、固溶淬火、冷变形、人工时效，得到飞机机头窗框。

优选的，所述铸锭的成分为：

≤0.03wt％的Si；

≤0.05wt％的Fe；

1.5～2.1wt％的Cu；

≤0.04wt％的Mn；

1.2～1.6wt％的Mg；

≤0.04wt％的Cr；

7.1～7.7wt％的Zn；

≤0.06wt％的Ti；

0.08～0.15wt％的Zr；

单个杂质≤0.05wt％；

余量为Al。

优选的，所述制坯的方法包括：

将铸锭依次进行铣面、加热、横轧和锯切。

所述加热的温度为430～450℃，所述加热过程中的保温时间为3小时以上。

优选的，所述加热包括：

模具加热和坯料加热；

所述模具加热的温度为430～470℃，时间在16小时以上；

所述坯料加热的温度为460～480℃，保温时间为10～20小时。

优选的，所述成形为热压成形，所述热压成形过程中的开锻温度为450～470℃，终锻温度≥350℃，模具使用温度≥280℃。

优选的，所述固溶淬火过程中的固溶温度为471～481℃，保温时间为430～470分钟。

优选的，所述固溶淬火过程中的淬火方法为水淬，所述水淬过程中的水温为25～35℃，所述水淬过程中在水中浸泡的时间为14～30分钟。

优选的，所述冷变形的方法为冷压，所述冷变形过程中的变形率为1.5～3.5％。

优选的，所述人工时效的方法为二级时效，所述人工时效过程中的炉温均匀性为±5℃。

优选的，所述人工时效的方法包括：

先进行第一阶段人工时效，再进行第二阶段人工时效；

所述第一阶段人工时效的温度为115～125℃，保温时间为4～8小时；

所述第二阶段人工时效的温度为147～157℃，保温时间为10～15小时。

本发明提供的方法建立了包含材料流变模型、大尺寸大弧面风挡零件锻造成形工艺方案、工艺参数选取范围、预制坯优化设计、材料微观组织演变模型、热处理规程和残余应力消减方法在内的分析体系，提供了该类零件制造的核心生产技术，具有重大的科学研究和工程实际意义。

本发明经过研究发现，7085铝合金作为一种典型的时效沉淀强化型铝合金，前序变形加工及热处理均是为其最终的人工时效热处理创造最有利的条件，即人工时效热处理作为7085铝合金自由锻件的最后一道加工工序，是保证其获得理想使用性能的关键。相对于单级时效，采用双级时效可以获得更佳的组织模式与性能匹配。在双级时效热处理中，第一级时效为低温预时效，相当于成核阶段，形成大量的GP区，那些能在随后高温时效时存在的GP区优先成核转化为η'相。第二级是高温时效，发生相转变在晶内和晶界上大量形成η'相，随着时效时间的延长，晶内η'相粗化，晶界η'相稳定并粗化，或进而转变为η相，晶界上PFZ明显增宽。不同程度的过时效处理导致合金组织粗化程度的不同，性能也发生相应的变化，相对而言，合金T79态强度最高，T73态的抗应力腐蚀性能最好，而T74态的强度、断裂韧性和抗应力腐蚀性能匹配最平衡。

附图说明

图1为本发明实施例固溶淬火过程中的示意图；

图2为C191曲面承重风挡的宽视窗设计示意图；

图3为150℃、155℃、160℃、170℃时效处理合金抗拉强度的性能变化曲线；

图4为150℃、155℃、160℃、170℃时效处理合金屈服强度的性能变化曲线；

图5为150℃、155℃、160℃、170℃时效处理伸长率的性能变化曲线；

图6为150℃、155℃、160℃、170℃时效处理电导率的性能变化曲线；

图7为152℃、157℃、162℃时效处理合金的抗拉强度的性能变化曲线；

图8为152℃、157℃、162℃时效处理合金的屈服强度的性能变化曲线；

图9为152℃、157℃、162℃时效处理合金的伸长率的性能变化曲线；

图10为152℃、157℃、162℃时效处理合金的电导率的性能变化曲线；

图11为经120℃/4h第一级预时效后的合金的TEM形貌和衍射花样，(a)晶内析出相形貌；(b)晶界析出相形貌；(c)[001]_Al衍射花样；(d)[112]_Al衍射花样。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。

