CN115634928A

CN115634928A - 一种提高航空用超宽超厚铝合金板材综合性能的方法

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Publication number: CN115634928A
Application number: CN202211550503.7A
Authority: CN
Inventors: 戴圣龙; 臧金鑫; 何维维; 陈军洲; 伊琳娜; 李惠曲; 邢清源; 王亮; 刘铭; 郝敏; 韩凯; 雷越
Original assignee: AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials
Current assignee: AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials
Priority date: 2022-12-05
Filing date: 2022-12-05
Publication date: 2023-01-24
Anticipated expiration: 2042-12-05
Also published as: CN115634928B

Abstract

本发明提供了一种提高航空用超宽超厚铝合金板材综合性能的方法；本发明采用“小压下量纵轧加横轧的初始阶段热轧→多道次中压下量热轧→少道次大压下量热轧→多道次中压下量热轧→少道次小压下量的尾段热轧”相结合的强变形加工技术，可以很好地实现轧制过程中超厚板材表面和心部的均匀性变化，而且可以实现总变形量不足70%的前提下实现航空用铝合金板材的制备。所述方法包括对铝合金板材进行均匀化处理、轧制处理、固溶处理和时效处理，采用此方法可以制备得到综合性能优良、组织性能均匀、批次稳定的航空用大规格铝合金板材。

Description

一种提高航空用超宽超厚铝合金板材综合性能的方法

技术领域

本发明属于铝合金生产加工技术领域，具体涉及一种提高航空用超宽超厚铝合金板材综合性能的方法。

背景技术

铝合金具有比强度高、综合性能好、易加工、成本低等一系列优点，长期以来一直是飞机机体的主要结构材料，主要应用于飞机主承力框、梁、壁板、翼肋、翼身对接接头等主承力部位，航空用铝合金板材主要包括2000系（如Al-Zn-Mg系）铝合金及7000系（如Al-Zn-Mg-Cu系）铝合金。

随着飞机尺寸的增大及强烈的减重需求，对结构件的整体制造需求不断增加，航空用铝合金板材厚度及宽度尺寸不断增大，截面最大板材尺寸达到厚度155mm、宽度2000mm。航空用大规格铝合金板材作为飞机主承力结构，需要保持板材不同厚度及宽度部位组织性能均匀，强度变异系数要尽可能降低，而且批次间性能稳定性也是保证安全使用的关键技术指标。

发明内容

研究发现，轧制工艺是决定航空用铝合金板材组织和性能的最关键因素，随着板材厚度的增加，在热轧过程中，板材心部受力远小于表层受力，心部热变形程度远小于表层，板材不同厚度部位的组织性能不均匀性大幅增加。蛇形轧制可实现在不增加压下量的前提下，增加轧板中心的变形量，提高铝合金板材变形和组织的均匀性，但是蛇形轧制对设备要求较高，普通轧机难以实现，能实现工业化量产的设备的改造成本较高。

同时，若采用传统轧制方式，为避免开裂并保证板材心部充分变形，板材的总变形量需达到80%以上，目前国内可稳定工业化生产的铝合金铸锭最大尺寸为520mm×1600mm，铣面后铸锭厚度不超过500mm，对于厚度150mm以上的铝合金厚板，总变形量不足70%，获得的铝合金厚板的性能达不到航空用标准。如何在现有装备条件下，对轧制变形进行精确调控，制备综合性能优良、组织性能均匀、批次稳定的航空用铝合金板材是当前航空用铝合金板材研究领域的一大技术难题。

为了改善现有技术的不足，本发明提供一种提高航空用超宽超厚铝合金板材综合性能的方法，所述方法包括对铝合金板材进行均匀化处理、轧制处理、固溶处理和时效处理，采用此方法可以制备得到综合性能优良、组织性能均匀、批次稳定的航空用大规格铝合金板材。

