一种提高Al-Cu-Mg系铝合金板材强度、尺寸均匀性和耐损伤性能的方法与流程

本发明属于铝合金板材，具体涉及一种提高al-cu-mg系铝合金板材强度、尺寸均匀性和耐损伤性能的方法。

背景技术：

1、伴随新一代航空器耐久性与损伤容限设计理念的持续发展，对机身主承力结构用材料提出更高要求，这类材料需兼具高强度与优异抗损伤等综合力学性能。al-cu-mg系铝合金薄板凭借高比强度、良好的韧性与突出的抗损伤特性，是航空机身蒙皮的核心选用材料，其抗损伤能力也因此成为工程应用中的重点研究方向。现阶段，受制于国内配套加工设备与工艺技术水平，al-cu-mg系铝合金薄板生产制造中，难以同步实现板材强度、尺寸均匀性与耐损伤性能的协同调控，这一问题已成为行业技术瓶颈。

技术实现思路

1、为了改善现有技术的不足，本发明的目的是提供一种提高al-cu-mg系铝合金板材强度、尺寸均匀性和耐损伤性能的方法。通过本发明的方法可以实现铝合金板材在厚度方向上的组织与性能梯度化精准调控，从而实现对于al-cu-mg系铝合金板材强度、尺寸均匀性和耐损伤性能的协同提高；与此同时，本发明的方法还可以克服单一热处理工艺的局限性，通过“先预设析出相，后构建梯度组织”的两步策略，协同提升铝合金板材的强度、尺寸均匀性和耐损伤性能，保证制备得到的铝合金板材具有高强度、尺寸均匀性好以及耐损伤性能高的特点。

2、本发明中，所述耐损伤性能是指断裂韧性和疲劳裂纹扩展抗力。

3、本发明目的是通过如下技术方案实现的：

4、一种提高al-cu-mg系铝合金板材强度、尺寸均匀性和耐损伤性能的方法，所述方法包括以下步骤：

5、s1）将al-cu-mg系铝合金原料采用直冷半连续铸造法熔铸成铝合金铸锭，并经过均匀化热处理、机加工、包覆处理后获得轧制毛坯；

6、s2）先将步骤s1）的轧制毛坯进行第一次大压下量热轧，得到一次热轧板；然后对一次热轧板进行第一次大压下量冷轧，得到一次冷轧板；再对一次冷轧板进行中间退火处理；

7、s3）对中间退火处理后的一次冷轧板进行第二次小压下量热轧，得到二次热轧板；然后对二次热轧板进行第二次小压下量冷轧，得到二次冷轧板；再对二次冷轧板进行双级退火处理；

8、s4）将双级退火处理后的二次冷轧板空冷至室温，随后进行高频感应加热，加热完成后立即转入恒温固溶炉内进行固溶处理；

9、s5）将固溶处理结束后的铝合金板材进行淬火处理，随后在室温下进行自然时效，制备得到强度、尺寸均匀性和耐损伤性能提高的al-cu-mg系铝合金板材。

10、根据本发明的实施方式，所述al-cu-mg系铝合金板材是指厚度为0.5-2.0mm的铝合金薄板；示例性地，所述al-cu-mg系铝合金板材的厚度为0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1.0mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm或2.0mm。

11、根据本发明的实施方式，所述提高al-cu-mg系铝合金板材强度、尺寸均匀性和耐损伤性能的方法主要是通过控制轧制处理工艺和固溶处理工艺，并在轧制处理工艺和固溶处理工艺的窗口期引入双级退火处理，利用轧制处理工艺、双级退火处理和固溶处理工艺之间的耦合作用来提升铝合金板材的强度、尺寸均匀性和耐损伤性能。具体地，通过控制轧制过程中的轧制策略（如轧制温度、轧制压下量、轧制道次、轧制变形量的选择）、在轧制处理工艺和固溶处理工艺的窗口期引入双级退火处理、并采用高频感应进行固溶加热，通过彼此之间的耦合作用实现对于al-cu-mg系铝合金板材强度、尺寸均匀性和耐损伤性能的提高。

