阅读说明：本技术 一种抑制铝锂合金再结晶的加工方法 (Processing method for inhibiting recrystallization of aluminum-lithium alloy ) 是由 黄伟九 杨绪盛 祝祥辉 张然 于 2019-11-25 设计创作，主要内容包括：一种抑制铝锂合金后续再结晶的加工方法,依次包括铸锭、均匀化处理、热轧开坯、最终固溶、预拉伸及人工时效,其特征在于：所述热轧开坯和固溶之间还依次有初次固溶、淬火和多道次控温热轧步骤；所述初次固溶是在510~550℃进行0.5~2小时的固溶处理,随后进行淬火；所述多道次控温热轧具体是将上述淬火后的铝锂合金板材在150~350℃下进行多道次轧制,其总压下率在55%~83%。本发明抑制铝锂合金后续再结晶的加工方法,从形核和晶核长大上抑制最终固溶再结晶发生,消除局部应变区,降低铝锂合金的板材的再结晶倾向；使得铝锂合金变形均匀,大幅度降低了基体中晶界两侧的储能差异,从而稳定抑制了再结晶晶核的长大。使得板材具备更好的综合性能。(A processing method for inhibiting subsequent recrystallization of an aluminum-lithium alloy sequentially comprises ingot casting, homogenization treatment, hot rolling cogging, final solid solution, pre-stretching and artificial aging, and is characterized in that: the steps of primary solid solution, quenching and multi-pass temperature-controlled hot rolling are sequentially carried out between the hot rolling cogging and the solid solution; the primary solid solution is performed for 0.5-2 hours at 510-550 ℃, and then quenching is performed; the multi-pass temperature-control hot rolling is to perform multi-pass rolling on the quenched aluminum-lithium alloy plate at 150-350 ℃, and the total reduction rate is 55-83%. The processing method for inhibiting the subsequent recrystallization of the aluminum lithium alloy inhibits the final solid solution recrystallization from nucleation and crystal nucleus growth, eliminates a local strain region and reduces the recrystallization tendency of the plate of the aluminum lithium alloy; the aluminum lithium alloy is uniformly deformed, and the energy storage difference at two sides of the crystal boundary in the matrix is greatly reduced, so that the growth of the recrystallization crystal nucleus is stably inhibited. So that the plate has better comprehensive performance.)

一种抑制铝锂合金再结晶的加工方法

技术领域

本发明属于铝锂合金加工领域，具体涉及一种抑制铝锂合金再结晶的加工方法。

背景技术

铝锂合金因其高比强度、高比刚度、优异的低温性能被认为是航空航天工业中理想的结构材料。在铝锂合金中每添加1％的锂含量，可以使合金的密度减小3％，弹性模量上升6％。使用铝锂合金代替常规铝合金，可以使结构件质量降低15％，刚度提升15％-20％。相较之前两代铝锂合金，第三代铝锂合金具有更小的各向异性，更高的热稳定性、耐腐蚀性以及损伤容限。空客380的蒙皮、机翼横梁、地板梁、座椅滑轨、座舱等结构件都使用了2196、2099、2199等新型铝锂合金。国产C919大型客机、波音公司下一代B777-X客机以及俄罗斯下一代窄体客机MS-21的机身都大量采用了新型铝锂合金。

铝锂合金加工时，固溶过程中的静态再结晶现象将导致型材的组织不均匀性，而这种组织不均匀性将恶化材料的各项力学性能，还会增加板材或型材的力学各向异性。因此，通常需要抑制板材或型材在固溶过程的静态再结晶现象，控制其再结晶体积分数。通常，采用Sc元素可以抑制再结晶，但是金属Sc的价格十分昂贵，限制了其推广应用。工业上通常采用在热变形和固溶处理之间进行一次回复退火的方式，在一定程度上抑制板材在固溶处理过程中的静态再结晶过程。但是进行回复退火处理不仅耗时费力，且其具有的效果不稳定。由于铝锂合金在铸锭时，其厚度很大，开坯后至少还达到十几厘米，而最终合金板材成品一般保持在几毫米级别，在轧制下压率如此大的情况下，回复退火并不能达到理想效果，不具有普遍性。

