专利名称：合金均匀化过程中冶金性能的优化和控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种方法,其通过在均勻化过程中预测合金转变的程度(degree oftransformation),用于在均勻化工艺过程中优化和控制合金的冶金性能(metallurgicalproperties)。
背景技术：
鋳造后，铝合金通常要进行均匀化。均匀化工艺的目的是I.溶解沉淀硬化相从而优化材料的最終冶金性能，该沉淀硬化相是在铸造エ艺期间偏析出的。2.将不溶相转化为优选的相，从而有利于后续的加工操作(如挤压或轧制)。·3.使得由鋳造エ艺产生的固溶体中的弥散相沉淀至合适的尺寸和分布，从而优化材料的最終冶金性能。传统上，铝合金的均匀化工艺是通过将目标材料加热至预定温度范围(均热温度)并将该材料保持指定时间(均热时间)来进行控制。该控制方法要么假定材料具有恒定的加热速率，或者完全忽略在加热过程中产生的转变的量。在图1-3中以图表形式示出了该控制的传统方法。图I描述了用于上述冶金转变的假设极限(hypothetical limits)。图2描述了传统控制的目标，其在均热期间假设为等温状态。图3描述了具有动态温度和时间状态的更实际的控制目标。传统的控制方法导致了在均匀化后，材料性能的不一致，这是由于没有考虑エ艺周期的加热部分的冶金反应部分，以及批次内可能发生的变化。在相同均热时间和温度下，具有较慢加热速率的较大批量，与具有较快加热速率的较小批量相比，前者更大的温度风险。除此之外，在整个批次期间温度的变化导致难以保证该批次的最冷部分能够在进行所需冶金反应的温度下保持足够的时间，同时该批次的最热部分可能会在该温度保持太长时间，从而导致弥散相的粗化。这种情况在图2和图3之间的差别中进行了描述，其中温度作为动态量进行表示，并且通过控制范围表示，该控制范围在整个装料(load)期间姆次在不同部位获得。
发明内容
本发明的一方面是提供ー种在加热炉中优化和控制合金均匀化的方法。该方法包括限定转变的目标程度，从而获得合金的至少ー种冶金性能。该所需的冶金性能包括，但是并不仅限于，溶解沉淀硬质相，将不溶相转化为优选的相，并且将弥散相沉淀至合适尺寸和分布状态。通过对在预定温度加热了预定量的时间的多个试样合金转变程度进行分析，通过回归分析，获得了一种转变模型(transformation model)从而用来预测合金转变的程度。该均匀化工艺通过以下方式进行控制和优化，即在整个均匀化工艺的加热和均热部分期间，步进随(incremental)时间推移监测合金的温度,从而利用转变模型步进地计算冶金转变的程度。记录冶金转变程度的每个步进计算从而获得冶金转变的总量。利用转变模型，计算出炉内的吋间总量从而获得转变的目标程度。该均勻化整合(integration)エ艺确保了在整个均勻化期间在炉子的能力范围内，目标冶金反应和性能能够始终获得满足。通过由均匀化整合控制均匀化工艺，与以下性能相关的材料的冶金性能被优化至最終用户所需的目标水平机械性能(包括，但不限于屈服強度，极限强度，延伸率，断裂韧性和疲劳寿命)；后续操作的加工性(包括，但不限干挤压，锻造和轧制)；和加工后最终产品的改进表面精整度。
根据下文给出的优选实施方式的详细描述，同时结合
，本发明的特征和优点是显而易见的，其中图I图示了利用传统控制方法的冶金转变的假设极限；图2图示了假设在整个均热期间具有等热条件的传统控制目标； 图3图示了利用传统控制方法使用动态温度和时间条件的更实用控制目标；图4为图表，其图示了用于开发本发明均匀化整合模型的代表性时间/温度研究;图5为图表，其图示了利用本发明均匀化整合模型时，參数A(%转变/秒)随温度的变化关系；图6为图表，其图示了利用本发明均匀化整合模型时，与转变速率相对于转变程度的变化关系；和图7其图示了利用实验室均匀化得到的铸锭、均匀化整合循环得到的铸锭和标准均匀化得到的铸锭的金相检验。
