CN117165814A - 一种5米级异形环及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及环件制备技术领域，具体是一种5米级异形环及其制备方法。本发明提供了一种5米级异形环及其制备方法。本发明提供的5米级异形环，其为铝锂合金异形环，外径为5000～5500mm；其切向抗拉强度为485～587MPa，切向屈服强度为408～536MPa，切向延伸率为5～13％；其轴向抗拉强度为485～551MPa，轴向屈服强度为395～389MPa，轴向轴向延伸率为5～8％；其径向抗拉强度为493～552MPa，屈服强度为440～503MPa，延伸率为3～6％。本发明提供的方法能够制备得到上述5米级异形环，尺寸大的同时三向力学性能高。

Description

一种5米级异形环及其制备方法

技术领域

本发明涉及环件制备技术领域，具体是一种5米级异形环及其制备方法。

背景技术

环件包括环形件和异形环件，大型环件是很多大型航天飞行器的关键连接组件之一，环件制造尺寸越大要求的工艺越高，目前大型环形件在国内有所发展，但是大型异形环件在国内研究尚属空白。大型异形环件的制造对工艺要求高于大型环形件，此前的研制的异形环件性能和尺寸均未达到本专利所涉及的尺寸和性能情况。亟待研制出高性能稳定的大规格异形环件。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种5米级异形环及其制备方法，本发明提供的方法能够制备得到5米级异形环，尺寸大的同时三向力学性能高。

本发明提供了一种5米级异形环，其为铝锂合金异形环，外径为5000～5500mm；其切向抗拉强度为485～587MPa，切向屈服强度为408～536MPa，切向延伸率为5～13％；其轴向抗拉强度为485～551MPa，轴向屈服强度为395～511MPa，轴向轴向延伸率为5～8％；其径向抗拉强度为490～552MPa，屈服强度为435～503MPa，延伸率为3～6％。

本发明所述5米级异形环的切向抗拉强度优选不小于530MPa；切向屈服强度优选不小于500MPa；切向延伸率优选不小于6％；其轴向抗拉强度优选不小于510MPa；轴向屈服强度优选不小于470MPa；轴向延伸率优选不小于5％；其径向抗拉强度优选不小于490MPa；径向屈服强度优选不小于435MPa；径向延伸率不小于4％。

在本发明的某些实施例中，本发明所述5米级异形环的切向抗拉强度为560～587MPa；切向屈服强度为513～536MPa；切向延伸率为7～8％；其轴向抗拉强度为539～551MPa；轴向屈服强度为474～489MPa；轴向延伸率为5％；其径向抗拉强度为514～552MPa；径向屈服强度为486～503MPa；径向延伸率为4～6％。

本发明所述的5米级异形环为铝锂合金异形环；具体而言，其组成包括：0.08wt％以下的Si、0.10wt％以下的Fe、3.8wt％～4.2wt％的Cu、0.8wt％～1.3wt％的Li、0.25wt％～0.7wt％的Mg、0.25wt％～0.5wt％的Ag、0.08wt％～0.16wt％的Zr和0.1wt％以下的Ti，余量为Al。在一个实施例中，所述5米级异形环的组成包括：0.05wt％的Si、0.04wt％的Fe、3.9wt％的Cu、1.0wt％的Li、0.45wt％的Mg、0.3wt％的Ag、0.13wt％的Zr和0.07wt％的Ti，余量为Al。在一个实施例中，所述5米级异形环的组成包括：0.03wt％的Si、0.04wt％的Fe、3.9wt％的Cu、1.1wt％的Li、0.5wt％的Mg、0.4wt％的Ag、0.11wt％的Zr和0.03wt％的Ti，余量为Al。