本发明提供了一种飞机机头窗框的制备方法，包括：

将铸锭依次进行制坯、加热、成形、固溶淬火、冷变形、人工时效，得到飞机机头窗框。

在本发明中，所述成形优选为热压成形。

在本发明中，所述固溶淬火之前优选还包括淬火前检查。

在本发明中，所述人工时效后优选还包括：

依次进行机加工、探伤、锯切取样和检测包装。

在本发明中，所述飞机机头窗框的制备方法，优选包括：

铸锭验收、制坯、加热、热压成形、淬火前检查、固溶淬火、冷变形、人工时效、机加工、探伤、锯切取样、检测包装，得到飞机机头窗框。

在本发明中，所述铸锭的成分优选为：

≤0.03wt％的Si；

≤0.05wt％的Fe；

1.5～2.1wt％的Cu；

≤0.04wt％的Mn；

1.2～1.6wt％的Mg；

≤0.04wt％的Cr；

7.1～7.7wt％的Zn；

≤0.06wt％的Ti；

0.08～0.15wt％的Zr；

单个杂质≤0.05wt％；

余量为Al。

在本发明中，所述Si的质量含量优选为0～0.02wt％，更优选为0.01wt％；所述Fe的质量含量优选为0～0.03wt％，更优选为0.01～0.02wt％；所述Cu的质量含量优选为1.6～2.0％，更优选为1.7～1.9％，最优选为1.8％；所述Mn的质量含量优选为0～0.03wt％，更优选为0.01～0.02wt％；所述Mg的质量含量优选为1.3～1.5％，更优选为1.4％；所述Cr的质量含量优选为0～0.03wt％，更优选为0.01～0.02wt％；所述Zn的质量含量优选为7.2～7.6％，更优选为7.3～7.5％，更优选为7.4％；所述Ti的质量含量优选为0.02～0.04％，更优选为0.03；所述Zr的质量含量优选为0.09～0.14％，更优选为0.10～0.13％，最优选为0.11～0.12％；所述杂质中单个杂质的质量含量优选为0～0.05wt％，更优选为0～0.04wt％，最优选为0～0.03wt％；杂质总计的质量含量优选为0～0.15％，更优选为0～0.10％，最优选为0～0.05％。

在本发明中，所述铸锭的规格优选为400×1320×2100mm。

在本发明中，所述铸锭的制备方法优选包括：

将合金原料配料后依次进行熔炼、熔体处理、在线处理、铸造、均热处理。

在本发明中，所述熔炼为装炉熔炼；所述装炉熔炼过程中优选装炉时Zn锭、Cu板放置在中上层，Al-Zr等均匀装在炉料上层，Zn锭可以随炉装或在转流槽加入，Mg锭、Al-Be中间合金等不随炉料装炉。

在本发明中，所述熔炼过程中优选开始熔炼时炉膛定温1030～1070℃，炉料化平搅拌后测量熔体温度，当熔体温度达710～730℃时，转炉膛定温750～770℃；适时用耙子搅动熔化金属，防止熔体局部过热；所述炉膛定温优选为1040～1060℃，更优选为1050℃；所述熔体温度优选为715～725℃，更优选为720℃；转炉膛定温温度优选为755～765℃，更优选为760℃。

在本发明中，所述熔炼过程中优选熔体由熔炼炉向静置炉转流前，彻底搅拌二次，转炉时熔体温度控制在740～760℃，在转流槽均匀加入0.2～0.4kg/tAl-3Be中间合金块和Mg锭或Zn锭；所述熔体温度控制优选为745～755℃，更优选为750℃；所述Al-3Be中间合金块的加入量优选为0.25～0.35kg/t，更优选为0.3kg/t。

在本发明中，所述熔炼过程中优选原材料装炉、合金熔炼全过程使用2#熔剂保护覆盖。

在本发明中，所述熔体处理优选在静置炉中进行。

在本发明中，所述熔体处理过程中优选熔体转入静置炉后彻底搅拌一次后取炉前分析试样进行快速检测，根据快速分析结果，按预获得的成分目标值调整熔体化学成分，炉前Ti含量优选补足到0.013～0.017％，更优选为0.014～0.016％，最优选为0.015％。

在本发明中，所述熔体处理过程中优选进行静置炉补料冲淡操作，所述静置炉补料冲淡操作过程中优选除Mg、Zn元素外均应用中间合金进行，补料冲淡后优选保温20分钟以上再补充搅拌一次。

在本发明中，所述熔体处理过程中优选静置炉熔体在搅拌、取样快速分析期间控制温度在730～750℃；成分调整完后熔体温度优选控制在铸造温度范围，彻底搅拌并扒渣后准备铸造；扒渣前后炉优选撒入2#熔剂；所述控制温度优选为735～745℃，更优选为740℃。

在本发明中，所述熔体处理过程中优选静置炉熔体持续采用炉底透气砖精炼处理，精炼介质优选为氩气；所述氩气的气压力优选为0.4～0.6MPa，更优选为0.5MPa；所述氩气的流量优选为400～600L/h/块，更优选为450～550L/h/块，最优选为500L/h；熔体温度优选控制在铸造温度范围。

