CN115652234B

CN115652234B - 一种轧制复合调控提高铝合金稳定性的方法

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Publication number: CN115652234B
Application number: CN202211306872.1A
Authority: CN
Inventors: 宋宇峰; 杜伟; 丁学锋; 刘阳; 陈宇强; 刘文辉
Original assignee: Hunan University of Science and Technology
Current assignee: Hunan University of Science and Technology
Priority date: 2022-06-12
Filing date: 2022-10-22
Publication date: 2023-09-01
Anticipated expiration: 2042-10-22
Also published as: CN115652234A

Abstract

本发明提供了一种轧制复合调控提高铝合金稳定性的方法，属于有色金属加工技术领域。本发明是对2024铝合金依次进行固溶处理、大变形冷轧、高温短时时效处理，并在时效过程中加入低强度磁场，可在短时间内极大提高材料稳定性，并且操作过程简单，整体耗时短，成本较低，工艺流程得到极大简化，同时获得的铝合金组织稳定、晶粒尺寸均匀、残余应力较小，对提高我国航空航天惯性器件的使用精度和寿命，具有十分积极的作用，适于大规模工业化生产。

Description

一种轧制复合调控提高铝合金稳定性的方法

技术领域

本发明属于有色金属加工技术领域，具体涉及一种轧制复合调控提高铝合金稳定性的方法。

背景技术

2024铝合金属于Al-Cu-Mg系的铝合金，具有质轻、比强度高和比刚度高等优点，可广泛应用于航空航天、电子、船舶等领域。尤其是应用在航空航天惯性器件领域，铝合金可有效降低飞行器的自重，降低能耗，延长产品使用寿命。

2024铝合金是航空航天惯性器件等领域的常用材料。由于航空航天惯性器件等领域的应用环境的特殊性，长期工作在剧烈变化的交变温度场中，因此，要求材料的组织均匀性好、残余应力低，工艺流程简便，加工成本低，否则，将导致器件在使用过程中尺寸的不稳定。

现有技术中，2024铝合金材料常规的热处理工艺是对熔炼后的铝合金进行480℃均匀化处理，之后进行冷轧或热轧，接下来进行505℃固溶1h，110℃和190℃双级人工时效处理。经过这种处理，虽然得到的材料组织、晶粒尺寸、第二相分布都比较均匀，但是耗时较长，成本较高，工艺流程繁琐，不利于实际生产。除此之外，现有技术处理的2024铝合金材料应用在航空航天惯性器件等领域时，因交变温度、热应力、加工应力等作用下，材料会发生组织结构、应力状态的明显变化，特别是交变温度场的变化范围较大时，材料甚至会发生相转变，进一步加剧材料内部应力的变化，导致材料的组织稳定性变差，甚至产生形变，这种微小形变导致的误差，将显著降低飞行器的精度和使用寿命，对于航空航天惯性器件的长期使用造成极为不利的影响。

因此，研究一种轧制复合调控提高铝合金稳定性的方法，成为本领域的亟需。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种轧制复合调控提高铝合金稳定性的方法，本发明通过对2024铝合金板材依次进行固溶处理、大变形量冷轧、短时热磁耦合处理，获得的铝合金组织稳定、晶粒尺寸均匀、残余应力较小，短时间内极大提高了材料稳定性，整体耗时短，操作简单。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种轧制复合调控提高铝合金稳定性的方法，所述铝合金为2024铝合金，包括以下步骤：

步骤1：对铝合金板材进行固溶处理；

步骤2：对步骤1所得板材进行冷轧；

步骤3：对步骤2所得板材进行时效处理，时效处理过程中加入磁场。

优选的，固溶温度为480-520℃，固溶时间为40-70min。更优选的，固溶温度为515℃，固溶时间为1h。

优选的，变形量为34-70％。更优选的，变形量为40％。

优选的，时效温度为220-280℃，时效时间为4-12h。更优选的，时效温度为250℃，时效时间为12h。

优选的，磁场强度为0.1-0.8T。更优选的，磁场强度为0.3T。

有益效果

本发明首先对2024铝合金板材进行固溶处理，固溶温度和时间适宜，可完全将第二相溶入基体，又不会造成过烧现象；然后，大变形量冷轧使材料产生大量位错，为材料后续时效析出提供更多形核质点，大量的位错储能也加速了第二相时效析出；最后，在高温短时时效过程中引入低强度磁场，仅促进了大量位错的运动，但不会导致位错增殖，同时还进一步提高第二相的形核率，大量位错的运动还可促进固溶原子的扩散，进一步促进了第二相的析出，使第二相的尺寸不会太大，另外，大量位错的运动加速了异号位错相互湮灭，在短时间内能够因为第二相快速大量析出、位错密度快速降低等快速提高了材料的尺寸稳定性，同时保证材料的力学强度，并且操作简单，成本低。

本发明通过先轧制以增加位错，再磁场处理又减少位错，位错作为催化剂出现，具有提高析出相数量的作用。因此，本发明在不增加位错的情况下，细化析出相，并提高析出相数量，显著提高铝合金稳定性。

