一种民机机翼下长桁用2系铝合金型材及其制造方法
技术领域
本发明属于民机用铝合金型材制造领域,具体涉及一种民机机翼下长桁用2系铝合金型材及其制造方法。
背景技术
航空制造业水平是国家实力的重要标志,自1970年我国启动首架大型民用飞机研制项目以来,我国航空制造业取得了明显进步,特别是近十余年来,随着我国经济和民航工业的快速发展,航空运输产业展现出了巨大的市场需求,研制具有自主知识产权的商用飞机作为国家目标之一被提上日程,相继启动了ARJ21新支线飞机和大型客机C919研制项目,ARJ21飞机于2016年正式投入航线运营,我国自主研制的大型喷气式客机C919也于2017年5月5日在上海浦东国际机场实现完美首飞,表明我们国家航空制造业又向前迈进了一大步。在未来20年,全球商用飞机交付量将达4万多架,总价值将达6万亿美元,其中我国新机交付量将达9000多架,占全球的22%。中国的民机之路将迎来快速发展期和广阔的市场良机。
国产民机项目上马以来,所需要的各类铝合金型材一直依赖进口,既增加了整机的制造成本,又面临型材随时断供而带来的飞机交期风险。在全面推进民机材料国产化的背景下,工信部将机翼下长桁用2系型材的生产列入国家新材料生产应用示范平台,并纳入民机上下游合作机制,力求实现民机下长桁的国产化。民机的机翼下长桁,通常会选用具有高强高韧、高损伤容限的2系铝合金型材制造,常用牌号及状态包括有:2026~T3511、2224~T3511等,其中2026合金是美国铝业公司在2024合金基础上,通过降低Fe、Si含量,同时添加少量Zr,研发的一种新型2系铝合金。通过合理的热加工与热处理,制备成的2026~T3511型材,具有高强度、高损伤容限、良好耐蚀性等诸多优点,在A320系列客机上得到大规模应用,并被C919选做机翼下长桁的制造材料。
我国在2系铝合金的生产中也有较多的工艺改进来改善2系铝合金的性能。
山东南山铝业股份有限公司在2018年于专利CN 108441793 A中公布了一种铝合金强制定型的热处理方法及航空用铝合金型材。通过采用淬火工装进行强制定型,抑制了型材在淬火过程中的淬火变形,获得了较好的型材平直度。
成都智利达科技有限公司在2015年于专利CN 104862561A中公布了一种飞机挂架用高强度铝合金型材及其制备方法。通过对铸锭生产所用精炼剂进行优化,及合金成分与生产工艺的优化,生产出抗拉强度达到573 MPa,屈服强度达到459 MPa,伸长率达到15.1%的2系铝合金型材。
浙江米皇铝业股份有限公司在2017年于专利CN 104975213B中公开了一种环保高韧性硬铝合金型材生产工艺。实现了2系合金的水平连续铸造和连续挤压,型材抗拉强度可达500 MPa以上。
机翼下长桁在实际使用过程中受力方式复杂,用于民机机翼下长桁的型材,除了要满足L方向性能外,还需满足一些LT方向的性能指标,尤其是LT方向应力腐蚀性能等指标。民机机翼下长桁用型材不仅尺寸规格大,而且需要严格控制残余应力,以避免在后续机加工过程中产生严重变形。现有技术未根据我国民机制造对机翼下长桁用2系铝合金型材的服役条件和性能需求进行工艺优化与性能提升,因而无法满足民机机翼下长桁的使用需求。
究其原因,首先是国内民航工业起步较晚,缺乏民机机翼下长桁的使用需求,导致铝型材生产企业对民机机翼下长桁的各项性能及其要求了解不充分,也未投入足够的时间和力量进行相关研发,因此,长期无法生产出全面满足民航机翼下长桁使用要求的型材。其次,2026合金相对于一般2系合金,合金成分做出了重大调整,添加了Zr元素,对于国内生产企业是一种完全陌生的新合金。
