一種提高Al-Cu-Mg合金抗疲勞性能的方法
【專利摘要】一種提高Al-Cu-Mg合金抗疲勞性能的方法，是將均勻化處理后的鋁合金依次進行高溫熱軋，一次固溶處理，大變形量冷軋，二次固溶處理，自然時效處理。本發明通過熱軋前較高溫度保溫，使得材料在熱軋制過程中發生動態再結晶，從而形成較多諸如Goss、Cube等再結晶織構，有利于提高鋁合金的抗疲勞性能；冷軋前固溶處理能夠極大消除除Fe、Si雜質外的粗大第二相粒子，避免形成高能區域，從而避免不均勻再結晶的形成。進行大變形量冷軋變形，使得合金位錯密度大大增加，使合金獲得較大儲能，增大固溶處理時再結晶形核速率，并形成極為細小的晶粒，進一步提高該鋁合金的抗疲勞性能；本發明工藝方法簡單，操作方便，節約成本，適于工業化應用。
【專利說明】—種提高Al-Cu-Mg合金抗疲勞性能的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種Al-Cu-Mg合金的加工方法,特指系一種提高Al-Cu-Mg合金抗疲勞性能的方法；屬于有色金屬加工工藝【技術領域】。
技術背景
[0002]Al-Cu-Mg系合金由于具有中等強度，良好的韌性和優異的抗疲勞性能，是航空航天中廣泛應用的沉淀硬化型鋁合金，尤其常常作為飛機蒙皮材料應用，在航空領域具有極其重要的地位。然而，近年來復合材料的快速發展給鋁合金帶來了較大的沖擊，因此進一步提高該鋁合金疲勞性能具有重要意義。 [0003]研究表明，針對該鋁合金抗疲勞性能的提高，目前主要開展了諸如合金雜質元素、原子團簇尺寸、預變形、Cu-Mg成分比、過剩相、電場效應等方面研究，已經取得較大的突破。研究表明低的Cu/Mg成分比的Al-Cu-Mg合金具有更為優異的抗疲勞性能。低Cu/Mg成分比的Al-Cu-Mg合金自然時效態下，合金的時效析出處于GPB區的析出階段。自然時效析出的原子偏聚團簇被證明有利于循環加載過程中位錯的往復滑移，從而降低合金的疲勞損傷。此外，過剩相、雜質、溫度對原子團簇尺寸，原子偏聚的電場效應以及預變形引入位錯對交變應力下滑移的影響等方面也做了相關的研究。
[0004]然而，上述諸多研究只是鋁合金疲勞性能提高的一些方面。分析表明，合金疲勞性能與交變應力作用下位錯往復滑移有直接的關系。位錯滑移受到的阻礙越大，疲勞損傷積累越快，擴展速率就會越高。研究表明，位錯滑移與合金晶粒的特殊取向有直接關系，具有高斯織構的晶粒可以增大合金的裂紋閉合效應，從而降低裂紋擴展速率。與此相反，諸如黃銅等形變織構容易使裂紋發生垮晶界擴展，不利于提高合金的抗疲勞性能。目前研究表明，通過中間退火、高溫固溶等工藝能一定程度上獲得高密度的高斯織構，并且同時還能抑制諸如黃銅等變形織構的產生。這些工藝的出現能一定程度上提高該類合金的抗疲勞性能，然而其獲得的高斯織構密度總的來說都比較低，還有較大的提升空間。此外這些技術工藝相對來說都較為復雜，需要耗費更多的能源，工業生產極為不便。
[0005]如何獲得較強高斯織構或者消除(或是最大程度減弱)形變織構是提高該系列鋁合金抗疲勞性能的關鍵所在。因此，開發出合適的鋁合金熱加工工藝，消除或減弱合金中黃銅織構并獲得較強高斯織構，而且同時能夠消除合金中的粗大相，減少裂紋萌生幾率，是提高該系列鋁合金抗疲勞性能的有效途徑。將有利于提升該系列鋁合金在航空航天領域的應用水平具，具有深遠的現實意義。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于克服現有技術之不足而提供一種工藝簡單、操作方便、節約成本的提高Al-Cu-Mg合金抗疲勞性能的方法；以進一步提高現有鋁合金材料熱處理后的抗疲勞性能。
[0007]本發明一種提高Al-Cu-Mg合金抗疲勞性能的方法，是將均勻化處理后的Al-Cu-Mg合金依次進行高溫熱軋，一次固溶處理，大變形量冷軋，二次固溶處理，自然時效處理。
[0008]本發明一種提高Al-Cu-Mg合金抗疲勞性能的方法，所述高溫熱軋工藝為:熱軋溫度430— 490°C，保溫時間20分鐘一4小時，熱軋變形量30— 60%。