12、根据本发明的实施方式，步骤s1）中，所述直冷半连续铸造法所涉及的工艺参数（如铸造速度、铸造水流量等）没有特别的限定，其为本领域已知的能够制备得到铝合金铸锭的方法即可。

13、根据本发明的实施方式，步骤s1）中，所述al-cu-mg系铝合金包括如下质量百分含量的各组分：cu：3.0~4.5%，mg：5.0~7.2%，mn：0.5~0.9%，zn：0.10~0.25%，ti：0.02~0.05%，cr≤0.05%，si≤0.12%，fe≤0.12%，不可忽略的杂质组分≤0.1%，al余量。

14、根据本发明的实施方式，步骤s1）中，所述铝合金铸锭的尺寸没有特别的限定，具体可以根据最终铝合金薄板的尺寸要求进行合理的选择。示例性地，所述铝合金铸锭的尺寸为(400~600)mm×(1200~1500)mm（厚度×宽度）；示例性地，所述铝合金铸锭的尺寸为420mm×1200mm。

15、根据本发明的实施方式，步骤s1）中，所述均匀化热处理的温度为450℃~495℃，例如为450℃、455℃、460℃、465℃、470℃、475℃、480℃、485℃、490℃或495℃；所述均匀化热处理的时间为36~60小时。所述均匀化热处理可以是单级均匀化处理制度，也可以是两级均匀化热处理制度，还可以是三级均匀化热处理制度；示例性地，所述均匀化热处理例如是490℃×36~48h；其中，通过选择合适的均匀化热处理制度，为调控合金的粗大第二相、晶粒特征提供基础，有利于铝合金板材的强度、尺寸均匀性和耐损伤性能的提高。

16、根据本发明的实施方式，步骤s1）中，本发明对所述均匀化热处理的设备没有特别的限制，采用本领域技术人员熟知的均匀化热处理的设备即可。

17、根据本发明的实施方式，步骤s1）中，所述机加工所涉及的工艺参数没有特别的限定，其为本领域已知的能够将铝合金铸锭变成轧制毛坯的方法即可；示例性地，所述机加工包括去除铝合金铸锭表面的氧化皮。

18、根据本发明的实施方式，步骤s1）中，所述包覆处理所涉及的工艺参数没有特别的限定，其为本领域已知的对机加工后的铝合金铸锭的外表面包覆铝合金层的方法，所述包覆处理可以更好地保护铝合金板材的表面；示例性地，所述包覆处理是在铝合金铸锭表面包覆1000系铝合金。

19、根据本发明的实施方式，步骤s1）中，所述轧制毛坯的尺寸没有特别的限定，具体可以根据最终铝合金板材的尺寸要求进行合理的选择。

20、根据本发明的实施方式，步骤s2）中，所述第一次大压下量热轧的初轧温度为455~460℃；所述第一次大压下量热轧的终轧温度为≥400℃；所述第一次大压下量热轧的方向为纵横交替轧制；所述第一次大压下量热轧的轧制道次为6~8道次；所述第一次大压下量热轧的单道次压下量为35~45mm；所述第一次大压下量热轧的总变形量为50~60%。

21、根据本发明的实施方式，步骤s2）中，所述第一次大压下量冷轧是先将第一次大压下量热轧后获得的一次热轧板空冷至室温，然后进行第一次大压下量冷轧，即所述第一次大压下量冷轧是在室温下进行的。

22、根据本发明的实施方式，步骤s2）中，所述第一次大压下量冷轧的轧制温度为室温；所述第一次大压下量冷轧的轧制方向为纵横交替轧制；所述第一次大压下量冷轧的轧制道次为12~15道次；所述第一次大压下量冷轧的单道次压下量为8~12mm；所述第一次大压下量冷轧的总变形量为65~75%。

23、根据本发明的实施方式，步骤s2）中，所述中间退火处理的温度为420°c~430°c，保温时间为2~4小时。通过在420°c~430°c温度下进行中间退火处理可以消除部分冷变形储能，有利于后续的第二次小压下量热轧和第二次小压下量冷轧工艺的开展（为后续的第二次小压下量热轧和第二次小压下量冷轧对铝合金板材的组织调控提供空间），还能够保证后续固溶处理时在铝合金基体内获得更多的再结晶组织，从而有利于提高铝合金板材的强度、尺寸均匀性和耐损伤性能。

