一种民机一号肋用7系铝合金型材及其制备方法与流程

本发明属于民机用铝合金型材制造领域，具体涉及一种民机一号肋用7系铝合金型材及其制备方法。

背景技术：

航空制造业水平是国家实力的重要标志，自1970年我国启动首架大型民用飞机研制项目以来，我国航空制造业取得了明显进步，特别是近十余年来，随着我国经济和民航工业的快速发展，航空运输产业展现出了巨大的市场需求，研制具有自主知识产权的商用飞机作为国家目标之一被提上日程，相继启动了arj21新支线飞机和大型客机c919研制项目，arj21飞机于2016年正式投入航线运营，我国自主研制的大型喷气式客机c919也于2017年5月5日在上海浦东国际机场实现完美首飞，表明我们国家航空制造业又向前迈进了一大步。在未来20年，全球商用飞机交付量将达4万多架，总价值将达6万亿美元，其中我国新机交付量将达9000多架，占全球的22%。中国的民机之路将迎来快速发展期和广阔的市场良机。

航空用材料及其构件是飞机制造中的关键之一，但我国民机制造业在相关材料研发及构件成形制造方面仍相对落后，民机用航空铝合金材料及构件绝大多数需要进口，而技术含量更高的航空铝合金型材则完全依赖进口。民机的一号肋（也称为外翼翼肋）起到连接中央翼盒结构件和机翼结构件的作用，是民机上的关键结构件之一。一号肋结构与受力情况非常复杂，决定了铝合金型材断面复杂度高、性能及其均匀性要求高。一号肋形状复杂，需要采用断面复杂的异型材进行加工。

7055合金是美国铝业公司研发的一种超高强7系铝合金，具有高强度、高断裂韧性、良好耐蚀性等诸多优点，被广泛应用于制造机翼上长桁、机翼上壁板、机翼翼肋等关键结构件，在boeing777与a380客机上都被大量应用，被业界称为“王牌合金”。但7055铝合金的合金含量高、强度高，其挤压变形抗力大，挤压过程中易发生闷车现象；挤压变形过程温升较高，挤压变形区的材料温度不均匀，尤其是型材头部和尾部的温度差异较大，导致型材头部和尾部的组织性能差异过大，进而造成力学性能差异过大；同时，要求型材断面上每个位置的导电率差异不能超过3%iacs，型材断面上不同位置处的l向强度差异也不能超过30mpa，但由于一号肋型材断面形状复杂，势必增加了型材断面上每个位置的导电率和l向强度差异性控制的难度。上述问题和要求为民机一号肋用7系铝合金型材的成形制造提出了技术挑战。

目前国内有关企业和研究所针对7系铝合金的制备开展了较多研究。中国商用飞机有限责任公司2013年在专利cn103451583a中公开了生产飞机机翼长桁用型材的方法，所用7055坯锭由喷射沉积技术制备，采用反向挤压工艺，实现了7055型材挤压成形，型材各项性能达到ams4336标准的要求。山东南山铝业股份有限公司2016年于专利cn109295332a中公开了一种7系铝合金型材及其制备方法。通过对7055合金的成分与熔铸工艺进行系统优化，并配合合理的挤压工艺，成功生产出各项性能满足ams4336标准要求的型材。辽宁忠旺集团有限公司2018年于专利cn107604275a中公开了一种超高强7055铝合金型材生产工艺，采用正向挤压技术，通过模具优化，降低了挤压抗力，结合离线固溶淬火与双级时效，生产出满足ams4336标准要求的7055型材。中国商用飞机有限责任公司2012年在专利cn102501965a中公开了一种用于飞机外翼翼肋上緣条的型材，并公布了型材断面形状、型材曲面状态、机加工后的零件形状及其与其它零件的位向关系等。

