一种提高2A14铝合金板材综合力学性能的塑性加工方法与流程

本发明属于铝合金加工技术领域，具体涉及一种提高2a14铝合金板材综合力学性能的塑性加工方法。

背景技术：

作为航空航天，军事工业和交通运输用重要结构承力材料，2a14铝合金具有工艺性能良好，热塑性好和工作温度较高等优点，主要用于耐热可焊的结构件，形状复杂的锻件，精密模锻件和板材等。虽然钛及钛合金和复合材料的出现对铝合金的应用产生一定冲击，但整体性能满足承载要求，局部性能优异的高性能板材作为主体承力材料的地位基本没变。

晶粒细化能同时提高铝合金的强度和塑性，通过合理塑性变形和适当热处理的形变强化、细晶强化和析出强化可有效提高材料的综合力学性能。普通变形方式，如挤压、轧制、锻造达到的细晶效果有限，较难达到微纳米级细晶组织。

搅拌摩擦加工是利用插入到板材内部，以一定进给速度沿特定加工方向前进并高速旋转的搅拌头使搅拌区的材料产生足够的摩擦热和塑性变形热而发生局部软化变形。搅拌摩擦加工过程中，在热和机械的共同作用下，材料发生剧烈塑性变形、混合、破碎和热暴露，促使再结晶晶粒细化，微观组织致密化和均匀化，缺陷减少。目前，搅拌摩擦加工主要用来改善各种铸造合金组织，变形合金变形态或变形+峰值时效态组织，从而提高合金的综合力学性能，且其能耗低、无污染、工艺简单、细化效果明显而备受国内外学者青睐。但是搅拌摩擦加工后的区域的温度一般较高，会引起搅拌摩擦加工区再结晶晶粒的粗化，使得加工区合金的强度和塑性降低，从而影响其综合力学性能。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的铝合金的综合力学性能不佳的缺陷，本发明提供一种提高2a14铝合金板材综合力学性能的塑性加工方法，通过在搅拌摩擦加工前对可热处理强化的铸态铝合金板材进行均匀化处理，有效消除各种铸造组织缺陷，控制搅拌摩擦加工过程中的热输入量和散热率，有效调控搅拌摩擦加工区的组织形貌，明显提高了搅拌摩擦加工区的综合力学性能。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种提高2a14铝合金板材综合力学性能的塑性加工方法，包括如下步骤：

(1)均匀化处理：对待加工的铸态铝合金板进行均匀化处理；

(2)表面处理：将上述均匀化处理后的铝合金板的表面进行打磨处理和物理清洗；

(3)搅拌摩擦加工：将上述表面处理后的铝合金板进行单道次搅拌摩擦加工，并瞬时强制冷却；

(4)机加工处理：将上述搅拌摩擦后的铝合金板进行机加工去除非搅拌摩擦区域，然后对表面进行打磨处理，去除表面弧形纹路和氧化皮等缺陷；

优选地，步骤(1)中所述均匀化处理为在460～490℃的温度下保温10-14h，且保温结束后先随炉冷却至160±5℃，再开炉门冷却至室温。

优选地，步骤(2)中所述物理清洗为采用水基型清洗剂和水进行冲洗。

优选地，步骤(3)中所述搅拌摩擦加工的参数为：转速为800-1000rpm，进给速度为80-100mm/min，轴肩下压量为0.2±0.05mm，搅拌头倾角为2.5-2.7°；搅拌针为长度比铝合金板材厚度短0.3mm以上的带螺纹的圆台搅拌针，圆台搅拌针的头部和根部直径分别为4mm和6mm，搅拌头的轴肩直径为15～25mm。

优选地，步骤(3)中所述瞬时强制冷却采用0-26℃的流动水进行边搅拌摩擦加工边冷却。

本发明的有益效果：

(1)本发明通过对晶粒粗大、变形能力较差的铸态2a14铝合金板材进行均匀化处理，有效消除或减少各种气孔、夹杂和难溶共晶化合物al2cu等铸造缺陷；且由于搅拌摩擦加工期间的剧烈塑性变形和高温热暴露，使搅拌摩擦加工区的粗大析出相和第二相加速溶解或破碎，难溶共晶相开始消失，流动性明显改善，发生均匀的塑性流变，得到更均匀细小的再结晶组织。

(2)本发明通过对搅拌摩擦加工后的区域进行瞬时强制冷却，相比于搅拌摩擦加工后自然冷却，有效提高了搅拌摩擦加工区的散热速率，大大缩短了高温停留时间，避免温度过高引起搅拌摩擦加工区再结晶晶粒的粗化，强制冷却后的搅拌摩擦区呈现出更细和均匀的晶粒组织；另一方面，搅拌摩擦加工过程中的剧烈塑性变形使第二相颗粒发生破碎，第二相颗粒细小均匀弥散地分布于基体中，强制冷却吸热的同时又可以使第二相颗粒保持均匀细小，对铝合金的晶粒细化具有明显的效果。

(3)本发明通过对搅拌摩擦加工后的区域进行瞬时强制冷却，使得搅拌区内仅留下少量的大尺寸析出相，过时效的趋势得到抑制；另外，由动态再结晶理论可知，变形温度越高，动态再结晶发生的临界位错密度越低，动态再结晶进行的越充分，变形后材料内位错密度越低，因此瞬时强制冷却可在一定程度上提高搅拌摩擦加工区内的位错密度，提高位错强化效果。本发明与传统能耗较高的复杂热成形技术相比，可以准确提高铝合金板材的局部强塑性，生产效率高、能耗和生产成本低，工业上容易推广。