本发明所述的5米级异形环，其外径为5000～5500mm；具体而言，其高度为500～700mm。更具体而言，其由厚壁孔端部分、薄壁孔端部分和环中部组成，所述厚壁孔端部分的壁厚为80～200mm，所述薄壁孔端部分的壁厚为50～120mm，所述环中部的壁厚为50～80mm；所述厚壁孔端部分与环中部的纵向截面之间的圆弧半径为100～500mm和圆弧锥度为20～40°；所述薄壁孔端部分与环中部的纵向截面之间的圆弧半径为50～200mm和圆弧锥度为50～60°；所述厚壁孔端部分的纵向截面进入圆弧段前的垂直厚度为30mm，所述薄壁孔端部分的纵向截面进入圆弧段前的垂直厚度为40mm。

在一个实施例中，所述5米级异形环的外径为5052+10mm，高度为610mm，其由厚壁孔端部分、薄壁孔端部分和环中部组成，所述厚壁孔端部分的壁厚为180mm，所述薄壁孔端部分的壁厚为105mm，所述环中部的壁厚为65mm；所述厚壁孔端部分与环中部的纵向截面之间的圆弧半径为300mm和圆弧锥度为28°；所述薄壁孔端部分与环中部的纵向截面之间的圆弧半径为100mm和圆弧锥度为53°；所述厚壁孔端部分的纵向截面进入圆弧段前的垂直厚度为30mm，所述薄壁孔端部分的纵向截面进入圆弧段前的垂直厚度为40mm。

本申请提供的5米级异形环，其由铝锂合金组成，其作为一个异形环，在尺寸达到5米级的同时具有高的三向力学性能，能够满足实际需要。

本发明还提供了一种5米级异形环的制备方法，包括以下步骤：

S1)将直径为900±20mm、高度为550+20mm的铝锂合金圆柱体铸锭进行冲孔和平整，得到内径为500mm和高度为520+10mm的环件；

S2)将步骤S1)所得的环件进行中心孔加工后，加热扩孔，再依次进行轧制和机加工多次，得到5米级异形环件；

S3)将步骤S2)所得的5米级异形环件依次进行温度为480℃～520℃的固溶淬火300min～600min、冷胀形和温度为145℃～160℃的时效处理10h～45h，得到5米级异形环。

本发明首先将直径为900±20mm、高度为550+20mm的铝锂合金圆柱体铸锭进行冲孔和平整，得到内径为500mm和高度为520+10mm的环件。本发明所述铝锂合金圆柱体铸锭采用铝锂合金长方体铸锭通过锻造得到，开锻温度为430～470℃，终锻温度≥350℃，模具使用温度≥280℃，锻造速度为15mm±5/s；在锻造前需要将铝锂合金长方体铸锭以460±10℃的温度加热，保温760分钟以上。本发明所述的铝锂合金长方体铸锭的组成和上述5米级异形环的组成类似，不再赘述。

具体而言，本发明所述铝锂合金圆柱体铸锭由以下步骤得到：

a)将铝锂合金长方体铸锭的第一端面、第二端面和第三端面分别进行镦粗至各端面的高度为820+20mm，并将第二端面和第三端面分别进行打方至730±10mm×730±10mm；其中，所述第一端面为厚×宽面，第二端面为厚×长面，第三端面为宽×长面；

b)将步骤a)所得的铸锭的第一端面进行打方拔长、滚圆和镦粗，得到直径为900±20mm、高度为550+20mm的铝锂合金圆柱体铸锭。

更具体而言，所述铝锂合金圆柱体铸锭由以下步骤得到：

a)将厚×宽×长为1310×370×1800mm的铝锂合金长方体铸锭的第一端面镦粗至第一端面的高度为820+20mm；将第二端面进行打方拔长至厚×长为730±10mm×730±10mm，再进行镦粗至第二端面的高度为820+20mm；将第三端面进行打方拔长至宽×长为730±10mm×730±10mm，再进行镦粗至第三端面的高度为820+20mm；其中，第二端面或者第三端面被打方拔长至730±10mm×730±10mm后，其端面的高度则自然被拔长至2000mm；

b)将步骤a)所得的铸锭的第一端面进行打方拔长和滚圆至直径为900±20mm，镦粗至第一端面的高度为550+20mm，得到直径为900±20mm、高度为550+20mm的铝锂合金圆柱体铸锭。