南山铝业依托国家打造的示范平台,依据民用航空型材生产要求,合理配置生产设备,建立健全生产管理体系,打造强大研发团队,经过多年工艺研究和改进,生产出各项性能满足机翼下长桁使用要求的型材,填补了国内空白。本发明相关工艺及其生产的型材得到了中国商用飞机有限责任公司的认可,已转入最终取证阶段。
发明内容
本发明提供一种民机机翼下长桁用2系铝合金型材及其制造方法,用以解决现有技术中的不足。本发明通过以下技术方案予以实现:
一种民机机翼下长桁用2系铝合金型材,合金型材中各物质的质量百分比为:Si含量低于0.05%,Fe含量低于0.06%,Cu含量3.7%~4.1%,Mg含量1.2%~1.4%,Mn含量低于0.4%~0.8%,Cr含量低于0.02%,Ti含量0.02%~0.06%,Zr含量0.08%~0.12%,其他杂质元素含量低于0.15%,余量为Al。
一种民机机翼下长桁用2系铝合金型材的制造方法,包括如下步骤:
步骤一:铸造铸锭,铸锭铸造完成后,进行均匀化退火处理。
步骤二:用箱式模具加热炉对模具进行加热和保温处理,确保模具芯部到温,模具温度加热至390~410℃。
步骤三:挤压筒设定温度为400~420℃,待温度到达后保温,对铸锭进行加热,将到温后的铸锭按照尾端在内头端在外的方向装入挤压筒,将左右双孔布局的模具装入挤压筒与铸锭头端贴近,缓慢***空心轴进行反向挤压,挤压完成后,进行预拉伸拉直,得到铝合金型材初品。
步骤四:采用离线热处理工艺对铝合金型材初品进行固溶处理,固溶处理温度为492~494℃,固溶处理的保温时间为80~120 min,确保固溶充分,保温完成后进行淬火降温,并对淬火后的型材立刻进行拉伸校直,消除淬火残余应力。
步骤五:在对型材进行淬火降温和拉伸校直后,型材摆放平直进行自然时效超过96 h,获得得铝合金型材。
如上所述的一种民机机翼下长桁用2系铝合金型材的制造方法,所述的铸锭加热方式为感应加热,其阶梯加热方法为:感应式加热炉沿铸锭长度方向等距分为若干个区域,每个区域均采用独立的感应加热线圈、热电偶及控温装置,在设定好铸锭头端温度和温度梯度后,每个区域的设定温度由程序自动计算和输入。
如上所述的一种民机机翼下长桁用2系铝合金型材的制造方法,所述的步骤三中铸锭头端设定温度为350~430℃,铸锭从头端至尾端温度呈梯度下降趋势,温度梯度下降的趋势为10~30℃/m。铸锭各区域加热到温后,将铸锭装入挤压筒,铸锭头端装入模具,进行挤压。
如上所述的一种民机机翼下长桁用2系铝合金型材的制造方法,所述的步骤三中反向挤压的挤压轴速为1.0~1.5 mm/s,轴速设定与铸锭加热温度有关,其原则为高温低速、低温高速。
如上所述的一种民机机翼下长桁用2系铝合金型材的制造方法,所述的步骤三的预拉伸拉直的变形量控制在1.2%以下。
如上所述的一种民机机翼下长桁用2系铝合金型材的制造方法,所述的步骤四的拉伸校直的拉伸变形量控制在1%~3%。
如上所述的一种民机机翼下长桁用2系铝合金型材的制造方法,所述的步骤四的淬火方式采用喷淋式淬火。
如上所述的一种民机机翼下长桁用2系铝合金型材的制造方法,所述喷淋式淬火的操作为:淬火区域分为两个区域,靠近热处理炉的区域为前区,离热处理炉较远的区域为后区,两个区域的上下喷水设备均具有独立调节能力,淬火水量工艺参数为:前区上喷嘴水量330~370 L/s,前区下喷嘴水量220~260 L/s,后区上喷嘴水量160~200 L/s,后区下喷嘴水量130~170 L/s,型材淬火通过速度为150~250 mm/s。
如上所述的一种民机机翼下长桁用2系铝合金型材的制造方法,其铝合金铸锭的铸造包括如下步骤:
步骤一:根据铝合金铸锭中各物质的质量百分比以及考虑到合金熔炼过程中的烧损及废料中合金成分及含量,根据投料量计算铝锭、铜板、镁锭、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝钛中间合金,铝锆中间合金的重量,并根据计算所得结果,称量各种原料。