我国现有技术研发的7系铝合金型材都是以满足一般型材的性能要求作为研发目标，而没有根据民机对铝合金型材产品的服役条件和性能要求作为研发目标。由于一号肋用铝合金型材断面形状复杂，米重大，需要采用先进的大吨位反向挤压机和拉伸机生产。我国民航工业起步较晚，对民机一号肋用7系铝合金型材的使用需求很少。采用现有技术生产一号肋用7系铝合金型材，无论是在设备条件还是生产工艺方面均存在如下瓶颈问题：采用铸锭等温加热的挤压技术，使得挤压过程中铸锭尾端的实际挤压温度远超过头端的温度，导致型材头端与尾端的尺寸、组织和性能存在明显差异；在米重超过47kg/m的大断面异型材的拉伸过程中，难以保证型材各个位置的变形均匀性，导致型材形位公差上难以合格；材料挤压变形不均匀性会影响7系型材的人工时效，难以保证型材不同位置的导电率和强度均匀性。

技术实现要素：

本发明提供一种民机一号肋用7系铝合金型材及其制备方法，以解决现有技术中存在的问题，并生产出满足民机对铝合金型材产品服役条件和性能要求的一号肋用7系铝合金型材。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种民机一号肋用7系铝合金型材，包括如下重量百分比的物质：si含量低于0.08%，fe含量低于0.10%，cu含量2.1%-2.4%，mg含量2.0%-2.2%，mn含量低于0.05%，cr含量低于0.02%，zn含量7.8%-8.2%，ti含量0.02%-0.06%，zr含量0.08%-0.12%，其余为al。

如上所述的一种民机一号肋用7系铝合金型材，所述的其它杂质元素不超过0.15%。

一种民机一号肋用7系铝合金型材的制备方法，包括如下步骤:

步骤一：采用半连续铸造方式铸造铸锭，铸锭铸造完成后，进行均匀化退火处理；

步骤二：用箱式模具加热炉对模具进行加热和保温处理，确保模具芯部到温，模具温度加热至390-410℃；

步骤三：挤压筒设定温度为400-420℃，待温度到达后保温，对铸锭进行加热，将到温后的铸锭按照尾端在内、头端在外的方向装入挤压筒，将模具装入挤压筒，并与铸锭头端贴近，缓慢插入空心轴进行反向挤压，挤压完成后，进行预拉伸拉直，获得铝合金型材初品。

步骤四：采用立式热处理炉对铝合金型材初品进行离线固溶处理，固溶处理温度为472-474℃，保温时间为100-200min，并确保固溶充分，保温完成后进行淬火降温，并立刻对淬火后的型材进行拉伸校直，消除淬火残余应力；

步骤五：在对型材进行淬火降温和拉伸校直后，在118℃下保温5h，然后升温至157℃保温7h，随后空冷降温至室温，获得铝合金型材。

如上所述的一种民机一号肋用7系铝合金型材的制备方法，所述步骤三中的铸锭加热方式为感应加热，其加热方法为：感应式加热炉沿铸锭长度方向等距分为若干个区域，每个区域均采用独立的感应加热线圈、热电偶及控温装置，在设定好铸锭头端温度和温度梯度后，每个区域的设定温度由程序自动计算和输入.

如上所述的一种民机一号肋用7系铝合金型材的制备方法，所述步骤三中的铸锭头端设定温度为370-450℃，铸锭从头端至尾端的温度呈梯度下降趋势，温度梯度为10-40℃/m。铸锭各区域加热到温后，将铸锭装入挤压筒，铸锭头端装入模具，进行挤压。

如上所述的一种民机一号肋用7系铝合金型材的制备方法，所述步骤三中单孔反向挤压的挤压轴速为0.1-0.5mm/s，轴速设定与铸锭加热温度相关，其原则为高温低速、低温高速。

如上所述的一种民机一号肋用7系铝合金型材的制备方法，所述步骤三中的预拉伸拉直的形变量为0.1-1.2%。

如上所述的一种民机一号肋用7系铝合金型材的制备方法，所述步骤四中的淬火方式采用水浸式淬火。

如上所述的一种民机一号肋用7系铝合金型材的制备方法，所述步骤四中拉伸校直采用四个夹头与组合工装配合，对型材进行四向夹持拉伸，以最大程度地保证型材全断面的均匀变形及其型材性能的均匀性，并有利于型材内部残余应力的有效释放，所述的拉伸校直的形变量为1-3%。

