一种提高Al-Cu系高强铝合金环件力学性能的方法
【专利摘要】一种提高Al?Cu系高强铝合金环件力学性能的方法。其主要步骤为：在Al?Cu系高强铝合金环件多向锻造、冲孔、扩孔、环轧等塑性成形过程中引入高温固溶?降温析出热处理与环轧后最终快速升温?高温固溶处理的多重高温固溶热处理工艺，其主要特征是：(1)高温固溶?降温析出热处理，高温固溶温度为535～548℃，固溶时间为0.5?20h，降温析出温度为450～500℃，时间为0.5～4h；(2)环轧后最终快速升温?高温固溶，升温速率100～200℃/h,高温固溶温度为535～548℃，固溶时间为0.5?20h。与常规塑性成形工艺流程相比,本发明引入高温固溶?降温析出热处理与环轧后最终快速升温?高温固溶处理工艺，显著减少残余结晶相的数量和尺寸和促进再结晶，提高高强铝合金环件强度5～10％，延伸率提高50％以上。本发明工艺方法简单、操作方便，适于工业化应用，对提高航空航天、交通运输等领域应用的Al?Cu系高强铝合金环件的性能具有重要作用。
【专利说明】
-种提高AI-Cu系高强错合金环件力学性能的方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种提高Al-Cu系高强侣合金环件力学性能的方法，特别是指在合金 环件多向锻造、冲孔、扩孔、环社等塑性成形过程中引入高溫固溶-降溫析出热处理与环社 后最终快速升溫-高溫固溶处理工艺提高Al-化系高强侣合金环件力学性能的方法，属于金 属材料塑性成形与热处理工艺技术领域。
【背景技术】
[0002] 化系高强侣合金环件是一类重要的轻质高强结构材料，广泛应用于航空航天、 交通运输等领域。Al-Cu系高强侣合金环件的制备流程包括铸锭多向锻造、锻巧冲孔、锻巧 扩孔和环巧环社塑性成形过程和固溶与时效等热处理过程。常规的Al-Cu系高强侣合金环 件制备过程为：将铸锭或巧料在加热炉中350~50(TC预热后进行多向锻造开巧、冲孔、扩 孔、环社塑性成形，中间经过多道次350~500°C预热退火，之后再进行最终的固溶和时效热 处理过程。锻巧和环巧塑性变形前的常规预热退火工艺溫度远低于固溶溫度，只能起到预 热和降低加工硬化的退火作用，对Al-Cu系高强侣合金巧料中残余的粗大凝固结晶相不能 起固溶的作用，且组织各向异性严重，环件塑性成形后虽经最终的固溶和时效热处理，但残 余结晶相数量多且尺寸较大，各向异性严重，导致环件最终的力学性能偏低，难W满足新一 代航空航天运载器等重大工程对高性能M-化系高强侣合金环件需要。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种工艺方法简单、操作方便、通 过高溫固溶热处理提高M-化系高强侣合金环件力学性能的方法。本发明在环件多向锻造、 冲孔、扩孔、环社等塑性成形过程中引入高溫固溶-降溫析出热处理与环社后最终快速升 溫-高溫固溶处理工艺的多重高溫固溶热处理工艺，可有效促进残余结晶相固溶进入基体， 显著减少残余结晶相的数量、尺度，促进再结晶，有效提高Al-Cu系高强侣合金环形力学性 能。
[0004] 本发明一种提高Al-Cu系高强侣合金环件力学性能的方法，是在侣合金环件塑性 成形工艺过程中的任意相邻两个塑性变形工序之间或任意相邻两个塑性变形工序之后进 行一次高溫固溶保溫+低溫析出工艺，在侣合金环件塑性成形工艺结束后，进行一次快速高 溫固溶+水泽热处理，最后，进行人工时效。
[0005] 本发明一种提高Al-Cu系高强侣合金环件力学性能的方法，侣合金环件塑性成形 工艺过程包括的塑性变形工序为锻造工序、冲孔工序、扩孔工序、环社工序。