在本发明中，所述在线处理优选采用SNIF精炼装置进行除气净化处理；所述在线处理过程中的精炼介质优选为氩气，工作气体压力优选为20～30psi，更优选为22～28psi，最优选为24～26psi；所述在线处理优选采用两个转子，第一转子工作过程中的气体流量优选为4.5～7.8m³/h，更优选为5～7m³/h，最优选为6m³/h；第一转子的转速优选为550～650rpm，更优选为580～620rpm，最优选为600rpm；第二转子工作过程中的气体流量优选为1.0～2.0m³/h，更优选为1.2～1.8m³/h，最优选为1.4～1.6m³/h；第二转子的转速优选为200～300rpm，更优选为220～280rpm，最优选为240～260rpm；熔体设定温度优选在铸造温度范围内。

在本发明中，所述在线处理优选包括在线过滤，所述在线过滤优选采用单级板式过滤装置，所述单极版式过滤装置的过滤板等级优选50～70ppi，更优选为55～65ppi，最优选为60ppi；优选过滤板使用熔次不超过两熔次，过滤装置内控制熔体温度优选为700～720℃，更优选为705～715℃，最优选为710℃。

在本发明中，所述在线处理优选包括晶粒细化，优选在线采用流槽连续均匀加入Al-3Ti-0.15C进行晶粒细化，所述Al-3Ti-0.15C加入量优选为3～4kg/t，更优选为3.2～3.8kg/t，最优选为3.4～3.6kg/t。

本发明在合金成分的精确性控制方面，采用99.9％及以上品位的高纯原铝锭、Fe和Si含量较低原铝锭及本身废料进行合金配制，废料使用率不超过50％(规程为60％)，与熔体接触的工具采用不锈钢材料并喷涂料保护，确保Fe、Si杂质满足工艺控制要求；Cu板、Zn锭待金属化平时加入，Mg锭、Al-Zr待金属完全熔化后加入，以确保合金主要成分均匀；Ti元素以中间合金随炉料加入并加在炉料上层，使其充分熔解，以便于准确控制；取样前通过至少2次搅拌，静置炉炉底吹气持续搅拌等方式，实现熔体成分的最大程度均匀性；特别是静置炉熔体搅拌时，既利用透气砖持续不断的对熔体搅拌作用，又结合控制严格的人工搅拌，保证熔体成分均匀性，铸造前根据炉前分析结果，按成分目标值进行补料控制，保证铸锭化学成分控制在较窄的范围内，为加工材性能稳定性打下基础。本发明制备的改性7085合金铸锭实物成分全部符合国家标准规定，也符合企业内部控制要求，多数熔次主要合金元素含量趋近于目标值，达到合金成分精确控制要求，满足材料研制要求。

在本发明中，所述铸造优选采用铸造机自动铸造生产，铸造过程中可以控制加热器功率或炉盖、流槽盖开闭，控制喇叭嘴温度；所述铸造过程中的铸造速度优选为43～53mm/min，更优选为45～50mm/min，最优选为46～48mm/min；水流量优选为21～31m³/h，更优选为22～28m³/h，最优选为24～26m³/h；铸造温度优选为730～750℃，更优选为735～745℃，最优选为740℃；喇叭嘴温度优选为690～710℃，更优选为695～705℃，最优选为700℃；刮水器位置优选为400～500mm，更优选为420～480mm，最优选为440～460mm；开始刮水长度优选≥530mm，更优选为550mm。

在本发明中，铸造温度指的是铸造时静置炉内熔体温度，喇叭嘴温度指的是流槽向结晶器供流处熔体温度，刮水器位置指的是刮水器距结晶器下沿距离，开始刮水长度指的是刮水启动时铸锭长度。

在本发明中，所述铸造完成后优选还包括：

在线测氢和取样分析分析后进行均热处理。

在本发明中，所述在线测氢优选为线液态测氢；所述在线测氢过程中优选在每铸次铸至长度1000mm左右时开始测量，测量位置在除气装置和过滤装置之间的流槽段，连续进行测量四次，取后三次测量数据平均值作为该铸锭液态氢含量。

在本发明中，所述取样分析优选铸锭成品取样在每铸次长度1.0～1.5m时进行，取样位置在除气装置与过滤装置之间的流槽段，取试样的分析结果视为该铸次成品化学成分。

在本发明中，所述在线测氢和取样分析过程中优选按照Q/SWAJGY130800《铝及铝合金熔体测氢管理规程》、Q/SWA JGY130700《铝及铝合金半连续铸造管理规程》执行。

在本发明中，所述均热处理过程中优选在炉温降至250℃以下进行装炉，优选在铸锭热端上部、热端下部、冷端中部各钻孔安放一个热电偶；优选以铸锭上安放的热电偶温度作为金属温度，三支热电偶均进入保温温度开始计保温时间，均热保温时间到后出炉自然空冷。

在本发明中，所述均热处理优选包括：

依次进行一级均热处理和二级均热处理。

在本发明中，所述一级均热处理过程中的加热温度优选为420～440℃，更优选为425～435℃，最优选为430℃；金属保温的温度优选为397～403℃，更优选为400℃，金属保温的时间优选为8～12h，更优选为10h。