本发明得到所述铝锂合金圆柱体铸锭后，对所述铝锂合金圆柱体铸锭进行冲孔和平整，得到内径为500mm和高度为520+10mm的环件。具体而言，本发明对所述铝锂合金圆柱体铸锭冲中心孔，对中时偏心需在20mm以下，冲孔连皮为100～200mm。本发明对所述铝锂合金圆柱体铸锭进行冲孔后，对所述冲孔后的铸锭的第一端面平整至高度为520±10mm，得到内径为500mm和高度为520+10mm的环件。

本发明得到内径为500mm和高度为520+10mm的环件后，将所得的环件进行中心孔加工，再进行加热扩孔，再依次进行轧制和机加工多次，得到5米级异形环件。本发明所述中心孔加工要求车除90％以上的冲孔锥度。

本发明在进行所述加热扩孔前，需要对中心孔加工后的环件以450～470℃的温度进行加热，定温460℃，保温时间至少520分钟。本发明所述加热扩孔的开锻温度为430～470℃，扩孔终锻温度为350℃以上，平整终锻温度为350℃以上，工、模具使用温度250～420℃。本发明所述加热扩孔具体为：在温度≥350℃下扩孔6～7圈至所述中心孔加工后的环件的外径为2500±50mm，最后一圈的扩孔压下量不超过20mm，其它圈的扩孔压下量为40mm～50mm，壁厚差不超过20mm，局部凸起不超过10mm。

本发明对中心孔加工后的环件进行加热扩孔后，再依次进行轧制和机加工多次，得到5米级异形环件。本发明所述依次进行轧制和机加工多次具体为进行第一次轧制和第一次机加工后，进行第二次轧制和第二次机加工。本发明在进行第一次轧制之前，需要对行加热扩孔后的环件进行加热，具体是以460～470℃的温度进行加热，定温460℃，保温时间至少300分钟。本发明所述第一次轧制的开轧温度为430℃～470℃，终轧温度为350℃以上，在温度≥350℃下，将扩孔后的环件依次以外径2567mm和壁厚258mm、外径2765mm和壁厚231mm、外径3095mm和壁厚204mm、外径3161mm和壁厚199mm、外径3194mm和壁厚197mm进行第一次轧制。

本发明进行第一次轧制后，进行第一次机加工。本发明所述第一次机加工目的是将第一次轧制后的环件加工为5米级异形环的雏形，以便在后续机加工中进一步加工为预定的5米级异形环的结构。

本发明进行第一次轧制和第一次机加工后，进行第二次轧制和第二次机加工。在进行第二次轧制之前，需要对第二次机加工后的环件进行加热，具体是以450～470℃的温度进行加热，定温460℃，保温时间至少200分钟。本发明所述第二次轧制的开轧温度为430℃～470℃，终轧温度为350℃以上，在温度≥350℃下，将第一次机加工后的环件依次以外径3282mm和壁厚193mm、外径3809mm和壁厚162mm、外径4687mm和壁厚124mm、外径4862mm和壁厚124mm、外径4950mm和壁厚121mm进行第二次轧制。

本发明所述第二次机加工目的是将第一次机加工后的环件进一步加工为预定的5米级异形环的结构。在一个实施例中，进行第二次机加工后固溶淬火前的所述5米级异形环件的外径为4950mm，高度为600-2mm，其由大孔端部分、小孔端部分和环中部组成，所述大孔端部分的壁厚为103.5mm，所述小孔端部分的壁厚为178.5mm，所述环中部的壁厚为63.5mm；所述大孔端部分与环中部的纵向截面之间的圆弧半径为100mm和圆弧锥度为53°；所述小孔端部分与环中部的纵向截面之间的圆弧半径为300mm和圆弧锥度为28°；所述大孔端部分的纵向截面进入圆弧段前的垂直厚度为35mm，所述小孔端部分的纵向截面进入圆弧段前的垂直厚度为30-2mm。

