CN116240473A - 一种铝锂合金模锻件低残余应力控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种铝锂合金模锻件低残余应力控制方法，包括的步骤有(1)固溶、淬火；(2)冷压；(3)深冷、冷热循环；(4)时效；(5)深冷、冷热循环，该方法采用冷压及深冷冷热循环相结合的方法控制铝锂合金模锻件残余应力场，模锻件先在精密模具内完成冷压缩，使残余应力水平整体降低，然后通过深冷冷热循环处理，使晶格在循环过程中伸缩变化，获得稳定的残余应力状态。两种方法相互协调补充，将铝锂合金模锻件残余应力控制在较低水平，从而获得性能优良、残余应力较低的铝锂合金模锻件。该工艺技术适用于航空航天、船舶及汽车用铝锂合金模锻件的生产和应用。
Description
技术领域
本发明是一种铝锂合金模锻件低残余应力控制方法，属于金属材料工程领域。
背景技术
现代机械设计更注重低能耗及高寿命，为满足飞行器及船舶等运输机械长航时、高寿命及经济性的需求，高比强、高比模材料的需求也越来越多，铝锂合金材料是金属材料中具有明显结构减重效果的重要材料，本发明是一种降低Al-Li-Cu-X系铝锂合金模锻件残余应力，提高铝锂合金零件加工合格率及材料利用率的关键工艺技术。
近年来，本领域发展了一些高性能铝锂合金如2098/2198、2097系列、2196、2195、2099等等，但针对铝锂合金残余应力的控制主要集中在厚板及自由锻件等材料。目前，主要采用预拉伸法、平砧冷压法消减厚板、自由锻件的残余应力。虽然厚板、自由锻件在航空器结构件生产方面具有适应性强、残余应力低、工艺稳定等优点，但也存在结构件在后续机加工过程中宏观流线被切断、力学性能各向异性、材料浪费严重、成本高等缺点。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术状况而设计提供了一种铝锂合金模锻件低残余应力控制方法，其目的是采用冷压及深冷冷热循环相结合的方法控制铝锂合金模锻件残余应力场，两种方法相互协调补充，将铝锂合金模锻件残余应力控制在较低水平，从而获得性能优良、残余应力较低的铝锂合金模锻件。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种铝锂合金模锻件低残余应力控制方法针对Al-Cu-Li-X系合金，其工艺的步骤如下：
步骤一、固溶、淬火
将模锻件加热到500℃～540℃进行固溶，固溶后淬火；
步骤二、冷压
将模锻件放入模具中在室温下进行冷压，要求模锻件各部位沿厚度方向的压缩变形量达到2～4％；
步骤三、第一次深冷、冷热循环
将冷压后的模锻件在深冷环境箱中冷却至-90℃，保温0.5h，取出后在室温下停置1h，如此循环1～3次；
步骤四、人工时效
该人工时效采用以下三种方法之一：
第一种：将模锻件加热到160℃，保温18～24h；
第二种：将模锻件加热到90℃～135℃，保温10h～24h，继续加热到150℃～195℃，保温4h～20h；
第三种：将模锻件加热到90℃～145℃，保温10h～24h，继续加热到150℃～195℃，保温4h～20h；
第一种是单阶段等温时效，如在160℃温度点保温18～24h；
第二种是多阶段等温时效，如先在90℃～135℃区间选定一个温度点，保温10h～24h，然后继续在150℃～195℃区间选定一个温度点加热，保温4h～20h；
第三种是多阶段非等温时效，如先在90℃～145℃区间从90℃以一定升温速率升温至145℃，用时10h～24h，然后继续在150℃～195℃区间从150℃以一定升温速率升温至195℃，用时4h～20h；
步骤五、第二次深冷、冷热循环
将人工时效后的模锻件在深冷环境箱中冷却至-90℃，保温0.5h，取出后在室温下停置1h，如此循环1～3次。
在实施时，所述Al-Cu-Li-X系合金的化学成分及重量百分比为：Cu 2.0～4.6％，Li 0.6～2.3％，Mn 0.10～0.80％，Zn 0.10～1.0％,Zr 0.04～0.20％，Mg0.20％～0.80％，Ag0.1～0.7％，Si≤0.10％,Fe≤0.10％，Ti≤0.12％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al。