在本发明中，所述二级均热处理过程中的加热温度优选为465～475℃，更优选为468～472℃；金属保温的温度优选为469～475℃，更优选为472℃；金属保温时间优选为45～55h，更优选为48～52h，最优选为50h。

在本发明中，所述均热处理后优选还包括：

进行铸锭加工检测。

在本发明中，所述铸锭加工优选为进行铸锭头尾锯切，所述头尾的锯除长度优选按照锻件尺寸进行锯切，锻件尺寸规格为400×(1320～1620)mm时，优选切浇口≥300mm，切底部≥400mm；锻件尺寸规格为500×1320mm时，优选切浇口≥350mm，切底部≥450mm。

在本发明中，所述检测优选为铸锭锯除头尾后分别切取氧化膜试片、低倍试片、高倍试样等进行低倍组织和显微组织检测；检测合格的铸锭优选进行外表面加工，加工刀痕深度优选小于0.5mm。

在本发明中，所述制坯的方法优选包括：

将铸锭依次进行铣面、加热、横轧和锯切。

在本发明中，所述铣面优选铣面至尺寸360×1290×2100mm。

在本发明中，所述加热的温度优选为430～450℃，更优选为435～445℃，最优选为450℃；所述加热过程中的金属保温时间优选为3小时以上，更优选为3～10小时，更优选为4～9小时，更优选为5～8小时，最优选为6～7小时。

在本发明中，所述横轧优选轧至尺寸161⁺²×2100⁺²⁰×2800⁺²⁰⁰mm；所述横轧过程中轧制道次参数优选按照下述尺寸控制：

360mm-345mm-330mm-315mm-295mm-265mm-230mm-195mm-161mm。

在本发明中，所述锯切定尺优选至161⁺²×1880⁺¹⁰×1950⁺¹⁰mm。

在本发明中，所述制坯后加热优选包括：模具加热和坯料加热。

在本发明中，所述模具加热优选包括：

将飞机机头窗框热压模放置在工具加热炉中加热，定温加热。

在本发明中，所述定温加热的温度优选为430～470℃，更优选为440～460℃，最优选为450℃；定温加热的时间优选在16小时以上，更优选为16～30小时，更优选为20～25小时，最优选为22～23小时。

在本发明中，所述坯料加热为对制坯后得到的坯料进行加热；所述坯料加热优选在合用炉中加热，所述坯料加热过程中严禁堆叠；所述坯料加热的温度优选为460～480℃，更优选为465～475℃，最优选为470℃；所述坯料加热的保温时间优选为10～20小时，更优选为15小时。

在本发明中，所述热压成形优选采用30000t压机配飞机机头窗框热压模。

在本发明中，所述热压成形过程中的开锻温度优选为450～470℃，更优选为455～465℃，最优选为460℃；终锻温度优选≥350℃，更优选为350～420℃，最优选为380～400小时；模具使用温度优选≥280℃，更优选为280～400℃，更优选为300～350小时，最优选为320～330小时。

在本发明中，所述热压成形过程中优选使用专用吊具将坯料吊运至模具型腔内；压机上下压控制模间距优选为1～5mm，更优选为2～4mm，最优选为3mm；优选将压弯成型的料吊出模具，空冷。

在本发明中，所述固溶淬火优选在固溶淬火炉中进行，所述固溶淬火过程中优选将锻件(成形件)斜放在料框内，间隔200mm以上，如图1所示，插两支热电偶控温，在锻件长度端面的宽度和厚度1/2位置钻Φ5×30+5mm孔插热电偶控制金属温度。

在本发明中，所述固溶淬火过程中的固溶温度优选为471～481℃，更优选为474～478℃，最优选为476℃；保温时间优选为430～470分钟，更优选为440～460分钟，最优选为450分钟；优选以所有热电偶达到471℃时开始计算保温时间，保温结束后出炉水淬，转移时间优选≤25秒。在本发明中，所述固溶淬火过程中的淬火方法优选为水淬，所述淬火过程中的水温优选为25～35℃，更优选为28～32℃，最优选为30℃；所述淬火前水温优选不超过30℃；优选淬火前开启循环水搅拌直到淬火结束。

在本发明中，所述固溶淬火过程中优选锻件(成形件)入水后随料框升降10分钟，过程中禁止露出水面；锻件(成形件)在水中浸泡的时间优选为14～30分钟(含料框升降时间)，更优选为20～25分钟。

在本发明中，所述冷变形优选在30000吨压机配飞机机头窗框冷压上模和热压下模中进行。

在本发明中，所述冷变形的方法优选为冷压，所述冷变形的变形量优选为3～4mm，更优选为3.5mm；所述冷变形优选分两道次完成，优选每道次冷压从中间向一端头完成，然后锻件(固溶淬火后产品)调方向后再次从中间向另一端冷压。