发明内容

本发明目的在于提供一种抑制铝锂合金后续再结晶的加工方法。从加工工艺上对铝锂合金材料静态再结晶进行抑制。

本发明目的按如下技术方案实现：

一种抑制铝锂合金后续再结晶的加工方法，依次包括铝锂合金铸锭、均匀化处理、热轧开坯、最终固溶、预拉伸及人工时效，其特征在于：所述热轧开坯和最终固溶之间还依次有初次固溶、淬火和多道次控温热轧步骤；所述初次固溶是在510～550℃进行0.5～2小时的固溶处理，随后进行淬火；所述多道次控温热轧具体是将上述淬火后的铝锂合金板材在150～350℃下进行多道次轧制，其总压下率为55％～83％。

铝锂合金的静态再结晶主要分为形核和长大两步进行。合金基体中存在较粗大的初生相颗粒，在合金变形时，这些颗粒周围会形成局部应变区，这些局部应变区成为颗粒诱发再结晶的形核点，易于产生再结晶晶核；由于晶核内部和周围形变基体的位错储能差异，为晶核长大提供了能量，在最终固溶时产生严重的静态再结晶现象。

传统的铝锂合金加工工艺中，在热轧开坯以后需要对铝锂合金板材进行再结晶退火处理，使得铝锂合金板材达到改善压延成形性能，以利于进一步变形加工。本发明采用的初次固溶代替了再结晶退火，不仅达到了再结晶退火的目的，同时铝锂合金板材热轧开坯后先进行初步固溶、淬火，材料中的析出相被大部分消除，绝大部分合金元素固溶进入基体中，使铝锂合金形成过饱和固溶状态；然后进行多道次控温热轧，轧制过程中，铝锂合金中的Cu元素和Li元素形成Al₂CuLi相以一定的速率在初生相颗粒周围优先动态析出，初生相颗粒周围的基体强度变大，抑制初生相颗粒周围局部应变区的形成，减少静态再结晶形核点，从而降低铝锂合金板材的静态再结晶倾向。初次固溶、淬火结合多道次控温热轧，消除局部应变区，使得铝锂合金板材变形均匀，大幅度降低了基体中晶界两侧的储能差异，从而抑制了再结晶晶核的长大。

优选的，所述初次固溶中固溶温度为535～545℃，固溶时间为0.9～1.2小时。

进一步，所述淬火的介质为25℃的冷水。

优选的，上述多道次控温热轧的温度在250～300℃。

进一步，上述多道次控温热轧的轧制速度为4～8m/min。

进一步，上述多道次控温热轧的轧制道次为5～8道次，每道次下压率为15～20％。

优选的，上述轧制道次为6道次，总压下率为62％～75％。

进一步，上述人工时效处理具体是在160℃时效20～40h，然后采用空冷方式冷却至室温。

进一步，上述铝锂合金为第三代铝锂合金。

优选的，上述铝锂合金的合金化学成分为Cu：2.7～2.8wt％；Li：1.7～1.9wt％；Mg：0.3～0.5wt％；Mn：0.3～0.5wt％；Zn：0.5～0.7wt％；Zr：0.08～0.12wt％；Si：≤0.05wt％；Fe≤0.07wt％；余量为铝。

具体地说，一种抑制铝锂合金后续再结晶的加工方法，其特征在于，按如下步骤进行：

(1)、使用真空熔铸法制备铝锂合金铸锭，铝锂合金的合金化学成分为Cu：2.7～2.8wt％；Li：1.7～1.9wt％；Mg：0.3～0.5wt％；Mn：0.3～0.5wt％；Zn：0.5～0.7wt％；Zr：0.08～0.12wt％；Si：≤0.05wt％；Fe≤0.07wt％；余量为铝；

