一种航空器用铝合金大规格板材的制造方法与流程

1.本发明涉及一种铝合金板材的制造方法。


背景技术：

2.随着科学技术的发展时代不断进步，国产民用航空器制造质量和韧性方面又有了新的发展方向。铝合金作为国产民用航空器的主要材料之一，随着国产民用航空器的高强、高韧需求的提高，对铝合金的高强、高韧也随之有了更高的需求。
3.在实际应用中，国产民用航空器用铝合金的优势非常明显，而现有方法制造的航空器用铝合金大规格板材存在力学强度差和韧性低的问题。


技术实现要素：

4.本发明为了解决现有方法制造的航空器用铝合金大规格板材存在力学强度差和韧性低的问题，提出航空器用铝合金大规格板材的制造方法。
5.本发明航空器用铝合金大规格板材的制造方法以下步骤进行：
6.一、熔炼和铸造：
7.按重量百分比为cu：2.0％～2.5％、mg：1.9％～2.3％、zn：7.9％～8.4％、mn≤0.05，zr≤0.2和余量为al称取cu板、mg锭、zn锭、铝锰中间合金、铝锆中间合金和al锭为原料，将原料进行熔炼和铸造，得到铸锭；其中，铸锭中杂质si或fe质量百分比小于0.4％，铸锭中杂质ni或cr质量百分比小于0.1％；
8.二、热轧成板材：
9.首先将铸锭加热至350℃～480℃，然后进行热轧，得到板材；
10.三、热处理：
11.将步骤二得到的板材放入辊底式淬火炉中，在430℃～470℃的条件下加热90min～120min，然后打开炉门进行淬火，将淬火后的板材进行拉伸，拉伸后将板材置于时效炉中进行时效处理；时效处理工艺为：首先加热至100℃并保温200min～1200min，然后升温至160℃并保温120min，最后降温至100℃～160℃并保温900min～1200min，出炉空冷。
12.本发明原理和有益效果为：
13.1、本发明中，mg元素是变形铝合金中使用最广泛、最有效的合金元素之一；mg元素的主要作用是通过固溶强化和与其他元素形成一系列的可溶的金属化合物强化相来提高合金的强度。
14.cu元素作为主要元素之一，铝铜合金富铝部分温度达到548℃时，铜在铝中的较大溶解度为5.65％，温度降到302℃时，铜的溶解度为0.45％。铜是重要的合金元素，有一定的固溶强化效果，此外时效析出的cual2有着明显的时效强化效果。
15.zn元素作为主要元素之一，锌单独加入铝中，在变形条件下对铝合金强度的提高十分有限，同时存在应力腐蚀开裂、倾向，因而限制了它的应用。在铝中同时加入锌和镁，形成强化相mg/zn2，对合金产生明显的强化作用。mg/zn2含量从0.5％提高到12％时，可明显
增加抗拉强度和屈服强度。镁的含量超过形成mg/zn2相所需超硬铝合金中，锌和镁的比例控制在2.7左右时，应力腐蚀开裂抗力较大。如在al－zn－mg基础上加入铜元素，形成al－zn－mg－cu系合金，基强化效果在所有铝合金中较大，也是航天、航空工业、电力工业上的重要的铝合金材料。
16.2、本发明采用半连续铸造工艺结合铝合金铸锭原料的科学配比，以及先进的热处理工艺，有效提高了铝合金板材的力学强度以及韧性，解决了现有方法制备的国产民用航空器用铝合金大规格板材力学性能差和韧性低的问题。
17.3、本发明所得铝合金大规格板材的比重小，仅为钢的1/3，可减轻重量，节约能耗，增加载重量；并且力学性能好，延长了使用年限；焊接和加工成型性能好，利于后期加工；铝废料易于回收，可以循环使用，同时，不燃烧，遇火安全。
具体实施方式
18.本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
19.具体实施方式一：本实施方式航空器用铝合金大规格板材的制造方法以下步骤进行：
20.一、熔炼和铸造：
21.按重量百分比为cu：2.0％～2.5％、mg：1.9％～2.3％、zn：7.9％～8.4％、mn≤0.05，zr≤0.2和余量为al称取cu板、mg锭、zn锭、铝锰中间合金、铝锆中间合金和al锭为原料，将原料进行熔炼和铸造，得到铸锭；其中，铸锭中杂质si或fe质量百分比小于0.4％，铸锭中杂质ni或cr质量百分比小于0.1％；
22.二、热轧成板材：
23.首先将铸锭加热至350℃～480℃，然后进行热轧，得到板材；
24.三、热处理：
25.将步骤二得到的板材放入辊底式淬火炉中，在430℃～470℃的条件下加热90min～120min，然后打开炉门进行淬火，将淬火后的板材进行拉伸，拉伸后将板材置于时效炉中进行时效处理；时效处理工艺为：首先加热至100℃并保温200min～1200min，然后升温至160℃并保温120min，最后降温至100℃～160℃并保温900min～1200min，出炉空冷。
26.1、本实施方式中，mg元素是变形铝合金中使用最广泛、最有效的合金元素之一；mg元素的主要作用是通过固溶强化和与其他元素形成一系列的可溶的金属化合物强化相来提高合金的强度。