步骤二:将充分干燥的铝锭投入熔炼炉,熔化过程中控制炉膛温度为950~1050℃;铝锭全部熔化后,使用电磁搅拌设备搅拌15~35 min。熔体温度到达700℃后,开始进行合金化,熔体温度起伏范围控制在700-750℃,分批加入铜板及各种中间合金,每批合金添加时间间隔20 min,每次添加重量不超过800 kg,采用电磁搅拌器进行持续搅拌,在合金化过程中每次投料前,均采用扒渣车扒净熔体表面浮渣。
步骤三:全部原料投入熔炼炉且完全熔化后熔体由熔炼炉转入静置炉进行第一次精炼,静置炉的炉膛温度为850℃,熔体从熔炼炉向静置炉转移时熔体温度控制在725~745℃,采用旋转通气装置进行精炼,旋转通气装置的转子转速为250~350 RPM,并通入氩气与氯气混合气体,氩气流量为180~220 slpm,氯气流量为5~15 slpm,在精炼过程及时清理浮出熔体的浮渣,每次精炼时间控制在30 min,通过在固定位置取样进行化学成分分析,对熔体合金成分进行精准调控。
步骤四:将在静置炉完成第一次精炼的熔体送入双转子两级除气箱进行第二次精炼,双转子两级除气箱温度调整为735~745℃,熔体从静置炉向双转子两级除气箱转移时熔体温度控制在715~735℃,并在双转子两级除气箱内加入细化剂。
步骤五:将经过双转子除气箱进行第二次精炼的除气除渣的熔体送入双层过滤箱中进行过滤,第一级过滤板孔隙率选择30 ppi进行第四次除渣,第二级过滤板孔隙率选择50 ppi进行第五次除渣,每次起铸,提前40 min开始预热过滤板及整套流槽,但加热时间不允许超过2 h。
步骤六:将经过双层过滤箱过滤的熔体送入铸造机进行铸造,起始铸造速度为20~25 mm/min,水流量25~30 m3/h·根,同时启用结晶器自动润滑***;铸造长度超过100 mm,铸造速度调整为35~40 mm/min,水流量调整为40~45 m3/h·根,保持匀速铸造;铸锭长度超过550 mm后,铸造速度调整为20~25 mm/min,水流量调整为25~30 m3/h·根。
步骤七:将铸造机铸造完成的铸锭立即送入均匀化炉中进行均匀化操作,按照不同合金配比所预设定的具体均匀化工艺进行均匀化退火,防止在残余应力释放过程中,产生裂纹。
本发明的优点是:
1、本发明是经过大量理论研究,以及实际制造取得产品进行全方位的性能检测最终得到的符合标准的2系型材,解决了产民机机翼下长桁使用的2系型材完全依赖进口的问题,本发明通过采用模孔布局优化、铸锭阶梯加热的等温反向挤压、低应力阶梯淬火等技术,增强型材横向性能、降低了型材残余应力,生产出满足国产民机机翼下长桁使用需求的2系型材。采用本发明生产的机翼下长桁用2系型材,成功通过中商飞材料认证,取代进口型材实现装机使用。
2、现有技术中的模具设计,没有考虑模具设计对型材显微组织及性能的影响,尤其在进行多孔模具设计时,更没有考虑模孔布局对型材显微组织及性能的影响,而是仅以保证型材成形效果和降低挤压力为模具设计目标,其模具设计中的模孔布局方法如图1中的上下双孔布局,这种模孔布局不利于型材横向组织和性能的控制(如图3(a)所示)。本发明采用的模孔布局方法为如图2所示的左右双孔布局,这种模孔布局方法,能够使型材横截面的显微组织由等轴晶转变为沿LT方向拉长的纤维状晶粒(如图3(b)所示),进而显著提高了型材的横向性能,达到民机机翼下长桁所需的各项性能指标。
3、国内绝大部分挤压机均为正向挤压机,多采用正向挤压技术,只有少部分采用反向挤压技术。在现有技术中,铸锭各区域加热温度相同,由于挤压过程中材料发生塑性变形而做功,使型材头端实际挤压温度较低,尾端实际挤压温度较高,导致型材头端与尾端的尺寸、组织、性能均存在较大差异,无法满足民机下长桁的使用要求。本发明采用等温反向挤压技术,通过对大规格铸锭进行分区电磁感应加热,实现铸锭温度梯度控制,铸锭前端温度高、尾端温度低,由挤压变形做功产生的热量可对铸锭尾端温度进行补偿,降低了铸锭头端和尾端的挤压温度差异,很好地实现等温挤压,减少了挤压温度升高带来的头尾端差异。