在实施时，步骤一中所述的模锻件加热温度为510℃。
在实施时，步骤一中所述的固溶后进行淬火的转移时间不超过30秒，淬火介质温度不高于60℃。
在实施时，步骤二的冷压在步骤一完成固溶、淬火后4小时内进行。
在实施时，步骤二中采用分步冷压方式，首先对较厚的模锻件部位进行冷压，然后再对模锻件进行整体冷压。
在实施时，本发明技术方案所针对的模锻件为用于飞机梁、框的多“H”型截面组合结构，锻件各部位尺寸不一致，其中上、下缘条厚度为12mm，筋条厚度为10mm，筋条高度为21mm，腹板的厚度为4mm和8mm，尺寸公差要求±0.2mm。
在实施时，步骤二中所述冷压使用的模具由上、下对称的两部分结构组成，上部结构包括上模座(1)、上模吻合板(2)和上模(3)，下部结构包括下模座(7)、下模吻合板(6)和下模(5)，在上模座(1)和下模座(7)之间设置有垫板(4)结合上模吻合板(2)、下模吻合板(6)以控制上模座(1)和下模座(7)的开合间隙。
本发明技术方案的特点及有益效果为：
一、本发明技术方案通过冷成形后的深冷、冷热循环处理，使晶格在循环过程中伸缩变化，获得稳定的残余应力状态。
本发明技术方案针对高Cu含量Al-Li-Cu-X系铝锂合金(Cu含量在2％以上)，其第二相析出较为复杂，一般认为其析出过程为：GP区→θ″→θ′→θ；同时过饱和固溶体→GP区+δ′→T1+δ′→T1。材料主要强化相为GP区、δ′及T1，合金中含有其他元素如Mn、Zn、Mg、Zr、Ag等，还会有其它第二相析出。随着时效等阶段第二相的析出，铝基体中发生相变和晶格畸变，材料强度增加，其残余应力也逐渐变大。一般情况下，铝锂合金材料通过淬火后冷变形产生位错消减残余应力。经冷变形后，材料残余应力水平虽然会整体降低，但是会存在一个不稳定状态。
本发明技术方案中，通过深冷处理作为消除残余应力的重要手段之一。现有深冷技术主要是深冷急热和冷热循环工艺，工件往往先在较低温度保温，再于较高温度保温，利用较大的冷热温差形成与固溶淬火后残余应力相反的热应力，从而消减工件淬火残余应力。在较低温度保温时常直接采用液氮进行-196℃深冷处理，工件与液氮的直接接触会形成明显的热冲击作用，导致工件组织损伤，甚至使有些材料工件产生低温脆断等不可逆损害。
本发明技术方案在实施时，其所述模锻件为一种多“H”型截面组合结构，锻件缘条、筋条、腹板部位厚度不同，不当的深冷处理工艺不仅无法消减残余应力，甚至产生增大残余应力的负面效果。因此，本发明技术方案在冷压后把模锻件放置在环境箱中，液氮制冷剂不与工件直接接触，缓慢可控的将工件温度降低至低温-90℃，保温0.5h，然后取出在室温空气中停置1h。该第一次深冷、冷热循环工艺措施不会形成较大的热冲击作用，并且热胀冷缩效应引发微塑性变形，促进可动位错消耗与固定位错缠结、增殖，从而有效消减残余应力。此外，本发明技术方案在时效后再安排第二次深冷、冷热循环处理，让晶格在循环过程中伸缩变化，进一步释放工件内部残余应力，获得稳定的残余应力状态，使工件的尺寸稳定性提升。
二、本发明技术方案实现了对一种多“H”型截面组合结构的模锻件的低残余应力加工。
本发明Al-Li-Cu-X系铝锂合金的模锻件为一种多“H”型截面组合结构，该模锻件结构复杂，该种结构是基于军机、民机关键承力结构减重迫切需求，采用零部件整体化设计及制备，模锻件结构呈多个“H”形状组合而成，并且各部位尺寸厚度不一致，其中模锻件上下缘条厚度为12mm，筋条厚度为10mm，筋条高度为21mm，腹板的厚度为4mm和8mm。单一的预拉伸法或平砧冷压法消减残余应力不再适用于本发明多“H”型复杂结构模锻件。该模模锻件呈典型的高筋、薄腹板特征，在成形及淬火工序中产生不可忽略的残余应力，模锻件厚度较小的高筋、腹板部位容易在机加工等工序发生变形，使模锻件的生产增加额外的整形工序，甚至使工件报废。除前述的深冷、冷热循环工艺外，本发明技术方案还采用了冷压与深冷冷热循环相结合的方法，使该种多“H”型复杂结构模锻件残余应力控制在较低水平。
