提高2219铝合金环件综合力学性能的工艺方法技术

本发明专利技术涉及金属材料形变热处理工艺技术领域，公开一种提高2219铝合金环件综合力学性能的工艺方法，以实现大型2219铝合金环件粗大残余结晶相的充分破碎和晶粒的细化、等轴化，使得2219铝合金环件强度与塑性同时提高，各向异性减小。该工艺方法包括：多向锻造、冲孔、马架扩孔、分段轧制及热处理。其中，多向锻造中坯料的加热温度为500～520℃，终锻温度≥380℃；分段轧制包括：第一阶段，将环坯加热至420～460℃，在辗环机上进行热轧，热轧变形量30～40％；第二阶段：将热轧后的环件空冷至240～280℃，在辗环机上继续进行中低温轧制，变形量15～25％。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属材料形变热处理工艺
，尤其涉及一种提高2219铝合金环件综合力学性能的工艺方法。
技术介绍
2219铝合金为Al-Cu-Mn系合金，具有良好的高低温力学性能、焊接性能及断裂韧性，我国现役运载火箭贮箱全面采用了2219铝合金。随着我国重型运载火箭的发展，其结构尺度不断增加，贮箱用过渡环外径达成形所需铸锭直径超超大规格铸锭凝固冷却速度较低，且沿径向冷却速度不均匀，加之，2219铝合金中Cu元素含量达5.8～6.8％，超过极限溶解度，使得成形铸锭通常存在大量粗大残余结晶相(Al2Cu相)、严重的晶粒粗大等铸造缺陷，导致大型环件成形后综合力学性能(尤其是轴向延伸率)不达标。铝合金中粗大的残余结晶相颗粒易成为应力集中和裂纹萌生处，导致材料力学性能、疲劳性能和抗应力腐蚀能力的降低。如何通过变形工艺优化实现粗大残余结晶相的充分破碎，使其在固溶过程中最大程度的转变为固溶体组织的研究鲜有报道。据查，相关研究有2个中国文献，文献1为北京科技大学的霍望图的博士学位论文《高强7000系铝合金中析出相协助的有效晶粒细化及其成形性》，文献2为国内201110183388.X号申请专利。文献1主要研究了各种热变形及过时效工艺条件下7000系铝合金中粗大粒子(结晶相)的析出规律，以期获得尽可能多的粗大粒子，为细化晶粒做准备。但未提供相应的手段以实现粗大残余结晶相的充分破碎，使其最大程度的溶于铝基体。文献2提出了一种交替使用“变形—高温固溶”工艺实现7000系铝合金中结晶相的充分固溶，抑制再结晶。但该工艺需重复加热，工艺复杂，能耗高，且2219铝合金铜含量高，粗大结晶相团聚现象严重，经实验验证，即使重复使用“变形—高温固溶”工艺，仍不能解决粗大结晶相导致的延伸率偏低难题。晶粒粗大是导致2219铝合金大型环件性能不达标的另一个重要因素。由于铝合金为体心立方结构，层错能高，较难发生再结晶，等径角挤压、高压扭转等强塑性变形细化晶粒的方法无法适应大型构件的工业生产，当前工业上大型铝合金锻件的晶粒细化通常是通过中间形变热处理来实现。据查，通过中间形变热处理细化铝合金晶粒的工艺方法，公开有5个中国文献。文献3中南大学林高用的博士论文《高性能7×75系铝合金厚板加工技术相关基础研究》、文献4为201410223778.9号专利、文献5为201310577265.3号专利、文献6为《材料科学进展》1990年10月出版的第5期《形变热处理细化7475Al合金的晶粒》、文献7为201210395033.1号专利。文献3中林高用等人采用了1982年J.Wert等人开发的一种RI-ITMT工艺，工艺步骤为：“固溶淬火—过时效—中温变形—固溶再结晶处理”。林高用等人通过采用RI-ITMT工艺，将7000系工业铝板(约25mm厚)晶粒尺寸由35μm细化至8μm，获得了力学性能的提高。但是，RI-ITMT工艺需要长时间的高温过时效处理，工艺周期长，能耗大，不能连续生产。文献4对RI-ITMT工艺进行了改进，提出了一种适用于7000系铝合金薄板(约15mm)的“固溶淬火-冷轧-短时过时效-连续轧制-短时固溶再结晶(C-TMT)”形变热处理工艺方法，该工艺采用“冷轧+短时过时效”代替RI-ITMT工艺的高温长时过时效，缩短了工艺时间。但若将该工艺用于制造大型2219铝合金环件，存在以下几个问题：(1)C-TMT工艺存在5道工序，工艺路线长，操作复杂，不利于大型环件的工业生产；(2)C-TMT工艺采用连续轧制(边轧边冷)工艺使7000系薄板获得变形存储能，利用了薄板变形过程中冷却速度快的特点，无法适应尺寸规格大、成形过程温降速度慢的大型环件的制造生产；(3)C-TMT工艺连续轧制变形量达50～90％，而2219铝合金中存在大量粗大残余结晶相，且环件尺寸规格较大，大变形量中低温变形会使得环件存在变形开裂的风险；(4)C-TMT工艺采用了短时(10～60min)再结晶固溶实现7000系铝合金薄板晶粒的细化，但2219铝合金中存在大量粗大残余结晶相，短时再结晶固溶无法实现粗大残余结晶相的充分固溶，会导致材料力学性能的降低。