24、根据本发明的实施方式，步骤s2）中，所述中间退火处理结束后直接进行第二次小压下量热轧处理，这有效避免铝合金板材在第二次小压下量热轧前发生不可控的室温自然时效或组织演变，造成铝合金基体内粗大第二相的析出，恶化铝合金板材的强度和耐损伤性能，影响铝合金板材的尺寸均匀性。

25、根据本发明的实施方式，步骤s3）中，所述第二次小压下量热轧的初轧温度为390~400℃；所述第二次小压下量热轧的终轧温度为≥300℃；所述第二次小压下量热轧的方向为纵向轧制；所述第二次小压下量热轧的轧制道次为12~16道次；所述第二次小压下量热轧的单道次压下量为2~5mm；所述第二次小压下量热轧的总变形量为80~95%。

26、根据本发明的实施方式，步骤s3）中，所述第二次小压下量冷轧是先将第二次小压下量热轧后获得的二次热轧板空冷至室温，然后进行第二次小压下量冷轧，即所述第二次小压下量冷轧是在室温下进行的。

27、根据本发明的实施方式，步骤s3）中，所述第二次小压下量冷轧的轧制温度为室温；所述第二次小压下量冷轧的方向为纵向轧制；所述第二次小压下量冷轧的轧制道次为6~8道次；所述第二次小压下量冷轧的单道次压下量为0.8~1.2mm；所述第二次小压下量冷轧的总变形量为80~95%。

28、根据本发明的实施方式，步骤s3）中，所述第二次小压下量冷轧为异步冷轧，即上下轧辊以不同的线速度运转，异速比为1:2~3；通过在第二次小压下量冷轧过程中使用异步冷轧，能够显著增强铝合金板材的塑性形变能力，更主要的是减少轧制过程中存储在铝合金板材内部的变形能，从源头上减少变形能的存在对铝合金板材强度、尺寸均运行和耐损伤性能的影响。

29、根据本发明的实施方式，步骤s2）和步骤s3）中，本发明的轧制过程包括在相对高的温度下进行的第一次大压下量热轧（所述第一次大压下量热轧的初始轧制温度为455~460℃；所述第一次大压下量热轧的终轧温度为≥400℃）和在相对低的温度下进行的第二次小压下量热轧（所述第二次小压下量热轧的初始轧制温度为400~410℃；所述第二次小压下量热轧的终轧温度为≥300℃）；通过两次不同温度下的热轧工艺的调控可以保证铝合金板材处于最佳的塑性状态，从而保证可以制备得到具有高强度、高尺寸均匀性和高耐损伤性能的铝合金板材。

30、根据本发明的实施方式，步骤s2）和步骤s3）中，通过选择多道次的第一次大压下量冷轧和多道次的第二次小压下量热轧，可以极大地增加铝合金板材内部的应变和位错密度，并配合中间退火处理和双级退火处理，更有利于利用沉淀硬化和亚晶粗化机制，协同提升铝合金板材的抗拉强度和断裂韧性；还可以在不完全消除加工硬化的前提下，调控晶粒的长宽比和平均等效直径，优化晶体织构，从而在满足铝合金板材拉伸强度的提升同时有效降低疲劳裂纹的扩展速率，显著提高铝合金板材的耐损伤性能。进一步地，通过多道次的第一次大压下量冷轧和多道次的第二次小压下量热轧的配合，可以在铝合金基体中引入位错，这些位错作为溶质原子偏聚的核心，改变析出相的分布，从而获得优异的抗应力腐蚀疲劳性能，提高铝合金板材的耐损伤性能。

