本发明属于锻造成形技术领域，具体涉及一种超大规格铝合金铸锭的锻造开坯工艺方法。
背景技术：
随着我国航天事业的飞速发展，对大直径、高性能2219铝合金铸锭的需求尤为迫切，特别是大直径2219铝合金铸锭，如此超大规格、超大重量的铝合金铸锭，冶炼和浇注过程中内部质量的稳定性和铸造缺陷难以控制，增加了铸锭锻造过程中不同部位变形的复杂性，且铸锭锻造开坯过程的操纵性更差，锻造成形难度成倍增加。因此，采用何种锻造变形方式，如何最大限度增加坯料的变形量，使之充分、均匀的细化铸造组织，关系到最终产品的力学性能。
多向锻造技术是制备高强铝合金大型整体自由锻件和模锻件所需坯料的主要技术之一。多向锻造技术以其简单的工艺流程、低廉的成本，可大幅改善材料的综合性能，满足工业实际生产的需要。多向锻造技术通过对锻件进行多道次反复压缩和拔长，并在锻造过程中，不断改变压缩和拔长的方向，以求达到细化晶粒的目的。但是在多向锻造变形过程中，由于工艺流程繁杂，工艺控制要素多，很难保证锻件成形的同时具有优良的组织和性能。因此，精确调控2219铝合金大直径整体锻件的成形工艺过程，获得均匀细小的显微组织，保证材料性能及其稳定性是航天事业发展的紧迫任务。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是实现超大直径铝合金整体环件用坯料性能与组织结构均匀性控制，从而满足大型2219铝合金整体过渡环的力学性能指标要求。
为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：
一种超大规格铝合金铸锭的锻造开坯工艺方法，包括如下步骤：
(1)铸锭和工具加热：对均匀化处理后的直径为1100～1300mm，高度为2500～3200mm的2219铝合金圆铸锭和在锻造过程中与铸锭接触的工具进行加热，工具包括上锤砧、下锤砧、镦粗板、冲头、芯棒、取料抱钳、操作机钳口；
其中铸锭的加热温度为450℃～470℃、保温时间为35～50h，下锤砧、镦粗板、冲头、芯棒与坯料同炉加热，上锤砧、取料抱钳、操作机钳口用假料预热；
(2)多向锻造：对铝合金圆铸锭加热后进行多向锻造，获得冲孔用圆形坯料；具体顺序包括：
定义铝合金圆铸锭的Z方向为铝合金圆铸锭的轴向高度方向；X方向与Y方向相互正交并与Z方向相互垂直；
(2.1)Z向镦粗：将铸锭沿Z向镦粗至高度为1200～1400mm，压下速率为5～10mm/s；
(2.2)X向打方：将铸锭打方成为垂直于Z向的截面是长方形的长方体，长方体沿X方向的长度为1200～1400mm，沿Y方向的长度为1200～1400mm；长方体沿Z向的高度为1200～1400mm；
(2.3)X向拔长：将铸锭沿X向拔长至长度为2500～3000mm的长方体结构，压下速率10～15mm/s；将铸锭滚圆成为垂直于X向的截面是圆形的圆柱体，圆柱体沿X向的高度为2500～3000mm；
(2.4)X向镦粗：将铸锭沿X向镦粗至高度为1200～1400mm，压下速率15～20mm/s；
(2.5)Y向打方：将铸锭打方成为垂直于X向的截面是长方形的长方体，长方体沿Z方向的长度为1200～1400mm，沿Y方向的长度为1200～1400mm；长方体沿X向的高度为1200～1400mm；
(2.6)Y向拔长：将铸锭沿Y向拔长至高度为2500～3000mm的长方体结构，压下速率10～15mm/s；将铸锭滚圆成为垂直于Y向的截面是圆形的圆柱体，圆柱体沿Y向的高度为2500～3000mm；
(2.7)Y向镦粗：将铸锭沿Y向镦粗至高度为1200～1400mm，压下速率15～20mm/s；将铸锭滚圆成为垂直于Y向的截面是圆形的圆柱体，圆柱体沿Y向的高度为2500～3000mm；