附图说明

图1为本发明中铝合金板塑性加工方法的工艺流程图。

图2为对比例1、和实施例1～3得到的2a14铝合金板材的微观组织形貌图；(a)-对比例1；(b)-实施例1；(c)-实施例2；(d)-实施例3。

图3为对比例2、实施例1和实施例3所得2a14铝合金板材的抗拉强度和延伸率柱形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明实施例采用的搅拌针为长度4.6mm带螺纹的圆台搅拌针，圆台搅拌针的头部和根部直径分别为4mm和6mm，轴肩直径为15mm，搅拌头转速为800-1000rpm，进给速度为80-100mm/min，轴肩下压量为0.2±0.05mm，搅拌头中心轴倾角为2.5-2.7°。

如图1所示，按照图1中的铝合金板塑性加工方法的工艺流程图对铸态2a14铝合金板进行塑性加工。

实施例1

均匀化处理：将待加工的铸态2a14铝合金板材按照设备尺寸要求锯切150mm×300mm×5mm，将锯切好的板材室温装炉，在480℃下均匀化处理12h，保温结束后先随炉冷却至160±2℃，再从热处理炉中取出空冷至室温；

表面处理：将均匀化处理后的2a14铝合金板材待加工区域表面用打磨机进行打磨干净，物理清洗(水基型清洗剂清洗)后并用水冲洗，接着用吹风机吹干备用；

搅拌摩擦加工：将表面处理好的2a14铝合金板材装夹到搅拌摩擦焊设备上进行单道次搅拌摩擦加工，并瞬时强制冷却，冷却液为24±2℃的流动水，进行边搅拌摩擦加工边冷却。

机加工处理：将搅拌摩擦加工后的2a14铝合金板材机加工去除非搅拌摩擦加工区域，打磨机打磨表面弧形纹路、氧化皮和飞边等缺陷，得到综合性能优良的2a14铝合金板材。

实施例2

均匀化处理：将待加工的铸态2a14铝合金板材按照设备尺寸要求锯切150mm×300mm×5mm，将锯切好的板材室温装炉，在460℃下均匀化处理14h，保温结束后先随炉冷却至160±2℃，再从热处理炉中取出空冷至室温；

表面处理：将均匀化处理后的2a14铝合金板材待加工区域表面用打磨机进行打磨干净，物理清洗后并用水冲洗，接着用吹风机吹干备用；

搅拌摩擦加工：将表面处理好的2a14铝合金板材装夹到搅拌摩擦焊设备上进行单道次搅拌摩擦加工并瞬时强制冷却，冷却液为24±2℃的流动水，进行边搅拌摩擦加工边冷却。

机加工处理：将搅拌摩擦加工后的2a14铝合金板材机加工去除非搅拌摩擦加工区域，打磨机打磨表面弧形纹路、氧化皮和飞边等缺陷，得到综合性能优良的2a14铝合金板材。

实施例3

均匀化处理：将待加工的铸态2a14铝合金板材按照设备尺寸要求锯切150mm×300mm×5mm，将锯切好的板材室温装炉，在490℃下均匀化处理10h，保温结束后先随炉冷却至160±2℃，再从热处理炉中取出空冷至室温；

表面处理：将均匀化处理后的2a14铝合金板材待加工区域表面用打磨机进行打磨干净，物理清洗后并用水冲洗，接着用吹风机吹干备用；

搅拌摩擦加工：将表面处理好的2a14铝合金板材装夹到搅拌摩擦焊设备上进行单道次搅拌摩擦加工并瞬时强制冷却，冷却液为2±2℃的流动冰水，进行边搅拌摩擦加工边冷却。

机加工处理：将搅拌摩擦加工后的2a14铝合金板材机加工去除非搅拌摩擦加工区域，打磨机打磨表面弧形纹路、氧化皮和飞边等缺陷，得到综合性能优良的2a14铝合金板材。

对比例1

与实施例1基本相同，不同之处在于，将实施例1中的表面处理和搅拌摩擦加工步骤省略，其他均同实施例1。

对比例2

与实施例1基本相同，不同之处在于，将实施例1中的“瞬时强制冷却，冷却液为24±2℃的水溶液”替换成“在空气中自然冷却”，其他均同实施例1。

对比例1和实施例1～3所得2a14铝合金板材的微观组织，如图2所示，其中，图2(a)为对比例1所得2a14铝合金板材的微观组织图，表明经均匀化处理后铝合金板材原始枝晶基本消除，沿晶分布的大量非平衡共晶相溶解较为充分，晶界处仍存在少量残留第二相，晶粒尺寸较大，约为150μm。图2(b)～2(d)为实施例1～3所得2a14铝合金板材的微观组织图，搅拌摩擦加工后，在摩擦热和机械力的联合作用下，在试样中原有粗大晶粒发生了严重的塑性变形，生成细小等轴的再结晶晶粒，晶粒明显得到细化，提高了组织的均匀性，平均粒径在1.65～3.1μm范围内。

将对比例2(空冷)、实施例1(室温水冷)和实施例3(冰水冷却)所得铝合金板材测试其抗拉强度和延伸率，结果如图3所示，可以看出，经搅拌摩擦加工并室温水冷却后(实施例1)，板材的抗拉强度为449.6mpa，延伸率为10.20％，经搅拌摩擦加工并冰水冷却后(实施例3)，板材的抗拉强度为487.4mpa，延伸率为10.50％，较对比例2的铝合金板材的综合力学性能均得到极大的提高，故本发明提供了一种高效、快捷、低成本的塑性加工方法。

经测试，铸态试样经均匀化处理(对比例1)后的抗拉强度为246.7mpa，延伸率为4.27％。

上述具体实施例不以任何方式限制本发明，凡是采用同等替换或等效变换的方式获得的技术方案均属于本发明的保护范围内。