具体实施例方式本发明涉及ー种方法，该方法用来在进ー步的エ艺操作之前，对合金——例如铸态合金——的均匀化工艺的优化和控制。通过依据冶金转变总量对均匀化合金的冶金性能进行表征来完成所述方法。合金的铸态试样以相对快的加热速率加热到不同的温度，保持一定的时间，然后水淬从而阻止任何进ー步的冶金反应(因而消除任何的冷却速率影响)。然后，每种试样冶金转变的程度通过标准实验室技术确定，如差示扫描量热法，金相检验和扫描电子显微镜木。如此，在图4中给出了在设定温度下，涉及冶金转变程度-时间等温曲线。然后该数据被转化成转变模型，其作为时间的函数，基于最优曲线拟合针对于设定的温度。优选地，该转变模型基于指数回归法建立，其中数据来自于给定时间和给定温度下具有相关冶金转变程度的多个合金试样。假定指数关系，其给出以下公式ω = e_At其中ω =转变百分比；Α =温度特定拟合參数(单位为秒’ ；t =时间(秒)。接着假定指数关系，针对每个温度都计算出A，如图5中所示結果。利用该信息，未转变相(Ψ-或者冶金转变的程度)的实际量可以通过下述公式确定ψ = 1-ω或
Ψ = l-e_At冶金转变速率必须作为随时间变化而变化的函数确定。这可以然后对一段时间进行积分从而预测冶金转变的程度。如果对长时间进行积分，则该关系式是无效的，这是由于在整个循环期间温度的动态特性影响冶金转变速率。由此，不将冶金转变速率作为时间的函数进行表示，而是将其转化为冶金转变程度的函数，如下所示ψ = l-e_At￥’=d￥/dtψ，= Ae_AtΨ，=Α(1_Ψ)将冶金转变速率(￥’)相对于冶金转变的程度(Ψ)作图，如图6中所示关系。 由于对于给定温度，冶金转变速率取决于Α，图5的结果用来针对给定温度确定Α。然后用以下公式完成转变模型A = BeCTΨ，=Α(1_Ψ)ψ，= A = BeCT(l-￥)其中ψ =冶金转变的程度；Ψ ’ =冶金转变速率;A =温度特定拟合參数；t =吋间，B和C为取决于合金的常量，其用于表示A相对于温度(T)的指数关系。冶金转变速率可以通过使用以下方式求解即通过使用步进时间周期的预测温度或实测温度，并确定该步进时间周期的冶金转变速率随转变累积程度的函数，直至周期中的该点。这就导致转变到达新的程度，其作为控制參数被持续监测并在下一步计算转变速率中使用。在一种实施方式中，优化均匀化工艺的方法使用了计算机程序，其写入到计算机可读取介质中(本文也被称作均匀化整合控制软件)用于优化合金的均匀化工艺，其中合金由输入原料(input stock)生产，其中，在整个均匀化工艺期间对该生产エ艺进行在线检测，其中能够提前计算出合金所预期得到的冶金性能。本领域技术人员应该理解的是，均匀化工艺中时间和合金的温度可以利用各种已知的设备进行记录。例如，实际应用中，载荷热电偶可以在均匀化整合控制软件中作为输入端使用。上述每个公式中的计算随即能够用来确定冶金转变的步进程度，同时其可以被添加到累积冶金转变，该累积冶金转变从周期的开始建立。另ー种用来进行控制的方法可以为利用空气热电偶来监测炉内循环，并利用空气和载荷温度之间已建立的关系来预测载荷温度。然后该信息输入均匀化整合控制软件，从而确定所需的周期步进部分的冶金转变程度。然后该软件记录冶金转变的总量，并基于冶金转变确定炉中时间的量，而不是基于在给定温度的时间。利用上述限定转变模型的合金均匀化工艺的控制和优化的エ艺，在本文中也被称为“均匀化整合控制”。在不用考虑批量，在加热和保温期间，该转变模型精确地提供了合金中转变程度的定量预测，该定量预测以时间和温度函数的形式给出。本发明的转变模型提供了ー种用来预测获得具有所需性能所需的转变的程度的手段。更具体地，本发明的转变模型可以用来定量预测铝合金中转变的程度。通过实施例，下文公开了 6061铝合金均匀化工艺的转变模型的应用。应该理解的是，本发明转变模型能够应用于任何合金組成。本发明的控制方法不仅在均匀化周期本身之内提供了显著的生产率收益，而且为均匀化处理后的产品提供了更高的一致性。该一致性允许后续操作(包括，但不限于挤压，轧制和锻造)也能够被优化，而不是要设计用于之前的常规方法得到的最坏情况的均匀化结构。这就导致了在这些エ艺中同样获得显著的生产率收益。实施例给出下述实施例是用于给 本领域技术人员提供本文全部公开和要求保护的化合物，组合物，エ件，装置，和/或方法是如何生产和评定的完整说明和描述，是纯示意性的，并不会用于限制发明人要求保护的发明范围。在涉及数值(例如，量，温度，等)吋，已经努カ来确保精确性，但是应该考虑一些误差和偏差。除非另外指出，份数均为重量份数，而压カ为大气压或接近大气压。存在条件的多个变化和组合，例如，合金成分，温度，压カ和其它范围和条件，其可以用来优化本发明公开的方法。仅需要合理的和常规的实验方法来优化这些エ艺条件。实施例I铝合金6061的铸态试样在1050 °F下在实验室炉中均匀化4小时，从而确保FelOO %地从β至α转变以及Mg2Si 100%地从不溶相至溶解相转变。6061的类似试样在生产炉中均匀化ー种使用均匀化整合控制，目标为Fe和Mg2Si的100%转变；另ー种使用常规的时间和温度均热控制。所有三个试样的结果通过DSC评价从而确定Fe和Mg2Si转变的程度。结果如表I所示。这些试样还通过金相学进行了评价，结果如图7所示。图7图示了 6061合金的转变。注意到所有的Mg2Si相对于铸态结构均溶解了。还注意到，Fe相从连续的尖锐铼刀形(sharp sickle)相转变为圆滑的球形(显示了不溶相的冶金转变)。