在本发明中，所述冷变形过程中的变形率优选为1.5～3.5％，更优选为2～3％，最优选为2.5％。

在本发明中，优选淬火出炉至冷变形完成的时间不超过8小时。

在本发明中，所述人工时效的方法优选为二级时效，所述人工时效过程中的炉温均匀性优选为±5℃。

在本发明中，所述人工时效的方法优选包括：

先进行第一阶段人工时效，再进行第二阶段人工时效。

在本发明中，所述第一阶段人工时效的温度优选为115～125℃，更优选为118～122℃，最优选为120℃；所述第一阶段人工时效的保温时间优选为4～8小时，更优选为5～7小时，最优选为6小时；所述第二阶段人工时效的温度优选为147～157℃，更优选为150～154℃，最优选为152℃；所述第二阶段人工时效的保温时间优选为10～15小时，更优选为11～14小时，最优选为13小时。

本发明经过研究发现，对于双级时效工艺(T1/t1+T2/t2)而言，其各工艺参数对合金的组织与性能指标影响程度的顺序为：T2>t2>T1>t1，第二级时效温度(T2)和时间(t2)对合金的影响显著，第一时效温度(T1)、时间(t1)对合金的影响较小；在初选第一级时效工艺参数的情况下，重点研究了7085合金自由锻件的第二级时效工艺参数；本发明在大量试验以及研究的基础上初步确定第一级时效工艺参数120℃/4h作为7085合金自由锻件T74双级时效的第一级时效工艺参数，以开展第二级时效工艺的确定工作。

本发明在初步选定第一级时效工艺参数为120℃/4h后，在大量试验和研究的基础上，首先系统研究了第二级时效工艺(时效温度150℃、155℃、160℃和170℃)对7085合金性能的影响规律；研究结果如图3～图6所示，合金经120℃/4h预时效处理后，在第二级高温时效过程中，7085合金拉伸力学性能和电导率随温度和时间的变化曲线；可以看出，在第二级时效初期，合金的强度略有升高，经过很短的时间，合金的强度达到峰值，第二级时效温度越高，合金达到峰值强度所需的时间越短；合金越过强度峰值后随即进入过时效状态，随着时效时间的延长，合金的强度逐渐下降；其变化趋势与温度密切相关，时效温度越高，合金的强度下降就越快；电导率作为衡量7xxx系合金的抗应力腐蚀性能的一种标准，在工业上已得到广泛应用，通常电导率越高，材料的抗应力腐蚀性能越好；在第二级时效过程中，合金的电导率始终呈上升趋势，且温度愈高，其上升愈显著；随着第二级时效温度由150℃升高到170℃，合金强度的降低和电导率的增加响应速率显著加快；随着时效温度和时效时间的改变，合金的伸长率有一定程度的变化波动，其值均高于标准值9％，但未表现出明显的规律；对于7085合金而言，170℃时效的响应速率过快，难以实现工业化生产的控制稳定性，而150～160℃温度范围时效的响应速率适中，适宜于工业化生产用时效炉±5℃的控温精度要求。

为优化适于7085合金自由锻件在工业化生产条件下的T74双级时效工艺，本发明进一步研究了第二级时效工艺152℃、157℃、162℃对7085合金性能的影响规律，如图7～图10所示，合金经120℃/4h预时效处理后，在第二级高温152℃、157℃、162℃时效过程中，7085合金拉伸力学性能和电导率随温度和时间的变化曲线。根据图7～图10中所示强度与电导率的变化规律，并结合其性能指标要求，确定了7085合金在152℃、157℃、162℃三个时效温度点保温时间t2的控制范围，如下表所示：

可以看出，在考虑7085合金自由锻件强度性能富余10MPa、电导率富余1％IACS的情况下，合金于157±5℃进行第二级时效时保温时间应控制在4～15h，152±5℃进行第二级时效时保温时间应控制在6.8～22h。

本发明根据实验室确定的152℃和157℃时效温度下的保温时间窗口，综合拉伸性能和断裂韧性以及实验室和大生产的差异因素，选择152℃二级保温11小时和157℃二级保温8小时进行大生产验证；大生产验证采用的坯料为整体淬火冷变形后的侧风档窗框1/4件坯料在12T时效炉时效；试验结果如下表所示：

二级时效温度157℃保温8小时高向屈服强度不合格；二级时效152℃保温11小时强度富余量较大但是纵向延伸率2根不合格。

针对二级时效157℃保温8小时强度不合格的情况和152℃保温11小时纵向延伸率不合格的情况，综合时效曲线结果，减少157℃保温时间和增加152℃保温时间，开展了两组大生产试验，分别采用157℃保温7小时和152℃保温13小时，检测结果如下：

从表中数据看出，157℃保温7小时虽然高向屈服强度合格，但富余量较小，只有10MPa左右，同时纵向延伸率有2根不合格数据；152℃保温13小时所有检测结果均合格且富余量较好；因此确定了该锻件适宜的二级时效工艺为152℃保温13小时。

