一种航天用铝合金U型框架型材及其制备方法与流程

本发明属于铝合金型材加工技术领域，具体涉及一种航天用铝合金U型框架型材及其制备方法。

背景技术：

运载火箭是实现航天器快速部署、重构、扩充和维护的保障，是大规模开发和利用太空资源的重要载体，也是国民经济发展的重要推动力量。目前，国内发射架使用的U型框架型材主要通过胎具拉弯、人员手动加工成型，存在拉弯弧度不均匀、手动处理区域不平整、生产效率低下等问题。为了提高发射框架的加工效率、承载能力、安全性和使用寿命，要求铝合金航天用U型框架型材一次成型，并且具备更好的平面平整度。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的技术问题，提供一种通过设计特定合金组成，能提高U型框架型材的加工效率和精度，具有良好平面平整度，能满足航天特定使用要求的航天用铝合金U型框架型材。

本发明的另一个目的是提供一种航天用铝合金U型框架型材的制备方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种航天用铝合金U型框架型材，由以下重量百分比含量的元素组成：Zn5.6-6.5%、Cu1.4-2.4%、Mn＜0.1%、Mg1.8-2.6%、Cr0.2-0.25%、Fe0.25-0.35%、Si≤0.1%、Ti＜0.08%，余量为Al。

一种航天用铝合金U型框架型材的制备方法，该方法包括以下步骤：

（1）按元素组成选用品味≥99.85%的重熔铝锭、锌锭、镁锭、电解铜板和Al-4Cr合金、Al-10Fe合金作为原材料；

（2）使用电阻反射炉将重熔铝锭和Al-4Cr合金、Al-10Fe合金在700-760℃熔化，熔化后在熔体内加入锌锭、镁锭和电解铜板，搅拌熔化成合金熔体；

（3）使用氮氯混合气体吹入法进行熔体净化，吹入时间为8-10分钟，扒渣后静置30分钟；

（4）将合金熔体通过泡沫陶瓷过滤片过滤，过滤后在铸造温度710-725℃、铸造速度70-75mm/min、铸造水压0.06-0.10MPa的工艺条件下，将合金熔体铸造成铝合金圆铸锭；

（5）将铝合金铸锭加热至390-400℃均匀化处理6小时，再升温至450-465℃均匀化处理12小时，然后随炉冷却至250℃以下；

（6）再将铝合金圆铸锭加热至410-430℃，在挤压筒温度410-430℃、挤压速度0.6-1.2mm/s的条件下挤压成U型框架型材，空冷至室温；

（7）将U型框架型材通过预精整后加热至472-477℃，保温60分钟进行水淬；

（8）淬火后，将U型框架型材在96小时内完成滚弯；

（9）滚弯成型后按批次进行人工时效，炉膛定温140-160℃，保温16小时，时效处理后得到最终航天用铝合金U型框架型材。

进一步地，所述步骤（3）中的氮氯混合气体比例分别为N2=84%、Cl2=16%。

进一步地，所述步骤（4）中泡沫陶瓷过滤片的孔隙率为50ppi，铸造成的铝合金圆铸锭为实心圆铸锭。

进一步地，所述步骤（6）中挤压成的U型框架型材的截面为L型或丁字型。进一步地，所述步骤（7）中对U型框架型材水淬时采用24米立式淬火炉。

进一步地，所述步骤（8）中挤压成的U型框架型材使用40T滚弯机进行滚弯，具体步骤为：上料后主动轮进一定量进行定位，对U型框架型材的上表面涂油后开始煨弯，煨弯时，通过调整主动轮的进给量和多次的正弯、反弯技术来校正U型框架型材的平面度、垂直度和圆度尺寸，最终U型框架型材直径在3340-3346mm之间，外圆弧与理论样板的间隙不大于1.5mm，平面度控制在1.0mm以内，平面间隙小于0.3mm，垂直度不大于0.8mm。