本发明中，术语“超宽超厚铝合金板材”是指厚度在150mm以上、宽度在1500mm以上的铝合金板材。

为了解决此技术问题，本发明提供的技术方案是：

一种提高航空用超宽超厚铝合金板材综合性能的方法，该方法包含以下步骤：

1）将铣面后的铝合金锭坯进行均匀化处理；

2）将步骤1）的均匀化处理后的铝合金锭坯转移至轧机进行小压下量轧制，轧制过程中锭坯表面温度控制在400℃~440℃，纵向轧制，轧制道次控制在2~7道次，单道次压下量控制在2~9mm；纵向轧制结束后将板坯沿水平方向转动90°进行横向轧制，轧制道次控制在1~5道次，单道次压下量控制在2~9mm，得到第一铝合金板坯；

3）将步骤2）的第一铝合金板坯沿水平方向转动90°进行中压下量轧制，轧制过程中第一铝合金板坯表面温度控制在390℃~400℃，纵向轧制，轧制道次控制在6~12道次，单道次压下量控制在10~20mm，得到第二铝合金板坯；

4）将步骤3）的第二铝合金板坯进行大压下量轧制，轧制过程中第二铝合金板坯表面温度控制在380℃~390℃，纵向轧制，轧制道次控制在2~5道次，单道次压下量控制在35~55mm，得到第三铝合金板坯；

5）将步骤4）的第三铝合金板坯进行中压下量轧制，轧制过程中第三铝合金板坯表面温度控制在380℃~390℃，纵向轧制，轧制道次控制在6~12道次，单道次压下量控制在10~20mm，得到第四铝合金板坯；

6）将步骤5）的第四铝合金板坯进行小压下量轧制，纵向轧制，轧制道次控制在2~7道次，单道次压下量控制在2~9mm，控制终轧温度在360℃以上，得到第五铝合金板坯；

7）将步骤6）的第五铝合金板坯冷却至室温，制备得到所述的超宽超厚铝合金板材。

根据本发明的实施方式，所述方法还包括如下步骤：

8）对降温后的铝合金板坯进行固溶淬火处理；

9）对固溶淬火处理后的铝合金板坯进行预拉伸处理；

10）对预拉伸处理后的铝合金板坯进行时效处理。

根据本发明的实施方式，步骤1）中，所述铝合金锭坯为大规格的铝合金锭坯；示例性地，所述铝合金锭坯的尺寸为520mm±5mm以上（厚度）×1620mm±5mm以上（宽度）的铝合金扁铸锭。

根据本发明的实施方式，步骤1）中，所述铣面后的铝合金锭坯的尺寸例如为500mm±5mm以上（厚度）×1600mm±5mm以上（宽度）。

根据本发明的实施方式，步骤1）中，所述铝合金选自2000系铝合金和7000系铝合金中的至少一种；所述2000系铝合金选自2024铝合金、2124铝合金、2524铝合金、2219铝合金中的至少一种；所述7000系铝合金选自7055铝合金、7085铝合金、7150铝合金、7A55铝合金、7A85铝合金、7B50铝合金、7050铝合金、7010铝合金中的至少一种。

根据本发明的实施方式，步骤1）中，所述均匀化处理是将铣面后的铝合金锭坯加热并保温一定时间。通过均匀化处理，使铣面后的铝合金锭坯的析出相尽可能回溶，提高铝合金的工艺塑性。

根据本发明的实施方式，步骤1）中，所述均匀化处理的温度为420℃~490℃，例如为420℃、430℃、440℃、450℃、460℃、470℃、480℃或490℃；所述均匀化处理的时间为8h~48h，例如为8h、10h、12h、14h、16h、18h、20h、22h、24h、36h或48h。

示例性地，对于2000系合金，所述均匀化处理的温度为440℃~490℃，优选为450℃~480℃，所述均匀化处理的时间为8h~24h，优选为8h~12h；对于7000系合金，所述均匀化处理的温度为420℃~470℃，优选为430℃~460℃，所述均匀化处理的时间为8h~24h，优选为8h~12h。

根据本发明的实施方式，步骤2）中，轧制过程中锭坯表面温度控制在400℃~440℃，例如为400℃、405℃、410℃、415℃、420℃、425℃、430℃、435℃或440℃。

