提高鋁合金固溶態預拉伸板抗疲勞性能的熱處理工藝的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種提高鋁合金固溶態預拉伸板抗疲勞性能的熱處理方法，即將該鋁合金板材進行固溶處理，并水淬，經過2-10%預拉伸變形，然后進行人工欠時效或自然時效處理。本發明通過控制Al-Cu-Mg合金固溶態預拉伸板材的時效進程，形成能夠被位錯切割的原子團簇和G.P區強化粒子，而非常規時效形成的只能被位錯繞過的S’過渡強化相。這些能夠被位錯切割的強化粒子不會妨礙疲勞過程中裂紋尖端區域的位錯往復滑移，降低了預拉伸板材在疲勞過程中的損傷積累，提高預拉伸板材的疲勞裂紋擴展抗力。同時人工欠時效還有效降低板材中的位錯密度，提高Al-Cu-Mg合金預拉伸板材的塑性和抗疲勞性能。適于工業化生產。
【專利說明】提高鋁合金固溶態預拉伸板抗疲勞性能的熱處理工藝
【技術領域】:
[0001]本發明涉及一種提高鋁合金固溶態預拉伸板抗疲勞性能的熱處理工藝，特別是指一種提高Al-Cu-Mg合金固溶態預拉伸板抗疲勞性能的熱處理工藝。屬于金屬材料熱處理【技術領域】。
【背景技術】
[0002]Al-Cu-Mg系合金由于具有中等強度，良好的韌性，是航空航天中廣泛應用的鋁合金。該合金板材固溶淬火后一般采用預拉伸變形來消除加工過程中產生的殘余應力；然后，進行峰值時效，合金以峰值時效狀態應用于實際工程中。固溶淬火后預拉伸變形，可以在合金基體中引入高密度位錯組織、提高合金板材的強度。然而，通常施加預拉伸變形和峰值時效后，合金板材在強度提高的同時，其塑性和抗疲勞性能卻大幅度下降。而抗疲勞性能是航空鋁合金的重要性能參量，是必須解決的問題。
[0003]研究表明，合金在固溶淬火后進行預拉伸變形，可以消除Al-Cu-Mg合金板材的殘余應力，但預拉伸變形同時也引入了高密度位錯組織并產生應變硬化效應。應變硬化效應的出現，提高了合金強度，但降低了合金的塑性和抗疲勞性能。與此同時，高密度的位錯在隨后的峰值時效過程中，成為析出相的形核位置，促進非均勻形核、提高了形核率。促進析出相的析出無疑將提高合金強度，但這也必然會降低合金塑性及抗疲勞性能。研究表明，預拉伸變形引入的高密度位錯及彌散的析出相組織，與疲勞裂紋尖端塑性變形區內的滑移位錯發生強烈的交互作用，阻礙了疲勞裂紋前端塑性變形區內的位錯往復滑移運動；眾所周知，析出相阻礙交變應力作用下的位錯往復滑移的原因是其不能被位錯切割，位錯只能繞過而留下位錯環，增加了對后續位錯滑移的阻力，加速了合金在交變應力作用下的疲勞損傷累積，而降低了合金的疲勞裂紋擴展抗力。那么，在保證鋁合金預拉伸板強度的前提下，如何提高其抗疲勞性能？
`[0004]分析表明，預拉伸變形后進行峰值時效獲得的微觀組織是S’過渡強化相，它屬于不能被位錯切割的強化相，因此，預拉伸變形后進行峰值時效的Al-Cu-Mg系合金，雖然強度較高，但疲勞裂紋擴展抗力較低。如何提高Al-Cu-Mg系合金預拉伸板材塑性和抗疲勞性能，成為業內長期以來希望解決而未能解決的難題。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在于針對預拉伸工藝消除Al-Cu-Mg合金板材的殘余應力、提高強度，但降低塑性和疲勞裂紋擴展抗力的技術不足，提供一種提高鋁合金固溶態預拉伸板抗疲勞性能的熱處理工藝。本發明通過控制預拉伸板材時效析出進程，獲得可以被位錯切割的原子團簇和G.P.區強化粒子，在保持較高強度的前提下，減小預拉伸板材疲勞裂紋尖端位錯往復滑移的阻力和疲勞損傷積累，提高預拉伸板材塑性和疲勞裂紋擴展抗力。