进一步地，所述步骤（9）中进行人工时效时采用20T/18米箱式时效炉。

本发明相对现有技术具有以下有益效果：

1、本发明通过设定特定的合金组成以及挤压、滚弯等特定制备工艺，获得一次成型的航天用铝合金U型框架型材，一方面大大提高了U型框架型材的抗拉强度和屈服强度，最终抗拉强度能达到550-609Mpa、屈服强度能达到490-546 Mpa、延伸率7-11%，平面间隙≤1mm，垂直度≤1°，远远优于使用标准。另一方面有效解决了现有拉弯弧度不均匀、手动处理区域不平整、生产效率低下等问题，突破了目前U型框架型材手工成型的精度瓶颈，大大提高了U型框架型材的精度，所制备的U型框架型材具备很好的平面平整度，保证了质量的稳定一致性，能完全满足航天铝合金型材的使用要求，为我国航天新型运载火箭的研究提供材料保障。

2、本发明航天用铝合金U型框架型材的合金成分组成中，Zn和Mg是铝合金型材的主要强化元素，他们共同存在时，会形成η（MgZn2）和T（Al2Mg2Zn3）相，η和T相在Al中溶解度很大，且随温度升降剧烈变化，MgZn2在共晶温度下的溶解度达28%，在室温降低到4-5%，有很强的实效强化效果，Zn和Mg含量的提高可使型材的强度、硬度大大提高，但会使塑性、抗应力腐蚀性能和断裂韧性降低。Cu能降低结晶和晶内电位差，可以改变沉淀相结构和细化晶界沉淀相，抑制沿晶界开裂的趋势，改善合金的抗应力腐蚀性能。本发明通过对合金成分的系统研究和对比后发现，当Zn含量为5.6-6.5%，Mg含量为1.8-2.6%，Cu含量为1.4-2.4%时，可以平衡铝合金U型框架型材强度和耐腐蚀性能之间的关系，满足运载火箭对航天U型框架型材的高综合性能要求。另外，Mn和Cr元素在铸锭均匀化退火时产生弥散质点，阻止位错和晶界的迁移，提高再结晶温度，有效的阻止了晶粒的长大，可细化晶粒，并保证阻止在热加工及热处理后保持未再结晶或部分再结晶状态，使强度提高的同时具有较好的抗应力腐蚀性能。本发明通过对合金成分的研究和对比发现，当Mn含量＜0.1%，Cr含量为0.2-0.25%时，可有效缓解铝合金U型框架型材强度和抗应力腐蚀性能的矛盾。

3、本发明在航天用铝合金U型框架型材制备时根据元素组成选择原材料，然后经过熔炼、净化静置、铸造、均匀化处理、铸锭加热、挤压、预精整、淬火、滚弯、人工时效处理后得到最终航天用铝合金U型框架型材，各个步骤之间具有严格的逻辑关系，且各个步骤设定了特定的工艺参数。例如（1）在上述步骤中铸造完成后进行均匀化处理的目的是消除铸锭内部合金元素的宏观和微观偏析，使合金元素和粗大化合物充分固溶。本发明经过大量实验及对比研究后发现，将铝合金铸锭加热至390-400℃均匀化处理6小时，再升温至450-465℃均匀化处理12小时，然后随炉冷却至250℃以下。在这种特定条件下可以完全消除铸锭内部Zn、Mg、Cu元素的宏微观偏析，使元素和粗大金属间化合物充分固溶。均匀化温度低于该温度条件或不进行梯度均匀化或时间小于18小时，均不能消除晶内元素的宏观和微观偏析以及破碎细化金属间化合物。而均匀化温度超过该温度条件或均匀化时间超过18小时，则会导致铝合金铸锭局部过烧，均会恶化铝合金型材的力学性能。（2）在上述步骤中本发明经过大量实验及对比研究后发现，将铝合金圆铸锭加热至410-430℃，在挤压筒温度410-430℃、挤压速度0.6-1.2mm/s的条件下挤压，能挤压到工艺要求长度，获得的U型框架型材精度与性能优良，具有优异的综合性能。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