[0009]本發明一種提高Al-Cu-Mg合金抗疲勞性能的方法，所述一次固溶處理、二次固溶處理工藝均為:固溶溫度470— 500°C，保溫時間5分鐘一2小時，水淬。
[0010]本發明一種提高Al-Cu-Mg合金抗疲勞性能的方法，所述大變形量冷軋工藝為:冷軋變形量50% — 90%。
[0011]本發明一種提高Al-Cu-Mg合金抗疲勞性能的方法，所述二次固溶處理采用鹽浴加熱。
[0012]本發明一種提高 Al-Cu-Mg合金抗疲勞性能的方法，所述自然時效是在常溫下放置50-200小時。
[0013]本發明一種提高Al-Cu-Mg合金抗疲勞性能的方法，Al-Cu-Mg合金中，各組分質量百分含量為:Cu3.0-4.9%, Mgl.0-1.8%, Mn0.3-1.0，余量為 Al。
[0014]本發明的機理以及優點簡述于下:
[0015]本發明通過高溫熱軋工藝使得合金發生動態再結晶，使得合金在軋制過程中動態再結晶充分完成，從而形成較多諸如Goss、Cube等具有一定取向的再結晶織構。而Goss、Cube等織構的強弱與材料的疲勞性能有直接關系。高斯織構較強的合金，晶粒中較多的{111}面處在或者接近于最大外加切應力方向，有利于位錯的往復滑移，使合金更容易產生駐留滑移帶，從而增強疲勞裂紋的塑性誘導閉合效應，降低損傷積累，并且促進裂紋偏轉，進而降低合金的疲勞裂紋擴展速率，有效提高合金的抗疲勞性能。
[0016]采用冷軋前固溶處理，會使得除Fe、Si雜質外的粗大第二相粒子得以回溶，避免高能區域形成，從而有利于消除不均勻再結晶的發生，避免不均勻再結晶的形成；因為不均勻再結晶的形成有利于Brass等形變織構的產生，該織構的存在，疲勞裂紋會發生跨境界擴展，不利于提高疲勞性能。因此冷軋前固溶處理可以進一步提高材料的抗疲勞性能。
[0017]隨后變形量較大的冷軋，有利于使得材料產生大量位錯，位錯交互作用增強，容易形成位錯塞積、位錯交割，形成較大的儲能，使得再結晶形核速率加大，形成細小晶粒。疲勞裂紋在細小晶粒下需穿越更多的晶界，阻礙大，裂紋擴展速率較低，有利于疲勞性能的提聞。
[0018]最后的鹽浴高溫短時固溶處理，有利于再結晶織構的形成，其某些取向(諸如Goss、Cube)越強，越有利于材料的疲勞性能。
[0019]綜上所述，本發明工藝簡單合理，通過高溫熱軋和冷軋前固溶等方式，使合金獲得高密度的Goss織構和有利于位錯往復滑移和促進疲勞裂紋閉合的晶粒分布。使Al-Cu-Mg合金具有更高的抗疲勞性能，適用于工業化應用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]附圖1是本發明實施例2、3、6、7的疲勞擴展速率曲線
[0021]附圖2是本發明實施例2采用中溫熱軋+冷軋后退火+固溶淬火時效工藝處理的金相組織。[0022]附圖3是本發明實施例3采用中溫熱軋+冷軋前固溶+固溶淬火時效工藝處理的金相組織。
[0023]附圖4是本發明實施例6采用高溫熱軋+冷軋后退火+固溶淬火時效工藝處理的金相組織。
[0024]附圖5是本發明實施例7采用高溫熱軋+冷軋前固溶+固溶淬火時效工藝處理的金相組織。
[0025]附圖6是本發明實施例2采用中溫熱軋+冷軋后退火+固溶淬火時效工藝處理的取向分布函數圖。
[0026]附圖7是本發明實施例3采用中溫熱軋+冷軋前固溶+固溶淬火時效工藝處理的取向分布函數圖。
[0027]附圖8是本發明實施例6采用高溫熱軋+冷軋后退火+固溶淬火時效工藝處理的取向分布函數圖。
[0028]附圖9是本發明實施例7采用高溫熱軋+冷軋前固溶+固溶淬火時效工藝處理的取向分布函數圖。
[0029]圖1 中:
[0030]曲線A為實施例2的疲勞擴展速率曲線，處理工藝為:中溫熱軋+冷軋后退火+固溶淬火時效；
[0031 ] 曲線B為實施例3的疲勞擴展速率曲線，處理工藝為:中溫熱軋+冷軋前固溶+固溶淬火時效；