27.cu元素作为主要元素之一，铝铜合金富铝部分温度达到548℃时，铜在铝中的较大溶解度为5.65％，温度降到302℃时，铜的溶解度为0.45％。铜是重要的合金元素，有一定的固溶强化效果，此外时效析出的cual2有着明显的时效强化效果。
28.zn元素作为主要元素之一，锌单独加入铝中，在变形条件下对铝合金强度的提高十分有限，同时存在应力腐蚀开裂、倾向，因而限制了它的应用。在铝中同时加入锌和镁，形成强化相mg/zn2，对合金产生明显的强化作用。mg/zn2含量从0.5％提高到12％时，可明显增加抗拉强度和屈服强度。镁的含量超过形成mg/zn2相所需超硬铝合金中，锌和镁的比例控制在2.7左右时，应力腐蚀开裂抗力较大。如在al－zn－mg基础上加入铜元素，形成al－
zn－mg－cu系合金，基强化效果在所有铝合金中较大，也是航天、航空工业、电力工业上的重要的铝合金材料。
29.2、本实施方式采用半连续铸造工艺结合铝合金铸锭原料的科学配比，以及先进的热处理工艺，有效提高了铝合金板材的力学强度以及韧性，解决了现有方法制备的国产民用航空器用铝合金大规格板材力学性能差和韧性低的问题。
30.3、本实施方式所得铝合金大规格板材的比重小，仅为钢的1/3，可减轻重量，节约能耗，增加载重量；并且力学性能好，延长了使用年限；焊接和加工成型性能好，利于后期加工；铝废料易于回收，可以循环使用，同时，不燃烧，遇火安全。
31.具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述cu板、mg锭、zn锭、铝锰中间合金、铝锆中间合金和al锭的纯度为99.9％以上。
32.具体实施方式三：本实施方式与体实施一或二不同的是：步骤一所述熔炼工艺为：首先将cu板、mg锭、zn锭和al锭加入到电阻反射炉内，然后加入铝锰中间合金和铝锆中间合金，电阻反射炉加热至775～785℃，每19～21分钟搅拌一次，共搅拌3～5次，搅拌期间保持熔体温度在775～785℃；然后采用ar
‑
cl2混合气体精炼9～11min，最后覆盖上熔剂，得到合金熔体。
33.具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：所述熔剂按照质量百分比由38％
‑
46％的mgcl2、5％
‑
8％bacl2和余量的kcl制成。
34.具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一所述铸造为半连续铸造，工艺为：在温度为750℃的条件下，将合金熔体导入电阻反射炉的静置炉，通入ar
‑
cl2混合气体进行精炼14～16min后静置29～31min，保持电阻反射炉中的合金熔体液面和流盘内的合金熔体液面在同一水平，然后在铸造速度为35mm/min、铸造温度为725℃和铸造冷却水压为0.05mpa的条件下进行半连续铸造。
35.具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二所述热轧的工艺为：单道次加工率不超过50％，总加工率不低于50％。
36.具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤三中对淬火后的板材进行拉伸时拉伸量为1.5％～3.0％。
37.具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤三中的辊底式淬火炉精度为正负3℃，时效炉的精度为正负5℃。
38.具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤一中按重量百分比为cu：2.1％、mg：2％、zn：8％、mn：0.05，zr：0.2和余量为al称取cu板、mg锭、zn锭、铝锰中间合金、铝锆中间合金和al锭为原料，将原料进行熔炼和铸造，得到铸锭。
39.具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤三中将步骤二得到的板材放入辊底式淬火炉中，在450℃的条件下加热110min，然后打开炉门进行淬火，将淬火后的板材进行拉伸，拉伸后将板材置于时效炉中进行时效处理；时效处理工艺为：首先加热至100℃并保温1200min，然后升温至160℃并保温120min，最后降温至100℃并保温1200min，出炉空冷。
40.实施例一：
41.本实施例航空器用铝合金大规格板材的制造方法以下步骤进行：
42.一、熔炼和铸造：
43.按重量百分比为cu：2.1％、mg：2％、zn：8％、mn：0.05，zr：0.2和余量为al称取cu板、mg锭、zn锭、铝锰中间合金、铝锆中间合金和al锭为原料，将原料进行熔炼和铸造，得到铸锭；其中，铸锭中杂质si或fe质量百分比小于0.4％，铸锭中杂质ni或cr质量百分比小于0.1％；