一种航天用铝合金U型框架型材，由以下重量百分比含量的元素组成：Zn5.6%、Cu2.4%、Mn＜0.1%、Mg1.8%、Cr0.25%、Fe0.25%、Si≤0.1%、Ti＜0.08%，余量为Al。

该航天用铝合金U型框架型材的制备方法，包括以下步骤：

（1）按元素组成选用品味≥99.85%的重熔铝锭、锌锭、镁锭、电解铜板和Al-4Cr合金、Al-10Fe合金作为原材料；

（2）使用电阻反射炉将重熔铝锭和Al-4Cr合金、Al-10Fe合金在700℃熔化，熔化后在熔体内加入锌锭、镁锭和电解铜板，搅拌熔化成合金熔体；

（3）使用氮氯混合气体吹入法进行熔体净化，氮氯混合气体比例分别为N2=84%、Cl2=16%，吹入时间为8分钟，扒渣后静置30分钟；

（4）将合金熔体通过泡沫陶瓷过滤片过滤，泡沫陶瓷过滤片的孔隙率为50ppi，过滤后在铸造温度710℃、铸造速度70mm/min、铸造水压0.06MPa的工艺条件下，将合金熔体铸造成实心铝合金圆铸锭；

（5）将铝合金铸锭加热至390℃均匀化处理6小时，再升温至450℃均匀化处理12小时，然后随炉冷却至250℃以下；

（6）再将铝合金圆铸锭加热至410℃，在挤压筒温度410℃、挤压速度0.6mm/s的条件下挤压成U型框架型材， U型框架型材的截面为L型或丁字型，将U型框架型材空冷至室温；

（7）将U型框架型材通过预精整后加热至472℃，保温60分钟，采用24米立式淬火炉进行水淬；

（8）淬火后，将U型框架型材在96小时内使用40T滚弯机进行滚弯，具体步骤为：上料后主动轮进一定量进行定位，对U型框架型材的上表面涂油后开始煨弯，煨弯时，通过调整主动轮的进给量和多次的正弯、反弯技术来校正U型框架型材的平面度、垂直度和圆度尺寸，最终U型框架型材直径在3340-3346mm之间，外圆弧与理论样板的间隙不大于1.5mm，平面度控制在1.0mm以内，平面间隙小于0.3mm，垂直度不大于0.8mm。

（9）滚弯成型后按批次采用20T/18米箱式时效炉进行人工时效，炉膛定温140℃，保温16小时，时效处理后得到最终航天用铝合金U型框架型材。

实施例2

一种航天用铝合金U型框架型材，由以下重量百分比含量的元素组成：Zn6.0%、Cu2.0%、Mn＜0.1%、Mg2.2%、Cr0.22%、Fe0.30%、Si≤0.1%、Ti＜0.08%，余量为Al。

该航天用铝合金U型框架型材的制备方法，包括以下步骤：

（1）按元素组成选用品味≥99.85%的重熔铝锭、锌锭、镁锭、电解铜板和Al-4Cr合金、Al-10Fe合金作为原材料；

（2）使用电阻反射炉将重熔铝锭和Al-4Cr合金、Al-10Fe合金在760℃熔化，熔化后在熔体内加入锌锭、镁锭和电解铜板，搅拌熔化成合金熔体；

（3）使用氮氯混合气体吹入法进行熔体净化，氮氯混合气体比例分别为N2=84%、Cl2=16%，吹入时间为10分钟，扒渣后静置30分钟；

（4）将合金熔体通过泡沫陶瓷过滤片过滤，泡沫陶瓷过滤片的孔隙率为50ppi，过滤后在铸造温度725℃、铸造速度75mm/min、铸造水压0.10MPa的工艺条件下，将合金熔体铸造成实心铝合金圆铸锭；

