改进通过固态连接加工的铝合金性能的方法技术

一种采用固态连接工艺形成具有改进的机械性能的铝合金制品的方法，其中通过在固溶体热处理前实施热暴露处理使延展性降低的问题最小化。这种热暴露处理，在温度低于固溶体热处理温度下进行，释放铝合金材料中的储存能。从而铝合金材料在固溶体热处理过程中没有足够的能量来发生再结晶和异常晶粒生长。所得的铝合金材料具有恢复的机械强度，在初始延展性上仅有轻微的但可以接受的降低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般性地涉及一种制备铝合金的方法，更具体地，本专利技术涉及一种改进通过固态连接(solid state joining)加工的铝合金性能的方法。
技术介绍
当采用固态连接技术，包括例如传统的旋转摩擦，以在圆形截面金属部件中获得连接时，其产生的全世界接受的经济效益和高焊接质量已经导致其它连接非圆形的和复杂形状零件的高质量焊接工艺的发展。一种关于旋转摩擦焊接的新型改进技术，被称为线性摩擦焊接(“LFW”)，涉及用对称的线性往复运动摩擦一个穿过第二个钢性压紧部件表面的部件。该线性往复运动产生摩擦热并软化焊接界面材料(作为溢料排出)。将两个部件精确对准焊接环的末端，并保持或增加焊接力以加固连接。加工或摩擦随后可以去除LFW工艺中产生的溢料。LFW工艺相对传统的旋转摩擦工艺的优势在于可以用LFW来焊接非圆形或复杂几何形状的部件，例如航空发动机叶片到盘片。摩擦搅拌焊接(“FSW”)是一种用非耗损工具连接各种类型金属的固态工艺。当FSW旋转工具被插入并横穿材料时，该工具塑化材料并迫使材料沿着工具周围流动，在此它们重新凝固。尽管这些工艺如FSW和LFW已经在各种工业中普及，但是这些工艺确实有缺陷。老化、加工、或应变硬化金属暴露在焊接的强烈局部加热下，在焊接熔核(weldnugget)中易于再结晶和软化，因为强化沉淀物(strengthening precipitate)已经溶解。焊接熔核可以通过实施重新沉淀这些强化沉淀物的后焊接老化(post weld agingg)处理来强化。焊接也导致熔核周围产生热影响区(heat-affected zone)(HAZ)。尽管熔核获得足够高的温度来促使沉淀物加速固溶化，但HAZ被加热到一个较低的温度使得沉淀物尺寸长大，并且使强化作用变得较为无效。后焊接老化只能进一步粗化这些沉淀物。例如，FSW和LFW都通过局部改变微观结构和回火(例如，在摩擦焊接铝中，摩擦焊接工艺使微观结构的晶粒尺寸减小到约2-5微米，其比母材更细)来减少常用铝合金(如7050和7055)的强度。实际上，因为HAZ中的过度老化，通常强度下降约25-30％。熔核起初较脆弱，但是通过在室温下自然老化会逐渐加强。例如，如下表1所示，对于一种铝合金(7050-T7451)，线性摩擦焊接和随后的老化导致允许的极限拉伸应力(Ftu)降低约15％，在材料开始拉伸屈服时允许的拉伸应力(Fty)降低约27％，并且延伸率降低约35-45％。表1 通过进一步机械处理恢复这些强度性能是不可能的或不切实际的，这严格限制了这些铝合金在低成本生产工艺中的有效性和适用性，特别是对于飞机机架部件的应用。一种恢复这些铝合金在FSW或LFW工艺中改变的强度的技术是采用固溶体热处理(solution heat treating)(温度在约900到1000华氏度之间)，淬火和老化(温度范围约为250-350华氏度)来进一步热处理合金。然而，虽然固溶体热处理步骤对强度的恢复是必需的，但它也导致焊接件本身晶粒过变生长(约从4微米到400微米)，和延展性严重降低，常常到接近零的水平。过度的晶粒生长和延展性损失被认为是因为摩擦焊接块包含了相当数量的储存能，这会导致在固溶体处理阶段发生二次再结晶和反常的晶粒生长。因此，非常希望在FSW，LFW或类似的固态工艺中恢复损失的铝合金强度，同时防止产生延展性的损失。
技术实现思路