(2.8)Z向打方，将铸锭打方成为垂直于Z向的截面是长方形的长方体，长方体沿X方向的长度为1200～1400mm，沿Y方向的长度为1200～1400mm；长方体沿Z向的高度为2500～3000mm；
(2.9)Z向拔长：将铸锭沿Z向拔长至沿Z向高度为2500～3000mm，压下速率10～15mm/s；将铸锭滚圆；
(2.10)Z向镦粗：将铸锭沿Z向镦粗至高度为500～650mm，压下速率15～20mm/s，获得外径为2000～2500mm的冲孔用圆形坯料；
(3)冲孔与扩孔：对步骤(2)制得的冲孔用圆形坯料加热后进行冲孔、修伤、扩孔及平整加工，获得环形坯料；包括：
(3.1)加热：将冲孔用圆形坯料回炉加热，加热温度为430℃～450℃、加热时间为4～8h；
(3.2)冲孔：用Φ600mm冲头加工冲孔用圆形坯料的Φ600mm中心孔，将其平整；
(3.3)修伤：清除冲孔产生的连皮及翻边；
(3.4)平整：将冲孔用圆形坯料平整至高度为500～650mm；
(3.5)扩孔：用直径为600mm的芯棒扩孔至冲孔用圆形坯料外径为2500～3000mm；
(3.6)终扩：用直径为1200～2000mm的芯棒扩孔至冲孔用圆形坯料外径为3500～4500mm；
(3.7)精整：将冲孔用圆形坯料平整至高度500～650mm，获得环形坯料。
进一步的，如上所述的一种超大规格铝合金铸锭的锻造开坯工艺方法，步骤(2.1)～(2.10)中，每一次铸锭的终锻变形温度不小于380℃。
进一步的，如上所述的一种超大规格铝合金铸锭的锻造开坯工艺方法，步骤(3)之后进行步骤(4)加工与检测：对环形坯料进行车加工，然后进行超声波探伤检测、组织及性能检查，获得满足质量要求的超大直径铝合金整体环轧坯料。
进一步的，如上所述的一种超大规格铝合金铸锭的锻造开坯工艺方法，步骤(4)中，车加工至尺寸参数为：外径为3500～4500mm，内径为3000～3500mm，高度为500～650mm。
本发明技术方案提供了一种超大规格铝合金铸锭的锻造开坯工艺方法，采用多向锻造技术，通过控制超大规格铝合金铸锭的锻造温度、单次锻造比、累积锻比、变形速率比及砧宽比等，控制2219铝合金铸锭的变形量，细化材料的晶粒，改善了材料的组织结构，实现了超大直径2219铝合金环轧坯的组织和性能的均匀性控制，提高了产品质量的一致性和产品合格率，可以满足航天产品的研制需求。
附图说明
图1是本发明铝合金铸锭锻造开坯成形的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细说明：
铸锭的规格越大、质量越重，其内部缺陷和质量稳定性越难控制，对锻造开坯的要求就越高。如何最大限度增加坯料的变形量，使之充分、均匀变形关系到最终环件产品的力学性能，因此铸锭开坯技术是控制产品性能的一项关键技术。
本发明的设计思路是通过采用多向锻造技术，有效解决镦粗变形中的变形死区和小变形区的存在，提高变形量的同时增加了坯料的变形均匀性，有利于最终锻环产品三向性能的整体提高。变形过程中材料随外加载荷轴向旋转变化而不断被压缩和拉长，通过反复变形达到细化晶粒、破碎共晶化合物、改善材料综合性能的目的。多向锻造过程中，载荷随着道次的增加而改变，晶粒相互交错，容易在变形带交汇处位错塞积，并逐步通过动态回复形成亚晶组织，这时候新晶粒的形核不仅能在晶界处形成，而且在晶粒内也能观察到大量的新晶粒。同时采用反复镦粗和拔长变形工艺，能较好地破碎网状共晶化合物及改善共晶化合物在各个方向上的均匀性，使共晶化合物的分布均匀且颗粒细小。
下面通过实施例具体说明本发明提供的一种超大规格铝合金铸锭的锻造开坯工艺方法。
实施例1
