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稀有金属 2018,42(04),344-349 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy17020004

冷轧5A70铝合金超塑性板材热处理工艺

李升 黄重国 靳舜尧 王宝雨 刘新芹 雷鹍

北京科技大学机械工程学院

北京普惠三航科技有限公司

摘 要：

随着当代航空航天事业的飞速发展, 结构轻量化设计与先进的成形制造技术得到了广泛应用。铝合金超塑性成形是飞行器结构轻量化设计中一个重要技术支撑。本文研究变形量为93.3%的冷轧5A70铝合金超塑性板材的再结晶热处理工艺。利用光学显微镜 (optical microscope, OM) 、电子背散射衍射 (electron backscatter diffraction, EBSD) 和布氏硬度 (Brinell hardness, HBS) 等手段, 分析了不同热处理时间 (t) 、热处理温度 (T) 对板材再结晶过程的影响。结果表明, 冷轧5A70铝合金薄板在热处理时间为60 min时再结晶起始温度为240℃, 发生完全再结晶温度为260℃。板材热处理温度为340℃时, 在10 min发生完全再结晶, 随着保温时间的延长, 完全再结晶后的晶粒尺寸无明显长大现象。最终选定, 热处理温度340℃、保温时间60 min、淬火处理为该冷轧薄板的热处理制度。通过该热处理制度制备板材的平均晶粒尺寸为10μm, 超塑性能够达到309.5%。

关键词：

冷轧;5A70铝合金;热处理;超塑性成型;

中图分类号： TG166.3

作者简介：李升 (1989-) , 男, 河南信阳人, 博士研究生, 研究方向:铝合金的超塑成形/扩散连接;E-mail:lishengsir@163.com;;黄重国, 副教授;电话:13810596811;E-mail:jsy_white@163.com;

收稿日期：2017-02-06

基金：国家自然科学基金重点基金项目 (U1564202) 资助;

Heat Treatment Process of Cold Rolled 5A70 Aluminum Alloy Superplastic Sheet

Li Sheng Huang Zhongguo Jin Shunyao Wang Baoyu Liu Xinqin Lei Kun

School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing

Beijing Puhuisanhang Technology Co., Ltd.

Abstract：

With the rapid development of contemporary aerospace industry, structural lightweight design and advanced forming manufacturing technology has been widely used.The superplastic forming of aluminum alloy is an important technical support in the lightweight design of the aircraft structure.In this paper, the recrystallization heat treatment process of cold rolled 5 A70 aluminum alloy superplastic sheet with deformation of 93.3% was studied.The effects of different heat treatment time (t) and heat treatment temperature (T) on the microstructure and mechanical properties of the plate were investigated by means of optical microscope (OM) , electron backscatter diffraction (EBSD) and Brinell hardness (HBS) crystallization process.The initial recrystallization temperature of cold rolled 5 A70 aluminum alloy sheet was 240 ℃ and the complete recrystallization temperature was 260 ℃, when the heat treatment time was 60 min.While the heat treatment temperature was 340 ℃, the recrystallization occurred completely at 10 min.With the prolonging of the holding time, the grain size after recrystallization had no obvious growth.The heat treatment temperature was 340 ℃, the holding time was 60 min, and the quenching treatment was finally selected as the heat treatment system of the cold rolled sheet.The average grain size of the sheet prepared by this heat treatment system was 10 μm, and the superplasticity could reach 309.5%.

Keyword：

cold rolling; 5A70 aluminum alloy; heat treatment; superplastic forming (SPF) ;

Received： 2017-02-06

随着我国先进成形制造业的飞速发展, 超塑性成形技术在结构轻量化, 成形复杂、特殊零件和扩展装备承载能力等方面得到广泛的应用^[1,2,3,4]。铝合金因其较小的密度 (2.7 g·cm^-3) 、较高的强度、良好的抗腐蚀性能和易加工等优点备受关注。国外早在20世纪60年代就开展了铝合金超塑性成形技术的研究, 超塑性成形的铝合金结构件已在航空航天领域得到了大量应用, 例如F-15战斗机隔热板、主起落架舱门等等^[5]。国内对于铝合金超塑性研究起步较晚, 近些年来, 已经有学者围绕2A12, 5083, 7A02等高强度铝合金的超塑性展开了相关研究工作^[6,7,8,9]。但对于5A70铝合金板材的热处理研究及其超塑性报道较少。

为获得具有良好超塑性的5A70铝合金板材, 需采用轧制处理与再结晶热处理相结合方法, 最终获得细小等轴晶粒的板材以改善超塑性能。本文旨在探究轧制板材的热处理工艺, 以获得满足工业生产要求的5A70铝合金超塑性板材。

