CN115717208A - 一种航空用铝合金材料及生产方法 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供一种航空用铝合金材料及生产方法，涉及航空铝合金材料领域。航空用铝合金材料的生产方法包括以下步骤：按照7150合金成分熔炼处理得到熔体；使熔体冲击进入结晶器的顶部，且控制进入结晶器心部的熔体冲击量小于进入边部的熔体冲击量，由结晶器底部拉坯，铸造得到合金铸锭；将合金铸锭依次进行三级均匀化处理、热变形加工、固溶热处理、时效热处理，得到航空用铝合金材料。航空用铝合金材料及生产方法，从根本上解决传统铸锭存在的微观组织不均匀、成分偏析、粗大化合物等问题，消减材料在不同方向的性能不均匀性和各向异性，提高材料的综合性能。
Description
技术领域
本申请涉及航空铝合金材料领域，具体而言，涉及一种航空用铝合金材料及生产方法。
背景技术
航空铝合金材料(航空铝材)由于其复杂的使用工况，除了要求高强度、高断裂韧性、高抗疲劳性能和耐腐蚀性能外，还需要均匀性、稳定性和较低的残余应力。目前航空铝材的主流生产环节包括：半连续铸造生产铸锭，铸锭变形加工、热处理、机加工等。在传统半连续铸造条件下，由于金属顺序凝固的特性，大规格铸锭不可避免的存在微观组织不均匀、成分偏析、粗大化合物等问题。铸锭的这些问题成为后续航空铝材的裂纹源，从而引起材料的不均匀性和残余应力过大，造成航空铝材性能降低。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种航空用铝合金材料及生产方法，从根本上解决传统铸锭存在的微观组织不均匀、成分偏析、粗大化合物等问题，消减材料在不同方向的性能不均匀性和各向异性，提高材料的综合性能。
第一方面，本申请实施例提供了一种航空用铝合金材料的生产方法，其包括以下步骤：
按照7150合金成分熔炼处理得到熔体；
使熔体冲击进入结晶器的顶部，且控制进入结晶器心部的熔体冲击量小于进入边部的熔体冲击量，由结晶器底部拉坯，铸造得到合金铸锭；
将合金铸锭依次进行三级均匀化处理、热变形加工、固溶热处理、时效热处理，得到航空用铝合金材料。
在上述技术方案中，本申请实施例采用确定的合金成分熔炼得到熔体，采用熔体冲击法进行合金铸锭的制备，熔体通过若干喷嘴冲击进入结晶器，通过调控不同位置熔体流量，可以将液穴拉至接近平直(使横截面上熔体均匀凝固)，颠覆了传统凝固特性(心部的凝固速度比边部的凝固速度慢)，弱化心部的熔体冲击，强化边部的熔体冲击，改善因液穴过深而产生的诸多组织缺陷；同时，冲击作用可带来显著的晶粒细化效果，进而获得合金元素偏析小、微观组织均匀、结晶相细小、残余应力小的高品质合金铸锭。
并对该合金铸锭进行短流程的三级均匀化处理，匹配适当的变形加工、固溶、时效处理，最终基于合金铸锭组织遗传性获得综合性能优异的航空用铝合金材料，从根本上解决传统铸锭存在的微观组织不均匀、成分偏析、粗大化合物等问题，消减材料不同方向的性能不均匀性和各向异性，提高材料的综合性能，提高了成品率，缩短了生产周期，节省了制造成本。
在一种可能的实现方式中，通过若干个喷嘴向结晶器内提供熔体，喷嘴由结晶器上方竖直插入结晶器内且喷嘴口朝下。
在一种可能的实现方式中，结晶器内的喷嘴均匀设置，且位于结晶器心部的喷嘴直径小于位于结晶器边部的喷嘴直径。
在上述技术方案中，保证进入结晶器心部的熔体冲击量小于进入边部的熔体冲击量，由于边部及中部熔体冲击量和凝固速度的差异，可以拉平熔体凝固过程中的温度差，实现边部到心部凝固熔体温度均匀性，从根本上解决传统铸锭存在的微观组织不均匀、成分偏析、粗大化合物等问题。
在一种可能的实现方式中，在拉坯铸造过程中，结晶器内的熔体由上至下分为熔液区、糊状区和铸锭区，通过调节进入结晶器不同位置的熔体冲击量直至拉平糊状区和熔液区之间的分界面。