铸锭和工具加热：对均匀化处理后的Φ1205×2590mm大直径2219铝合金圆铸锭及在锻造过程中与铸锭接触的工具进行加热。其中铸锭的加热温度为459℃，保温时间40h；下锤砧、镦粗板、冲头、芯棒与坯料同炉加热，上锤砧、取料抱钳、操作机钳口等其它工具用假料预热。
多向锻造：
对铝合金圆铸锭加热后进行多向锻造，获得冲孔用圆形坯料；具体顺序包括：
定义铝合金圆铸锭的Z方向为铝合金圆铸锭的轴向高度方向；X方向与Y方向相互正交并与Z方向相互垂直；
(2.1)Z向镦粗：将铸锭沿Z向镦粗至高度为1200mm，压下速率为9mm/s；终锻温度为386℃。
(2.2)X向打方：将铸锭打方成为垂直于Z向的截面是长方形的长方体，长方体沿X方向的长度为1200mm，沿Y方向的长度为1200mm；长方体沿Z向的高度为1200～1400mm；终锻温度为386℃。
(2.3)X向拔长：将铸锭沿X向拔长至长度为2509mm的长方体结构，压下速率11mm/s；将铸锭滚圆成为垂直于X向的截面是圆形的圆柱体，圆柱体沿X向的高度为2500～3000mm；终锻温度为386℃。
(2.4)X向镦粗：将铸锭沿X向镦粗至高度为1200mm，压下速率19mm/s；终锻温度为386℃。
(2.5)Y向打方：将铸锭打方成为垂直于X向的截面是长方形的长方体，长方体沿Z方向的长度为1200mm，沿Y方向的长度为1200mm；长方体沿X向的高度为1200～1400mm；终锻温度为386℃。
(2.6)Y向拔长：将铸锭沿Y向拔长至高度为2590mm的长方体结构，压下速率12mm/s；将铸锭滚圆成为垂直于Y向的截面是圆形的圆柱体，圆柱体沿Y向的高度为2500～3000mm；终锻温度为386℃。
(2.7)Y向镦粗：将铸锭沿Y向镦粗至高度为1200mm，压下速率19mm/s；将铸锭滚圆成为垂直于Y向的截面是圆形的圆柱体，圆柱体沿Y向的高度为2500～3000mm；终锻温度为386℃。
(2.8)Z向打方，将铸锭打方成为垂直于Z向的截面是长方形的长方体，长方体沿X方向的长度为1200mm，沿Y方向的长度为1200mm；长方体沿Z向的高度为2500～3000mm；终锻温度为386℃。
(2.9)Z向拔长：将铸锭沿Z向拔长至沿Z向高度为2590mm，压下速率12mm/s；将铸锭滚圆；终锻温度为386℃。
(2.10)Z向镦粗：将铸锭沿Z向镦粗至高度为650mm，压下速率18.5mm/s，获得外径为2395mm的冲孔用圆形坯料；终锻温度为386℃。
(3)冲孔与扩孔：对步骤(2)制得的冲孔用圆形坯料加热后进行冲孔、修伤、扩孔及平整加工，获得环形坯料；包括：
(3.1)加热：将冲孔用圆形坯料回炉加热，加热温度为445℃、加热时间为6h；
(3.2)冲孔：用Φ600mm冲头加工冲孔用圆形坯料的Φ600mm中心孔，将其平整；
(3.3)修伤：清除冲孔产生的连皮及翻边；
(3.4)平整：将冲孔用圆形坯料平整至高度为620mm；
(3.5)扩孔：用直径为600mm的芯棒扩孔至冲孔用圆形坯料外径为2800mm；
(3.6)终扩：用直径为1200mm的芯棒扩孔至冲孔用圆形坯料外径为3980mm；
(3.7)精整：将冲孔用圆形坯料平整至高度620mm，获得环形坯料。
(4)加工与检测：对环形坯料进行车加工，然后进行超声波探伤检测、组织及性能检查，获得满足质量要求的超大直径铝合金整体环轧坯料。
步骤(4)中，车加工至尺寸参数为：外径为3960mm，内径为3220mm，高度为570mm。超声探伤符合GJB2057-1994中A级标准。
本体切取试样经535℃固溶处理、3％冷压缩变形和175℃时效19h，测得三个方向力学性能如表1所示。可以看出环坯三个方向力学性能的一致性较好，说明铸锭在多向锻造开坯过程中各个方向的变形较为均匀。
表1 环坯不同方向力学性能
实施例2