由于该种高Cu含量Al-Li-Cu-X系铝锂合金的多“H”型模锻件结构复杂，消减残余应力的冷压变形量均匀性及精度控制难度大，本发明技术方案采用配套的冷压模具及分步冷压法解决该技术问题。常规模锻工装结构上、下模之间留有缝隙，上、下模未完全闭合，属于开式模锻，该结构使压缩时压下变形量无法精确且稳定控制，导致多“H”型复杂模锻件缘条、筋条、腹板尺寸不一致的各部位变形量出现过大或过小的现象，可造成模锻件尺寸精度不高、性能不稳定及残余应力消减不均匀，使模锻件筋条、腹板部位在机加工工序易产生变形的问题。为此，本发明技术方案设计的模具通过增加垫板，与可调整的上模吻合板、下模吻合板联合使用，使上、下模之间闭合，属于闭式模锻，该结构使压缩时压下变形量可以精确且稳定控制。所以，通过该模具的冷压可实现分步进行，按照模锻件不同部位厚度分成两步及多于两步完成精密冷压，按照各部位不同厚度设计并配合相应的垫片确保压缩后冷变形量为2～4％。分步压缩时，先将一定厚度垫片置于模锻件缘条、筋条部位，使缘条、筋条部位先发生一定程度冷变形，然后将垫片取出，再完成整体压缩，使腹板发生冷变形。采用分步压缩的方法，一方面保证难变形的缘条、筋条部位有足够的变形量；另一方面可以保证缘条、筋条、腹板部位冷压缩变形量的均匀性，从而有效降低锻件各部位残余应力。
附图说明
图1为本发明工艺中使用的模具结构示意图；
图2为本发明工艺针对的多“H”型截面组合结构的锻件产品的示意图
图3为本发明工艺针对的多“H”型截面组合结构的锻件产品的三维示意图
图4为本发明工艺针对的多“H”型截面组合结构的锻件产品的照片
图5为时效、冷压后时效、深冷冷热循环后时效、冷压-深冷冷热循环后时效、冷压-深冷冷热循环-时效-深冷冷热循环5种工艺下模锻件残余应力对比图，经冷压-深冷冷热循环-时效-深冷冷热循环工艺制备的模锻件具有最低的残余应力。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
本实施例针对一种制备合格的Al-Li-Cu-X系铝锂合金模锻件，其合金成分满足Cu2.0～4.6％，Li 0.6～2.3％,Mn 0.10～0.80％，Zn 0.10～1.0％,Zr 0.04～0.20％，Mg0.20％～0.80％，Ag0.1～0.7％，Si≤0.10％,Fe≤0.10％，Ti≤0.12％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al。其产品为多“H”型截面组合结构，其结构、形状、尺寸如图2-4所示。
本实施例中采用的冷压用模具如图1所示，模具由上、下对称的两部分结构组成，上部结构包括上模座(1)、上模吻合板(2)和上模(3)，下部结构包括下模座(7)、下模吻合板(6)和下模(5)，在上模座(1)和下模座(7)之间设置有垫板(4)结合上模吻合板(2)、下模吻合板(6)以控制上模座(1)和下模座(7)的开合间隙。
实施例1的工艺步骤为：
步骤一、固溶、淬火
将合格的Al-Li-Cu-X系铝锂合金模锻件加热到510℃进行固溶、淬火处理。固溶后进行淬火的转移时间不超过30秒，淬火介质温度不高于60℃。
步骤二、人工时效
人工时效制度为第三种多阶段非等温时效，先在90℃～145℃区间从90℃以一定升温速率升温至145℃，用时10h～24h，然后继续在150℃～195℃区间从150℃以一定升温速率升温至195℃，用时4h～20h。
采用X射线法测锻件横截面沿厚度方向的残余应力，测试结果见表1。结果表明，锻件的残余应力绝对值最大值可达约150MPa。
表1铝锂合金模锻件时效处理后残余应力数据
实施例2的工艺步骤为：
步骤一、固溶、淬火
将合格的Al-Li-Cu-X系铝锂合金模锻件加热到510℃进行固溶、淬火处理。固溶后进行淬火的转移时间不超过30秒，淬火介质温度不高于60℃。
步骤二、冷压
将模锻件放入模具中在室温下进行冷压，采用分步冷压方式，首先对较厚的模锻件部位进行冷压，然后再对模锻件进行整体冷压，冷压变形量为3％。
步骤三、人工时效
人工时效制度为第三种多阶段非等温时效，先在90℃～145℃区间从90℃以一定升温速率升温至145℃，用时10h～24h，然后继续在150℃～195℃区间从150℃以一定升温速率升温至195℃，用时4h～20h。
采用X射线法测锻件横截面沿厚度方向的残余应力，测试结果见表2。结果表明，增加3％冷压处理后，锻件残余应力明显降低，绝对值最大值不高于65MPa，残余应力消减率达到72.47％。