本发明进行第二次轧制和第二次机加工后，得到5米级异形环件，然后将所得的5米级异形环件依次进行温度为480℃～520℃的固溶淬火300min～600min、冷胀形和温度为145℃～160℃的时效处理10h～45h，得到5米级异形环。在本发明的某些实施例中，所述冷胀形的冷胀形率为3.0～4.0％，胀形后控制环件外径为5052+10mm。

在本发明的某些实施例中，所述固溶淬火的温度优选为505℃～515℃，所述固溶淬火的时间优选为300～400min，更优选为300min；所述时效处理的温度为145℃～150℃，所述时效处理的时间为30h～45h。

本发明通过上述制备方法最终得到了5米级异形环；所述5米级异形环的形态结构、组成和性能和上述一样，不再赘述。本发明除了对铸锭进行锻造开坯的步骤要求，还结合了固溶淬火、冷变形和时效处理的条件，以适应本发明5米级异形环的要求，从而达到了高的性能。

本发明提供了一种5米级异形环及其制备方法。本发明提供的5米级异形环，其为铝锂合金异形环，外径为5000～5500mm；其切向抗拉强度为485～587MPa，切向屈服强度为408～536MPa，切向延伸率为5～13％；其轴向抗拉强度为485～551MPa，轴向屈服强度为395～389MPa，轴向延伸率为5～8％；其径向抗拉强度为493～552MPa，屈服强度为440～503MPa，延伸率为3～6％。本发明提供的方法能够制备得到上述5米级异形环，尺寸大的同时三向力学性能高。

附图说明

图1为本发明所述5米级异形环的机加工图；

图2为本发明所述5米异形环的环坯淬火前加工图。

具体实施方式

本发明公开了一种5米级异形环及其制备方法。本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。

以下结合实施例对本发明进行进一步阐述：

1.1备料

1.1.1铸锭组成：2195合金，组成如表1所示：

表1

1.1.2铸锭规格：370*1310*1800mm(厚*宽*长)；

1.1.3铸锭质量：一级氧化膜，一级疏松，均火处理；

1.2加热

1.2.1工具加热：定温450℃，2300×2200mm中平砧一套加热至少16小时，Φ500mm长冲头加热至少6小时。

1.2.2坯料加热：加热温度460±10℃，定温460℃；铸锭保温760分钟以上。

1.3锻造开坯

1.3.1设备：10000吨自由锻压机配中平砧一套。

1.3.2锻造工艺要求：

(1)开锻温度430～470℃，终锻温度≥350℃，模具使用温度≥280℃。逐件测量和记录开锻与终锻温度。

(2)锻造工步如下，出炉测温并记录转移时间，锻造速度15mm±5/s，锻造前用沥青在坯料表面标A(370*1310mm)、B(370*1800mm)、C(1310*1800mm)。

(3)按照锻造工步①～⑨进行四墩三拔：

①将铸锭端面用沥青标A，A镦粗至高度＝820+20mm

②在铸锭侧面用沥青标记B、C。B打方、拔长(A、C宽＝730±10mm，B长约2000mm)

③B镦粗至高度＝820+20mm

④C打方、拔长(A、B宽＝730±10mm，C长约2000mm)