铸锭和工具加热：对均匀化处理后的Φ1260×2890mm大直径2219铝合金圆铸锭及在锻造过程中与铸锭接触的工具进行加热。其中铸锭的加热温度为462℃，保温时间41h；下锤砧、镦粗板、冲头、芯棒与坯料同炉加热，上锤砧、取料抱钳、操作机钳口等其它工具用假料预热。
多向锻造：
对铝合金圆铸锭加热后进行多向锻造，获得冲孔用圆形坯料；具体顺序包括：
定义铝合金圆铸锭的Z方向为铝合金圆铸锭的轴向高度方向；X方向与Y方向相互正交并与Z方向相互垂直；
(2.1)Z向镦粗：将铸锭沿Z向镦粗至高度为1400mm，压下速率为9.5mm/s；终锻温度为385℃。
(2.2)X向打方：将铸锭打方成为垂直于Z向的截面是长方形的长方体，长方体沿X方向的长度为1400mm，沿Y方向的长度为1400mm；长方体沿Z向的高度为1200～1400mm；终锻温度为385℃。
(2.3)X向拔长：将铸锭沿X向拔长至长度为2890mm的长方体结构，压下速率12mm/s；将铸锭滚圆成为垂直于X向的截面是圆形的圆柱体，圆柱体沿X向的高度为2500～3000mm；终锻温度为385℃。
(2.4)X向镦粗：将铸锭沿X向镦粗至高度为1400mm，压下速率19.5mm/s；终锻温度为385℃。
(2.5)Y向打方：将铸锭打方成为垂直于X向的截面是长方形的长方体，长方体沿Z方向的长度为1400mm，沿Y方向的长度为1400mm；长方体沿X向的高度为1200～1400mm；终锻温度为385℃。
(2.6)Y向拔长：将铸锭沿Y向拔长至高度为2890mm的长方体结构，压下速率11mm/s；将铸锭滚圆成为垂直于Y向的截面是圆形的圆柱体，圆柱体沿Y向的高度为2500～3000mm；终锻温度为385℃。
(2.7)Y向镦粗：将铸锭沿Y向镦粗至高度为1400mm，压下速率19.5mm/s；将铸锭滚圆成为垂直于Y向的截面是圆形的圆柱体，圆柱体沿Y向的高度为2500～3000mm；终锻温度为385℃。
(2.8)Z向打方，将铸锭打方成为垂直于Z向的截面是长方形的长方体，长方体沿X方向的长度为1400mm，沿Y方向的长度为1400mm；长方体沿Z向的高度为2500～3000mm；终锻温度为385℃。
(2.9)Z向拔长：将铸锭沿Z向拔长至沿Z向高度为2890mm，压下速率11mm/s；将铸锭滚圆；终锻温度为385℃。
(2.10)Z向镦粗：将铸锭沿Z向镦粗至高度为650mm，压下速率17.8mm/s，获得外径为2656mm的冲孔用圆形坯料；终锻温度为385℃。
(3)冲孔与扩孔：对步骤(2)制得的冲孔用圆形坯料加热后进行冲孔、修伤、扩孔及平整加工，获得环形坯料；包括：
(3.1)加热：将冲孔用圆形坯料回炉加热，加热温度为450℃、加热时间为7h；
(3.2)冲孔：用Φ600mm冲头加工冲孔用圆形坯料的Φ600mm中心孔，将其平整；
(3.3)修伤：清除冲孔产生的连皮及翻边；
(3.4)平整：将冲孔用圆形坯料平整至高度为620mm；
(3.5)扩孔：用直径为600mm的芯棒扩孔至冲孔用圆形坯料外径为2800mm；
(3.6)终扩：用直径为1200mm的芯棒扩孔至冲孔用圆形坯料外径为4130mm；
(3.7)精整：将冲孔用圆形坯料平整至高度620mm，获得环形坯料。
(4)加工与检测：对环形坯料进行车加工，然后进行超声波探伤检测、组织及性能检查，获得满足质量要求的超大直径铝合金整体环轧坯料。
步骤(4)中，车加工至尺寸参数为：外径为4100mm，内径为3380mm，高度为580mm。超声探伤符合GJB2057-1994中A级标准。
本体切取试样经535℃固溶处理、3％冷压缩变形和175℃时效19h，测得三个方向力学性能如表1所示。可以看出环坯三个方向力学性能的一致性较好，说明铸锭在多向锻造开坯过程中各个方向的变形较为均匀，实现了高质量环轧坯料的制备。
表2 环坯不同方向力学性能