一种调控铝基复材/铝合金残余应力的热处理方法技术

本发明专利技术涉及一种调控铝基复材/铝合金残余应力的热处理方法，包括以下步骤：将铝基复材/铝合金均匀加热至固溶温度，待溶质元素完全溶入铝基体以后进行水淬处理；待材料在水淬处理后将其冷却至水温，取出干燥并置于超低温环境，待其完全冷却至超低温环境温度后继续保温短暂时间；将材料取出并快速投入循环高温液体介质，随后将材料取出并进行室温水冷处理，冷却至水温后取出干燥；将材料放入深冷箱中缓慢冷却至超低温介质温度(＜－190℃,例如液氮、液氦)，待材料完全冷却至目标温度后保存短暂时间后取出并立即再次进行步骤三处理，完成调控铝基复材/铝合金材料的残余应力消除。本发明专利技术最大程度保存材料淬火组织，基本无二次相析出，对材料的淬火残余应力可以有效调控。对材料的淬火残余应力可以有效调控。对材料的淬火残余应力可以有效调控。

【技术实现步骤摘要】
一种调控铝基复材/铝合金残余应力的热处理方法


[0001]本专利技术涉及调控铝基复材/铝合金残余应力处理
，特别是涉及一种调控铝基复材/铝合金残余应力的热处理方法。

技术介绍

[0002]铝基复材作为典型的轻金属材料，其具有低密度、高比强度、导热性好、易于机械加工、高比弹性模量等优点，目前逐渐替代部分铝合金、钛合金而发展成为应用于航空航天关键承力复杂构件的重要材料。随着汽车行业与航空航天技术的发展，相关制造领域呈现出整体成形、净近成形、精密成形的发展趋势。在航空航天领域，对铝合金或铝基复材的性能需求更高，不仅要求材料具备良好力学性能，还要求材料内部低残余应力，以获得良好的尺寸稳定性。
[0003]然而，由于固溶处理作为强化铝基复材或铝合金等材料性能中的主要环节，总不可避免地产生宏观残余应力，这主要是因材料在淬火过程中因不同部位冷却速度不均匀，表层与心部较大的温度梯度(温差)导致了材料内部淬火残余应力的产生。这种淬火残余应力是有害的，尤其是材料心部存在的三向拉应力，对材料的机械性能，特别是疲劳寿命、变形、尺寸稳定性、耐腐蚀性、耐磨性和脆性断裂等性能有较大的影响，因此如何调控复杂结构铝基复材/铝合金零部件的淬火残余应力同时不牺牲材料其它机械性能一直是国内外研究焦点。因此，低残余应力兼具良好力学性能的铝基复材/铝合金零部件具有广阔应用前景。
[0004]目前典型铝合金淬火残余应力调控技术包括：过时效、冷压、冷拉、振动时效、深冷热处理以及调换淬火冷却介质等。然而，若采用冷压、冷拉等工艺，则不得不使其固溶淬火件的形状具有简单化的平行面特征，这极易导致材料厚度增加，令整体零件淬透性变差，不仅使淬火件基本力学性能，例如强度、硬度等，整体均匀性差，而且导致后续机加工工作量增大，材料利用率下降。对于其他去应力热处理工艺，例如，过时效，其只能使得铝合金的淬火残余应力得到少部分/不完全释放(一般小于40％)，且需牺牲其力学性能，耗时较长。此外，上述工艺主要用于铝合金残余应力调控，对于增强相与基体物理性能差异巨大的铝基复合材料，冷压/拉等机械应力消除工艺由于无法使得铝基复材像铝合金那样发生整体均匀塑性变形难以应用。而振动时效虽可降低铝合金残余应力但其对材料疲劳寿命可能会产生负面影响，此外，由于需使材料受振均匀，该技术亦只能应用于形状简单零件，通用性差且技术难度高。而更换淬火冷却介质，本质上降低了材料在淬火过程中的冷却速率，因此虽能释放材料的淬火残余应力，但仍会降低材料的力学性能。
[0005]传统深冷缓热是指将材料固溶淬火后进行深冷处理而后转移至高温热炉中，因可在一定程度上降低铝合金的淬火残余应力(约36％)，已被应用于调控复杂形状铝合金/铝基复材零件的尺寸稳定性，然而，将超低温的铝合金放入热处理炉中并进行多次时效循环，累计保温时间长达十几个小时或以上，虽使得材料淬火残余应力有所降低，整个热处理过程耗时长、耗能严重，铝合金/铝基复材的延伸率、抗腐蚀能力相比其T4态会大幅下降，如时
效时间过长更可能导致材料晶粒与二次析出相粗大，降低材料力学性能。
[0006]此外，关于深冷缓/快热处理对铝基复材性能的影响研究较少。张琪对T4态Al
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Cu
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Mg铝合金和SiCp/Al
‑
Cu
‑
Mg复材进行深冷缓热循环处理后发现其对力学性能无明显改善。(张琪，樊建中，肖伯律，左涛，冷热循环对粉末冶金SiCp/Al复合材料力学性能的影响.稀有金属，2007(5):p.701
‑
704.)
[0007]深冷快热技术是指将材料固溶淬火后进行深冷处理而后使其快速升温的技术。对于形状复杂的材料，传统方法是将已深冷处理后的材料置于高温液体(例如，沸水或热油)中来对其整体进行均匀快速加热，例如，采用沸水作为高温介质，对于一定厚度(>50mm)的铝合金板，虽材料升温速率高于热炉加热，但升温速率仅能使淬火残余应力降低20+％。(Ya
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Bo Dong,Wen
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Zhu Shao,Jian
‑
Tang Jiang,Bao
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You Zhang,and Liang Zhen，Minimization of Residual Stress in an Al
‑
Cu Alloy Forged Plate by Different Heat Treatments.Journal of Materials Engineering and Performance,2015,24(6):p.2256
‑
2265.)
[0008]实际上，由于超低温铝合金/铝基复材进入高温液体环境中会瞬时吸收大量热能，降低材料周边液体温度、增大其动力黏度(降低流动性)等，低温材料的表层换热依赖于近材料表面介质的温度、流速，并不取决于远端介质温度，因此上述方法并未从真正意义上实现对材料的深冷快热处理。
[0009]由此可见，如何提供一种操作简单、高效、绿色环保、通用性好、对材料其它性能无负面影响，过程中基本无二次相析出，为后续可能的时效处理留下空间的调控铝合金/铝基复材淬火残余应力的热处理方法，对于具有一定厚度复杂结构铝合金/铝基复材的精密成形，扩大应用范围具有重要意义。