(2)、将铸锭在510～530℃下均匀化处理70～80h；

(3)、将均匀化处理后的铸锭在420～460℃下进行预热，保温20～40min，然后进行轧制开坯成板材；

(4)、将开坯后的铝锂合金板材在510～550℃进行0.5～2h的固溶处理，随后用25℃的冷水进行淬火；

(5)将淬火后的铝锂合金板材在150～350℃下进行5～8道次轧制，每道次下压率为15～20％，总压下率为55％～83％，轧制速率为4～8m/min；

(6)将铝锂合金板材在535～550℃下固溶处理1～2h；

(7)将铝锂合金板材进行预拉伸，拉伸量为3～6％；

(8)将拉伸后的铝锂合金板材进行时效处理，在160℃时效20～40h，之后采用空冷的方式冷却至室温。

在加工过程中，可重复初步固溶、淬火和控温热轧的工艺，在调整铝锂合金的厚度，使其达到实际需求。

本发明具有如下有益效果：

本发明抑制铝锂合金后续再结晶的加工方法，不采用昂贵金属，成本低，从形核和晶核长大上抑制最终固溶再结晶发生，消除局部应变区，降低铝锂合金板材的再结晶倾向；由于析出相以特定速率在特定位置析出，使得铝锂合金变形均匀，大幅度降低了基体中晶界两侧的储能差异，从而稳定抑制了再结晶晶核的长大。显著的控制了铝锂合金板材在最终固溶过程中的再结晶体积分数从99.3％降低至51.3％。使得板材具备更好的综合性能。

附图说明

图1：本发明实施例1的表面微观组织及ODF截面图；

图2：对比例1的表面微观组织及ODF截面图；

图3：对比例2的表面微观组织及ODF截面图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述本发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。

实施例1

(1)、使用真空熔铸法制备铝锂合金铸锭，制备的铝锂合金化学成分为Cu：2.7wt％、Li：1.8wt％、Mg：0.4wt％、Mn：0.4wt％、Zn：0.6wt％、Zr：0.1wt％，余量为铝；

(2)、将铸锭在520℃下均匀化处理75h；

(3)、将均匀化处理后的铸锭在450℃下进行预热，保温20min，然后进行轧制开坯成板材；

(4)、将所述的开坯后的铝锂合金板材在540℃进行1h的固溶处理，随后用25℃的冷水进行淬火；

(5)将淬火后的铝锂合金板材在250℃下进行6道次轧制，每道次下压率为16％，其总压下率为65％，轧制速度为6m/min；

(6)将多道次控温热轧后的铝锂合金板材进行最终固溶，在540℃下固溶处理1h；

(7)将最终固溶后的铝锂合金板材进行预拉伸，拉伸量为3％；

(8)将拉伸后的铝锂合金板材采进行时效处理，在160℃时效24h，之后采用空冷的方式冷却至室温。

对比例1：相比实施例1，对比例1按照传统加工工序依次完成铸锭、均匀化处理、热轧开坯、再结晶退火、热终轧、最终固溶、预拉伸、时效处理等加工步骤制备成普通轧制得铝锂合金板材，其中再结晶退火温度为500℃，时间为2h。

实施例1加工的铝锂合金板材最终固溶后的再结晶体积分数为51.3％，比未采用初次固溶、淬火和多道次控温热轧结合处理的铝锂合金轧板最终固溶后再结晶体积分数降低了48％，比采用回复退火处理的铝锂合金轧板最终固溶后再结晶体积分数降低了47.4％。

实施例2

一种抑制铝锂合金后续再结晶的加工方法，按如下步骤进行：

(1)、使用真空熔铸法制备铝锂合金铸锭，制备的铝锂合金化学成分为Cu：2.8wt％、Li：1.9wt％、Mg：0.3wt％、；Mn：0.5wt％、Zn：0.7wt％、Zr：0.08wt％、Si：0.05wt％、Fe：0.07wt％，余量为铝；

(2)、将铸锭在530℃下均匀化处理80h；

(3)、将均匀化处理后的铸锭在460℃下进行预热，保温40min，然后进行轧制开坯成板材；

(4)、将所述的开坯后的铝锂合金板材在510℃进行2小时的固溶处理，随后用25℃的冷水进行淬火；

(5)将淬火后的铝锂合金板材在150℃下进行5道次轧制，每道次下压率为15％，其总压下率为55％，轧制速率为4m/min；

(6)将多道次控温热轧后的铝锂合金板材进行最终固溶，在550℃下固溶处理2h；

(7)将经过多道次热轧后的铝锂合金板材进行预拉伸，拉伸量为5％；

(8)将预拉伸后的铝锂合金板材采进行时效处理，在160℃时效40h，之后采用空冷的方式冷却至室温。

本实施例2加工制得的铝锂合金最终淬火后的再结晶体积分数为55.6％。

对比例2：相比实施例1，对比例2按照传统加工工序依次完成铸锭、均匀化处理、热轧开坯、再结晶退火、热终轧、回复退火、最终固溶、预拉伸、时效处理等加工步骤，再结晶退火温度为500℃，时间为2h，回复退火温度为300℃，时间为2h。