在上述技术方案中，由于结晶器铸造会在液态的熔液区液态和固态的铸锭区之间存在糊状区，与传统半连续铸造相比，本申请实施例通过调节进入结晶器不同位置的熔体冲击量直至拉平糊状区和熔液区之间的分界面(分界面更加平直)，可显著改善因液穴导致的元素宏观偏析，而且熔体的冲击作用可显著细化晶粒，获得更理想的凝固组织。
在一种可能的实现方式中，使熔体冲击熔液区靠近糊状区的位置。
在一种可能的实现方式中，7150合金成分按照质量百分数计包括：Si≤0.10％，Fe≤0.12％，Cu2.0～2.4％，Mn≤0.10％，Mg2.2～2.5％，Cr≤0.04％，Zn6.1～6.7％，Ti≤0.06％，Zr0.10～0.13％，其它杂质合计不大于0.15％，其余为Al；
和/或，熔炼温度为700～750℃，熔体中渣含量N20≤20K/kg。
在一种可能的实现方式中，三级均匀化处理包括依次进行的以下工序：于410～430℃保温2～4h；于450～470℃保温2～4h；于460～480℃保温8～12h。
在上述技术方案中，由于生产的合金铸锭晶粒细小均匀，元素偏析小，结晶相尺寸细小，因而可采用有别于常规均匀化制度的短流程均匀化处理工艺，相比于常规三级均匀化处理可节省一半工时，提高生产效率，并带来显著的节能效果。
在一种可能的实现方式中，热变形加工采用反向挤压工艺，挤压筒温度为380～420℃，挤压速度为1～5mm/min；
和/或，固溶热处理包括依次进行的以下工序：于460～480℃保温1～2h；采用30～50℃水进行水冷淬火；进行永久变形量为1～3％的预拉伸。
在一种可能的实现方式中，时效热处理包括依次进行的以下工序：于110～130℃保温20～30h；于180～200℃保温0.5～2h；于110～130℃保温20～30h。
第二方面，本申请实施例提供了一种航空用铝合金材料，其采用第一方面提供的航空用铝合金材料的生产方法制备得到，航空用铝合金材料的纵向拉伸极限强度为610MPa以上，纵向拉伸屈服强度为580MPa以上，横向拉伸极限强度为600MPa以上，横向拉伸屈服强度为570MPa以上。
在上述技术方案中，经过本申请实施例的生产方法可得到综合性能优异的航空铝合金材料。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的一种熔体冲击法打印铸锭的原理图；
图2为实施例1中的合金铸锭的显微组织图；
图3为半连续铸造生产的铸锭的显微组织图。
图标：1-结晶器；2-熔体液面；3-冷却水；4-铸锭；5-糊状区；6-喷嘴。
具体实施方式
申请人在实现本申请的过程中发现：目前常规的航空铝合金材料采用半连续铸造工艺生产铸锭，存在元素偏析严重、晶粒粗大且尺寸不均匀、结晶相粗大、残余应力大等缺点，这是由于结晶器内液穴深度大，边部熔体凝固条件与心部熔体凝固条件差异大等因素导致的，这是传统半连续铸造工艺的固有特点。而粗大的晶粒和结晶相给性能带来负面影响，较大的残余应力导致严重的机加工变形，元素偏析则给均匀化工艺带来挑战。
经过大量研究和实验，发现采用创新的熔体冲击法制备出合金元素偏析小、微观组织均匀、结晶相细小、残余应力小的高品质合金铸锭，并对此合金铸锭进行短流程均匀化处理，基于后续热加工变形和热处理过程的组织遗传性，能够获得超高性能航空铝合金材料。
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本申请实施例的航空用铝合金材料及生产方法进行具体说明。
本申请实施例提供一种航空用铝合金材料的生产方法，其包括以下步骤：
(1)熔炼：按照7150合金成分和烧损率配料，7150合金成分按照质量百分数计包括：Si≤0.10％，Fe≤0.12％，Cu2.0～2.4％，Mn≤0.10％，Mg2.2～2.5％，Cr≤0.04％，Zn6.1～6.7％，Ti≤0.06％，Zr0.10～0.13％，其它杂质合计不大于0.15％，其余为Al。
将原料熔炼处理得到熔体，熔炼温度700～750℃，对熔体进行精炼、除气、过滤处理，氢含量控制在0.12ml/100gAl，渣含量N20≤20K/kg。