本专利技术通过在固溶体热处理前进行热暴露处理解决了延展性降低的问题。该热暴露处理，或者后焊接退火，在低于固溶体热处理温度下进行并释放材料中的储存能。然后材料在随后的固溶体热处理工艺中没有足够的能量发生再结晶。所得的材料具有恢复的机械强度，在初始延展性上仅有轻微的但可以接受的降低。当该工艺被理想地用于连接铝合金零件时，本专利技术适合用于连接任何类型的金属。本专利技术在于如下方面 1、一种形成具有改进的延展性和延伸率的通过固态连接加工的铝合金制品的方法，该方法包括用固态连接工艺形成铝合金材料；退火所述铝合金材料以释放所述铝合金材料中的储存能；冷却所述铝合金材料；并且固溶体处理和老化所述铝合金材料。2、上述项1的方法，其中退火所述铝合金材料包括将所述铝合金材料在约700到800华氏度下退火足够的时间以释放所述铝合金材料中的储存能。3、上述项2的方法，其中退火所述铝合金材料包括在约725华氏度退火所述铝合金材料约2小时。4、上述项1的方法，其中冷却所述铝合金材料包括在约室温和约250华氏度之间空气冷却所述铝合金材料。5、上述项4的方法，其还包括在空气冷却所述铝合金材料前炉冷却所述铝合金材料到约500华氏度。6、上述项1的方法，其中固溶体处理和老化所述铝合金材料包括加热所述铝合金材料到固溶化温度；将所述铝合金材料保持所述固溶化材料状态预定量的时间；淬火所述铝合金材料；并且在约250到350华氏度之间老化所述铝合金材料。7、上述项6的方法，其中老化所述铝合金材料包括在250华氏度老化所述铝合金材料约4小时，接着在约350华氏度进行最后的老化步骤约8小时。8、上述项6的方法，其中加热所述铝合金材料到固溶化温度包括加热所述铝合金材料到约850与1000华氏度之间。9、上述项6的方法，其中加热所述铝合金材料到固溶化温度和将所述铝合金材料保持在所述固溶化温度下包括加热所述铝合金材料到约890华氏度1小时。10、上述项1的方法，其中采用固态工艺形成铝合金材料包括提供一对铝合金材料片；并且采用线性摩擦焊接工艺连接所述一对铝合金片的一片和另一片。11、上述项10的方法，其中连接所述一对铝合金片中的一片和另一片包括牢固地固定所述一对铝合金片中的第一片；连接所述一对铝合金片中的第二片，使所述第一片的第一面紧紧地连接所述第二片的第二面；对所述一对铝合金中的第二片施加第一力使得第一面充分地邻接所述第二面，在此界定焊接界面；在第一频率和第一振幅下以线性往复方式移动所述一对铝合金片中的第二片，使得所述第二面摩擦所述第一面并沿着所述焊接界面形成焊接熔核。12、上述项11的方法，其中所述第一力包括每平方毫米大约50牛顿的摩擦压力，并且还包括每平方毫米约100牛顿的锻造压力。13、上述项11的方法，其中所述第一振幅在约+/-1～3毫米之间。14、上述项11的方法，其中所述第一频率在约25与125赫兹之间。15、上述项1的方法，其中采用固态工艺形成铝合金材料包括提供一对铝合金材料片；以及采用摩擦搅拌焊接工艺连接所述一对铝合金片中的一片和另一片。16、上述项15的方法，其中连接所述一对铝合金片中的一片和另一片包括牢固地连接所述一对铝合金片，使得所述一对铝合金片中的一片的面充分邻接到所述一对铝合金片中另一片的相应面，其中所述面和所述相应面限定具有第一末端和第二末端的连接线；连接摩擦搅拌焊接设备工具，使得尖头沿所述连接线位于第一末端；当所述摩擦搅拌焊接设备以固定的速度从所述第一末端到所述第二末端穿过所述连接线时，以固定的旋转速率旋转所述尖头，其中沿着所述面和所述相应面，所述固定的旋转速率和所述固定的速度足以软化但不融化所述铝合金片，在此沿着所述软化面和所述软化的相应面形成焊接线；并且沿着所述焊接线冷却和再结晶所述铝合金片，以连接所述铝合金片中的所述一片到所述铝合金片的所述另一片，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种形成具有改进的延展性和延伸率的通过固态连接加工的铝合金制品的方法，该方法包括：用固态连接工艺形成铝合金材料；退火所述铝合金材料以释放所述铝合金材料中的储存能；冷却所述铝合金材料；并且固溶体处理和老化所述铝合金材料。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：理查德J莱德里克，凯文T斯莱特里，克里什南K桑卡兰，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]