实施例3

一种抑制铝锂合金后续再结晶的加工方法，按如下步骤进行：

(1)、使用真空熔铸法制备铝锂合金铸锭，制备的铝锂合金化学成分为Cu：2.7wt％；Li：1.7wt％；Mg：0.5wt％；Mn：0.3wt％；Zn：0.5wt％；Zr：0.12wt％、Si：0.03wt％、Fe：0.04wt％，余量为铝；

(2)、将铸锭在510℃下均匀化处理70h；

(3)、将均匀化处理后的铸锭在420℃下进行预热，保温35min，然后进行轧制开坯成板材；

(4)、将所述的开坯后的铝锂合金板材在550℃进行0.5h的固溶处理，随后25℃的冷水进行淬火；

(5)将淬火后的铝锂合金板材在350℃下进行8道次轧制，每道次下压率为20％，其总压下率为83％，轧制速率为8m/min；

(6)将多道次控温热轧后的铝锂合金板材进行最终固溶，在535℃下固溶处理1.5h；

(7)将经过多道次热轧后的铝锂合金板材进行预拉伸，拉伸量为6％；

(8)将预拉伸后的铝锂合金板材采进行时效处理，在160℃时效20h，之后采用空冷的方式冷却至室温。

本实施例3加工制得的铝锂合金板材最终固溶后再结晶体积分数为54.7％。

使用电子背散射衍射技术对最终固溶处理后的实施例1、比例1和对比例2最终固溶后铝锂合金板材进行大区域的检测，其再结晶体积分数如表1所示：

表1：

由表1可知，实施例1加工的铝锂合金热轧板，在最终固溶之后再结晶体积分数显著低于没有采用任何手段处理的合金热轧板最终固溶后的再结晶体积分数，大大幅度降低了再结晶体积分数。对比例1没有进过任何手段处理，其最终固溶仅仅处理了10min，再结晶体积分数高达99％以上。对比例2单独回复退火主要是抑制晶核长大，但是铝锂合金中通常添加了锆元素，锆元素主要在基体中形成弥散相，这些弥散相也会在回复退火过程中钉扎位错，回复退火消除位错储能的能力有限，这就使得回复退火其实效果并不理想，抑制再结晶作用也不稳定。另外，在轧制过程中，由于轧制形变过大，回复退火基本起不到任何作用。因此，本发明采用初次固溶、淬火、多道次控温热轧的结合方式，更有效的抑制了铝锂合金板材最终固溶再结晶，显著抑制了铝锂合金热轧板材在最终固溶处理时发生的再结晶现象。

采用本发明实施例1的初次固溶、淬火结合多道次控温热轧的方法制得的铝锂合金板材在最终固溶处理后大部分晶粒仍为未再结晶状态，如图1a所示；最终固溶处理后其晶体学织构仍为典型的铝锂合金变形织构，晶体取向以未再结晶取向为主，如图1b所示。而普通轧制的铝锂合金板材进行最终固溶处理后，已经发生了完全再结晶，如图2a所示；最终固溶处理后的晶体学织构为典型的铝锂合金再结晶织构，晶体取向以再结晶取向为主，如图2b所示。在采用回复退火进行处理后的铝锂合金板材，其进行最终固溶处理以后，也发生了严重的再结晶情况，基本和普通轧制的铝锂合金板材一样。从图1a、图2a及图3a可知，对比例1和对比例2加工制得的铝锂合金板材出现大面积白色的结晶区域，而本发明加工制得的铝锂合金板材再结晶体积分数大幅度下降，为灰色未结晶区域。