一种提高铝合金厚板及锻件综合性能的制备工艺
阅读说明：本技术 一种提高铝合金厚板及锻件综合性能的制备工艺 (Preparation process for improving comprehensive performance of aluminum alloy thick plate and forging ) 是由 李国爱 郝时嘉 陆政 吴秀亮 王建国 高艳丽 于 2021-09-08 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种提高铝合金厚板及锻件综合性能的制备工艺,将经过热初轧的板材/热初锻的锻件在260℃～300℃的温度下进行加热,然后通过锻造/轧制的方式进行一定的变形量的变形,变形后的板材/锻件在470℃～530℃温度下加热保温一段时间,随后降低至特定温度通过热终轧/热终锻处理到规定尺寸,最后对板材/锻件进行固溶淬火+拉伸/压缩+时效处理,达到最终所需的热处理状态及尺寸；所述工艺在正常的热初轧/热初锻后,采取合适的中低温锻造/轧制,可以在保障材料不发生开裂的同时,进一步碎化合金中的化合物及大尺寸析出相,通过上述方式,可以有效消除大尺寸化合物/析出相的影响,改善合金的综合性能。(The invention relates to a preparation process for improving the comprehensive performance of an aluminum alloy thick plate and a forged piece, which comprises the steps of heating a plate subjected to hot initial rolling/a forged piece subjected to hot initial rolling at the temperature of 260-300 ℃, then deforming by a certain deformation amount in a forging/rolling mode, heating and preserving heat of the deformed plate/forged piece at the temperature of 470-530 ℃ for a period of time, then reducing the temperature to a specific temperature, carrying out hot finish rolling/hot finish forging treatment to a specified size, and finally carrying out solid solution quenching, stretching/compressing and aging treatment on the plate/forged piece to achieve the final required heat treatment state and size; according to the process, after normal hot initial rolling/hot initial forging, proper medium-low temperature forging/rolling is adopted, so that the compound and large-size precipitated phases in the alloy can be further crushed while the material is prevented from cracking, and by the mode, the influence of the large-size compound/precipitated phase can be effectively eliminated, and the comprehensive performance of the alloy is improved.)
技术领域
本发明涉及一种提高铝合金板材及锻件综合性能的制备方法，属于铝合金热加工及热处理工艺。
背景技术
采取更高比高强度且具有优良综合性能的铝合金是降低结构重量，有效的提高航空、航天领域装备的运载能力的一个重要措施。为了进一步提高强度，采取增加主合金元素含量并采用多元微合金化的方式已经成为超高强度铝合金的重要发展趋势。现阶段700MPa级强度的7xxx系超高强铝合金中合金元素含量基本在15％wt～18％wt左右，600MPa级的铝锂合金中合金元素种类有7～8种，总含量接近9％，这些合金中主要合金元素均接近或超过了铝合金的固溶极限。这就导致在铸锭凝固过程中，合金化元素与微合金化元素以及Fe、Si杂质相结合形成大量的粗大化合物，分在在晶界附近。同时，均匀化缓冷时，铸锭在晶界、晶内也会析出粗大片针状析出相，传统的热变形和热处理工艺很难消除这些组织，从而会“遗传”到最终使用产品的晶界、亚晶界上，导致了合金具有较低的抗应力腐蚀性能、断裂韧度以及较低的高向塑性，直接影响了合金的应用。