[0006]本發明提高鋁合金固溶態預拉伸板抗疲勞性能的熱處理工藝，是采用下述方案實現的:[0007]將固溶處理并水淬后經過預拉伸變形的鋁合金板材進行人工欠時效或自然時效。
[0008]本發明提高鋁合金固溶態預拉伸板抗疲勞性能的熱處理工藝，所述人工欠時效工藝參數為:加熱溫度120-168°C，保溫時間30-240分鐘。
[0009]本發明提高鋁合金固溶態預拉伸板抗疲勞性能的熱處理工藝，所述自然時效工藝參數為:室溫下放置至少96小時。
[0010]本發明提高鋁合金固溶態預拉伸板抗疲勞性能的熱處理工藝，鋁合金板材包括下述組分，按重量百分比組成:Cu 3.35-3.85%, Mg 1.40-1.80%, Mn 0.40-0.70%, Zr0.08-0.16%, Ti0.03-0.07%, Be0.0003-0.0008%, Fe ( 0.15%, Si ( 0.05% 余量為鋁。
[0011]本發明提高鋁合金固溶態預拉伸板抗疲勞性能的熱處理工藝，固溶處理工藝為:485-5050C /0.5-2 小時。
[0012]本發明提高鋁合金固溶態預拉伸板抗疲勞性能的熱處理工藝，預拉伸變形工藝為:固溶后室溫拉伸變形2-10%。
[0013]本發明機理簡述于下:
[0014]研究表明，低Cu/Mg比的Al-Cu-Mg合金的時效析出序列為:SSS —原子團簇-G.P.區一S’一 S。其中原子團簇和G.P.區粒子是完全可以被位錯切割的強化粒子。這些粒子在強化合金基體的同時，可以被疲勞裂紋尖端塑性變形區內的滑移位錯切割，裂紋尖端塑性變形區內的位錯往復滑移沒有受到阻礙，降低了合金的疲勞損傷累積，從而提高合金的抗疲勞性能。因此，在合金預拉伸變形后，通過控制時效進程，形成可以被位錯切割的原子團簇和G.P.區等強化粒子，是提高Al-Cu-Mg合金預拉伸板材塑性和抗疲勞性能的關鍵。這對于提高現有Al-Cu-Mg合金預拉伸板材的塑性及抗疲勞性能，拓展其應用領域具有重要的意義。
[0015]本發明通過控制Al-Cu-Mg合金預拉伸板材的時效進程，獲得了完全能夠被位錯切割的強化粒子。同時，在控制時效的進程中，由于受到外界熱激活的作用，預拉伸變形引入的部分位錯，會發生正負號位錯抵消的運動，也會通過滑移和攀移至晶界消失，也有一部分位錯會因為大量溶質原子的偏聚和向G.P.區演變引起大量的原子遷移和擴散，而失去位錯的特性。這些因素的結合，導致了合金中實際的位錯密度降低，進而降低對往復滑移位錯的阻礙作用及合金的疲勞損傷累積，提高了合金預拉伸板材的抗疲勞性能。
[0016]本發明的優點和積極效果:
[0017]本發明針對Al-Cu-Mg合金預拉伸板材時效后的強度高、塑性和抗疲勞性能差的問題，通過控制預拉伸板材時效析出進程，獲得可以被位錯切割的原子團簇和G.P.區強化粒子，在保持較高強度的前提下，減小預拉伸板材疲勞裂紋尖端位錯往復滑移的阻力和疲勞損傷積累，提高預拉伸板材塑性和疲勞裂紋擴展抗力。相對傳統時效工藝，本發明可以使Al-Cu-Mg合金預拉伸板材的塑性和疲勞裂紋擴展抗力有大幅度的提高。