在确定了第二级时效工艺参数的情况下，本发明进一步验证了第一级时效工艺参数对7085合金自由锻件组织和性能的影响；图11给出了7085合金经120℃/4h第一级预时效后的TEM形貌和衍射花样，可以看出，经预时效处理后晶内析出相非常细小弥散，尺寸仅为1～4nm；晶界很窄，晶界析出相薄，还未长成连续状分布；从<100>晶带轴的衍射花样中可以清楚地看到在部分{1,(2n+1)/4,0}的位置有较强的斑点存在，表明存在有一定数量的GPI区；在1/3{220}和2/3{220}处出现较强的斑点，表明存在着η'相；从<112>晶带轴的衍射花样中还可以清楚地看到在1/2{311}位置处出现有GPII区的衍射斑点；同时在1/3{220}和2/3{220}处，也可以看到η'相的沿{111}方向的衍射斑和散射条纹；经大量分析结果表明，采用120±5℃/3～6h第一级时效处理，均可使7085合金自由锻件获得较理想的预时效析出组织，为进一步的第二级高温时效做好了组织准备。进一步给出了7085合金自由锻件经120±5℃/3～6h+157℃/8h特征时效工艺参数处理的T7452态典型性能值，如下表所示：

可以看出，与120℃/4h中线制度相比，工艺参数下限制度115℃/3h和上限制度125℃/6h均可使7085合金自由锻件最终获得合格的性能指标，且强韧性和耐蚀性匹配合理；在发明选定的第一级时效工艺参数120±5℃/3～6h范围内，工艺参数上下限对合金性能的影响不明显。

在本发明中，所述机加工优选按照飞机机头窗框锻件数模进行机加工。

在本发明中，所述飞机机头窗框的合金状态优选为7085-T7452，外轮廓尺寸优选为898×1851×236mm(内表面圆弧R3652)，单件重量优选为870～875Kg，更优选为873Kg。

本发明以下实施例所用铸锭的制备方法为：

原材料和配料

使用高精铝锭、中间合金或纯金属及一级废料等配料；采用一级废料进行配料时，其使用量不大于60％；合金的配料元素和化学成分按下表进行控制：

合金装炉熔炼

熔炼装炉时Zn锭、Cu板放置在中上层，Al-Zr等均匀装在炉料上层，Zn锭可以随炉装或在转流槽加入，Mg锭、Al-Be中间合金等不随炉料装炉；合金开始熔炼时炉膛定温1050℃，炉料化平搅拌后测量熔体温度，当熔体温度达710～730℃时，转炉膛定温760℃；适时用耙子搅动熔化金属，防止熔体局部过热。熔体由熔炼炉向静置炉转流前，彻底搅拌二次，转炉时熔体温度控制在740～760℃，在转流槽均匀加入0.2～0.4kg/t的Al-3Be中间合金块和Mg锭或Zn锭；原材料装炉、合金熔炼全过程使用2#熔剂保护覆盖。

静置炉熔体处理

熔体转入静置炉后需彻底搅拌一次后取炉前分析试样进行快速检测，炉前需根据快速分析结果，按标值调整熔体化学成分，炉前Ti含量补足到0.015％；静置炉补料冲淡操作时，除Mg、Zn元素外均应用中间合金进行，补料冲淡后应保温20分钟以上再补充搅拌一次；静置炉熔体在搅拌、取样快速分析期间控制温度在730～750℃；成分调整完后熔体温度控制在铸造温度范围，彻底搅拌并扒渣后准备铸造；扒渣前后炉内需撒入2#熔剂；静置炉熔体持续采用炉底透气砖精炼处理，精炼介质为氩气、氩气压力0.4～0.6MPa、氩气流量400～600L/h/块、熔体温度为铸造温度范围。

在线处理与铸造

熔体在线采用SNIF精炼装置进行除气净化处理，其精炼介质为氩气，工作气体压力20～30psi；转子N1：气体流量4.5～7.8m³/h、转速550～650rpm；转子N2：气体流量1.0～2.0m³/h、转速200～300rpm，熔体设定温度为铸造温度范围；熔体在线过滤采用单级板式过滤装置，其过滤板等级为60ppi，过滤板使用熔次不超过两熔次，过滤装置内控制熔体温度范围为700～720℃；熔体在线采用流槽连续均匀加入Al-3Ti-0.15C进行晶粒细化，加入量为3～4kg/t；合金方铸锭采用铸造机自动铸造生产方式，铸造时的基本工艺按照下表规定进行控制；铸造过程中可控制加热器功率或炉盖、流槽盖开闭，控制喇叭嘴温度在工艺要求范围。