(2)利用熔体冲击法打印铝合金铸锭：使熔体冲击进入结晶器的顶部，且控制进入结晶器心部的熔体冲击量小于进入边部的熔体冲击量，由结晶器底部拉坯，铸造得到合金铸锭。
具体地，如图1所示，通过若干个喷嘴6向结晶器内提供熔体，喷嘴6由结晶器1上方竖直插入结晶器1内且喷嘴口朝下。结晶器1内的喷嘴6均匀设置(相邻喷嘴6之间的间距相等)，且位于结晶器1心部的喷嘴6直径小于位于结晶器1边部的喷嘴6直径。在拉坯铸造过程中，结晶器1外设置有冷却水3使熔体快速冷却凝固成型，结晶器1内的熔体由上至下分为熔液区2、糊状区5和铸锭4，使熔体冲击熔液区2靠近糊状区5的位置，通过调节进入结晶器1不同位置的熔体冲击量直至拉平糊状区5和熔液区2之间的分界面。
需要说明的是，本申请实施例中“拉平”并非使分界面完全水平，而是尽可能的使分界面趋于水平。
(3)三级均匀化处理：
对合金铸锭进行三级均匀化处理：(410～430℃)/(2～4h)+(450～470℃)/(2～4h)+(460～480℃)/(8～12h)，即三级均匀化处理包括依次进行的以下工序：于410～430℃保温2～4h；于450～470℃保温2～4h；于460～480℃保温8～12h。
(4)热变形加工：采用反向挤压工艺对合金铸锭进行热变形加工，挤压筒温度为380～420℃，挤压速度为1～5mm/min，得到合金型材。
(5)固溶热处理：将固熔炉炉温升至460～480℃后，将合金型材放入固熔炉中，待炉温稳定后保温1～2h；之后对合金型材进行水冷淬火，淬火水温30～50℃；淬火后在合金型材长度方向进行永久变形量为1～3％的预拉伸，以消除挤压和淬火过程中产生的残余应力。
(6)时效热处理：在一级时效温度110～130℃的条件下对合金型材保温20～30h；在二级时效温度180～200℃的条件下对合金型材保温0.5～2h；在三级时效温度110～130℃的条件下对合金型材保温20～30h，之后出炉空冷，得到航空用铝合金材料。
本申请实施例还提供一种航空用铝合金材料，其采用上述的航空用铝合金材料的生产方法制备得到，航空用铝合金材料的纵向拉伸极限强度为610MPa以上，纵向拉伸屈服强度为580MPa以上，横向拉伸极限强度为600MPa以上，横向拉伸屈服强度为570MPa以上。
以下结合实施例对本申请的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本申请实施例提供一种航空用铝合金材料，其生产方法包括以下步骤：
(1)熔炼：按照7150合金成分和烧损率配料，7150合金成分按照质量百分数计包括：Si0.08％，Fe0.08％，Cu2.2％，Mn0.07％，Mg2.4％，Cr0.04％，Zn6.4％，Ti0.05％，Zr0.12％，其它杂质合计不大于0.15％，其余为Al。
将原料熔炼处理得到熔体，熔炼温度720℃，对熔体进行精炼、除气、过滤处理，氢含量控制在0.12ml/100gAl，渣含量N20≤20K/kg。
(2)按照如图1所示的方式，利用熔体冲击法打印铝合金铸锭，在拉坯铸造过程中，结晶器1内的熔体由上至下分为熔液区2、糊状区5和铸锭4，使熔体冲击熔液区2靠近糊状区5的位置，通过调节进入结晶器1不同位置的熔体冲击量直至拉平糊状区5和熔液区2之间的分界面。
(3)三级均匀化处理：420℃/3h+465℃/4h+473℃/10h。
(4)采用反向挤压工艺对合金铸锭进行热变形加工，挤压筒温度为390℃，挤压速度为1～5mm/min，得到合金型材。
(5)将固熔炉炉温升至475℃后，将合金型材放入固熔炉中，待炉温稳定后保温1.5h；之后对合金型材进行水冷淬火，淬火水温30℃；淬火后在合金型材长度方向进行永久变形量为2％的预拉伸，以消除挤压和淬火过程中产生的残余应力。
(6)在一级时效温度121℃的条件下对合金型材保温24h；在二级时效温度190℃的条件下对合金型材保温0.5h；在三级时效温度121℃的条件下对合金型材保温24h，之后出炉空冷，得到航空用铝合金材料。
实施例2