[0018]本發明將鋁合金預拉伸板材的時效溫度和時間控制在剛好使原子團簇的生長保持在G.P區范圍內，獲得了能夠被位錯切割、而不影響疲勞過程中裂紋尖端塑性區內的位錯往復滑移的強化微結構組織，這種不影響位錯往復滑移的微結構組織在疲勞過程中能夠承受交變應力驅動位錯的往復切割作用，降低疲勞過程中交變應力對預拉伸板材產生的疲勞損傷積累。
[0019]材料熱力學理論表明，在預拉伸板材時效過程中，由預拉伸變形引入的大量位錯成為原子團簇偏聚的地方，合金預拉伸板在時效過程中形成的原子團簇和G.P.區都傾向于偏聚在這些位錯處。由于原子團簇和G.P.區的形成是由于大量的原子遷移和擴散所產生的，大量原子向位錯處的遷移和擴散必然會使得一部分位錯失去原有的位錯特性。同時，時效過程中的熱激活作用，也會使得合金預拉伸板中的位錯發生正負號位錯抵消及消失在晶界中的滑移、攀移運動。這不僅減少了合金預拉伸板材中的位錯密度，也減少了預拉伸板材中位錯組織在疲勞過程中與滑移位錯的交互作用，以及由此造成的對預拉伸板材的疲勞損傷積累。
[0020]綜上所述，本發明通過研究合金預拉伸板材的時效制度，獲得的時效工藝可以在Al-Cu-Mg合金預拉伸板材中形成能夠被位錯切割的原子團簇和G.P.區，以及降低板材中的位錯密度，減少板材在疲勞過程中的損傷積累、提高Al-Cu-Mg合金預拉伸板材的塑性和抗疲勞性能。適于工業化生產。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]附圖1是實施例2的Al-Cu-Mg合金的自然時效態TEM組織。
[0022]附圖2是實施例9的Al-Cu-Mg合金的168°C /0.5h人工時效態TEM組織。
[0023]附圖3是實施例10的Al-Cu-Mg合金的150°C /Ih人工時效態TEM組織。
[0024]附圖4是對比例I的Al-Cu-Mg合金的160°C /120h峰值時效態TEM組織。
[0025]附圖5是實施例2的Al-Cu-Mg合金預拉伸板材在自然時效態的疲勞裂紋擴展速率曲線。
[0026]附圖6是實施例9的Al-Cu-Mg合金預拉伸板材在168°C /0.5h時效態的疲勞裂紋擴展速率曲線。
[0027]附圖7是實施例10的Al-Cu-M`g合金預拉伸板材在150°C /Ih時效態的疲勞裂紋擴展速率曲線。
[0028]附圖8是對比例I的Al-Cu-Mg合金預拉伸板材在160°C /120h峰值時效態的疲勞裂紋擴展速率曲線。
[0029]比較圖1、2、3和4可以知道，經過自然時效和短時人工時效處理后，Al-Cu-Mg合金內是Cu、Mg原子偏聚形成的原子團簇和G.P區，而峰值時效態處理后的組織是S’過渡強化相。
[0030]比較圖5、6、7、8可以知道，Al-Cu-Mg預拉伸板材經過短時欠人工時效或自然時效
后，疲勞裂紋擴展速率明顯降低。
【具體實施方式】
[0031]實施例1
[0032]合金成分為:3.35%Cu, 1.40%Mg, 0.70%Mn, 0.15%Zr, 0.03Ti，0.0003%Be，
0.13%Fe, 0.04%Si,余量為鋁。將其進行如下熱處理工藝:
[0033]在505 °C固溶處理40分鐘，經過2%預拉伸變形，然后在室溫下自然時效96小時，板材的力學性能為:抗拉強度為427MPa，屈服強度為294MPa，延伸率為17.8%;在Δ K=25MPa*m1/2 時，da/dN=2.0F-Q3mm/cycle?