本发明制得的2024铝合金材料组织稳定、晶粒尺寸均匀、残余应力较小，尺寸稳定性良好，对提高我国航空航天惯性器件，尤其是作为陀螺导航***关键部件的使用精度和寿命，具有十分积极的作用，适于大规模工业化生产。

附图说明

图1为本发明轧制复合调控提高铝合金稳定性方法的流程示意图。

图2为实施例1热磁处理后2024铝合金的金相组织图。

图3为实施例1冷轧后2024铝合金的TEM图。

图4为实施例1和对比例1制得的2024铝合金的TEM图。

图5为实施例1热磁处理后2024铝合金的HRTEM图。

图6为对比例1制得的2024铝合金的HRTEM图。

具体实施方式

为了进一步加深对本发明的理解，下面结合实施例对本发明进行详细介绍，必须指出，本发明的权利保护范围不受下面实施例的限制。

2024铝合金成分：Cu：3.8％-4.9％，Mg：1.2％-1.8％，Si：<0.5％，Fe：<0.5％，Mn：0.3％-0.9％，Al：其余。本发明中涉及的2024铝合金板材原料可从市场上购买。

实施例1

一种轧制复合调控提高铝合金稳定性的方法，包括以下步骤：

步骤1：对2024铝合金板材进行固溶处理，固溶温度为515℃，固溶时间为1h，后水淬至室温。

步骤2：对步骤1所得板材进行大变形量冷轧，变形量为40％。

步骤3：对步骤2所得板材进行时效处理，时效温度为250℃，时效时间为12h，时效处理过程中加入0.3T的磁场强度，后水淬至室温。

图2为实施例1热磁处理后2024铝合金的金相组织图，从图中可以看出，晶粒细小均匀。图3为实施例1冷轧后2024铝合金的TEM图，图4左图为实施例1热磁处理后2024铝合金的TEM图，从图中可以看出，冷轧后的2024铝合金中存在大量位错，位错密度为2.08×10¹⁴m^-2，热磁处理后铝合金的位错密度为7.09×10¹³m^-2，可知，冷轧后铝合金位错较多，热磁处理后铝合金位错大幅度减少。图5为实施例1热磁处理后2024铝合金的HRTEM图，从图中可以看出，热磁处理后的铝合金中Al₂CuMg相平均尺寸约为11.24nm，析出相细小。热磁处理后的铝合金位错较少，析出相细小，表明铝合金的尺寸稳定性良好。本实施例获得的铝合金抗拉强度为330MPa，力学性能较好。

实施例2

步骤1：对2024铝合金板材进行固溶处理，固溶温度为500℃，固溶时间为50min，后水淬至室温。

步骤2：对步骤1所得板材进行大变形量冷轧，变形量为40％。

步骤3：对步骤2所得板材进行时效处理，时效温度为220℃，时效时间为12h，时效处理过程中加入0.3T的磁场强度，后水淬至室温。

本实施例冷轧后铝合金的位错密度为2.08×10¹⁴m^-2，热磁处理后铝合金的位错密度为8.75×10¹³m^-2，可知，冷轧后铝合金的位错较多，热磁处理后铝合金的位错大幅度减少，并且热磁处理后铝合金的位错较少，表明铝合金的尺寸稳定性良好。本实施例获得的铝合金抗拉强度为337MPa，力学性能较好。

实施例3

步骤1：对2024铝合金板材进行固溶处理，固溶温度为515℃，固溶时间为40min，后水淬至室温。

步骤2：对步骤1所得板材进行大变形量冷轧，变形量为40％。

步骤3：对步骤2所得板材进行时效处理，时效温度为250℃，时效时间为12h，时效处理过程中加入0.8T的磁场强度，后水淬至室温。

本实施例获得的铝合金位错密度为9.27×10¹³m^-2，位错较少，表明铝合金的尺寸稳定性良好。本实施例获得的铝合金抗拉强度为341MPa，力学性能较好。

实施例4

步骤1：对2024铝合金板材进行固溶处理，固溶温度为480℃，固溶时间为1h，后水淬至室温。

步骤2：对步骤1所得板材进行大变形量冷轧，变形量为40％。

步骤3：对步骤2所得板材进行时效处理，时效温度为250℃，时效时间为4h，时效处理过程中加入0.3T的磁场强度，后水淬至室温。

本实施例冷轧后铝合金的位错密度为2.08×10¹⁴m^-2，热磁处理后铝合金的位错密度为1.16×10¹⁴m^-2，可知，冷轧后铝合金的位错较多，热磁处理后铝合金的位错大幅度减少，并且热磁处理后铝合金的位错较少，表明铝合金的尺寸稳定性良好。本实施例获得的铝合金抗拉强度为348MPa，力学性能较好。