随着合金含量的增加，铝合金中大尺寸化合物以及均匀化过程中析出的大尺寸析出相数量及尺寸也随之增加，采取常规的热加工及固溶工艺很难将这些大尺寸的化合物以及析出相完全消除，这些大尺寸的“残余相”保留在晶界、亚晶界位置，严重影响合金的塑性和断裂韧度。
申请号为201910693641.2的专利通过一次固溶淬火后的中温保温+轧制的方式，解决了大尺寸“魏氏体”在晶界、亚晶界“遗传”的问题。但是一方面，其工艺步骤较为复杂，材料需要多次固溶冷却，导致生产成本高、周期长。另一方面是采取该工艺制备的合金存在再结晶组织导致断裂韧度降低的问题，合金的断裂韧性、高向塑性仍不够理想。
发明内容
本发明的目的是：提出一种提高铝合金厚板及锻件综合性能的制备工艺，通过该方法，可使合金板材在强度不降低的情况下，塑性、断裂韧度、腐蚀性能、疲劳性能等综合性能获得较大提升。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：
一种提高铝合金厚板及锻件综合性能的制备工艺，将经过热初轧的板材/ 热初锻的锻件在260℃～300℃的温度下进行加热，然后通过锻造/轧制的方式进行一定的变形量的变形，变形后的板材/锻件在470℃～530℃温度下加热保温一段时间，随后降低至特定温度通过热终轧/热终锻处理到规定尺寸，最后对板材 /锻件进行固溶淬火+拉伸/压缩+时效处理，达到最终所需的热处理状态及尺寸。
所述制备工艺步骤为：
步骤一、中温轧制/锻造：将经过热初轧/热初锻造的板材或锻件放入加热炉内进行加热，加热温度260℃～290℃，待板材或锻件热透后取出进行轧制/锻造，变形量控制在15～30％范围；
步骤二、高温加热保温：将经过步骤一处理的板材或锻件进行高温加热保温处理，采取到温入炉的方式，加热温度470℃～520℃，保温时间2～4h；
步骤三、热终轧/热终锻：将经过步骤二处理的板材及锻件，冷却至380℃～470℃，然后进行轧制/锻造，轧制或锻造变形量控制在20～35％范围，空冷至室温；
步骤四、固溶淬火处理：将经过步骤三处理后的板材或锻件进行固溶淬火处理，固溶温度472℃～540℃，室温水淬火至室温；
步骤五、冷变形处理：淬火后的板材及锻件在4h之内完成冷拉伸或冷压缩处理；
步骤六、人工时效处理：冷变形的板材或锻件采取单级或双级人工时效处理，。
步骤三冷却方式采用空冷、风冷或水冷。
步骤四保温时间为3×t min(t为板材或锻件最大截面厚度，mm)。
步骤五冷变形量在1.0～5.0％。
步骤六单级时效温度120℃～175℃，双级时效时一级时效温度 115℃～125℃，二级时效温度155～165℃。
所述工艺适用的合金成分及重量百分比为：Cu 1.5～4.5％，Mg 0.2～3.0％， Zn0.4～12.0％，Li 0.25～2.3％，Mn 0.05～0.8％，Zr 0.02～0.25％，Ti 0.01～0.10％，以及Sc 0.05～0.25％，Ag 0.2～0.6％，Er 0.10～0.25％中的任意1～3种，杂质元素Si≤0.15％,Fe≤0.15％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al。
所述工艺在正常的热初轧/热初锻后，采取合适的中低温(260℃～300℃) 锻造/轧制，可以在保障材料不发生开裂的同时，进一步碎化合金中的化合物及大尺寸析出相，同时，在这些相附近积存较多的变形储能；高温加热过程中，以化合物及大尺寸析出相为核心发生再结晶，将其从晶界/亚晶界位置转移到晶内；在随后的热变形时，再结晶组织沿着轧制/锻压方向变形，重新成为变形组织，弥补了再结晶导致的断裂韧度降低的问题。通过上述方式，可以有效消除大尺寸化合物/析出相的影响，改善合金的综合性能。
本发明的有益效果是：
本发明针对高合金含量铝合金板材及锻件中在晶界、亚晶界上存在的大尺寸的化合物以及片状“魏氏体”组织从而影响合金综合性能特别是导致断裂韧度与高向塑性恶化的问题，通过对轧板/锻件进行一定变形量的中温热变形，结合后续的高温加热+最终热变形工艺，一方面在相对较低的温度下进行变形可以进一步碎化粗大化合物以及“魏氏体”组织，同时，引入部分变形储能；另一方面通过高温加热，使变形组织以粗大化合物或“魏氏体”为核心，形成部分再结晶，而随后的最终热变形，可以使再结晶组织发生变形，重新成为变形组织，从而在不降低合金强度的同时，提高合金的断裂韧度、塑性(特别是高向塑性)、耐蚀性能，获得具有优良综合性能的产品。
本发明通过中温变形+高温加热保温+最终热变形的方式，解决了高合金含量铝合金中大尺寸化合物以及大尺寸“魏氏体”在晶界、亚晶界“遗传”，从而导致合金综合性能恶化的问题，避免了合金强度增加的同时，其他性能难以满足要求的不足，使超高强度、高综合性能铝合金板材及锻件的工业化制备以及工程应用变为可行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施的技术方案，下面将对本发明的实例中需要使用的附图作简单的解释。显而易见，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，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的附图。