文献5提出了一种适用于7000系铝合金薄板(约15mm)的“固溶淬火-温轧-连续轧制-短时固溶再结晶(W-TMT)”形变热处理专利，该工艺采用“温轧”代替了C-TMT工艺的“冷轧+短时过时效”处理，进一步缩短了工艺流程。但W-TMT工艺其它工艺步骤与C-TMT类似，均采用“大变形量的连续轧制+短时固溶再结晶”实现7000系铝合金薄板的晶粒细化，存在文献4中所述(2)、(3)、(4)3个缺点，无法制备组织性能优异的大型2219铝合金环件。文献6提出了一种“固溶-炉冷-连续轧制-短时固溶再结晶”形变热处理工艺，实现了10mm厚7475铝合金薄板晶粒的显著细化。该工艺利用炉冷过程的慢速冷却过程，达到过时效的效果，节约能源。但炉冷过程耗时较长，且该工艺与W-TMT和C-TMT工艺类似，采用“大变形量(85％)连续轧制变形+短时(0.5h)固溶”实现晶粒的细化，同样存在文献4中所述(2)、(3)、(4)3个缺点，无法制备组织性能优异的大型2219铝合金环件。文献7提出了一种“固溶淬火—等径角挤压冷变形—短时再结晶”形变热处理工艺，制备了晶粒细小、力学性能良好的2618耐热铝合金。但等径角挤压进行强冷变形的处理方法难以应用于大型锻件的工业生产，且该工艺同样采用短时再结晶固溶实现晶粒的细化，不能实现2219铝合金残余结晶相的充分固溶，不利于大型2219铝合金环件性能的提高。因此，开发一种操作简单、工艺周期短并适用于大型2219铝合金环形构件工业化生产的工艺方法，实现粗大残余结晶相的充分破碎和晶粒的细化，充分挖掘2219铝合金性能的潜力，实现强度与塑性的综合提高，提升我国航天大型环形构件的制造水平，具有很强的现实意义和工程价值。
技术实现思路
本专利技术目的在于公开一种提高2219铝合金环件综合力学性能的工艺方法，以实现大型2219铝合金环件粗大残余结晶相的充分破碎和晶粒的细化、等轴化，使得2219铝合金环件强度与塑性同时提高，各向异性减小。为实现上述目的，本专利技术公开的提高2219铝合金环件综合力学性能的工艺方法包括：步骤1：将坯料加热至500～520℃，采用四镦三拔多向锻造工艺开坯，在对应环件的径向、轴向、周向三个方向各进行一次镦拔，镦粗单次变形量45％～55％，终锻温度≥380℃；步骤2：坯料经多向锻造开坯后，在压机上进行冲孔；步骤3：将冲孔后坯料重新加热至460～500℃，在压机上进行马架扩孔，压缩环坯径向、平整轴向，锻造变形量40～60％，终锻温度≥380℃；步骤4：分段轧制，包括：第一阶段，将马架扩孔后坯料重新加热至420～460℃，在辗环机上进行热轧，热轧变形量30～40％；第二阶段：将热轧后的环件空冷至240～280℃，在辗环机上继续进行中低温轧制，变形量15～25％；步骤5：将环轧成形最终环件加热至535～540℃，保温时间6～10h，固溶后立即水淬；随后进行2～3％轴向冷压缩变形及时效处理，时效温度为165±5℃，保温时间25～30h。优选的，上述步骤中冲孔、马架扩孔及分段轧制步骤中与坯料接触的工模具预热温度为350～450℃。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高2219铝合金环件综合力学性能的工艺方法，其特征在于，包括：步骤1：将坯料加热至500～520℃，采用四镦三拔多向锻造工艺开坯，在对应环件的径向、轴向、周向三个方向各进行一次镦拔，镦粗单次变形量45％～55％，终锻温度≥380℃；步骤2：坯料经多向锻造开坯后，在压机上进行冲孔；步骤3：将冲孔后坯料重新加热至460～500℃，在压机上进行马架扩孔，压缩冲孔后坯料的径向、平整轴向，锻造变形量40～60％，终锻温度≥380℃；步骤4：分段轧制，包括：第一阶段，将马架扩孔后坯料重新加热至420～460℃，在辗环机上进行热轧，热轧变形量30～40％；第二阶段：将热轧后的环件空冷至240～280℃，在辗环机上继续进行中低温轧制，变形量15～25％；步骤5：将环轧成形最终环件加热至535～540℃，保温时间6～10h，固溶后立即水淬；随后进行2～3％轴向冷压缩变形及时效处理，时效温度为165±5℃，保温时间25～30h。

【技术特征摘要】
1.一种提高2219铝合金环件综合力学性能的工艺方法，其特征在于，包括：步骤1：将坯料加热至500～520℃，采用四镦三拔多向锻造工艺开坯，在对应环件的径向、轴向、周向三个方向各进行一次镦拔，镦粗单次变形量45％～55％，终锻温度≥380℃；步骤2：坯料经多向锻造开坯后，在压机上进行冲孔；步骤3：将冲孔后坯料重新加热至460～500℃，在压机上进行马架扩孔，压缩冲孔后坯料的径向、平整轴向，锻造变形量40～60％，终锻温度≥380℃；步骤4：分段轧制，包括：第一阶段，将马架扩孔后坯料重新加热至420～460℃，在辗环机上进行热轧，热轧变形量30～40％；第二阶段：将热轧后的环件空冷至240～280℃，在辗环机上...

【专利技术属性】
技术研发人员：易幼平，何海林，黄始全，张玉勋，崔金栋，吴长俊，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43