如上所述的一种民机一号肋用7系铝合金型材的制备方法，所述的步骤一的7系铝合金铸锭的铸造包括如下步骤：

步骤一：根据铝合金铸锭中各物质的质量百分比，并考虑到合金熔炼过程中的烧损及废料中合金成分及含量，根据投料量，计算出铝锭、锌锭、铜板、镁锭、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝钛中间合金、铝锆中间合金的重量，并根据计算结果，称量各种原料。

步骤二：将充分干燥的铝锭投入熔炼炉，熔化过程中控制炉膛温度为950-1050℃；铝锭全部熔化后，使用电磁搅拌设备搅拌25-35min。熔体温度到达700℃后，开始进行合金化，熔体温度起伏范围控制在700--750℃，分批加入铜板及各种中间合金，每批合金添加时间间隔20min，每次添加重量不超过800kg，采用电磁搅拌器进行持续搅拌，在合金化过程中每次投料前，均采用扒渣车扒净熔体表面浮渣。

步骤三：待全部原料投入熔炼炉且完全熔化后，将熔体由熔炼炉转入静置炉进行第一次精炼，静置炉炉膛温度为850℃，熔体从熔炼炉向静置炉转移时的温度控制在725-745℃，采用旋转通气装置进行精炼，其中转子转速为280-380rpm，并通入氩气与氯气混合气体，氩气流量为200-240slpm，氯气流量为5-15slpm，在精炼过程中及时清理浮出熔体的浮渣，每次精炼时间控制在30min，通过在固定位置取样进行化学成分分析，对熔体的合金成分进行精准调控。

步骤四：将在静置炉完成第一次精炼的熔体送入两级双转子除气箱进行第二次精炼，除气箱控制温度为725-735℃，熔体从静置炉向两级双转子除气箱转移时的温度控制在700-720℃，并在两级双转子除气箱内加入细化剂。

步骤五：将经过两级双转子除气箱进行第二次精炼的除气除渣后的熔体送入双层过滤箱中进行过滤，第一级过滤板孔隙率选择30ppi进行第四次除渣，第二级过滤板孔隙率选择50ppi进行第五次除渣，在每次起铸时，提前40min利用天然气燃烧喷枪的火焰对过滤板及整套流槽进行均匀预热，但加热时间不允许超过2h。

步骤六：将经过双层过滤箱过滤的熔体送入铸造机进行铸造，起始铸造速度为15-25mm/min，水流量24-28m³/h·根，同时启用结晶器自动润滑系统；当铸造长度达到100mm时，铸造速度调整为35-40mm/min，水流量调整为40-45m³/h·根，并保持匀速铸造；当铸锭长度超过550mm时，铸造速度调整为15-25mm/min，水流量调整为25-30m3/h·根。

步骤七：将铸造机铸造完成的铸锭立即送入均匀化炉中进行均匀化操作，按照不同合金配比和预设定的具体均匀化工艺进行均匀化退火，防止铸锭在其内部残余应力释放过程中产生裂纹。

本发明的优点是：

1、本发明针对民机一号肋用7系铝合金型材的性能要求，通过采用铸锭阶梯加热的等温反向挤压技术、组合工装均匀拉伸技术等，保证了型材不同位置的性能均匀性，生产出满足国产民机一号肋使用要求的7系铝合金型材。

2、目前国内绝大多数挤压机均为正向挤压机，绝大多数铝合金型材均采用正向挤压技术进行生产，一方面由于正向挤压所需挤压力远高于反向挤压，正向挤压一号肋用7055铝合金大断面型材所需挤压力已超过国内现有挤压机的能力范围；另一方面，正向挤压带来的型材头尾尺寸、组织、性能的差异心无法满足一号肋的使用要求。而国内现有反向挤压机的吨位相对较小，无法实现一号肋用大断面7系铝合金型材的挤压。同时，现有技术对铸锭进行等温加热，容易导致型材头端和尾端的温度和性能差异过大，无法满足民机一号肋的使用要求。本发明采用150mn的反向挤压机和铸锭梯度感应加热的等温反向挤压技术，有效降低了型材头端与尾端的温度和性能差异。