—表1「实验室-批生产(production)的均匀化整合转变的DSC分析
_实验室Fe的β I批生产Fe的β「实验室溶解的|1=比生产溶解的
_ 至 α _ 至 α _ _ Mg2Si — 一 Mg2Si_
室- 生 OJ/g — OJ/gOJ/g— 0J/T
产的均勻化整合进ー步转变
所需的能量____
实验室-常规 0J/g0.28 J/g0J/g3.24 J/g
控制生产炉的进ー步转变所
需的能量 ____常规控制生产炉结果表示相对于所需的程度，Fe转变完成了 38%，同时Mg2Si完成了 40%。与之对比，均匀化整合控制周期完成了 100%转变。Mg2Si完全溶解在铝合金6XXX合金中对于以下产品是特别有利的，所述产品为计划在作为固溶热处理的热加工操作(即，挤压)后进行淬火。这样在机械性能上提供了更高的一致性，同时限制了 Mg2Si在热加工操作期间单独溶解(初溶)的趋势，后者会导致热脆性表面裂纹，通常是通过降低挤压速率克服的，这种做法会降低生产率。该Fe转变同样显著提高了潜在挤压速率。如铸态和常规均匀化控制周期中所示的长的铼刀形Fe相在金属进行热加工、特别是挤压期间会撕裂金属表面。表面撕裂的程度与应变速率是成正比的，因而该条件通常通过降低热加工速率来修正，这种做法会降低生产率。实施例2常规均热温度和时间策略是基于加热炉开发的，目的是确保能够得到所有所需的冶金转变。该エ艺记录下平均的周期时间确定为520分钟。然后将均匀化整合控制应用于相同的加热炉，对于相同的产品，平均周期时间确定为447分钟。两个周期都得到了相同的转变，但是均匀化整合控制提供了更高的目标一致性。同时相对于现有的控制策略获得了14%的改进。生产率上差别的原因是控制方法必须假定材料的最低可能的加热速率从而确保完全的冶金转变。由于均匀化整合控制系统考虑了加热速率过程中的冶金转变，获得较快加热速率的材料能够在均热温度下保持较短的时间。尽管均热次数的变化，产品仍然控制在目标的冶金转变程度，因而产品的一致性获得显著提升。实施例3
铝坯料的批生产样品利用使用均匀化整合控制的炉子进行了均匀化，然后该样品进行挤压，并与同样合金的坯料进行对比，所述后ー种坯料在不同炉子上进行了不使用均匀化整合控制(常规控制)的相同周期时间和目标温度的均匀化。微观结构上的差别如图7中所示。该坯料用于挤压超过20种不同形状。对于这些20种形状的挤压速率，与常规控制的坯料相比，利用均匀化整合控制的坯料要快15-25%。不仅挤压速率显著的提高，而且挤压件的表面质量也显著地提高了。实施例4将利用常规控制技术均匀化的坯料制成的挤压件表面糙度，与利用均匀化整合控制的坯料制成的挤压件相比较。由常规控制均匀化坯料制成的挤压件的平均表面糙度为94. 9Ra，而由均匀化整合控制坯料制成的挤压件的平均表面糙度为33. 3Ra。对于每个坯料条件，对20个产品的每个位置进行检测得到所述观测值。虽然本发明已经公开了优选的实施方式，应该理解的是，在不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围的情况下，可以作出众多其它修改和变化。
权利要求
1.一种优化合金均匀化工艺的方法，其包括 a)限定用来获得合金的至少一种冶金性能的冶金转变的目标程度； b)提供用来预测合金转变程度的转变模型，所述转变模型通过对在预定温度进行了预定时间的加热的多个合金试样的冶金转变的程度进行分析而获得； c)将合金坯料引入均匀化循环； d)在所述均匀化循环期间，在步进推移的时间步进测量合金的温度，从而根据所述相转变模型预测冶金转变的步进程度；和 e)通过以下方式来控制所述合金经历所述均匀化循环的时间总量累计冶金转变的每次步进程度，直到均匀化循环的时间总量能够提供所需的冶金转变程度。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述均匀化循环包括加热部分和均热部分。