表2铝锂合金模锻件冷压-时效处理后残余应力数据
实施例3的工艺步骤为：
步骤一、固溶、淬火
将合格的Al-Li-Cu-X系铝锂合金模锻件加热到510℃进行固溶、淬火处理。固溶后进行淬火的转移时间不超过30秒，淬火介质温度不高于60℃。
步骤二、第一次深冷、冷热循环
模锻件在深冷环境箱中进行第一次深冷、冷热循环处理，其中深冷温度分别为-90℃、-120℃、-196℃，深冷时间分别为0.5h、1h，深冷循环次数分别为1次、2次、3次。
步骤三、人工时效
人工时效制度为第三种多阶段非等温时效，先在90℃～145℃区间从90℃以一定升温速率升温至145℃，用时10h～24h，然后继续在150℃～195℃区间从150℃以一定升温速率升温至195℃，用时4h～20h。
采用X射线法测锻件横截面沿厚度方向的残余应力，测试结果见表3。
表3铝锂合金模锻件经第一次深冷冷热循环-时效处理后残余应力数据
实施例4的工艺步骤为：
步骤一、固溶、淬火
将合格的Al-Li-Cu-X系铝锂合金模锻件加热到510℃进行固溶、淬火处理。固溶后进行淬火的转移时间不超过30秒，淬火介质温度不高于60℃。
步骤二、冷压
将模锻件放入模具中在室温下进行冷压，采用分步冷压方式，首先对较厚的模锻件部位进行冷压，然后再对模锻件进行整体冷压，冷压变形量为3％。
步骤三、第一次深冷、冷热循环
模锻件在深冷环境箱中进行第一次深冷、冷热循环处理，其中深冷温度分别为-90℃、-120℃、-196℃，深冷时间分别为0.5h、1h，深冷循环次数分别为1次、2次、3次。
步骤四、人工时效
人工时效制度为第三种多阶段非等温时效，先在90℃～145℃区间从90℃以一定升温速率升温至145℃，用时10h～24h，然后继续在150℃～195℃区间从150℃以一定升温速率升温至195℃，用时4h～20h。
采用X射线法测锻件横截面沿厚度方向的残余应力，测试结果见表4。结果表明，经冷压变形量为3％、第一次不同深冷冷热循环工艺参数及时效复合处理后，锻件残余应力总体呈明显降低趋势。
表4铝锂合金模锻件经冷压-第一次深冷冷热循环-时效处理后残余应力数据
实施例5的工艺步骤为：
步骤一、固溶、淬火
将合格的Al-Li-Cu-X系铝锂合金模锻件加热到510℃进行固溶、淬火处理。固溶后进行淬火的转移时间不超过30秒，淬火介质温度不高于60℃。
步骤二、冷压
将模锻件放入模具中在室温下进行冷压，采用分步冷压方式，首先对较厚的模锻件部位进行冷压，然后再对模锻件进行整体冷压，冷压变形量为3％。
步骤三、第一次深冷、冷热循环
模锻件在深冷环境箱中进行第一次深冷、冷热循环处理，其中深冷温度分别为-90℃、-120℃、-196℃，深冷时间分别为0.5h、1h，深冷循环次数分别为1次、2次、3次。
步骤四、人工时效
人工时效制度为第三种多阶段非等温时效，先在90℃～145℃区间从90℃以一定升温速率升温至145℃，用时10h～24h，然后继续在150℃～195℃区间从150℃以一定升温速率升温至195℃，用时4h～20h。
步骤五、第二次深冷、冷热循环
模锻件在深冷环境箱中进行第二次深冷、冷热循环处理，其中深冷温度为-90℃，深冷时间为0.5h，深冷循环次数为1次。
采用X射线法测锻件横截面沿厚度方向的残余应力，测试结果见表5。结果表明，经冷压变形量为3％、第一次深冷冷热循环、时效及第二次深冷冷热循环复合处理后，锻件残余应力消减效果最佳，残余应力Cv值较低，残余应力消减率可达90％。
表5铝锂合金模锻件经冷压-第一次深冷冷热循环-时效-第二次深冷冷热循环处理后残余应力数据