4、现有技术大都采用立式淬火炉进行淬火,淬火后的型材存在较大的残余应力,容易导致长桁在机加工过程中产生明显的塑性变形而报废,无法通过产品认证过程中的机加工验证环节。少量现有技术采用卧式炉进行淬火,但均未对型材的淬火工艺进行深入开发,均以淬透型材为第一目的,均面临淬火变形大的问题,只能采用工装固定放置型材变形过大卡卧式炉内,未采用水量控制降低型材的淬火残余应力。本发明采用低应力阶梯淬火技术,利用喷淋式卧式炉淬火区域喷水量可调的特点,调高前区喷水量提高冷却速度保证淬火效果,调低后区喷水量降低冷却速率减少残余应力。同时,通过淬火上下水量的控制,降低了型材淬火过程中的翘曲,避免了工装固定带来的水帘遮挡问题。既实现了2026型材完全淬透,保障足够的强度,又尽量降低型材的残余应力,保证较低的机加工变形。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是上下模孔布局图;
图2是本发明的左右模孔布局图;
图3是不同模孔布局下挤压型材的横截面显微组织,其中图3(a)为采用上下双孔模具挤压型材的横截面显微组织,图3(b)为采用本发明左右双孔模具挤压型材的显微组织;
图4是采用本发明技术生产的民机机翼下长桁用型材。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
步骤一:采用半连续铸造方式生产出各项指标均满足技术规范的大规格2系铸锭,并进行均匀化退火。对铸锭进行化学分析,Si含量为0.042%,Fe含量为0.051%,Cu含量3.86%,Mg含量1.24%,Mn含量为0.54%,Cr含量为0.0072%,Ti含量0.044%,Zr含量0.113%;
步骤二:用箱式模具加热炉对模具进行加热和保温处理,确保模具芯部到温,模具温度加热至390℃;
步骤三:挤压筒设定温度为400℃,待温度到达后方可进行挤压,铸锭头端设定温度为350℃,铸锭从头端至尾端温度呈梯度下降趋势,温度梯度为30℃/m;将加热到温的铸锭装入挤压筒,铸锭头端一侧装入左右双孔模具,进行反向挤压,反向挤压的挤压轴速为1.5 mm/s,挤压完成后,进行预拉伸拉直,变形量为0.8%,获得铝合金型材初品;
步骤四:采用离线热处理工艺对铝合金型材初品进行固溶处理,固溶处理温度为494℃,固溶处理的保温时间为90 min,保温完成后采用喷淋式淬火降温,淬火水量工艺参数为:前区上喷嘴水量330 L/s,前区下喷嘴水量220 L/s,后区上喷嘴水量160 L/s,后区下喷嘴水量130 L/s,型材淬火通过速度为250 mm/s,淬火后的型材立刻进行拉伸校直,拉伸变形量为1.4%;
步骤五:将淬火和拉伸校直后的型材摆放平直,进行自然时效超过96 h,得到铝合金型材。
实施例2
步骤一:采用半连续铸造方式生产出各项指标均满足技术规范的大规格2系铸锭,并进行均匀化退火。对铸锭进行化学分析,Si含量为0.042%,Fe含量为0.053%,Cu含量3.79%,Mg含量1.34%,Mn含量为0.49%,Cr含量为0.0078%, Ti含量0.042%,Zr含量0.103%;
步骤二:用箱式模具加热炉对模具进行加热和保温处理,确保模具芯部到温,模具温度加热至410℃;
步骤三:挤压筒设定温度为420℃,待温度到达后方可进行挤压,铸锭头端设定温度为430℃,铸锭从头端至尾端温度呈梯度下降趋势,温度梯度为10℃/m,将加热到温的铸锭装入挤压筒,铸锭头端一侧装入左右双孔模具,进行反向挤压,反向挤压的挤压轴速为1mm/s,挤压完成后,进行预拉伸拉直,变形量为1.1%,获得铝合金型材初品;