⑤C镦粗至高度＝820+20mm

⑥A打方、拔长、滚圆至Φ900±20mm

⑦A镦粗至高度＝550+20mm

⑧用Φ500长冲头冲中心孔，用尺子对中(偏心需≤20mm)，冲孔连皮＝100～200mm。

⑨A平整至高度＝520±10mm

(4)印记：逐件在坯料上用钢印打上合金、批次、熔次、件号。

1.4中心孔加工

机加工中心余料，车除90％以上的冲孔锥度。

1.5扩孔前加热

1.5.1坯料加热：加热温度460±10℃，定温460℃，保温时间至少520分钟。

1.5.2工具炉定温450℃，1600*1600小平砧上、Φ500芯棒加热至少10小时；中平砧2300*2200一套，加热至少16小时。

1.6扩孔

1.6.1扩孔设备及模具：10000T油压机和10T锻造车。10000T油压机上模安装1600*1600小平砧上；安装中马架，马架必须用螺栓等工具固定，不拆除下砧座，中马架一侧紧靠下砧座。

1.6.2温度控制：开锻温度430～470℃,扩孔终锻温度≥350℃，平整终锻温度≥350℃，工、模具使用温度250～420℃。

1.6.3扩孔：在10000T油压机加Φ500芯棒扩孔至环件外径2500±50mm。扩孔6～7圈完成，前面几圈每次压下40～50mm，最后一圈整圆，压下不超过20mm,壁厚差不超过20mm,局部凸起不超过10mm。

1.7第一次轧环前加热

1.7.1坯料加热：加热温度460±10℃，定温460℃，保温时间至少300分钟。

1.8第一次轧环

1.8.1温度：开轧温度430℃～470℃，终轧温度≥350℃。

1.8.2轧制：将环件轧至外径尺寸Φ3200±50mm。第一次轧制参数如表2～4所示：

表2

表3

表4

坯外径	2534	坯壁厚	267	坯高度	600
						环外径	3194	环壁厚	197	环高度	615

1.8.3轧后立即测量并记录尺寸。

1.9机加工

按照图1所示加工环坯内径，图1为本发明所述5米级异形环的机加工图。

1.10第二次环轧前准备

坯料加热前需要安装好异型芯辊。

1.11第二次环轧前加热

坯料加热：加热温度460±10℃，定温460℃，保温时间至少200分钟。

1.12第二次轧环

1.12.1温度：开轧温度430℃～470℃，终轧温度≥350℃。

1.12.2轧制：将环件轧至外径尺寸Φ4940+10mm。第二次轧制参数如表5～7所示：

表5

轧制阶段	1	2	3	4	5
						终了外径(mm)	3282	3809	4687	4862	4950
终了壁厚(mm)	193	162	129	124	121
						终了环高(mm)	625	630	635	635	635
初长大率(mm/s)	1.0	2.5	3.5	4.0	1.0
						终长大率(mm/s)	3.0	4.0	4.5	2.0	1.0
径/轴向压缩比		1.1	1.0

表6

表7

坯外径	3194	坯壁厚	197	坯高度	615
						环外径	4950	环壁厚	121	环高度	635

1.12.3轧后立即测量并记录尺寸。

1.13机加工

1.13.1加工上下端面折叠至高度600-2mm，尺寸要求如图2所示，图2为本发明所述5米异形环的环坯淬火前加工图。

1.13.2环件圆周均分为8段测量内外径及高度尺寸，并在测量位置打钢印标记。

1.14固溶淬火(装炉前需联系运输车辆及外委胀形设备调试)

1.14.1设备：±5℃均匀性的热处理炉

1.14.2淬火制度：固溶温度和时间参考表8，淬火水温30～40℃。

1.15冷胀形

冷胀形率为3.0～4.0％，胀形后控制外径为5052+10mm。

1.16人工时效

时效温度和时间参考表8，空气保温18小时。

表8

对实施例1～11的产品进行性能检测，结果如表9所示：

表9

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种5米级异形环，其特征在于，其为铝锂合金异形环，外径为5000～5500mm；