31、根据本发明的实施方式，研究发现，现有技术中为了实现良好的板形和尺寸精度，需要在轧制时采用较大的冷变形量；但是较大的冷变形量会储存大量变形能，导致后续固溶时发生剧烈的、不均匀的再结晶，损害铝合金板材的强度和耐损伤性能；本发明通过选择第一次大压下量热轧、第一次大压下量冷轧、中间退火处理、第二次小压下量热轧和第二次小压下量冷轧的轧制方法能够有效减少轧制过程中存储在铝合金板材内部的变形能，从源头上避免大量变形能的存在对铝合金板材强度和耐损伤性能的影响；进一步地，通过对双级退火处理与上述轧制方法的配合以及双级退火处理工艺参数的精确控制，可以均匀、适度地释放掉一部分冷轧储存的变形能，使铝合金板材在后续固溶加热时，再结晶过程更加平稳、可控，实现了“尺寸”与“性能”的协同控制。

32、进一步地，通过选择第一次大压下量热轧、第一次大压下量冷轧、中间退火处理、第二次小压下量热轧和第二次小压下量冷轧的特定的轧制方法，一方面可以通过细化晶粒、形成均匀的等轴晶组织，为铝合金板材提供良好的综合力学性能和抗裂纹扩展屏障；另一方面还会在铝合金板材中引入高密度的位错，产生显著的加工硬化效应，能够有效抵抗循环载荷下微观滑移带的形成，从而提升铝合金板材的疲劳强度；再一方面还有利于在铝合金板材的表层引入残余压应力，这种残余压应力能够部分抵消外部循环载荷产生的拉应力，有效抑制表面疲劳裂纹的萌生和早期扩展，对提升高周疲劳性能极为有利；还一方面可以改变铝合金基体的晶体织构，增加特定的晶面取向，使其与最大外部剪切应力方向一致，促进交替应力作用下的位错往复滑移，改善疲劳裂纹的闭合效应，降低疲劳裂纹的扩展速率，这些均为获得具有高强度、高尺寸均匀性和高耐损伤性能的铝合金板材提供可行性。

33、根据本发明的实施方式，步骤s3）中，所述双级退火处理包括依次进行的低温形核阶段和中温长大阶段；所述低温形核阶段的温度为260°c~290°c，保温时间为4~6小时；所述中温长大阶段的温度为360°c~390°c，保温时间为0.5~2小时。

34、根据本发明的实施方式，步骤s3）中，研究发现，对冷轧处理后的铝合金板材进行单级退火时，虽然可以部分消除铝合金板材的加工硬化，但是难以精确控制合金元素（cu,mg）形成的强化相（如s相）的形核与长大（如获得的析出相的数量过少、尺寸过大、分布不均匀），不利于再生相的析出，且还可能会导致铝合金基体中粗大或不均匀析出相的增加；这些粗大或不均匀析出相的存在会成为铝合金板材的裂纹源，从而限制了铝合金板材强度和耐损伤性能的协同提升，也会导致应力增大而影响铝合金板材的尺寸均匀性。而本发明通过精确控制双级退火处理的升温速率、温度范围和保温时间，通过低温形核阶段的设置，可以为铝合金基体提供足够的驱动力，促使过饱和固溶体中析出大量细小、弥散的析出相晶核，且还可以抑制晶核的过度长大；通过中温长大阶段的设置，可以使形成的细小、弥散的析出相晶核适度长大至最佳尺寸（例如50~100nm），并使其分布更加均匀，同时部分消除铝合金基体中的位错，从而实现在固溶处理前对铝合金基体内部析出相（特别是s相）的尺寸、数量和分布的精准调控，获得弥散、细小且分布均匀的析出相粒子；进一步研究发现，这些析出相粒子在后续固溶处理过程中不完全溶解，故可以有效钉扎晶界和位错，阻碍疲劳裂纹扩展，成为后续时效过程中更均匀析出的核心，在固溶处理前就“预设”好最有利的微观组织状态，这种“预设”的弥散析出相结构，在最终铝合金板材中起到了“微合金化”的效果，显著提高了裂纹扩展门槛值（δkth），改善了铝合金板材的耐损伤性能；同时双级退火过程中形成的弥散析出相粒子在固溶过程中还能够有效钉扎晶界，抑制晶粒过度长大，提高了铝合金板材的强度，这使得铝合金板材在宏观上同时表现出高强度和高耐损伤性能。