铸锭均热处理

铸锭均热处理装炉应在炉温降至250℃以下进行，要求在铸锭热端上部、热端下部、冷端中部各钻孔安放一个热电偶；以铸锭上安放的热电偶温度作为金属温度，三支热电偶均进入保温温度才开始计保温时间，均热保温时间到后出炉自然空冷；铸锭的均匀化热处理具体工艺制度按下表执行：

铸锭加工检测

铸锭头尾锯切应在均匀化热处理后进行，头尾的锯除长度按制品用途规定执行，不同制品用途头尾锯除具体长度如下表：

规格(mm)	切浇口(mm)	切底部(mm)
			500×1320	≥350	≥450

铸锭锯除头尾后分别切取氧化膜试片、低倍试片、高倍试样等进行低倍组织和显微组织检测；检测合格的铸锭按任务要求尺寸进行外表面加工，加工刀痕深度应小于0.5mm。

按照ASTM E 1251《火花原子发射光谱法分析铝和铝合金的试验方法》、ASTM E 34《铝及铝基合金的化学分析标准方法》对铸锭进行成分检测，检测结果如下：

余量	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Zn	Ti	Zr
										Al	0.02	0.07	1.7	0.01	1.41	0.01	7.34	0.02	0.11

实施例1

按照下述方法制备飞机机头窗框：

制坯：铸锭铣面至360×1290×2100mm；铸锭加热至440±10℃，金属保温5小时；横轧制至161⁺²×2100⁺²⁰×2800⁺²⁰⁰mm；轧制道次参数控制如下：360-345-330-315-295-265-230-195-161；锯切定尺至161⁺²×1880⁺¹⁰×1950⁺¹⁰mm。

加热：模具加热，将飞机机头窗框热压模放置在工具加热炉中加热，定温450℃，加热19小时；坯料加热，在合用炉中加热，坯料严禁堆叠。加热温度470±10℃，定温470℃，坯料保温17小时。

热压成形：设备，30000t压机配飞机机头窗框热压模；开锻温度450～470℃，终锻温度390℃，模具使用温度320℃；使用专用吊具将坯料吊运至模具型腔内；压机上下压控制模间距3±2mm；将压弯成型的料吊出模具，空冷。

固溶淬火：设备，固溶淬火炉；锻件斜放在料框内，间隔200mm以上，如图1，按照附图位置插两支热电偶控温，在锻件长度端面的宽度和厚度1/2位置钻Φ5×30+5mm孔插热电偶控制金属温度；固溶温度476±5℃，金属保温450分钟，以所有热电偶达到471℃时开始计算保温时间，保温结束后出炉水淬，转移时间≤21秒；淬火水温31℃，淬火前水温不允许超过30℃，锻件在水中浸泡18分钟。

冷变形：变形率1.7～2.6％。

人工时效：二级时效炉(炉温均匀性±5℃)，时效制度：第一阶段120±5℃，金属保温6小时；第二阶段152±5℃，金属保温13小时。

实施例2

按照下述方法制备飞机机头窗框：

制坯：铸锭铣面至360×1290×2100mm；铸锭加热至440±10℃，金属保温8小时；横轧制至161⁺²×2100⁺²⁰×2800⁺²⁰⁰mm；轧制道次参数控制如下：360-345-330-315-295-265-230-195-161；锯切定尺至161⁺²×1880⁺¹⁰×1950⁺¹⁰mm。

加热：模具加热，将飞机机头窗框热压模放置在工具加热炉中加热，定温450℃，加热20小时；坯料加热，在合用炉中加热，坯料严禁堆叠；加热温度470±10℃，定温470℃，坯料保温21小时。

热压成形：设备，30000t压机配飞机机头窗框热压模；开锻温度450～470℃，终锻温度380℃，模具使用温度300℃；使用专用吊具将坯料吊运至模具型腔内；压机上下压控制模间距3±2mm；将压弯成型的料吊出模具，空冷。

固溶淬火：设备，固溶淬火炉；锻件斜放在料框内，间隔200mm以上，如图1；固溶温度476±5℃，金属保温450分钟，以所有热电偶达到471℃时开始计算保温时间，保温结束后出炉水淬，转移时间20秒；淬火水温29℃，淬火前水温不允许超过30℃；锻件在水中浸泡21分钟。

冷变形：变形率2.4～3.2％。

人工时效：二级时效炉(炉温均匀性±5℃)，时效制度：第一阶段120±5℃，金属保温6小时；第二阶段152±5℃，金属保温13小时。

实施例3

按照下述方法制备飞机机头窗框：

制坯：铸锭铣面至360×1290×2100mm；铸锭加热至440±10℃，金属保温6小时；横轧制至161⁺²×2100⁺²⁰×2800⁺²⁰⁰mm；轧制道次参数控制如下：360-345-330-315-295-265-230-195-161；锯切定尺至161⁺²×1880⁺¹⁰×1950⁺¹⁰mm。