其切向抗拉强度为485～587MPa，切向屈服强度为408～536MPa，切向延伸率为5～13％；

其轴向抗拉强度为485～551MPa，轴向屈服强度为395～511MPa，轴向轴向延伸率为5～8％；

其径向抗拉强度为490～552MPa，屈服强度为435～503MPa，延伸率为3～6％。

2.根据权利要求1所述的5米级异形环，其特征在于，所述5米级异形环的组成包括：

0.08wt％以下的Si、0.10wt％以下的Fe、3.8wt％～4.2wt％的Cu、0.8wt％～1.3wt％的Li、0.25wt％～0.7wt％的Mg、0.25wt％～0.5wt％的Ag、0.08wt％～0.16wt％的Zr和0.1wt％以下的Ti，余量为Al。

3.一种5米级异形环的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1)将直径为900±20mm、高度为550+20mm的铝锂合金圆柱体铸锭进行冲孔和平整，得到内径为500mm和高度为520+10mm的环件；

S2)将步骤S1)所得的环件进行中心孔加工后，加热扩孔，再依次进行轧制和机加工多次，得到5米级异形环件；

S3)将步骤S2)所得的5米级异形环件依次进行温度为480℃～520℃的固溶淬火300～600min、冷胀形和温度为145℃～160℃的时效处理10h～45h，得到5米级异形环。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S1)中，所述铝锂合金圆柱体铸锭由以下步骤得到：

a)将铝锂合金长方体铸锭的第一端面、第二端面和第三端面分别进行镦粗至各端面的高度为820+20mm，并将第二端面和第三端面分别进行打方拔长至730±10mm×730±10mm；其中，所述第一端面为厚×宽面，第二端面为厚×长面，第三端面为宽×长面；

b)将步骤a)所得的铸锭的第一端面进行打方拔长、滚圆和镦粗，得到直径为900±20mm、高度为550+20mm的铝锂合金圆柱体铸锭。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S3)中，所述固溶淬火的温度为505℃～515℃，所述固溶淬火的时间为300～400min。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S3)所述时效处理的温度为145℃～150℃，所述时效处理的时间为30h～45h。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S2)中，所述加热扩孔具体为：在温度≥350℃下扩孔6～7圈至外径为2500±50mm，最后一圈的扩孔压下量不超过20mm，其它圈的扩孔压下量为40mm～50mm，壁厚差不超过20mm，局部凸起不超过10mm。

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S2)中，所述依次进行轧制和机加工多次具体为：

进行第一次轧制和第一次机加工后，进行第二次轧制和第二次机加工：

所述第一次轧制具体为：在温度≥350℃下，将扩孔后的环件依次以外径2567mm和壁厚258mm、外径2765mm和壁厚231mm、外径3095mm和壁厚204mm、外径3161mm和壁厚199mm、外径3194mm和壁厚197mm进行第一次轧制；

所述第二次轧制具体为：在温度≥350℃下，将第一次机加工后的环件依次以外径3282mm和壁厚193mm、外径3809mm和壁厚162mm、外径4687mm和壁厚124mm、外径4862mm和壁厚124mm、外径4950mm和壁厚121mm进行第二次轧制。

9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S1)中，所述铝锂合金圆柱体铸锭的组成包括：

0.08wt％以下的Si、0.10wt％以下的Fe、3.8wt％～4.2wt％的Cu、0.8wt％～1.3wt％的Li、0.25wt％～0.7wt％的Mg、0.25wt％～0.5wt％的Ag、0.08wt％～0.16wt％的Zr和0.1wt％以下的Ti，余量为Al。

10.根据权利要求3～9中任一所述的制备方法，其特征在于，所述5米级异形环的外径为5000～5500mm；

所述5米级异形环的切向抗拉强度为485～587MPa，切向屈服强度为408～536MPa，切向延伸率为5～13％；

所述5米级异形环的轴向抗拉强度为485～551MPa，轴向屈服强度为395～511MPa，轴向轴向延伸率为5～8％；

所述5米级异形环的径向抗拉强度为490～552MPa，屈服强度为435～503MPa，延伸率为3～6％。