35、根据本发明的实施方式，步骤s4）中，所述高频感应加热的频率为100khz~200khz；所述高频感应加热的功率密度为0.5~2.0kw/cm2；所述高频感应加热的时间为5~15秒。通过高频感应加热使铝合金板材的表面温度在5~15秒内快速升至420°c~460°c，而铝合金板材心部的温度仍保持在300°c以下，最终在铝合金板材中形成表面温度高于心部温度的温度梯度。

36、根据本发明的实施方式，步骤s4）中，研究发现，传统炉内加热是“由表及里”的缓慢升温，这容易导致表层晶粒粗大，甚至出现过烧等问题，影响铝合金板材强度与耐损伤性能的协同效果。本发明则是利用高频感应加热的“集肤效应”和快速升温特性，在固溶处理前在铝合金板材的表面和心部形成特殊的温度梯度和组织梯度；由于铝合金板材表层已接近固溶温度，会优先发生再结晶，形成细小的等轴晶；而心部升温较慢，再结晶不充分，更多地保留了轧制形成的纤维状组织，从而获得表层细晶、心部为拉长晶粒的“三明治”式梯度结构，实现铝合金板材强度与耐损伤性能的最佳匹配；也即通过精确控制“表面快热、心部慢热”的过程，人为制造出“表层细晶、心部纤维状”的梯度组织，其中表层细晶组织保证了铝合金板材具有足够的强度，而心部的纤维状组织能够显著阻碍表面裂纹向心部扩展，为铝合金板材提供了优异的强度和耐损伤性能，实现铝合金板材强度与耐损伤性能的最佳匹配。

37、根据本发明的实施方式，步骤s4）中，所述固溶处理的温度为498°c±5°c，即所述恒温固溶炉的温度为498°c±5°c；所述固溶处理的时间为15~30分钟。由于铝合金板材的表层已接近固溶温度，其再结晶过程优先于心部发生，且由于固溶时间短，表层晶粒来不及过度长大，通过人为制造出“表层细晶、心部纤维状”的梯度组织，为铝合金板材提供了优异的强度和耐损伤性能。

38、根据本发明的实施方式，步骤s4）中，所述恒温固溶炉为空气炉或盐浴炉。

39、根据本发明的实施方式，步骤s5）中，所述淬火转移时间为<15秒。所述淬火处理为水淬火处理。

40、根据本发明的实施方式，步骤s5）中，所述自然时效的温度为室温，所述自然时效的时间为96小时。

41、根据本发明的实施方式，所述方法还包括在固溶淬火处理后对铝合金板材进行预拉伸处理。

42、根据本发明的实施方式，所述预拉伸处理是在板材拉伸机上进行的；所述预拉伸处理可以消除铝合金板材的淬火变形；所述预拉伸处理的变形量为1.5%~2.4%。

43、本发明还提供上述方法制备得到的al-cu-mg系铝合金板材。

44、根据本发明的实施方式，所述al-cu-mg系铝合金板材的抗拉强度为430~450mpa，所述al-cu-mg系铝合金板材的屈服强度为380~420mpa，所述al-cu-mg系铝合金板材的延伸率为18~25%，所述al-cu-mg系铝合金板材的da/dn=（1.7~2.0）10-3。

45、本发明的有益效果：

46、本发明提供了一种提高al-cu-mg系铝合金板材强度、尺寸均匀性和耐损伤性能的方法。通过本发明的方法可以实现铝合金板材在厚度方向上的组织与性能梯度化精准调控，从而实现对于al-cu-mg系铝合金板材强度、尺寸均匀性和耐损伤性能的协同提高；与此同时，本发明的方法还可以克服单一热处理工艺的局限性，通过“先预设析出相，后构建梯度组织”的两步策略，协同提升铝合金板材的强度、尺寸均匀性和耐损伤性能，保证制备得到的铝合金板材具有高强度、尺寸均匀性好以及耐损伤性能高的特点；同时还能大幅提高铝合金板材的生产合格率。