实施例5

步骤2：对步骤1所得板材进行大变形量冷轧，变形量为60％。

本实施例冷轧后铝合金的位错密度为2.93×10¹⁴m^-2，热磁处理后铝合金的位错密度为1.27×10¹³m^-2，可知，冷轧后铝合金的位错较多，热磁处理后铝合金的位错大幅度减少，并且热磁处理后铝合金的位错较少，表明铝合金的尺寸稳定性良好。本实施例获得的铝合金抗拉强度为352MPa，力学性能较好。

实施例6

步骤1：对2024铝合金板材进行固溶处理，固溶温度为480℃，固溶时间为40min，后水淬至室温。

步骤2：对步骤1所得板材进行大变形量冷轧，变形量为40％。

本实施例冷轧后铝合金的位错密度为2.29×10¹⁴m^-2，热磁处理后铝合金的位错密度为8.26×10¹³m^-2，可知，冷轧后铝合金的位错较多，热磁处理后铝合金的位错大幅度减少，并且热磁处理后铝合金的位错较少，表明铝合金的尺寸稳定性良好。本实施例获得的铝合金抗拉强度为334MPa，力学性能较好。

对比例1

该对比例与实施例1的区别在于：时效处理过程中不加入磁场。具体方法为：

步骤2：对步骤1所得板材进行大变形量冷轧，变形量为40％。

步骤3：对步骤2所得板材进行时效处理，时效温度250℃，时效时间12h，后水淬至室温。

图3为实施例1冷轧后2024铝合金的TEM图，图4为实施例1和对比例1制得的2024铝合金的TEM图。冷轧后的2024铝合金中存在大量位错(图3)，在250℃热场和0.3T磁场保温12h后，位错急剧减少(图4左)。同时，对比图4左右两图，经过磁场处理铝合金的位错密度明显低于未经磁场处理铝合金的位错密度，这表明在高温时效过程中引入磁场，可促进位错移动、抵消，能够快速提高材料的尺寸稳定性。

图5为实施例1热磁处理后2024铝合金的HRTEM图，图6为对比例1制得的2024铝合金的HRTEM图。从图中可以看出，在热磁场的共同作用下，铝合金中析出了针状Al₂CuMg相沉淀，平均尺寸约为11.24nm，析出相细小。而仅在热场作用下的铝合金虽也析出了Al₂CuMg相沉淀，但平均尺寸约为15.92nm，析出相粗大。因此，相较于热场作用，在热磁场的共同作用下，Al₂CuMg相沉淀的尺寸更小。结合图4和图5，表明位错密度更小，Al₂CuMg相更细小弥散分布，铝合金的尺寸稳定性更好。

对比例2

该对比例与实施例1的区别在于：时效处理过程中加入高强度磁场(B＝1.2T)。具体方法为：

步骤1：对2024铝合金板材进行固溶处理，固溶温度515℃，固溶时间1h，后水淬至室温。

步骤2：对步骤1所得板材进行大变形量冷轧，变形量为40％。

步骤3：对步骤2所得板材进行时效处理，时效温度250℃，时效时间12h，时效处理过程中加入1T的磁场，后水淬至室温。

本对比例获得的铝合金位错密度为1.46×10¹⁴m^-2，位错较多。

对比例3

该对比例与实施例1的区别在于：冷轧变形量为20％。具体方法为：

步骤2：对步骤1所得板材进行冷轧，变形量为20％。

步骤3：对步骤2所得板材进行时效处理，时效温度250℃，时效时间12h，时效处理过程中加入0.3T的磁场，后水淬至室温。

本对比例冷轧后铝合金的位错密度为1.68×10¹⁴m^-2，位错较多，热磁处理后铝合金中Al₂CuMg相平均尺寸约为18.71nm，析出相粗大。

对比例4

该对比例与实施例1的区别在于：时效温度为190℃，时效时间为24h。具体方法为：

步骤2：对步骤1所得板材进行大变形量冷轧，变形量为40％。

步骤3：对步骤2所得板材进行时效处理，时效温度为190℃，时效时间为24h，时效处理过程中加入0.3T的磁场，后水淬至室温。

本对比例获得的铝合金的位错密度为8.36×10¹³m^-2，位错较少，虽然合金基本稳定，但是时效时间较长。

对比例5

该对比例与实施例1的区别在于：固溶后直接高温时效。具体方法为：

步骤2：对步骤1所得板材进行时效处理，时效温度为250℃，时效时间为12h，后水淬至室温。

本对比例获得的铝合金抗拉强度为189MPa，力学性能较差。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种轧制复合调控提高铝合金稳定性的方法，所述铝合金为2024铝合金，2024铝合金成分：Cu：3.8%-4.9%，Mg：1.2%-1.8%，Si：<0.5%，Fe：<0.5%，Mn：0.3%-0.9%，Al：其余，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：对铝合金板材进行固溶处理，固溶温度为480-520℃，固溶时间为40-70min；

步骤2：对步骤1所得板材进行冷轧，变形量为34-70%；

步骤3：对步骤2所得板材进行时效处理，时效处理过程中加入磁场，时效温度为220-280℃，时效时间为4-12h，磁场强度为0.1-0.8T。