[0034]實施例2[0035]合金成分為:3.53%Cu, 1.60%Mg, 0.48%Mn, 0.10%Zr, 0.05Ti，0.0006%Be，
0.13%Fe, 0.04%Si,余量為鋁。將其進行如下熱處理工藝:
[0036]在500°C進行固溶處理I小時并水淬，再經過5%預拉伸變形，然后在室溫下自然時效96小時。經過該處理后的室溫下的力學性能:抗拉強度為424MPa，屈服強度為322.2MPa，延伸率為 16.8% ?’在Δ K=25MPa*m1/2 時，da/dN=2.53E-03mm/cycle
[0037]實施例3
[0038]合金成分為:3.85%Cu, 1.47%Mg, 0.40%Mn, 0.08%Zr, 0.07Ti，0.0008%Be，
0.15%Fe, 0.05%Si,余量為鋁。將其進行如下熱處理工藝:
[0039]在485°C進行固溶處理2小時并水淬，再經過10%預拉伸變形，然后在室溫下自然時效96小時。經過該處理后的室溫下的力學性能:抗拉強度為439.6MPa，屈服強度為355.9MPa，延伸率為 19.0% ?’在Δ K=30MPa*m1/2 時，da/dN=4.83.E-03mm/cycle
[0040]實施例4
[0041]合金成分為:3.71%Cu, 1.58%Mg, 0.47%Mn, 0.l%Zr, 0.06Ti，0.0004%Be，
0.12%Fe, 0.05%Si,余量為鋁。將其進行如下熱處理:
[0042]在505°C進行固溶處理I小時并水淬，再經過10%預拉伸變形，然后在室溫下自然時效7天。經過該處理后的室溫下的力學性能:抗拉強度為426.6MPa，屈服強度為345.9MPa，延伸率為 14.8% ?’在Δ K=30MPaW/2 時，da/dN=4.46E-03mm/cycle
[0043]實施例5
[0044]合金成分為:3.35%Cu, 1.45%Mg, 0.40%Mn, 0.12%Zr, 0.06Ti,0.0007%Be,
0.13%Fe, 0.04%Si,余量為鋁。將其進行如下熱處理工藝:
[0045]在485°C進行固溶處理I小時，再經過5%預拉伸變形，然后在室溫下自然時效96小時。經過該處理后的室溫下的力學性能:抗拉強度為446.0MPa，屈服強度為315MPa，延伸率為 19.4% ?’在Δ K=25MPa*m1/2 時，da/dN=l.0E-03mm/cycle。
[0046]實施例6
[0047]合金成分為:3.73%Cu, 1.65%Mg, 0.58%Mn, 0.09%Zr, 0.05Ti，0.0004%Be，
0.13%Fe, 0.04%Si,余量為鋁。將其進行如下熱處理工藝:
[0048]在495°C進行固溶處理0.5小時，再經過5%預拉伸變形，然后在室溫下自然時效96小時。經過該處理后的室溫下的力學性能:抗拉強度為431.0MPa,屈服強度為343.8MPa，延伸率為 18.9% ；，在Λ K=30MPa*m1/2 時，da/dN=3.56E-03mm/cycle。
[0049]實施例7
[0050]合金成分為:3.40%Cu, 1.47%Mg, 0.41%Mn, 0.13%Zr, 0.05Ti，0.0006%Be，
0.12%Fe, 0.03%Si,余量為鋁。將其進行如下熱處理工藝:
[0051]在495°C進行固溶處理I小時，再經過10%預拉伸變形，然后在室溫下自然時效96小時。經過該處理后的室溫下的力學性能:抗拉強度為456.7MPa，屈服強度為356.6MPa，延伸率為 19.8% ?’在Δ K=30MPa*m1/2 時，da/dN=3.79E-03mm/cycle。
[0052]實施例8
[0053]合金成分為:3.71%Cu, 1.58%Mg, 0.42%Mn, 0.10%Zr, 0.03Ti，0.0006%Be,
0.12%Fe, 0.05%Si,余量為鋁。將其進行如下熱處理: [0054]在495°C進行固溶處理I小時，再經過10%預拉伸變形，然后在室溫下自然時效96小時。經過該處理后的室溫下的力學性能:抗拉強度為438.3MPa，屈服強度為385.8MPa，延伸率為 19.9% ;在厶 K=30MPa*m1/2 時，da/dN=2.77E-03mm/cycle。