图1为不同工艺制备的板材高倍组织形貌；
图中，a)、b)为传统工艺(热轧+固溶淬火+预拉伸+时效)处理后80mm 板材纵截面高倍组织，可以观察到大量大尺寸化合物以及“魏氏体”组织；
c)、d)为经过本发明的热初轧+温轧+高温加热+终轧+固溶+预拉伸+时效处理后的纵截面高倍组织，可以观察到残余相基本消失，“魏氏体”变为细小颗粒相。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将详细描述本发明实施例的各个方面的特征。在下面的详细描述中，提出了许多具体的细节，以便对本发明的全面理解。但是，对于本领域的普通技术人员来说，很明显的是，本发明也可以在不需要这些具体细节的情况下就可以实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例对本发明更好的理解。本发明不限于下面所提供的任何具体设置和方法，而是覆盖了不脱离本发明精神的前提下所覆盖的所有的产品结构、方法的任何改进、替换等。
实施例一采用Al-Cu-Li系合金，2系铝合金验证本发明的方法，具体如下：
采用本发明所涉及的提高铝合金厚板及锻件综合性能的方法，所对应的合金成分及重量百分比为：Cu 4.1％，Li 1.56％，Mg 1.18％，Zn 0.42％，Mn 0.41％， Ag 0.33％，Zr0.08％，Ti 0.02％，Si 0.06％，Fe 0.11％，余量为Al，将厚度400mm 的扁锭在505±10℃温度下进行加热，然后出炉热轧，快速轧制到130mm，随后，将板材转移至中温炉内加热保温，在290±10℃温度下保温8h，然后出炉轧制，轧制到105mm后停止，放置到室温。将板材转移至高温炉内加热，加热温度525±10℃，保温6h，随后降温至460℃后进行最终热轧，板材轧制到83mm。将轧制完毕的板材进行固溶淬火(530℃/4h,室温水淬火)+预拉伸处理(预拉伸变形量4.7％～5.3％)+人工时效处理(时效工艺120℃/12h+145℃/13h)从上述工艺处理后的板材上取样，观察高倍组织，并与正常轧制的板材进行对比，结果如图1所示。随后，测量时效处理后板材不同方向的拉伸、断裂韧度(KIC) 以及抗应力腐蚀性能(C环)，结果如表1所示。此外，也采取申请号为 201910693641.2对比专利工艺中所记载的工艺制备了80mm厚板，具体性能如表1所示。
传统工艺制备的80mm厚板的合金成分：Cu 3.6％，Li 1.42％，Mg 0.48％， Zn0.49％，Mn 0.30％，Ag 0.33％，Zr 0.09％，Ti 0.03％，Si 0.04％，Fe 0.09％，余量为Al。
对比专利制备的80mm厚板的合金成分：Cu 3.6％，Li 1.43％，Mg 0.5％， Zn0.48％，Mn 0.30％，Ag 0.33％，Zr 0.09％，Ti 0.02％，Si 0.04％，Fe 0.09％，余量为Al。
可以发现通过本发明的方法处理后，可以发现在经过本发明的处理后，大尺寸化合物的数量显著减少，且由晶界分布转移到晶内，大尺寸“魏氏体”全部转化成细小的碎块，从而使厚板在保证高强度的同时，塑性、断裂韧度、耐腐蚀性能均获得显著提高，综合性能显著提升。
表1本发明的方法处理前后性能比较
实施例二采用Al-Zn-Mg系合金，7系铝合金验证本发明的方法，具体如下：
采用本发明所涉及的提高铝合金板材及锻件综合性能的方法，对合金成分及重量百分比为：Zn 12.0％，Mg 2.8％，Cu 1.8％，Li 0.26％,Zr 0.10％，Mn 0.15％， Sc0.08％，Ti 0.03％，Si 0.08％，Fe 0.12％，余量为Al，将直径为430mm经过均匀化处理后的圆锭在400±10℃温度下进行加热，出炉热锻，经过两墩一拔处理后获得锻造坯料。将锻造坯料空冷至室温后放入空气炉内加热，加热温度 280±10℃，出炉进行23％变形量的锻造变形；然后放入空气循环炉内高温加热，加热时采取到温入炉方式，加热温度470℃，保温2h后降温至410±10℃后出炉锻造，锻造变形量为28％，空冷至室温。最后，将锻件进行固溶处理，固溶温度473±5℃/4h，室温水淬火，淬火后进行1.5～3.0％的冷压变形，120±3℃/8h+145±3℃/8～12h人工时效后测量锻件的拉伸、断裂韧度、剥落及抗应力腐蚀性能(C环)，结果如表2所示。
可以发现通过本发明的方法处理后，使锻件的强度、塑性特别是高向塑性、断裂韧度、耐腐蚀性能获得显著提高，综合性能显著提升。
表2本发明的方法处理前后性能比较
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。