[0006] 本发明一种提高M-化系高强侣合金环件力学性能的方法，所述高溫固溶保溫+低 溫析出工艺在锻造工序、冲孔工序、扩孔工序、环社工序中的任意相邻两个塑性变形工序之 间或在锻造工序、冲孔工序、扩孔工序、环社工序中的任意相邻两个塑性变形工序之后进 行。
[0007] 本发明一种提高M-化系高强侣合金环件力学性能的方法，高溫固溶保溫+低溫析 出工艺参数为:高溫固溶溫度535~548°C，保溫时间0.5-20h，降溫析出溫度为450~500°C， 析出保溫时间为0.5~4h;优选的高溫固溶溫度为538~545°C，保溫时间3~15h;优选降溫 析出溫度为460~490°C，析出保溫时间为1~化。
[0008] 本发明一种提高M-化系高强侣合金环件力学性能的方法，快速高溫固溶+水泽热 处理工艺参数为:升溫速率IOOtVhW上，高溫固溶溫度535~548°C，保溫0.5-20h后水泽； 优选的快速高溫固溶溫度为538~545°C，保溫时间5~20h。
[0009] 本发明一种提高Al-Cu系高强侣合金环件力学性能的方法，快速高溫固溶升溫速 率为 100-200 °C A。
[0010] 本发明一种提高M-化系高强侣合金环件力学性能的方法，化系高强侣合金包 括下述组分，按质量百分比组成：
[0011] Cu 5.8-6.8%,余量为Al。
[0012] 本发明一种提高M-化系高强侣合金环件力学性能的方法，化系高强侣合金包 括下述组分，按质量百分比组成：
[0013] Cu 5.8-6.8%,
[0014] MnO. 2-0.4%,
[0015] ZrO. 10-0.16%，余量为Al。
[0016] 本发明一种提高Al-Cu系高强侣合金环件力学性能的方法，处理后的侣合金环件 力学性能参数为：化为:421-443/Mpa，日日.2为330-358Mpa，S为6-9 %。
[0017] 本发明在Al-Cu系高强侣合金环件塑性成形过程中进行高溫固溶-降溫析出热处 理多重高溫固溶热处理工艺，一方面可W利用变形过程中产生的位错和高溫条件的综合作 用强化固溶，促进环件大部分结晶相的溶解，利用降溫析出第二相，利用粒子促进再结晶形 核，降低各向异性;另一方面可充分消除加工硬化，起到退火的作用。环件成形后，采用快速 升溫-高溫固溶工艺，通过快速升溫减少缓慢升溫过程中第二相长大，并利用高溫固溶促进 结晶相固溶，有效提高高强侣合金环件强度和塑性。
[0018] 与常规的塑性变形一单次最终固溶热处理相比，本发明提出在Al-Cu系高强侣合 金环件的多向锻造、冲孔、扩孔、环社等塑性成形过程采用高溫固溶-降溫析出热处理与环 社后最终快速升溫-高溫固溶处理的多重高溫固溶热处理工艺。其中采用多向锻造等塑性 成形方法，细化粗大的原始晶粒和破碎粗大结晶相;通过在塑性成形过程中进行高溫固溶-降溫析出热处理，溶解大部分粗大结晶相，并在降溫过程中析出第二相，利用粒子促进再结 晶形核;通过后续的塑性成形处理，进一步细化晶粒和破碎结晶相;通过最终快速升溫-高 溫固溶处理工艺高溫固溶热处理，通过快速升溫减少缓慢升溫过程中第二相长大，并利用 高溫固溶促进结晶相进一步溶解，泽火形成过饱和固溶体，时效析出强化相。经过上述的固 溶热处理方法，显著减少了 Al-Cu系高强侣合金环件的残余结晶相，明显提高高强侣合金环 件的力学性能，特别是延伸率。本发明处理的合金环件较现有技术处理的合金环件的力学 性能有明显提高，其中：川平均提高了 5.25-9.38 %、〇〇. 2平均提高了 5.43~11 % ;塑性S平均 提高了 50~80 %。