[0055]實施例9
[0056]合金成分為:3.50%Cu, 1.50%Mg, 0.52%Mn, 0.l%Zr, 0.07Ti，0.0008%Be，
0.13%Fe, 0.04%Si,余量為鋁。將其進行如下熱處理工藝:
[0057]在505°C進行固溶處理0.5小時，再經過5%預拉伸變形，然后在168°C時效0.5小時。經過該處理后的室溫下的力學性能:抗拉強度為447.0MPa，屈服強度為362.0MPa，延伸率為 20.7% ?’在Δ K=30MPa*m1/2 時，da/dN=2.0E-03mm/cycle。
[0058]實施例10
[0059]合金成分為:3.60%Cu, 1.80%Mg, 0.45%Mn, 0.ll%Zr, 0.04Ti,0.0006%Be,
0.13%Fe, 0.04%Si,余量為鋁。將其進行如下熱處理工藝:
[0060]在485°C進行固溶處理1.5小時，再經過5%預拉伸變形，然后在150°C時效I小時。經過該處理后的室溫下的力學性能:抗拉強度為445MPa，屈服強度為367MPa，延伸率為 19.7% ?’在Δ K=30MPa*m1/2 時，da/dN=2.5E-03mm/cycle。
[0061]實施例11
[0062]合金成分為:3.55%Cu, 1.45%Mg, 0.5%Mn, 0.12%Zr, 0.06Ti，0.0007%Be，
0.13%Fe, 0.04%Si,余量為鋁。將其進行如下熱處理工藝:`[0063]在495°C進行固溶處理I小時，再經過5%預拉伸變形，然后在120°C時效4小時。經過該處理后的室溫下的力學性能:抗拉強度為435MPa，屈服強度為337MPa，延伸率為23.7% ?’在Δ K=30MPa*m1/2 時，da/dN=2.25E-03mm/cycle。
[0064]對比例I
[0065]合金成分為:3.85%Cu, 1.75%Mg, 0.5%Mn, 0.12%Zr, 0.06Ti,0.13%Fe, 0.14%Si,余量為鋁。將其進行如下熱處理工藝:
[0066]在495°C進行固溶處理I小時，再經過5%預拉伸變形，然后在160°C時效120小時。經過該處理后的室溫下的力學性能:抗拉強度為495MPa，屈服強度為437MPa，延伸率為 9.0% ?’在Δ K=28MPa*m1/2 時，da/dN > 5.0E-03mm/cycle。
[0067]表1本發明合金的力學性能對比
[0068]
【權利要求】
1.提高鋁合金固溶態預拉伸板抗疲勞性能的熱處理工藝，是將固溶處理并水淬后經過預拉伸變形的鋁合金板材進行人工時效或自然時效。
2.根據權利要求1所述的提高鋁合金固溶態預拉伸板抗疲勞性能的熱處理工藝，其特征在于:所述人工時效工藝參數為:加熱溫度120-168°C，保溫時間30-240分鐘。
3.根據權利要求1所述的提高鋁合金固溶態預拉伸板抗疲勞性能的熱處理工藝，其特征在于:所述自然時效工藝參數為:室溫下放置至少96小時。
4.根據權利要求2或3所述的提高鋁合金固溶態預拉伸板抗疲勞性能的熱處理工藝，其特征在于:鋁合金板材包括下述組分，按重量百分比組成=Cu 3.35-3.85%, Mg1.40-1.80%, Mn 0.40-0.70%, Zr 0.08-0.16%, Ti0.03-0.07%, Be0.0003-0.0008%,Fe ≤0.15%, Si ≤ 0.05% 余量為鋁。
5.根據權利要求4所述的提高鋁合金固溶態預拉伸板抗疲勞性能的熱處理工藝，其特征在于:固溶處理工藝為:485-505°C /0.5-2小時。
6.根據權利要求4所述的提高鋁合金固溶態預拉伸板抗疲勞性能的熱處理工藝，其特征在于:預拉伸變形工藝為:固溶后室溫拉伸變形2-10%。
【文檔編號】C22F1/057GK103498119SQ201310474443
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年10月12日 優先權日:2013年10月12日
【發明者】劉志義, 應普友, 李福東, 汪嘯虎, 夏琳燕 申請人:中南大學