技术实现思路

[0010](1)要解决的技术问题
[0011]本专利技术实施例提供了一种调控铝基复材/铝合金残余应力的热处理方法，包括固溶淬火处理、第一次深冷快热处理前准备、第一次深冷快热处理和第二次深冷快热处理。本专利技术最大程度保存材料淬火组织，基本无二次相析出，对材料的淬火残余应力可以有效调控。
[0012](2)技术方案
[0013]本专利技术的实施例的一种调控铝基复材/铝合金残余应力的热处理方法，包括以下步骤：
[0014]步骤一：将厚度不小于10mm铝基复材/铝合金均匀加热至固溶温度，待溶质元素完全溶入铝基体以后，进行水淬处理；
[0015]步骤二：待铝基复材/铝合金在水淬处理后将其冷却至水温，取出干燥并置于超低温环境，待其完全冷却至超低温环境温度后继续保温短暂时间；
[0016]步骤三：将铝基复材/铝合金取出并快速投入循环高温液体介质，随后将铝基复材/铝合金取出并进行室温水冷处理，冷却至水温后取出干燥；
[0017]步骤四：将铝基复材/铝合金放入深冷箱中缓慢冷却至超低温介质温度，待材料完全冷却至目标温度后保存短暂时间后取出并立即再次进行步骤三处理，完成铝基复材/铝
合金材料的残余应力消除。
[0018]进一步地，所述固溶温度范围为470℃
‑
520℃。
[0019]进一步地，所述水淬处理时的水温不高于70℃。
[0020]进一步地，步骤二中取出铝基复材/铝合金后的干燥时间不多于一小时。
[0021]进一步地，干燥后在铝基复材/铝合金材料表面喷涂黑色涂层。
[0022本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种调控铝基复材/铝合金残余应力的热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：将厚度不小于10mm的铝基复材/铝合金均匀加热至固溶温度，待溶质元素完全溶入铝基体以后，进行水淬处理；步骤二：待铝基复材/铝合金在水淬处理后将其冷却至水温，取出干燥并置于超低温环境，待其完全冷却至超低温环境温度后继续保温短暂时间；步骤三：将铝基复材/铝合金取出并快速投入循环高温液体介质，随后将铝基复材/铝合金取出并进行室温水冷处理，冷却至水温后取出干燥；步骤四：将铝基复材/铝合金放入深冷箱中缓慢冷却至超低温介质温度，待材料完全冷却至目标温度后保存短暂时间后取出并立即再次进行步骤三处理，完成铝基复材/铝合金材料的残余应力消除。2.根据权利要求1所述的一种调控铝基复材/铝合金残余应力的热处理方法，其特征在于，所述固溶温度范围为470℃
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520℃。3.根据权利要求1所述的一种调控铝基复材/铝合金残余应力的热处理方法，其特征在于，所述水淬处理时的水温不高于70℃。4.根据权利要求1所述的一种调控铝基复材/铝合金残余应力的热处理方法，其特征在于，步骤二中取出铝基复材/铝合金后的干燥时间不多于一小...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘冉，曾元松，刘宝胜，陈福龙，吴为，
申请(专利权)人：中国航空制造技术研究院，
类型：发明
国别省市：