步骤四:采用离线热处理工艺对铝合金型材初品进行固溶处理,固溶处理温度为494℃,固溶处理的保温时间为120 min,保温完成后采用喷淋式淬火降温,淬火水量工艺参数为:前区上喷嘴水量370L/s,前区下喷嘴水量240L/s,后区上喷嘴水量200L/s,后区下喷嘴水量100L/s,型材淬火通过速度为150mm/s,淬火后的型材立刻进行拉伸校直,变形量为2.4%;
步骤五:淬火和拉伸校直后的型材摆放平直,进行自然时效超过96 h,获得铝合金型材。
实施例3
步骤一:采用半连续铸造方式生产出各项指标均满足技术规范的大规格2系铸锭,并进行均匀化退火。对铸锭进行化学分析,Si含量为于0.045%,Fe含量为0.049%,Cu含量4.09%,Mg含量1.38%,Mn含量为0.64%,Cr含量为0.0074%,Ti含量0.052%,Zr含量0.103%;
步骤二:用箱式模具加热炉对模具进行加热和保温处理,确保模具芯部到温,模具温度加热至410℃;
步骤三:挤压筒设定温度为420℃,,铸锭头端设定温度为410℃,铸锭从头端至尾端温度呈梯度下降趋势,温度梯度为20℃/m,将加热到温的铸锭装入挤压筒,铸锭头端一侧装入左右双孔模具,进行反向挤压,反向挤压的挤压轴速为1.2mm/s,挤压完成后,进行预拉伸校直,变形量0.3%,获得铝合金型材初品;
步骤四:采用离线热处理工艺对铝合金型材初品进行固溶处理,固溶处理温度为494℃,固溶处理的保温时间为100 min,保温完成后采用喷淋式淬火降温,淬火水量工艺参数为:前区上喷嘴水量370 L/s,前区下喷嘴水量240 L/s,后区上喷嘴水量200 L/s,后区下喷嘴水量100L/s,型材淬火通过速度为200mm/s,淬火后的型材立刻进行拉伸校直,消除淬火残余应力拉伸变形量控制在2.8%;
步骤五:淬火和拉伸校直后的型材摆放平直,进行自然时效超过96 h,获得铝合金型材。
对本发明的实施例1-3所得铝合金型材进行性能检测,结果如表1所示。由本发明实施例1~3可以看出,本发明通过一系列一系列技术创新,以半连续铸造加反向等温挤压的工艺路线,生产出性能全面满足机翼下长桁使用要求的型材。L向抗拉强度超过550 Mpa,L向屈服强度超过410 Mpa;LT向抗拉强度超过480 Mpa,LT向屈服强度超过340 Mpa;LT向应力腐蚀性能满足250 Mpa应力下,腐蚀30天不发生应力腐蚀的要求。与对比例相比,L方向拉伸性能显著提高,且获得了优异的LT方向拉伸和应力腐蚀性能。依本专利技术生产的民机机翼下长桁用型材,已经成功通过中商飞的产品认证并供货交付,实物照片见图4。
表1 实施例的性能检测结果
性能 |
实施例1 |
实施例2 |
实施例3 |
L向抗拉强度 |
563.1MPa |
556.4MPa |
565.4MPa |
L向屈服强度 |
415.6MPa |
429.2MPa |
432.2MPa |
L向延伸率 |
21.5% |
21.3% |
20.9% |
LT向抗拉强度 |
486.5MPa |
486.3MPa |
496.4MPa |
LT向屈服强度 |
349.2MPa |
349.2MPa |
351.2MPa |
LT向延伸率 |
22.1% |
22.9% |
21.8% |
LT向应力腐蚀性能 |
满足250MPa应力下,腐蚀30天不发生应力腐蚀 |
满足250MPa应力下,腐蚀30天不发生应力腐蚀 |
满足250MPa应力下,腐蚀30天不发生应力腐蚀 |
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。