1 实验

1.1 材料

实验材料采用西南铝业 (集团) 有限公司生产的5A70铝合金2 mm薄板 (材料Ⅰ) 和5A70铝合金30 mm厚板 (材料Ⅱ) 。该牌号是在原有Al-Mg系铝合金的基础上改进而成, 化学成分见表1。

Al-Mg系铝合金是防锈铝合金, 耐腐蚀性强, 采用强酸水溶液腐蚀金相法无法准确清晰地观测到晶界, 因此, 采用电子背散射衍射方法 (EBSD) 对晶粒的尺寸进行分析^[10]。对实验用材料Ⅰ铝合金板材使用酸碱水溶液腐蚀法进行微观组织检测分析, 结果如图1所示, 晶粒等级判定为6级, 对应的平均晶粒尺寸为44.9μm。

对实验用材料Ⅱ铝合金板材采用EBSD进行微观组织检测分析。和材料Ⅰ腐蚀结果进行对比, 材料Ⅱ微观组织检测结果清晰、晶界易于观察如图2所示, 晶粒等级判定为4.5~4.0级, 平均晶粒尺寸为81.2μm。两种板材晶粒尺寸都相对较大, 必须进行晶粒细化处理获得细小晶粒组织, 从而提升现有板材超塑性以获得满足工业超塑性板材要求^[11]。

表1 5A70铝合金的化学组成Table 1 5A70 aluminum alloy chemical composition (%, mass fraction)   下载原图

表1 5A70铝合金的化学组成Table 1 5A70 aluminum alloy chemical composition (%, mass fraction)

图1 5A70铝合金材料Ⅰ微观组织结果Fig.1 Microstructure result of 5A70 aluminum alloy MaterialⅠ

图2 5A70铝合金材料ⅡEBSD结果Fig.2 EBSD result of 5A70 aluminum alloy MaterialⅡ (a) Grain structure; (b) Grain size (diameter)

1.2 方法

材料Ⅰ直接制样进行超塑性试验;材料Ⅱ进行前期轧制和热处理, 然后制样进行超塑性试验。通过超塑性结果对比分析, 验证冷轧板材再结晶热处理工艺的可行性和合理性。

材料Ⅰ进行单向超塑性拉伸实验。综合目前研究成果^{[12,13,14,15]}, 实验中应变速率取值为6) ε=1.0×10^-3s^-1, 实验温度取值为450~550℃。

材料Ⅱ进行轧制处理—再结晶热处理—超塑性实验。在MCC-SFRE设备上进行冷轧, 借助轧辊施加的压力使厚板发生塑性变形, 进行12道次轧制且每道次的压下量控制在20%~30%, 获得2 mm板材;将轧制后的板材在保温时间为60 min条件下进行了保温温度为220, 240, 260, 280, 300, 320, 340和360℃淬火热处理;在保温温度为340℃条件下进行了保温时间10, 20, 30, 40和50 min淬火热处理。研究了不同热处理温度和不同保温时间对轧制板材再结晶组织的影响。通过EBSD检测分析最终获得晶粒相对细小的2 mm薄板热处理制度。

研究材料Ⅱ轧制处理后的板材对变形组织的再结晶情况, 综合材料Ⅰ实验结果进行分析, 选定试验应变速率为6) ε=1.0×10^-3s^-1, 实验温度为490℃的条件下对材料Ⅱ制备板材进行超塑性拉伸实验。

2 结果与讨论

2.1 材料Ⅰ结果与分析

图3为材料Ⅰ在同一应变速率和不同的实验温度下板材超塑性拉伸实验结果。从图3中可以看出, 材料Ⅰ在实验温度区间延伸率数值是先增大后减小, 符合温度对超塑性影响的一般规律;在450~550℃范围内, 塑性延伸率结果为78%~92%;当实验温度为490℃时具有最大延伸率92%。这是由于材料Ⅰ的晶粒粗大, 该条件下合金不具备超塑性, 材料塑性延伸率较差, 难以满足复杂、特殊零件成形要求。

图3 应变速率为6) ε=1.0×10-3s-1, 不同试验温度下材料Ⅰ超塑性结果Fig.3Effect of different temperatures on superplastic results of MaterialⅠwith train rate6) ε=1.0×10-3s-1

据文献可知[16-19], 晶粒细化是改善超塑性的关键因素, 细晶处理方法有挤压细化、轧制细化、锻造细化、等径角挤压法等变形处理细化法, 以及物理、机械物理细化法, 化学细化法等。细化晶粒制备细晶超塑性板材从而提升现有5A70铝合金板材超塑性延伸率。

2.2 材料Ⅱ结果与分析

对冷轧后的材料Ⅱ进行再结晶热处理细化晶粒, 组织尺寸越小, 材料的超塑性越好^[20]。轧制后板材组织由于发生挤压大变形碎化, 板材内部存储了大量的残余应力和畸变能, 为后续再结晶热处理积累了能量。