3、现有技术在进行铝合金型材拉伸时，拉伸机一般采用双向夹头夹持型材，对于6系铝合金型材，由于其强度相对较低，在双向夹头夹持下能够发生塑性变形，进而实现夹持力的均匀分布；对于一般用高强度7系铝合金型材，其截面一般较规整，尽管双向夹头的钳口无法使型材发生明显塑性变形，但由于一般型材对残余应力及性能均匀性要求不高，采用双向夹头夹持型材进行拉伸，也能够满足产品要求。但民机一号肋用7系铝合金型材断面形状复杂，尤其是7055合金的强度远高于一般2系和7系铝合金，更重要的是，民机一号肋型材的全断面变形均匀性、型材性能均匀性和残余应力要求十分苛刻，现有技术根本无法实现型材全断面的均匀变形，也无法保证型材性能的均匀性和残余应力的有效释放。为此，本发明提出了一种组合工装配合四向夹持夹头进行拉伸的技术方法，工装组件与型材配合良好，配合后整体上呈形状规则的长方形，非常利于夹持，同时采用上下左右四向钳口，夹持工装组件，进而通过这些工装组件，将四向钳口的夹持力均有有效地传递到型材，使整个型材断面被整体牵引拉伸，最终使型材在拉伸校直过程中其断面不同部位均承受相对均匀的拉伸变形，这就最大程度地保证了型材全断面的变形均匀性和型材性能的均匀性，且有利于残余应力的有效释放。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是民机一号肋使用位置的结构示意图，部件1为一号肋，部件2为机翼结构件，部件3为中央翼盒结构件；

图2是民机一号肋用7系铝合金型材结构示意图；

图3是常见6系铝合金多腔壁板型材拉伸过程夹持部位示意图，部件1和部件3分别为拉伸机夹持装置上钳口和下钳口，上、下钳口上的箭头代表夹持力的施加方向，部件2为多腔壁板6系铝型材；

图4是本发明淬火后拉伸用工装装配图，部件1、2、3、5、6、7均为工装组件，部件4为本发明的挤压型材初品，工装组件与型材良好配合，配合后整体上呈形状规则的长方形，有利于四向钳口的夹持；

图5是本发明拉伸过程的四向夹头与组合工装配合使用的夹持部位示意图，部件1、4、6、9为拉伸机四向夹头的钳口，钳口上的箭头代表夹持力的施加方向；部件3、5、7、8、10、11为6块工装组件，起到填充作用，能够将钳口的夹持力均匀传递到型材；部件2为本发明的型材初品；

图6是本发明型材检测取样选取点的位置示意图；

图7是本发明的型材成品的实物图。

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

步骤一：采用半连续铸造方式生产出各项指标均满足技术规范的大规格7系铸锭，并进行均匀化退火。对铸锭进行化学分析，si含量为于0.05%，fe含量为0.08%，cu含量2.25%，mg含量2.15%，mn含量为0.02%，cr含量为0.0084%，zn含量8.21%，ti含量0.035%，zr含量0.103%，余量为铝；

步骤二：用箱式模具加热炉对模具进行加热和保温处理，确保模具芯部到温，模具温度加热至390℃；

步骤三：挤压筒设定温度为400℃，待温度到达后方可进行挤压，铸锭头端设定温度为370℃，铸锭从头端至尾端温度呈梯度下降趋势，温度梯度为40℃/m，将加热到温的铸锭装入挤压筒，铸锭头端装入左右双孔模具，进行反向挤压，反向挤压的挤压轴速为0.5mm/s，挤压完成后，进行预拉伸拉直，变形量为1.1%，获得铝合金型材初品；

步骤四：采用立式热处理炉，对铝合金型材初品进行离线固溶处理，固溶处理温度为472℃，保温时间为100min；保温完成后进行水浸式淬火，打开热处理炉的下方炉门，松开吊具缆绳的制动装置，型材连同吊具快速降落和浸入室温冷却水中进行充分冷却，对淬火后的型材立刻进行拉伸校直，拉伸校直采用四个夹头与组合工装配合，对型材进行四向夹持拉伸，消除淬火残余应力，拉伸校直的形变量为1.3%；