[0019] 综上所述，本发明的Al-Cu系高强侣合金环件固溶热处理，工艺方法简单、操作方 便，能有效减少残余结晶的数量，显著提高环件的力学性能，特别是延伸率。本发明将推动 化系高性能高强侣合金环件的研发和工业化应用，对航空航天、交通运输等相关领域的 发展有重要作用。
【附图说明】
[0020] 附图1是本发明工艺流程示意图。
[0021] 附图2为对比例1采用常规塑性变形一单次固溶热处理后时效态合金的残余结晶 相金相照片；
[0022] 附图3为实施例1采用本发明多次固溶热处理后时效态合金的残余结晶相金相照 片；
[0023] 附图4为实施例6采用本发明多次固溶热处理时效态合金残余结晶相照片；
[0024] 从附图2、附图3和附图4可W看出：本发明实施例1和实施例2处理的Al-Cu系高强 侣合金环件的显微组织中的残余结晶相比对比例1常规工艺处理环件残余结晶相显著减 少。
【具体实施方式】：
[0025] 对比例1和实施例1-6采用均匀化的A1-6.3CU-0.3Mn-0.13Zr(质量分数)高强侣合 金铸巧，采用如附图1所示工艺流程进行塑性变形和多次固溶热处理，变形溫度、固溶溫度 等条件具体见对比例和实施例。对比例1和实施例1-6的多向锻造成形与冲孔、扩孔、环社的 塑性变形量相同。其中多向锻造与冲孔的等效应变为3,扩孔的等效应变为2,环社的等效应 变为2。
[0026] 采用对比例1和实施例1-6所制备的高强侣合金环件轴向强度与延伸率如表1。其 中力学拉伸实验参照GB/T228。
[0027] 对比例1:
[0028] Al-Cu系侣合金均匀化铸锭在450°C预热4h并多向锻造和冲孔;450°C预热4h并扩 孔、450 °C预热4h并环社、535 °C /地固溶泽火，3 %冷变形和165 °C /24h时效
[0029] 实施例1:
[0030] Al-Cu系侣合金均匀化铸锭在450°C预热4h并多向锻造和冲孔;535°C保溫4h高溫 固溶热处理和500°C保溫0.化降溫析出；450°C预热4h并扩孔、450°C预热4h并环社、535°C固 溶地泽火，3 %冷变形和165 °C /24h时效
[0031] 实施例2:
[0032] Al-Cu系侣合金均匀化铸锭在450°C预热4h并多向锻造和冲孔;450°C预热4h并扩 孔、535°C保溫20h高溫固溶热处理和450°C保溫地降溫析出，450°C预热地并环社、535°C固 溶20h泽火，3 %冷变形和165 °C /24h时效
[0033] 实施例3:
[0034] Al-Cu系侣合金均匀化铸锭在450°C预热4h并多向锻造和冲孔;450°C预热4h并扩 孔、535°C保溫地高溫固溶热处理和450°C保溫地降溫析出，450°C预热地并环社、升溫速率 100 °C A至535 °C并固溶20h水冷泽火至室溫，3 %冷变形和165 °C /2地时效
[0035] 实施例4:
[0036] Al-Cu系侣合金均匀化铸锭在450°C预热4h并多向锻造和冲孔;450°C预热4h并扩 孔、535°C保溫20h高溫固溶热处理和500°C保溫地降溫析出，450°C预热地并环社、升溫速率 200 °C A至535 °C固溶20h泽火，3 %冷变形和165 °C /24h时效
[0037] 实施例5:
[003引 Al-Cu系侣合金均匀化铸锭在450°C预热4h并多向锻造和冲孔;450°C预热4h并扩 孔、548°C保溫地高溫固溶热处理和450°C保溫地降溫析出，450°C预热地并环社、升溫速率 100 °C A至548 °C固溶地泽火，3 %冷变形和165 °C /2地时效
[0039] 实施例6:
[0040] 化系侣合金均匀化铸锭在450°C预热4h并多向锻造和冲孔;548°C保溫20h高溫 固溶热处理和450°C保溫4h降溫析出，；450°C扩孔、545 °C固溶IOh，450°C预热4h并环社、升 溫速率1 〇〇°C A至548 °C固溶20h泽火，3 %冷变形和165 °C /2地时效
[0041] 表1高强侣合金环件经多次固溶热处理并经时效后的轴向力学性能 「00471
[0043]表1结果显示，与常规塑性变形与单次固溶热处理方法相比，在Al-Cu系高强侣合 金环件多向锻造、冲孔、扩孔、环社等塑性成形过程中引入高溫固溶-降溫析出热处理与环 社后采用快速升溫-高溫固溶处理的多重高溫固溶热处理工艺，环件的轴向强度Ob为:421-443Mpa，〇〇.2为330-358Mpa，延伸率S为6-9%，较对比例1处理的合金环件的抗拉强度Ob平均 提高了 5.25-9.38 %、屈服强度〇〇. 2平均提高了 5.43~11 % ;延伸率5平均提高了 50~80 %。
【主权项】
1. 一种提高Al-Cu系高强铝合金环件力学性能的方法，其特征在于:在铝合金环件塑性 成形工艺过程中的任意相邻两个塑性变形工序之间或任意相邻两个塑性变形工序之后进 行一次高温固溶保温+低温析出工艺，在铝合金环件塑性成形工艺结束后，进行一次快速高 温固溶+水淬热处理，最后，进行人工时效。2. 根据权利要求1所述的一种提高Al-Cu系高强铝合金环件力学性能的方法，其特征在 于:铝合金环件塑性成形工艺过程包括的塑性变形工序为锻造工序、冲孔工序、扩孔工序、 环乳工序。3. 根据权利要求1所述的一种提高Al-Cu系高强铝合金环件力学性能的方法，其特征在 于:所述高温固溶保温+低温析出工艺在锻造工序、冲孔工序、扩孔工序、环乳工序中的任意 相邻两个塑性变形工序之间或在锻造工序、冲孔工序、扩孔工序、环乳工序中的任意相邻两 个塑性变形工序之后进行。4. 根据权利要求1所述的一种提高Al-Cu系高强铝合金环件力学性能的方法，其特征在 于：高温固溶保温+低温析出工艺参数为：高温固溶温度535~548 °C，保温时间0.5-20h，降 温析出温度为450~500 °C，析出保温时间为0.5~4h。5. 根据权利要求1所述的一种提高Al-Cu系高强铝合金环件力学性能的方法，其特征在 于:快速高温固溶+水淬热处理工艺参数为:升温速率100 °C/h以上，快速高温固溶温度535 ~548°C，保温0.5-20h后水淬。6. 根据权利要求5所述的一种提高Al-Cu系高强铝合金环件力学性能的方法，其特征在 于:快速高温固溶升温速率为100-200 °C/h。7. 根据权利要求1所述的一种提高Al-Cu系高强铝合金环件力学性能的方法，Al-Cu系 高强铝合金包括下述组分，按质量百分比组成： Cu 5.8-6.8%，余量为A1。8. 根据权利要求7所述的一种提高Al-Cu系高强铝合金环件力学性能的方法，Al-Cu系 高强铝合金包括下述组分，按质量百分比组成： Cu 5.8-6.8%, Μη 0.1-0.7%, Zr 0.10-0.16%，余量为八1。9. 根据权利要求1-8任意一项所述的一种提高Al-Cu系高强铝合金环件力学性能的方 法，其特征在于：处理后的铝合金环件轴向力学性能参数为：〇 b为:421_443Mpa，〇〇. 2为330-358Μρα，δ*5_9%。
【文档编号】C22F1/057GK105861968SQ201610194060
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月30日
【发明人】陈康华, 陈送义, 陈运强, 邢军
【申请人】中南大学