2.2.1 热处理温度对再结晶过程作用

材料Ⅱ轧制后板材进行再结晶热处理, 参考相关资料^[8], 轧制变形后的板材进行热处理取保温时间为60 min, 热处理温度为220, 240, 260, 280, 300, 320, 340和360℃。在热处理完成之后的板材中心位置取样, 并取垂直于轧制方向进行EBSD检测分析, 结果如图4所示。

从图4分析可知, 当热处理温度为220~240℃时以变形组织为主, 组织发生回复。当热处理温度为260~280℃时变形组织发生大面积再结晶, 组织中出现大量等轴晶。随着再结晶热处理温度进一步提升, 在保温60 min时变形组织能够发生完全再结晶;随着热处理温度的升高, 发生完全再结晶后组织晶粒尺寸无明显变化。可知, 该变形组织发生完全再结晶的温度为260℃。

2.2.2 热处理时间对再结晶过程作用

为了研究热处理时间对冷轧板材再结晶过程的影响, 本文选取变形组织能够发生完全再结晶热处理温度340℃, 分别选取不同时间10, 20, 30, 40和50min进行淬火热处理。在热处理完成之后的板材中心位置取样, 并取垂直于轧制方向进行EBSD检测分析, 结果如图5所示。

从图5分析可知, 热处理温度为340℃, 时间为10 min时便能发生再结晶, 由于热处理时间相对较短, 再结晶组织中存在少量回复。热处理温度一定时, 随着热处理时间的增长变形组织发生完全再结晶, 而且晶粒的尺寸大小无明显变化。

图4 热处理时间为60 min, 不同保温温度下材料Ⅱ的EBSD结果Fig.4 EBSD results of MaterialⅡobtained at different temperatures with heat treatment time of 60 min

(a) 220℃; (b) 240℃; (c) 260℃; (d) 280℃; (e) 300℃; (f) 320℃; (g) 340℃; (h) 360℃

图5 热处理温度为340℃时, 不同保温时间下材料Ⅱ的EBSD结果Fig.5 EBSD results of MaterialⅡobtained at different time with heat treatment temperature of 340℃

(a) 10 min; (b) 20 min; (c) 30 min; (d) 40 min; (e) 50 min

从上述再结晶温度和时间结果表明:当选定再结晶温度340℃高于再结晶起始温度240℃时, 10~20 min就能够发生完全再结晶。

2.2.3 再结晶板材超塑性实验

通过上述分析, 为了获得各向异性差异较小, 内部应力、畸变能得到完全释放的细小晶粒。最终选定热处理温度为340℃, 保温60 min, 淬火处理为该冷轧工艺下板材热处理制度。经EBSD检测该条件下的晶粒大小平均值为10μm, 如图4 (g) 所示, 晶粒尺寸分布如图6所示。

制备超塑性拉伸试样, 在应变速率为6) ε=1.0×10^-3s^-1, 温度为490℃下进行超塑性试验。材料Ⅱ制备板材能够获得最大延伸率309.5%, 如下图7所示。

综合上述5A70铝合金材料Ⅰ和材料Ⅱ实验结果对比分析, 经过冷轧并结合相应的再结晶热处理工艺制度, 组织晶粒得到细化, 板材的超塑性能同时得到改善。超塑性延伸率从材料Ⅰ仅为92%提高到材料Ⅱ制备板材的309.5%。超塑性能得到了较大的提升。

图6 热处理温度为340℃, 保温时间为60 min下EBSD结果Fig.6 EBSD result with heat treatment temperature of 340℃and holding time of 60 min

图7 材料Ⅱ制备板材超塑性拉伸实验结果Fig.7 Results of superplastic tensile test of sheet made by Ma-terialⅡ

3 结论

通过对5A70铝合金厚板进行轧制及再结晶热处理, 研究了超塑性板材的细晶化热处理工艺, 最终获得如下的结论:

1.采用冷轧工艺制备5A70铝合金2 mm薄板, 240℃时开始发生再结晶且有少量变形组织, 260℃时再结晶形成大面积等轴晶粒, 300℃时变形组织消失, 发生完全再结晶。

2.轧制后板材再结晶热处理温度为340℃时, 保温时间为10 min时能够发生完全再结晶;且随着时间的延长从10~60 min, 晶粒度等级没有发生改变。

3.30 mm厚5A70铝合金板材冷轧处理后的热处理制度:保温温度为340℃、保温时间为60 min、沾火处理。

4.冷轧后板材进行淬火热处理, 晶粒从81.2μm细化至10μm;板材的超塑性能从原来的92%提高到309.5%。

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