專利名稱：一種可熱處理強化鋁合金的時效熱處理工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種時效熱處理工藝，特別是涉及一種可熱處理強化鋁合金的應 力-電場-溫度場耦合作用下的時效熱處理工藝。
背景技術：
可熱處理強化鋁合金是航空航天器中重要的結構材料，不僅要求其有較高的靜強 度，還要求材料有較好的耐疲勞損傷性能。提高鋁合金的耐損傷性能，不僅使飛機在服役期 間更加安全可靠，延長了使用壽命，還可以延長外場維護間隔時間，降低昂貴的維修費用， 為社會帶來可觀的經濟效益。微觀組織決定性能，因此，必須改善合金內部的組織，才能獲 得滿意的性能。對于時效硬化型鋁合金，時效過程中析出的強化相種類、數量、形貌、大小、分布和 取向等微觀組織特征在很大程度上決定了強化效果的大小。因此，對時效組織的精細調控 成為材料科學與工程領域的熱點之一。Al-Cu-Mg合金、Al-Mg-Si合金、Al-Zn-Mg合金和Al-Li合金是典型的時效硬化 型鋁合金。其性能主要由基體沉淀相MPt (Matrix Precipitate)和晶界沉淀相GBP (Grain Boundary Precipitate)的結構、尺寸、分布以及晶界無沉淀析出帶PFZ(Precipitate Free Zone)的特性等因素決定。為了能夠得到滿足需要的材料的宏觀性能，就應該選擇最佳的熱 處理工藝參數及熱處理制度，使得MPt、GBP、PFZ三種微觀組織之間達到最佳的配合。為了實現對時效硬化型鋁合金中微觀組織的精細調控，近年來出現了一些新型的 熱處理方法電場時效和應力時效。電場時效就是在時效過程中施加一定強度的靜電場。研 究表明，通過改變電場的極性(正電場或負電場)，調整電場強度的大小可以影響時效過程 的動力學，使時效峰值提前，析出相細化，改善晶界的形態，提高了合金的塑形和疲勞壽命， 降低了疲勞裂紋擴展速率，進一步提高了合金的耐損傷性能。應力時效是在時效過程中施 加一定性質和大小的應力。文獻報道，應力時效會使析出相產生一定的應力位向效應，不同 性質的應力(拉應力或壓應力)對析出相的析出方向影響不同，而且針對不同的合金，產生 應力位向效應的臨界應力大小也不同。然而，目前國內外還沒有將應力、電場和溫度進行耦合時效處理的相關報道。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種解決可熱處理強化鋁合金人工時效過程 中析出相較粗大、晶界沉淀相鏈狀分布、無沉淀析出帶較寬、利用單一溫度場時效時疲勞壽 命提高幅度小的難題，提高合金的綜合力學性能和耐損傷性能的可熱處理強化鋁合金的時 效熱處理工藝。為了解決上述技術問題，本發明提供的可熱處理強化鋁合金的時效熱處理工藝， 將待熱處理的可熱處理強化鋁合金在適當的固溶溫度下進行固溶處理，出爐快速水淬，然 后放入應力_電場_溫度多外場時效熱處理設備中進行時效處理，時效溫度為23°C 270°C，應力為50 150MPa,電場強度為10 200kv/cm，時間為:7_15h。可熱處理強化鋁合金為=Al-Cu-Mg合金、Al-Mg-Si合金、Al-Zn-Mg合金和Al-Li