（5）将铝合金铸锭加热至400℃均匀化处理6小时，再升温至465℃均匀化处理12小时，然后随炉冷却至250℃以下；

（6）再将铝合金圆铸锭加热至430℃，在挤压筒温度430℃、挤压速度1.2mm/s的条件下挤压成U型框架型材，U型框架型材的截面为L型或丁字型，将U型框架型材空冷至室温；

（7）将U型框架型材通过预精整后加热至477℃，保温60分钟，采用24米立式淬火炉进行水淬；

（8）淬火后，将U型框架型材在96小时内使用40T滚弯机进行滚弯，具体步骤为：上料后主动轮进一定量进行定位，对U型框架型材的上表面涂油后开始煨弯，煨弯时，通过调整主动轮的进给量和多次的正弯、反弯技术来校正U型框架型材的平面度、垂直度和圆度尺寸，最终U型框架型材直径在3340-3346mm之间，外圆弧与理论样板的间隙不大于1.5mm，平面度控制在1.0mm以内，平面间隙小于0.3mm，垂直度不大于0.8mm。

（9）滚弯成型后按批次采用20T/18米箱式时效炉进行人工时效，炉膛定温160℃，保温16小时，时效处理后得到最终航天用铝合金U型框架型材。

实施例3

一种航天用铝合金U型框架型材，由以下重量百分比含量的元素组成：Zn6.5%、Cu1.4%、Mn＜0.1%、Mg2.6%、Cr0.2%、Fe0.35%、Si≤0.1%、Ti＜0.08%，余量为Al。

该航天用铝合金U型框架型材的制备方法，包括以下步骤：

（1）按元素组成选用品味≥99.85%的重熔铝锭、锌锭、镁锭、电解铜板和Al-4Cr合金、Al-10Fe合金作为原材料；

（2）使用电阻反射炉将重熔铝锭和Al-4Cr合金、Al-10Fe合金在730℃熔化，熔化后在熔体内加入锌锭、镁锭和电解铜板，搅拌熔化成合金熔体；

（3）使用氮氯混合气体吹入法进行熔体净化，氮氯混合气体比例分别为N2=84%、Cl2=16%，吹入时间为9分钟，扒渣后静置30分钟；

（4）将合金熔体通过泡沫陶瓷过滤片过滤，泡沫陶瓷过滤片的孔隙率为50ppi，过滤后在铸造温度720℃、铸造速度7mm/m2in、铸造水压0.08MPa的工艺条件下，将合金熔体铸造成实心铝合金圆铸锭；

（5）将铝合金铸锭加热至395℃均匀化处理6小时，再升温至460℃均匀化处理12小时，然后随炉冷却至250℃以下；

（6）再将铝合金圆铸锭加热至420℃，在挤压筒温度420℃、挤压速度0.8mm/s的条件下挤压成U型框架型材，U型框架型材的截面为L型或丁字型，将U型框架型材空冷至室温；

（7）将U型框架型材通过预精整后加热至475℃，保温60分钟，采用24米立式淬火炉进行水淬；

（8）淬火后，将U型框架型材在96小时内使用40T滚弯机进行滚弯，具体步骤为：上料后主动轮进一定量进行定位，对U型框架型材的上表面涂油后开始煨弯，煨弯时，通过调整主动轮的进给量和多次的正弯、反弯技术来校正U型框架型材的平面度、垂直度和圆度尺寸，最终U型框架型材直径在3340-3346mm之间，外圆弧与理论样板的间隙不大于1.5mm，平面度控制在1.0mm以内，平面间隙小于0.3mm，垂直度不大于0.8mm。

（9）滚弯成型后按批次采用20T/18米箱式时效炉进行人工时效，炉膛定温150℃，保温16小时，时效处理后得到最终航天用铝合金U型框架型材。

对本发明制得的最终航天用铝合金U型框架型材进行检测，检测结果如下表所示。