根据本发明的实施方式，步骤2）中，所述纵向轧制是指按照铝合金锭坯的长度方向进行轧制；所述横向轧制是指按照铝合金锭坯的宽度方向进行轧制。通过将板坯沿水平方向转动90°即实现板坯的轧制方向的调整。

根据本发明的实施方式，步骤2）中，在纵向轧制过程中，轧制道次控制在2~7道次，例如为2道次、3道次、4道次、5道次、6道次或7道次，单道次压下量控制在2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm或9mm。

根据本发明的实施方式，步骤2）中，在横向轧制过程中，轧制道次控制在1~5道次，例如为1道次、2道次、3道次、4道次或5道次，单道次压下量控制在2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm或9mm。

根据本发明的实施方式，步骤3）中，轧制过程中第一铝合金板坯表面温度控制在390℃~400℃，例如为390℃、391℃、392℃、393℃、394℃、395℃、396℃、397℃、398℃、399℃或400℃。

根据本发明的实施方式，步骤3）中，在纵向轧制过程中，轧制道次控制在6~12道次，例如为6道次、7道次、8道次、9道次、10道次、11道次或12道次，单道次压下量控制在10mm、11mm、12mm、13mm、14mm、15mm、16mm、17mm、18mm、19mm或20mm。

根据本发明的实施方式，步骤4）中，轧制过程中第二铝合金板坯表面温度控制在380~390℃，例如为380℃、381℃、382℃、383℃、384℃、385℃、386℃、387℃、388℃、389℃或390℃。

根据本发明的实施方式，步骤4）中，在纵向轧制过程中，轧制道次控制在2~5道次，例如为2道次、3道次、4道次或5道次，单道次压下量控制在35mm、36mm、37mm、38mm、39mm、40mm、41mm、42mm、43mm、44mm、45mm、46mm、47mm、48mm、49mm、50mm、51mm、52mm、53mm、54mm或55mm。

根据本发明的实施方式，步骤5）中，轧制过程中第三铝合金板坯表面温度控制在380℃~390℃，例如为380℃、381℃、382℃、383℃、384℃、385℃、386℃、387℃、388℃、389℃或390℃。

根据本发明的实施方式，步骤5）中，在纵向轧制过程中，轧制道次控制在6~12道次，例如为6道次、7道次、8道次、9道次、10道次、11道次或12道次，单道次压下量控制在10mm、11mm、12mm、13mm、14mm、15mm、16mm、17mm、18mm、19mm或20mm。

根据本发明的实施方式，步骤6）中，控制终轧温度在360℃以上，示例性地，控制终轧温度为360℃~370℃，例如为360℃、361℃、362℃、363℃、364℃、365℃、366℃、367℃、368℃、369℃或370℃。

根据本发明的实施方式，步骤6）中，在纵向轧制过程中，轧制道次控制在2~7道次，例如为2道次、3道次、4道次、5道次、6道次或7道次，单道次压下量控制在2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm或9mm。

根据本发明的实施方式，步骤7）中，所述冷却为喷淋冷却或自然冷却。

根据本发明的实施方式，步骤7）中，所述铝合金板材的厚度为150mm以上，优选为150~200mm，例如155mm、160mm、170mm、180mm、190mm或200mm；所述铝合金板材的宽度为1500mm以上。

根据本发明的实施方式，步骤8）中，所述固溶处理的温度为450℃~495℃，例如为450℃、455℃、460℃、465℃、470℃、475℃、480℃、485℃、490℃或495℃。

根据本发明的实施方式，步骤8）中，所述固溶处理的保温时间为8~10h。

根据本发明的实施方式，步骤8）中，所述淬火处理的激冷介质采用25℃~85℃的水或水雾进行。

根据本发明的实施方式，步骤9）中，所述预拉伸处理的拉伸变形量为0.5%~3.5%，例如为0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1%、1.1%、1.2%、1.3%、1.4%、1.5%、1.6%、1.7%、1.8%、1.9%、2.0%、2.1%、2.2%、2.3%、2.4%、2.5%、2.6%、2.7%、2.8%、2.9%、3.0%、3.1%、3.2%、3.3%、3.4%或3.5%。