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口巫ο應力場、靜電場和溫度場的施加時期自由組合，即先自由時效一段時間后，再施加 應力場和靜電場，或應力場、靜電場和溫度場在同一時期施加。采用上述技術方案的可熱處理強化鋁合金的時效熱處理工藝，通過在可熱處理強 化鋁合金時效過程中施加強靜電場來提高基體中時效析出相的形核率，并抑制其在高溫作 用下的長大和粗化，促進空位向著與電場方向相反方向運動，在晶界處聚集，提高時效析出 相在晶界處的形核率，減小無沉淀析出帶的寬度。時效過程中施加一定的應力場，利用應力 在第二相形核期間的應力位向效應，改變時效析出相的析出位向關系，形成某一方向具有 較多時效析出相的“組織織構”。由于在高溫和一定應力作用下，會產生微量的塑性變形，產 生位錯，使晶界處時效析出相的密度增加，減小無沉淀析出帶的寬度。時效析出相的細化、 無沉淀析出帶變窄、組織織構的強化效應等綜合作用提高了合金的力學性能和疲勞壽命。 本發明將應力場、靜電場和溫度場進行耦合，通過改變應力和電場的性質、大小、作用時期 和保持時間，達到針對不同系列的時效硬化型鋁合金，制定出最優的工藝參數的目的，最終 實現對合金內部微觀組織的精細調控，大大改善合金的綜合力學性能、耐損傷性能和腐蝕 性能。本發明的優點在于1、采用強靜電場和應力場的綜合時效，細化了合金基體沉淀相，使晶界沉淀相不 連續分布，無沉淀析出帶變窄。2、利用三種外場的耦合作用，取得了單一外場無法達到的效果，大大提高了合金 的綜合性能。總之，本發明方法簡單，操作方便，通過電場、應力等多外場來改善晶內析出相、晶 界沉淀相和無沉淀析出帶的形態和分布，有效的提高了合金的綜合力學性能，是一種很有 應用前景的熱處理方法。
圖1為2E12鋁合金在應力水平為0，電場強度為0，溫度為250°C時效IOh的晶內 第二相TEM照片及相對應的衍射斑點；圖2為2E12鋁合金在應力水平為0，電場強度為0，溫度為250°C時效IOh的晶界 沉淀相及無沉淀析出帶的TEM照片；圖3為2E12鋁合金在應力水平為0，電場強度為lOOkv/cm，溫度為250°C時效IOh 的晶內第二相TEM照片；圖4為2E12鋁合金在應力水平為0，電場強度為lOOkv/cm，溫度為250°C時效IOh 的晶界沉淀相及無沉淀析出帶的TEM照片；圖5為2E12鋁合金在應力水平為80MPa，電場強度為lOOkv/cm，溫度為250°C時效 IOh的晶內第二相TEM照片及相對應的衍射斑點；圖6為2E12鋁合金在應力水平為80MPa，電場強度為lOOkv/cm，溫度為250°C時效 IOh的晶界沉淀相及無沉淀析出帶的TEM照片；
具體實施例方式下面結合實施例和對比例對本發明作進一步說明。實施例1 試樣采用厚度為1. 6mm的2E12鋁合金冷軋薄板。按GB228-76制成拉伸試樣。將 試樣放入498 502°C的鹽浴中固溶30min，取出立刻淬火；然后放入應力-電場-溫度多外 場時效爐中進行時效，溫度為250°C，拉應力為80MPa，電場強度為lOOkv/cm，時間為15h。 應力場、靜電場和溫度場的施加時期可以自由組合，即可以先自由時效一段時間后，再施加 應力場和靜電場，也可以應力場、靜電場和溫度場在同一時期施加。可熱處理強化鋁合金 為=Al-Cu-Mg 合金、Al-Mg-Si 合金、Al-Zn-Mg 合金和 Al-Li 合金。實施例2 試樣采用厚度為1. 6mm的2E12鋁合金冷軋薄板。按GB228-76制成拉伸試樣。將 試樣放入498 502°C的鹽浴中固溶20min，取出立刻淬火；然后放入應力-電場-溫度多 外場時效爐中進行時效，溫度為270°C，壓應力為150MPa，電場強度為200kv/cm，時間為 7h。應力場、靜電場和溫度場的施加時期可以自由組合，即可以先自由時效一段時間后，再 施加應力場和靜電場，也可以應力場、靜電場和溫度場在同一時期施加。可熱處理強化鋁合 金為=Al-Cu-Mg合金、Al-Mg-Si合金、Al-Zn-Mg合金和Al-Li合金。實施例3 試樣采用厚度為1. 6mm的2E12鋁合金冷軋薄板。按GB228-76制成拉伸試樣。