44.所述cu板、mg锭、zn锭、铝锰中间合金、铝锆中间合金和al锭的纯度为99.9％以上；
45.步骤一所述熔炼工艺为：首先将cu板、mg锭、zn锭和al锭加入到电阻反射炉内，然后加入铝锰中间合金和铝锆中间合金，电阻反射炉加热至780℃，每20分钟搅拌一次，共搅拌3次，搅拌期间保持熔体温度在780℃；然后采用ar
‑
cl2混合气体精炼10min，最后覆盖上熔剂，得到合金熔体；
46.所述熔剂按照质量百分比由40％的mgcl2、6％bacl2和余量的kcl制成；
47.步骤一所述铸造为半连续铸造，工艺为：在温度为750℃的条件下，将合金熔体导入电阻反射炉的静置炉，通入ar
‑
cl2混合气体进行精炼15min后静置30min，保持电阻反射炉中的合金熔体液面和流盘内的合金熔体液面在同一水平，然后在铸造速度为35mm/min、铸造温度为725℃和铸造冷却水压为0.05mpa的条件下进行半连续铸造；
48.二、热轧成板材：首先将铸锭加热至400℃，然后进行热轧，得到板材；
49.步骤二所述热轧的工艺为：单道次加工率为10％，总加工率为60％；
50.三、热处理：
51.将步骤二得到的板材放入辊底式淬火炉中，在450℃的条件下加热110min，然后打开炉门进行淬火，将淬火后的板材进行拉伸，拉伸后将板材置于时效炉中进行时效处理；时效处理工艺为：首先加热至100℃并保温1200min，然后升温至160℃并保温120min，最后降温至100℃并保温1200min，出炉空冷。
52.步骤三中对淬火后的板材进行拉伸时拉伸量为2％；
53.步骤三中的辊底式淬火炉精度为正负3℃，时效炉的精度为正负5℃。
54.表1为实施例一制得的铝合金大规格板材的力学性能测试结果；
55.表2为实施例一制得的铝合金大规格板材的断裂韧性测试结果；
56.综上所述，实施例一制得的铝合金大规格板材性能优异，解决了目前航空器用铝合金大规格板材力学强度差和韧性低的问题。
57.表1
[0058][0059][0060]
表2
[0061][0062]
实施例二：
[0063]
本实施例航空器用铝合金大规格板材的制造方法以下步骤进行：
[0064]
一、熔炼和铸造：
[0065]
按重量百分比为cu：2.2％、mg：2.3％、zn：8.4％、mn：0.04，zr：0.15和余量为al称取cu板、mg锭、zn锭、铝锰中间合金、铝锆中间合金和al锭为原料，将原料进行熔炼和铸造，得到铸锭；其中，铸锭中杂质si或fe质量百分比小于0.4％，铸锭中杂质ni或cr质量百分比小于0.1％；
[0066]
所述cu板、mg锭、zn锭、铝锰中间合金、铝锆中间合金和al锭的纯度为99.9％以上；
[0067]
步骤一所述熔炼工艺为：首先将cu板、mg锭、zn锭和al锭加入到电阻反射炉内，然后加入铝锰中间合金和铝锆中间合金，电阻反射炉加热至780℃，每20分钟搅拌一次，共搅拌3次，搅拌期间保持熔体温度在780℃；然后采用ar
‑
cl2混合气体精炼10min，最后覆盖上熔剂，得到合金熔体；
[0068]
所述熔剂按照质量百分比由40％的mgcl2、6％bacl2和余量的kcl制成；
[0069]
步骤一所述铸造为半连续铸造，工艺为：在温度为750℃的条件下，将合金熔体导入电阻反射炉的静置炉，通入ar
‑
cl2混合气体进行精炼15min后静置30min，保持电阻反射炉中的合金熔体液面和流盘内的合金熔体液面在同一水平，然后在铸造速度为35mm/min、铸造温度为725℃和铸造冷却水压为0.05mpa的条件下进行半连续铸造；
[0070]
二、热轧成板材：首先将铸锭加热至400℃，然后进行热轧，得到板材；
[0071]
步骤二所述热轧的工艺为：单道次加工率为10％，总加工率为60％；
[0072]
三、热处理：
[0073]
将步骤二得到的板材放入辊底式淬火炉中，在450℃的条件下加热110min，然后打开炉门进行淬火，将淬火后的板材进行拉伸，拉伸后将板材置于时效炉中进行时效处理；时效处理工艺为：首先加热至100℃并保温1200min，然后升温至160℃并保温120min，最后降温至100℃并保温1200min，出炉空冷；
[0074]
步骤三中对淬火后的板材进行拉伸时拉伸量为5％；
[0075]
步骤三中的辊底式淬火炉精度为正负3℃，时效炉的精度为正负5℃。
[0076]
表3为实施例二制得的铝合金大规格板材的力学性能测试结果；
[0077]
表2为实施例二制得的铝合金大规格板材的断裂韧性测试结果；
[0078]
综上所述，实施例二制得的铝合金大规格板材性能优异，解决了目前航空器用铝合金大规格板材力学强度差和韧性低的问题。
[0079]
表3
[0080]
试样编号取样位置及方向抗拉强度屈服强度延伸率11/2处横向5785576.5
21/2处纵向5825626.731/4处横向5935597.341/4处纵向5925717.7
[0081]
表4
[0082]