[发明专利]提高2219铝合金环件综合力学性能的工艺方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料形变热处理工艺技术领域，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。

背景技术

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。