將 試樣放入498 502°C的鹽浴中固溶40min，取出立刻淬火；然后放入應力-電場-溫度多外 場時效爐中進行時效，溫度為23°C，拉應力為50MPa，電場強度為lOkv/cm，時間為10h。應 力場、靜電場和溫度場的施加時期可以自由組合，即可以先自由時效一段時間后，再施加應 力場和靜電場，也可以應力場、靜電場和溫度場在同一時期施加。可熱處理強化鋁合金為 Al-Cu-Mg 合金、Al-Mg-Si 合金、Al-Zn-Mg 合金和 Al-Li 合金。對比例1 試樣采用厚度為1. 6mm的2E12鋁合金冷軋薄板。按GB228-76制成拉伸試樣。將 試樣放入498 502°C的鹽浴中固溶30min，取出立刻淬火。然后放入應力-電場-溫度多 外場時效爐中進行時效，溫度為250°C，應力水平為OMPa，電場強度為Okv/cm。對比例2:試樣采用厚度為1. 6mm的2E12鋁合金冷軋薄板。按GB228-76制成拉伸試樣。將 試樣放入498 502°C左右的鹽浴中固溶30min，取出立刻淬火。然后放入應力-電場-溫 度多外場時效爐中進行時效，溫度為250°C，應力水平為OMPa，電場強度為lOOkv/cm。實施例1、2、3和對比例1、對比例2的性能指標如下表 比較圖1、圖2與圖3、圖4，可以看出，施加電場時效后，2E12鋁合金中的S相粒子 明顯變細，且晶界上的沉淀相由連續的鏈狀分布變為不連續分布，由于晶界沉淀相對周圍 溶質原子的消耗減少，使得晶界附近的無沉淀析出帶明顯變窄。比較圖5、圖6與圖3、圖4，可以看出，施加應力和電場進行復合時效后，兩者的綜 合作用對材料的組織影響更加明顯。對比圖3、圖4中的S相形貌，圖5、圖6中的S相產生 了明顯的應力位向效應，即沿某個方向的S相比另一個方向的S相數量要多，長寬比更大； 晶界上的沉淀相也更加不連續，從照片中可以明顯的看到彼此分離的第二相粒子斷續的分 布在晶界上，且晶界有變寬的趨勢；較前兩種處理方法，無沉淀析出帶變得更窄。
權利要求
一種可熱處理強化鋁合金的時效熱處理工藝，其特征在于將待熱處理的可熱處理強化鋁合金進行固溶處理，出爐快速水淬，然后放入應力 電場 溫度多外場時效熱處理設備中進行時效處理，時效溫度為23℃～270℃，應力為50～150MPa，電場強度為10～200kv/cm，時間為7 15h。
2.按照權力要求1所述的可熱處理強化鋁合金的時效熱處理工藝，其特征在于可熱 處理強化鋁合金為=Al-Cu-Mg合金、Al-Mg-Si合金、Al-Zn-Mg合金和Al-Li合金。
3.按照權利要求1或2所述的可熱處理強化鋁合金的時效熱處理工藝，其特征在于 所述的應力場、靜電場和溫度場的施加時期自由組合，即先自由時效一段時間后，再施加應 力場和靜電場，或應力場、靜電場和溫度場在同一時期施加。
全文摘要
本發明公開了一種可熱處理強化鋁合金的時效熱處理工藝，將待熱處理的可熱處理強化鋁合金進行固溶處理，出爐快速水淬，然后放入應力-電場-溫度多外場時效熱處理設備中進行時效處理，時效溫度為23℃～270℃，應力為50～150MPa，電場強度為10～200kV/cm，時間為7-15h。可熱處理強化鋁合金為Al-Cu-Mg合金、Al-Mg-Si合金、Al-Zn-Mg合金和Al-Li合金。本發明能解決可熱處理強化鋁合金人工時效過程中析出相較粗大、晶界沉淀相鏈狀分布、無沉淀析出帶較寬、利用單一溫度場時效時疲勞壽命提高幅度小的難題，提高合金的綜合力學性能和耐損傷性能。
文檔編號C22F1/047GK101921977SQ201010275809
公開日2010年12月22日 申請日期2010年9月8日 優先權日2010年9月8日
發明者文智, 易丹青, 王宏偉, 王斌, 蔡金伶 申請人:中南大學