本申请实施例提供一种航空用铝合金材料，其生产方法包括以下步骤：
(1)熔炼：按照7150合金成分和烧损率配料，7150合金成分按照质量百分数计包括：Si0.06％，Fe0.08％，Cu2.3％，Mn0.08％，Mg2.3％，Cr0.04％，Zn6.6％，Ti0.05％，Zr0.12％，其它杂质合计不大于0.15％，其余为Al。
将原料熔炼处理得到熔体，熔炼温度730℃，对熔体进行精炼、除气、过滤处理，氢含量控制在0.12ml/100gAl，渣含量N20≤20K/kg。
(2)按照如图1所示的方式，利用熔体冲击法打印铝合金铸锭，在拉坯铸造过程中，结晶器1内的熔体由上至下分为熔液区2、糊状区5和铸锭4，使熔体冲击熔液区2靠近糊状区5的位置，通过调节进入结晶器1不同位置的熔体冲击量直至拉平糊状区5和熔液区2之间的分界面。
(3)三级均匀化处理：418℃/4h+468℃/3.5h+475℃/9h。
(4)采用反向挤压工艺对合金铸锭进行热变形加工，挤压筒温度为400℃，挤压速度为1～5mm/min，得到合金型材。
(5)将固熔炉炉温升至477℃后，将合金型材放入固熔炉中，待炉温稳定后保温1h；之后对合金型材进行水冷淬火，淬火水温30℃；淬火后在合金型材长度方向进行永久变形量为2.2％的预拉伸，以消除挤压和淬火过程中产生的残余应力。
(6)在一级时效温度125℃的条件下对合金型材保温20h；在二级时效温度185℃的条件下对合金型材保温1h；在三级时效温度125℃的条件下对合金型材保温20h，之后出炉空冷，得到航空用铝合金材料。
实施例3
本申请实施例提供一种航空用铝合金材料，其生产方法包括以下步骤：
(1)熔炼：按照7150合金成分和烧损率配料，7150合金成分按照质量百分数计包括：Si0.05％，Fe0.06％，Cu2.4％，Mn0.07％，Mg2.5％，Cr0.04％，Zn6.4％，Ti0.05％，Zr0.13％，其它杂质合计不大于0.15％，其余为Al。
将原料熔炼处理得到熔体，熔炼温度740℃，对熔体进行精炼、除气、过滤处理，氢含量控制在0.12ml/100gAl，渣含量N20≤20K/kg。
(2)按照如图1所示的方式，利用熔体冲击法打印铝合金铸锭，在拉坯铸造过程中，结晶器1内的熔体由上至下分为熔液区2、糊状区5和铸锭4，使熔体冲击熔液区2靠近糊状区5的位置，通过调节进入结晶器1不同位置的熔体冲击量直至拉平糊状区5和熔液区2之间的分界面。
(3)三级均匀化处理：425℃/2.5h+470℃/3h+478℃/8h。
(4)采用反向挤压工艺对合金铸锭进行热变形加工，挤压筒温度为410℃，挤压速度为1～5mm/min，得到合金型材。
(5)将固熔炉炉温升至480℃后，将合金型材放入固熔炉中，待炉温稳定后保温1h；之后对合金型材进行水冷淬火，淬火水温30℃；淬火后在合金型材长度方向进行永久变形量为2.5％的预拉伸，以消除挤压和淬火过程中产生的残余应力。
(6)在一级时效温度118℃的条件下对合金型材保温28h；在二级时效温度195℃的条件下对合金型材保温0.5h；在三级时效温度121℃的条件下对合金型材保温24h，之后出炉空冷，得到航空用铝合金材料。
对比例1
本对比例提供一种航空用铝合金材料，其生产方法与实施例1的生产方法大致相同，不同之处在于：
步骤(2)采用传统半连续铸造生产铸锭，即将熔体连续加入结晶器，利用结晶器拉坯的方式，使熔体凝固成型。
步骤(3)三级均匀化处理：420℃/8h+465℃/12h+473℃/24h。
以下对比分析实施例1的合金铸锭、材料和常规的铸锭、材料的性能和组织，结果如下：