根据本发明的实施方式，步骤9）中，所述预拉伸处理的拉伸速率为0.1~0.5mm/min，例如为0.1mm/min、0.2mm/min、0.3mm/min、0.4mm/min或0.5mm/min。

根据本发明的实施方式，步骤10）中，所述时效处理是自然时效或人工时效。其中，所述自然时效的时间为48h~96h。所述人工时效包括T3时效、T6时效、T8时效或T7X时效。

根据本发明的实施方式，所述超宽超厚铝合金板材满足如下条件中的至少一项：

（a）不同厚度位置的屈服强度变异系数达到2%以下（优选1.5%以下）；

（b）不同厚度位置的抗拉强度变异系数达到2%以下（优选1.5%以下）；

（c）高向（ST向）延伸率高于5%；

（d）高向（S-L向）断裂韧度高于30 MPa·m^1/2。

根据本发明的实施方式，所述超宽超厚铝合金板材满足不同批次间抗拉强度变异系数达到2%以下，批次数不小于30批。

根据本发明的实施方式，所述超宽超厚铝合金板材满足不同批次间屈服强度变异系数达到2%以下，批次数不小于30批。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种提高航空用超宽超厚铝合金板材综合性能的方法；本发明通过对超大规格铝合金铸锭进行纵轧横轧相结合以及多级强变形热轧工艺，可以很好地调控超大规格铝合金铸锭在轧制变形过程中的组织演变。具体的，采用“小压下量纵轧加横轧的初始阶段热轧→多道次中压下量热轧→少道次大压下量热轧→多道次中压下量热轧→少道次小压下量的尾段热轧”相结合的强变形加工技术，可以很好地实现轧制过程中超厚板材表面和心部的均匀性变化，而且可以实现总变形量不足70%的前提下实现航空用铝合金板材的制备。在本发明的轧制过程中，初始阶段采用小压下量纵轧加横轧工艺，改善铸锭塑性成形能力，提升宽度方向变形量，解决超宽板材宽度方向力学性能偏低的问题；第二阶段采用多道次中压下量热轧可以将轧制力传导到板材1/4厚度位置，金属流动产生塑性变形的同时消除超大规格铸锭1/4厚度位置的疏松等冶金缺陷，提升板材1/4厚度位置的强度、延伸率、断裂韧性；第三阶段采用少道次大压下量热轧可以将轧制力传导至板材中心位置，使心部金属产生较大塑性变形，消除小压下量工艺遗留的铸造组织，同时大塑性变形可以消除铸锭心部的冶金缺陷，提高板材心部力学性能，尤其提高板材高向延伸率、断裂韧度、疲劳寿命；第四阶段采用多道次中压下量热轧可以使板材1/4厚度位置的塑性变形产生热量，微观组织发生动态回复，消除板材1/4厚度位置的变形储能，在后续固溶处理过程中保留变形织构，降低再结晶织构，进一步提升板材1/4厚度位置的断裂韧性；第五阶段采用少道次小压下量热轧可以对板材进行板形及尺寸调整，获得厚度150mm以上、宽度1500mm以上的超宽超厚板材。

具体实施方式

下文将结合具体实施例对本发明的制备方法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。

本发明中，所述变异系数（C_V, Coefficient of Variation）用于表征超宽超厚铝合金板材的不同厚度位置的强度（抗拉强度或屈服强度）的离散程度的大小，以及用于表征不同批次间超宽超厚铝合金板材的强度（抗拉强度或屈服强度）的离散程度的大小；计算公式为：标准偏差（SD, Standard Deviation）/平均值×100%。

本发明中，不同厚度位置是指沿超宽超厚铝合金板材厚度方向，铝合金板材的表面到T/2部位（如表面、T/4部位、T/2部位），T是指铝合金板材的厚度，T/2部位是指铝合金板材的心部。