加热：模具加热，将飞机机头窗框热压模放置在工具加热炉中加热，定温450℃，加热22小时；坯料加热，在合用炉中加热，坯料严禁堆叠；加热温度470±10℃，定温470℃，坯料保温19小时。

热压成形：设备，30000t压机配飞机机头窗框热压模；开锻温度450～470℃，终锻温度410℃，模具使用温度350℃；使用专用吊具将坯料吊运至模具型腔内；压机上下压控制模间距3±2mm；将压弯成型的料吊出模具，空冷。

固溶淬火：设备，固溶淬火炉；锻件斜放在料框内，间隔200mm以上，如图1所示，按照附图位置插两支热电偶控温，在锻件长度端面的宽度和厚度1/2位置钻Φ5×30+5mm孔插热电偶控制金属温度；固溶温度476±5℃，金属保温450分钟，以所有热电偶达到471℃时开始计算保温时间，保温结束后出炉水淬，转移时间20秒；淬火水温31℃；锻件在水中浸泡25分钟。

冷变形：变形率1.9～2.7％。

人工时效：二级时效炉(炉温均匀性±5℃)，时效制度：第一阶段120±5℃，金属保温6小时；第二阶段152±5℃，金属保温13小时。

性能检测

采用ASTM B 557对本发明实施例制备的飞机机头窗框进行力学性能检测，采用ASTM E 399、ASTM B 645对本发明实施例制备的飞机机头窗框进行断裂韧性检测，采用ASTM G 47，对本发明实施例制备的飞机机头窗框进行应力腐蚀检测，采用ASTM E 1004，对本发明实施例制备的飞机机头窗框进行电导率检测；检测方法如下：

ASTM B 557	锻造和铸造铝合金和镁合金制品的拉伸测试
		ASTM E 1004	测定电导率用电磁法(涡流法)
ASTM B 645	铝合金线性弹性平面应变断裂韧性试验的标准实施规程
		ASTM G 47	2XXX和7XXX铝合金制品应力腐蚀开裂敏感性测定的标准试验方法
ASTM E 399	金属材料的线弹性平面应变断裂韧度Kic的标准试验方法

检测结果如下：

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本发明提供的方法建立了包含材料流变模型、大尺寸大弧面风挡零件锻造成形工艺方案、工艺参数选取范围、预制坯优化设计、材料微观组织演变模型、热处理规程和残余应力消减方法在内的分析体系，提供了该类零件制造的核心生产技术，具有重大的科学研究和工程实际意义。

虽然已参考本发明的特定实施例描述并说明本发明，但是这些描述和说明并不限制本发明。所属领域的技术人员可清晰地理解，在不脱离如由所附权利要求书定义的本发明的真实精神和范围的情况下，可进行各种改变，以使特定情形、材料、物质组成、物质、方法或过程适宜于本申请的目标、精神和范围。所有此类修改都意图在此所附权利要求书的范围内。虽然已参考按特定次序执行的特定操作描述本文中所公开的方法，但应理解，可在不脱离本发明的教示的情况下组合、细分或重新排序这些操作以形成等效方法。因此，除非本文中特别指示，否则操作的次序和分组并非本申请的限制。

Claims (7)

1.一种飞机机头窗框的制备方法，包括：

将铸锭依次进行制坯、加热、成形、固溶淬火、冷变形、人工时效，得到飞机机头窗框；

所述铸锭的成分为：

≤0.03wt％的Si；

≤0.05wt％的Fe；

1.5～2.1wt％的Cu；

≤0.04wt％的Mn；

1.2～1.6wt％的Mg；

≤0.04wt％的Cr；

7.1～7.7wt％的Zn；

≤0.06wt％的Ti；

0.08～0.15wt％的Zr；

单个杂质≤0.05wt％；

余量为Al；

所述人工时效的方法包括：

先进行第一阶段人工时效，再进行第二阶段人工时效；

所述第一阶段人工时效的温度为115～125℃，保温时间为3～6小时；

所述第二阶段人工时效的温度为152℃，保温时间为13小时。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述制坯的方法包括：

将铸锭依次进行铣面、加热、横轧和锯切；

所述加热的温度为430～450℃，所述加热过程中的保温时间为3小时以上。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加热包括：

模具加热和坯料加热；

所述模具加热的温度为430～470℃，时间在16小时以上；

所述坯料加热的温度为460～480℃，保温时间为10～20小时。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述成形为热压成形，所述热压成形过程中的开锻温度为450～470℃，终锻温度≥350℃，模具使用温度≥280℃。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固溶淬火过程中的固溶温度为471～481℃，保温时间为430～470分钟。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固溶淬火过程中的淬火方法为水淬，所述水淬过程中的水温为25～35℃，所述水淬过程中在水中浸泡的时间为14～30分钟。

7.根据权要求1所述的方法，其特征在于，所述冷变形的方法为冷压，所述冷变形过程中的变形率为1.5～3.5％。