步骤五：型材淬火降温和拉伸校直后，在118℃下保温5h，然后升温至157℃保温7h，随后空冷降温至室温，获得铝合金型材。

实施例2

步骤一：采用半连续铸造方式生产出各项指标均满足技术规范的大规格7系铸锭，并进行均匀化退火。对铸锭进行化学分析，si含量为于0.06%，fe含量为0.08%，cu含量2.15%，mg含量2.19%，mn含量为0.02%，cr含量为0.0081%，zn含量7.98%，ti含量0.034%，zr含量0.098%，余量为铝；

步骤二：用箱式模具加热炉对模具进行加热和保温处理，确保模具芯部到温，模具温度加热至410℃；

步骤三：挤压筒设定温度为420℃，待温度到达后方可进行挤压，铸锭头端设定温度为450℃，铸锭从头端至尾端温度呈梯度下降趋势，温度梯度为10℃/m，将加热到温的铸锭装入挤压筒，铸锭头端装入左右双孔模具，进行反向挤压，反向挤压的挤压轴速为0.1mm/s，挤压完成后，进行预拉伸拉直，变形量为0.2%，获得铝合金型材初品；

步骤四：采用立式热处理炉，对铝合金型材初品进行离线固溶处理，固溶处理温度为474℃，保温时间为100min；保温完成后采用水浸式淬火降温，打开热处理炉的下方炉门，松开吊具缆绳的制动装置，将型材连同吊具快速降落并浸入室温冷却水中，进行充分淬火冷却；将淬火后的型材立刻进行拉伸校直，拉伸校直采用四个夹头与组合工装配合，对型材进行四向夹持拉伸，消除淬火残余应力，拉伸校直的形变量为2.53%；

步骤五：型材淬火降温和拉伸校直后，在118℃下保温5h，然后升温至157℃保温7h，随后空冷降温至室温，获得铝合金型材。

实施例3

步骤一：采用半连续铸造方式生产出各项指标均满足技术规范的大规格7系铸锭，并进行均匀化退火。对铸锭进行化学分析，si含量为于0.05%，fe含量为0.09%，cu含量2.13%，mg含量2.12%，mn含量为0.01%，cr含量为0.0071%，zn含量8.14%，ti含量0.029%，zr含量0.114%，余量为铝；

步骤二：用箱式模具加热炉对模具进行加热和保温处理，确保模具芯部到温，模具温度加热至400℃；

步骤三：挤压筒设定温度为410℃，待温度到达后方可进行挤压，铸锭头端设定温度为430℃，铸锭从头端至尾端温度呈梯度下降趋势，温度梯度为20℃/m，将加热到温的铸锭装入挤压筒，铸锭头端装入左右双孔模具，进行反向挤压，反向挤压的挤压轴速为0.2mm/s，挤压完成后，进行预拉伸拉直，变形量为0.9%，获得铝合金型材初品；

步骤四：采用立式热处理炉，对铝合金型材初品进行离线固溶处理，固溶处理温度为474℃，保温时间为200min，保温完成后采用水浸式淬火降温，打开热处理炉下方炉门，松开吊具缆绳的制动装置，使型材连同吊具快速降落并浸入室温冷却水中进行充分冷却，然后对淬火后的型材立刻进行拉伸校直，拉伸校直采用四个夹头与组合工装配合，对型材进行四向夹持拉伸，消除淬火残余应力，拉伸校直的形变量为2.14%；

步骤五：型材淬火降温和拉伸校直后，在118℃下保温5h，然后升温至157℃保温7h，随后空冷降温至室温，即得到铝合金型材。

对实施例1-3所生产的7系铝合金型材的性能进行检测，检测选取部位如图6所示，检测结果如表1所示。

表1

由本发明实施例1-3的检测结果可看出，本发明采用铸锭阶梯加热的等温反向挤压技术、组合工装均匀拉伸技术，成功生产出一号肋用7系铝合金型材，抗拉强度超过660mpa，屈服强度超过627mpa，伸长率范围10.8-12.1%，型材断面不同部位的强度和电导率的均匀性优异，满足了民机一号肋的使用要求，填补了国内空白，一号肋7系铝合金型材的实物照片如图7所示。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。