3.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述转变模型的数学表达形式如下所示A = BeCT Ψ，= Α(1- ψ) Ψ，= BeCT(l-￥) 其中，Ψ =冶金转变的程度；Ψ ’ =冶金转变速率;A =温度特定拟合参数；B和C为取决于合金的常量，B和C用于A相对于温度(T)的指数关系。
4.如权利要求I的方法，其特征在于，所述合金为铝合金。
5.如权利要求I的方法，其特征在于，所述至少一种冶金性能选自溶解沉淀硬化相，将不溶相转化为优选相，和沉淀弥散相至合适的尺寸和分布。
6.如权利要求I的方法，该方法进一步包括 基于所述转变模型，计算机优化和控制所述合金经历均匀化循环的时间总量，从而得到至少一种冶金性能。
7.如权利要求I的方法，该方法进一步包括 利用数据、通过指数回归方法建立所述转变模型，所述数据来自在给定时间和给定温度下，具有冶金转变相关程度的多个合金试样。
8.—种控制铝合金均匀化的方法，该方法在均匀化循环的时间和温度将步进冶金反应整合起来。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，该控制方法用于得到位于溶液中的可溶解相的目标百分比。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，该控制方法用于得到不溶相的目标百分比转变。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，该控制方法用于得到弥散相最优的尺寸和分布。
12.如权利要求8所述的方法，其特征在于，该控制方法用于得到后续操作的最优表面精整；所述后续操作包括挤压，锻造和轧制。
13.如权利要求8所述的方法，其特征在于，该控制方法用来获得后续操作的最大生产率；所述后续操作包括挤压，锻造和轧制。
14.如权利要求8所述的方法，其特征在于，该控制方法用于获得最优的机械性能；包括屈服强度，极限强度，伸长率，断裂韧性和耐疲劳强度。
15.如权利要求8所述的方法，其特征在于，该控制方法用于优化均匀化操作的生产率。
16.一种计算机程序，其在计算机可读取介质上实施，用于优化合金的均匀化工艺，所述合金由输入原料制造，在整个均匀化工艺期间对生产条件进行在线检测，提前计算出合金的预期冶金性能，包括 a)限定用来获得合金的至少一种冶金性能的冶金转变的目标程度； b)提供用来预测合金转变的程度的转变模型，所述转变模型通过对在预定温度进行了预定量时间的加热的多个合金试样的冶金转变的程度进行分析而获得； c)在均匀化循环过程中，在步进推移的时间，步进测量合金的温度，从而根据转变模型预测冶金转变的步进程度；和 d)通过以下方式来控制所述合金经历所述均匀化循环的时间总量累计冶金转变的每次步进程度，直到均匀化循环的时间总量能够提供所需的冶金转变程度。
17.如权利要求16所述的在计算机可读取介质上实施的计算机程序，其特征在于，所述相转变模型的数学表达形式如下所示A = BeCTΨ，= Α(1- ψ) Ψ，= BeCT(l-￥) 其中，Ψ =冶金转变的程度；Ψ ’ =冶金转变速率;A =温度特定拟合参数；B和C为取决于合金的常量，B和C用于A相对于温度(T)的指数关系。
18.如权利要求16所述的在计算机可读取介质上实施的计算机程序，其进一步包括 利用数据、通过指数回归方法建立转变模型，其中所述数据来自于在给定时间和给定温度下，具有冶金转变相关程度的多个合金试样。
全文摘要
本发明涉及一种优化和控制合金的均匀化周期的方法，其通过限定转变的目标程度来得到合金的至少一种冶金性能。所需的冶金性能包括，但不限于，溶解沉淀硬化相，将不溶相转化为优选相，和沉淀弥散相至合适的尺寸和分布状况。利用回归分析方法，通过分析在预定温度进行了预定量时间的加热对多个试样合金转变程度，获得了一种转变模型，用于预测合金转变的程度。
文档编号C22F1/04GK102732813SQ201210189768
公开日2012年10月17日 申请日期2012年3月31日 优先权日2011年4月4日
发明者D·J·休梅克, M·沙巴夫, R·A·马图斯卡, S·M·威廉姆斯 申请人:恺撒铝业公司