实施例1

采用规格为520mm×1620mm的7050铝合金扁铸锭为原料，对其进行铣面处理，铣面后的铝合金锭坯的尺寸为500mm×1600mm，最终目标是获得155mm厚、2000mm宽的铝合金板材。

首先，对铣面后的铝合金锭坯进行均匀化处理和轧制处理，方法如表1所示。

其次，对上述均匀化处理和轧制处理后获得的板材采用如下处理方式：

475℃/6h固溶处理，固溶淬火后采用变形量为2%的预拉伸变形处理，消除残余应力，然后进行T7451时效处理。

最后，对获得的铝合金板材进行性能及组织均匀性评价，分析结果见表2。

实施例2

采用规格为520mm×1620mm的2124铝合金扁铸锭为原料，对其进行铣面处理，铣面后的铝合金锭坯的尺寸为500mm×1600mm，最终目标是获得150mm厚、1800mm宽的铝合金板材。

493℃/8h固溶处理，固溶淬火后采用变形量为2%的预拉伸变形处理，消除残余应力，然后进行T8时效处理。

最后，对获得的铝合金板材进行性能及组织均匀性评价，分析结果见表3。

表1 实施例1和2的均匀化处理和轧制处理的工艺参数

其中，采用室温横向拉伸性能（LT向）评价板材表层、T/4厚度（T为板材的厚度，同下）、T/2厚度的性能均匀性，计算不同厚度位置的强度变异系数；计算不同批次板材之间强度变异系数；测试不同厚度位置的高向延伸率（ST向）、不同厚度位置的高向疲劳寿命（ST向）、不同厚度位置的断裂韧度（S-L向），结果如表2和表3所示。

表2 实施例1的不同轧制工艺变形后板材组织性能结果

表3 实施例2的不同轧制工艺变形后板材组织性能结果

从上述分析可以看出，采用本发明所述的方法制备的板材不同厚度部位的组织、性能均匀。

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

1.一种提高航空用超宽超厚铝合金板材综合性能的方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：

1）将铣面后的铝合金锭坯进行均匀化处理；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：

8）对降温后的铝合金板坯进行固溶淬火处理；

9）对固溶淬火处理后的铝合金板坯进行预拉伸处理；

10）对预拉伸处理后的铝合金板坯进行时效处理。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1）中，所述铝合金锭坯的尺寸为520mm±5mm以上×1620mm±5mm以上的铝合金扁铸锭。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铝合金选自2000系铝合金和7000系铝合金中的至少一种；所述2000系铝合金选自2024铝合金、2124铝合金、2524铝合金、2219铝合金中的至少一种；所述7000系铝合金选自7055铝合金、7085铝合金、7150铝合金、7A55铝合金、7A85铝合金、7B50铝合金、7050铝合金、7010铝合金中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1）中，所述均匀化处理的温度为420℃~490℃；所述均匀化处理的时间为8h~48h。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纵向轧制是指按照铝合金锭坯的长度方向进行轧制；所述横向轧制是指按照铝合金锭坯的宽度方向进行轧制。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铝合金板材的厚度为150mm以上，宽度为1500mm以上。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤8）中，所述固溶处理的温度为450℃~495℃，所述固溶处理的保温时间为8~10h；所述淬火处理的激冷介质采用25℃~85℃的水或水雾进行。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤9）中，所述预拉伸处理的拉伸变形量为0.5%~3.5%；

和/或，步骤9）中，所述预拉伸处理的拉伸速率为0.1~0.5mm/min。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超宽超厚铝合金板材满足如下条件中的至少一项：

（a）不同厚度位置的屈服强度变异系数达到2%以下；

（b）不同厚度位置的抗拉强度变异系数达到2%以下；

（c）高向（ST向）延伸率高于5%；

（d）高向（S-L向）断裂韧度高于30 MPa·m^1/2；

（e）不同批次间抗拉强度变异系数达到2%以下，批次数不小于30批；

（f）不同批次间屈服强度变异系数达到2%以下，批次数不小于30批。