[0032]曲線C為實施例6的疲勞擴展速率曲線，處理工藝為:高溫熱軋+冷軋后退火+固溶淬火時效；
[0033]曲線D為實施例7的疲勞擴展速率曲線，處理工藝為:高溫熱軋+冷軋前固溶+固溶淬火時效；
[0034]從圖1可以看出，本發明提供的經過高溫熱軋處理的合金相對于中溫熱軋處理的合金的擴展速率明顯較低，合金的斷裂韌性和抗疲勞性能得以較大程度提高，如實施例7與實施例3或實施例6與實施例2 ；
[0035]經過冷軋前固溶處理的合金疲勞性能也明顯高于冷軋前沒有固溶處理的合金，如實施例7與實施例6或實施例3與實施例2。
[0036]從圖2-5可看出，高溫熱軋處理的合金相對于中溫熱軋處理的合金金相組織較為細小，甚至為其他工藝處理下晶粒尺寸的一半左右。一定程度下，晶粒越細小，疲勞裂紋擴展受到阻礙，降低疲勞擴展速率，與此同時細化晶粒使得合金強度提高。
[0037]由圖6-9可知，經過高溫熱軋處理的合金高斯織構密度(3.72)得以提高，而黃銅等軋制織構降低，疲勞性能得以提高。
【具體實施方式】
[0038]下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明。
[0039]本發明實施例1-9處理后的鋁合金力學性能見表1。
[0040]實施例1
[0041 ] 將合金成分為:3.8%Cu，1.0%Mg, 0.3%Mn，余量為Al的Al-Cu-Mg合金均勻化后鑄錠在430°C保溫I小時后直接進行70%變形量的熱軋，然后在470°C空氣固溶處理I小時水淬后進行80%變形量的冷軋，然后進行470°C鹽浴固溶20分鐘水淬后自然時效處理。抗拉強度為456MPa，屈服強度為327MPa，延伸率為23%。當應力擴展因子Λ K=33MPa*m1/2時，合金的擴展速率分別為0.00595mm/cycle。
[0042]實施例2
[0043]將合金成分為:4.4%Cu，1.3%Mg，0.45%Mn，余量為Al的Al-Cu-Mg合金均勻化后鑄錠在440°C保溫I小時后直接進行70%變形量的熱軋，之后進行80%變形量的冷軋，然后進行400°C退火處理lh，之后再次進行490°C鹽浴固溶20分鐘水淬后自然時效處理。抗拉強度為476MPa，屈服強度為334MPa，延伸率為23.2%。當應力擴展因子Λ K=33MPa*m1/2時，合金的擴展速率分別為0.00335mm/cycle。
[0044]實施例3
[0045]將合金成分為:4.9%Cu，1.5%Mg，0.8%Mn，余量為Al的Al-Cu-Mg合金均勻化后鑄錠在440°C溫I小時后直接進行70%變形量的熱軋，然后在490°C空氣固溶處理I小時水淬后進行80%變形量的冷軋，之后再次進行490°C鹽浴固溶20分鐘水淬后自然時效處理。抗拉強度為475MPa，屈服強度為331MPa，延伸率為22.3%。當應力擴展因子Λ K=33MPa*m1/2時，合金的擴展速率分別為0.0043mm/cycle。
[0046]實施例4
[0047]將合金成分 為:3.8%Cu，1.8%Mg，1.0%Μη,余量為Al的Al_Cu_Mg合金均勻化后鑄錠在450°C保溫I小時后直接進行50%變形量的熱軋，然后在480°C空氣固溶處理I小時水淬后進行90%變形量的冷軋，之后進行480°C鹽浴固溶20分鐘水淬后自然時效處理。抗拉強度為465MPa，屈服強度為320MPa，延伸率為22%。當應力擴展因子Λ K=33MPa*m1/2時，合金的擴展速率分別為0.0049mm/cycle。
[0048]實施例5
[0049]將合金成分為:3.8%Cu，1.0%Mg, 0.3%Mn，余量為Al的Al_Cu_Mg合金均勻化后鑄錠在460°C保溫I小時后直接進行50%變形量的熱軋，然后在480°C空氣固溶處理I小時水淬后進行90%變形量的冷軋，之后進行480°C鹽浴固溶20分鐘水淬后自然時效處理。抗拉強度為477MPa，屈服強度為330MPa，延伸率為22%。當應力擴展因子Λ K=33MPa*m1/2時，合金的擴展速率分別為0.0055mm/cycle。