一、图2为实施例1的步骤(2)中的合金铸锭的显微组织，图3为对比例1中采用传统半连续铸造生产的铸锭的显微组织。由此可知，本申请实施例生产的合金铸锭的晶粒细小均匀，结晶相细小弥散。元素偏析小、晶粒细小均匀；而且结晶相细小的铸锭可以采用更短的均匀化时间，进而缩短了工艺流程，提高了生产效率。具体体现在：实施例1采用的均匀化制度为420℃/3h+465℃/4h+473℃/10h，对比例1采用的均匀化制度为420℃/8h+465℃/12h+473℃/24h，因此，实施例1中的均匀化工艺与传统均匀化工艺相比，大大缩短均匀化时间，提高生产效率。按照微观组织在金属材料变形加工和热处理中的遗传性，在后续的挤压、固溶、时效处理环节，合金型材强化相将更加细小、均匀、弥散，晶粒尺寸也将更加细小，使材料具有良好的综合性能。
二、表1～表3为实施例1所生产的材料性能与AMS技术要求对比。
表1材料纵向性能
表2材料横向性能
表3材料断裂韧性
由表1～表3可以看到，本申请实施例生产的材料性能远超过标准要求，且材料的纵向性能和横向性能差别不大，均匀性更好。
综上所述，本申请实施例的航空用铝合金材料及生产方法，从根本上解决传统铸锭存在的微观组织不均匀、成分偏析、粗大化合物等问题，消减材料在不同方向的性能不均匀性和各向异性，提高材料的综合性能。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种航空用铝合金材料的生产方法，其特征在于，其包括以下步骤：
按照7150合金成分熔炼处理得到熔体；
使所述熔体冲击进入结晶器的顶部，且控制进入所述结晶器心部的熔体冲击量小于进入边部的熔体冲击量，由所述结晶器底部拉坯，铸造得到合金铸锭；
将所述合金铸锭依次进行三级均匀化处理、热变形加工、固溶热处理、时效热处理，得到航空用铝合金材料。
2.根据权利要求1所述的航空用铝合金材料的生产方法，其特征在于，通过若干个喷嘴向所述结晶器内提供熔体，所述喷嘴由所述结晶器上方竖直插入所述结晶器内且喷嘴口朝下。
3.根据权利要求2所述的航空用铝合金材料的生产方法，其特征在于，结晶器内的喷嘴均匀设置，且位于结晶器心部的喷嘴直径小于位于结晶器边部的喷嘴直径。
4.根据权利要求1所述的航空用铝合金材料的生产方法，其特征在于，在拉坯铸造过程中，结晶器内的熔体由上至下分为熔液区、糊状区和铸锭区，通过调节进入结晶器不同位置的熔体冲击量直至拉平所述糊状区和所述熔液区之间的分界面。
5.根据权利要求4所述的航空用铝合金材料的生产方法，其特征在于，使所述熔体冲击所述熔液区靠近所述糊状区的位置。
6.根据权利要求1所述的航空用铝合金材料的生产方法，其特征在于，所述7150合金成分按照质量百分数计包括：Si≤0.10％，Fe≤0.12％，Cu2.0～2.4％，Mn≤0.10％，Mg2.2～2.5％，Cr≤0.04％，Zn6.1～6.7％，Ti≤0.06％，Zr0.10～0.13％，其它杂质合计不大于0.15％，其余为Al；
和/或，熔炼温度为700～750℃，熔体中渣含量N20≤20K/kg。
7.根据权利要求1所述的航空用铝合金材料的生产方法，其特征在于，所述三级均匀化处理包括依次进行的以下工序：于410～430℃保温2～4h；于450～470℃保温2～4h；于460～480℃保温8～12h。
8.根据权利要求1所述的航空用铝合金材料的生产方法，其特征在于，所述热变形加工采用反向挤压工艺，挤压筒温度为380～420℃，挤压速度为1～5mm/min；
和/或，所述固溶热处理包括依次进行的以下工序：于460～480℃保温1～2h；采用30～50℃水进行水冷淬火；进行永久变形量为1～3％的预拉伸。
9.根据权利要求1所述的航空用铝合金材料的生产方法，其特征在于，所述时效热处理包括依次进行的以下工序：于110～130℃保温20～30h；于180～200℃保温0.5～2h；于110～130℃保温20～30h。
10.一种航空用铝合金材料，其特征在于，其采用如权利要求1至9中任一项所述的航空用铝合金材料的生产方法制备得到，航空用铝合金材料的纵向拉伸极限强度为610MPa以上，纵向拉伸屈服强度为580MPa以上，横向拉伸极限强度为600MPa以上，横向拉伸屈服强度为570MPa以上。
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