图5为各实施例典型条件下铝锂合金模锻件残余应力对比图。实施例1为本发明模锻件人工时效处理后的残余应力状态，这是模锻件经常规热处理后的残余应力状态，制备工艺中未对锻件进行冷压或深冷等消减残余应力处理，残余应力未达到±100MPa标准。实施例2为冷压对本发明模锻件残余应力的影响，表明冷压使模锻件残余应力明显降低，残余应力消减率达到72.47％。实施例3为第一次深冷、冷热循环对本发明模锻件残余应力的影响，表明仅施加第一次深冷、冷热循环有使模锻件残余应力总体呈增加的趋势。实施例4为冷压和第一次深冷、冷热循环联合作用对本发明模锻件残余应力的影响，表明冷压和第一次深冷、冷热循环联合作用使模锻件残余应力总体呈明显降低趋势，残余应力消减率最高可达81.86％。前面四个实施例概括了本发明模锻件的残余应力水平及现有残余应力消减技术的作用效果。实施例5为本发明提出的一种消减模锻件残余应力的技术方案，采用冷压、第一次深冷冷热循环和第二次深冷冷热循环复合工艺，模锻件残余应力消减效果最佳，残余应力达到±100MPa标准，残余应力Cv值较低，残余应力消减率高达90％。
模锻件经冷压-第一次深冷冷热循环-时效-第二次深冷冷热循环处理后，其室温拉伸及断裂韧度测试结果如表6所示。该锻件的室温拉伸测试方法按GB/T228.1《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》，断裂韧度测试方法按HB 5487《金属材料平面应变断裂韧度KIC试验方法》。
表6铝锂合金模锻件经冷压-第一次深冷冷热循环-时效-第二次深冷冷热循环处理后性能
Claims (8)
1.一种铝锂合金模锻件低残余应力控制方法，其特征在于：该方法针对Al-Cu-Li-X系合金，该工艺的步骤如下：
步骤一、固溶、淬火
将模锻件加热到500℃～540℃进行固溶，固溶后淬火；
步骤二、冷压
将模锻件放入模具中在室温下进行冷压，要求模锻件各部位沿厚度方向的压缩变形量达到2～4％；
步骤三、第一次深冷、冷热循环
将冷压后的模锻件在深冷环境箱中冷却至-90℃，保温0.5h，取出后在室温下停置1h，如此循环1～3次；
步骤四、人工时效
该人工时效采用以下三种方法之一：
第一种：将模锻件加热到160℃，保温18～24h；
第二种：将模锻件加热到90℃～135℃，保温10h～24h，继续加热到150℃～195℃，保温4h～20h；
第三种：将模锻件加热到90℃～145℃，保温10h～24h，继续加热到150℃～195℃，保温4h～20h；
步骤五、第二次深冷、冷热循环
将人工时效后的模锻件在深冷环境箱中冷却至-90℃，保温0.5h，取出后在室温下停置1h，如此循环1～3次。
2.根据权利要求1所述的铝锂合金模锻件低残余应力控制方法，其特征在于：所述Al-Cu-Li-X系合金的化学成分及重量百分比为：Cu 2.0～4.6％，Li0.6～2.3％，Mn 0.10～0.80％，Zn 0.10～1.0％,Zr 0.04～0.20％，Mg0.20％～0.80％，Ag0.1～0.7％，Si≤0.10％,Fe≤0.10％，Ti≤0.12％，其它杂质单个≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al。
3.根据权利要求1所述的铝锂合金模锻件低残余应力控制方法，其特征在于：步骤一中所述的模锻件加热温度为510℃。
4.根据权利要求1所述的铝锂合金模锻件低残余应力控制方法，其特征在于：步骤一中所述的固溶后进行淬火的转移时间不超过30秒，淬火介质温度不高于60℃。
5.根据权利要求1所述的铝锂合金模锻件低残余应力控制方法，其特征在于：步骤二的冷压在步骤一完成固溶、淬火后4小时内进行。
6.根据权利要求1所述的铝锂合金模锻件低残余应力控制方法，其特征在于：步骤二中采用分步冷压方式，首先对较厚的模锻件部位进行冷压，然后再对模锻件进行整体冷压。
7.根据权利要求1所述的铝锂合金模锻件低残余应力控制方法，其特征在于：所述模锻件为用于飞机梁、框的多“H”型截面组合结构，锻件各部位尺寸不一致，其中上、下缘条厚度为12mm，筋条厚度为10mm，筋条高度为21mm，腹板的厚度为4mm和8mm，尺寸公差要求±0.2mm。
8.根据权利要求1所述的铝锂合金模锻件低残余应力控制方法，其特征在于：步骤二中所述冷压使用的模具由上、下对称的两部分结构组成，上部结构包括上模座(1)、上模吻合板(2)和上模(3)，下部结构包括下模座(7)、下模吻合板(6)和下模(5)，在上模座(1)和下模座(7)之间设置有垫板(4)结合上模吻合板(2)、下模吻合板(6)以控制上模座(1)和下模座(7)的开合间隙。
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