[0050]實施例6
[0051]將合金成分為:3.8%Cu，1.0Mg, 0.45%Mn，余量為Al的Al-Cu-Mg合金均勻化后鑄錠在490°C時后直接進行50%變形量的熱軋，之后進行90%變形量的冷軋，進行400°C退火處理lh，最后進行490°C鹽浴固溶20分鐘水淬后自然時效處理。抗拉強度為488.5MPa，屈服強度為335MPa，延伸率為25.03%。當應力擴展因子Λ K=33MPa*m1/2時，合金的擴展速率分別為 0.0029mm/cycle0
[0052]實施例7
[0053]將合金成分為:3.8%Cu，1.3%Mg，0.45%Mn，余量為Al的Al-Cu-Mg合金均勻化后鑄錠在490°C保溫I小時后直接進行50%變形量的熱軋，然后在490°C空氣固溶處理I小時水淬后進行90%變形量的冷軋，之后進行490°C鹽浴固溶20分鐘水淬后自然時效處理。抗拉強度為493.6MPa，屈服強度為338MPa，延伸率為24.33%。當應力擴展因子Λ K=33MPa*m1/2時，合金的擴展速率分別為0.00187mm/cycle。
[0054]實施例8
[0055]將合金成分為:4.5%Cu，1.8Mg，0.9%Mn，余量為Al的Al-Cu-Mg合金均勻化后鑄錠在480°C保溫I小時后直接進行50%變形量的熱軋，然后在470°C空氣固溶處理I小時水淬后進行90%變形量的冷軋，之后進行470°C鹽浴固溶20分鐘水淬后自然時效處理。抗拉強度為480MPa，屈服強度為332MPa，延伸率為25%。當應力擴展因子Λ K=33MPa*m1/2時，合金的擴展速率分別為0.0069mm/cycle。
[0056]實施例9
[0057]將合金成分為:4.9%Cu，1.8%Mg，1.0%Μη,余量為Al的Al-Cu-Mg合金均勻化后鑄錠在490°C保溫I小時后直接進行50%變形量的熱軋，然后在490°C空氣固溶處理I小時水淬后進行90%變形量的冷軋，之后進行490°C鹽浴固溶20分鐘水淬后自然時效處理。抗拉強度為470MPa，屈服強度為330MPa，延伸率為23%。當應力擴展因子Λ K=33MPa*m1/2時，合金的擴展速率分別為0.0070mm/cycle。
[0058]表1本發明合金的力學性能對比
[0059]
【權利要求】
1.一種提高Al-Cu-Mg合金抗疲勞性能的方法，是將均勻化處理后的Al-Cu-Mg合金依次進行高溫熱軋，一次固溶處理，大變形量冷軋，二次固溶處理，自然時效處理。
2.根據權利要求1所述的一種提高Al-Cu-Mg合金抗疲勞性能的方法，其特征在于:所述高溫熱軋工藝為:熱軋溫度430— 490°C，保溫時間20分鐘一4小時，熱軋變形量30—60%。
3.根據權利要求1所述的一種提高Al-Cu-Mg合金抗疲勞性能的方法，其特征在于:所述一次固溶處理、二次固溶處理工藝均為:固溶溫度470—500 0C，保溫時間5分鐘一2小時，水淬。
4.根據權利要求1所述的一種提高Al-Cu-Mg合金抗疲勞性能的方法，其特征在于:所述大變形量冷軋工藝為:冷軋變形量50% — 90%。
5.根據權利要求1所述的一種提高Al-Cu-Mg合金抗疲勞性能的方法，其特征在于:所述二次固溶處理采用鹽浴加熱。
6.根據權利要求1-5任意一項所述的一種提高Al-Cu-Mg合金抗疲勞性能的方法,其特征在于:所述自然時效是在常溫下放置50-200小時。
7.根據權利要求6所述的一種提高Al-Cu-Mg合金抗疲勞性能的方法，其特征在于:Al-Cu-Mg合金中，各組分質量百分含量為:Cu3.0-4.9%，Mgl.0-1.8%，Mn0.3-1.0%，余量為Al。`
【文檔編號】C22F1/057GK103589977SQ201310556395
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月11日 優先權日:2013年11月11日
【發明者】劉志義, 李福東, 夏鵬, 魯璐青, 應普友 申請人:中南大學