[发明专利]一种基于超高强高韧铝合金板材的热机械处理工艺

说明书

技术领域

本发明属于铝合金材料加工技术领域，特别涉及一种用于制备具有大量亚结构的细晶组织并能提高Al-Zn-Mg-Cu铝合金板材力学性能的热机械处理工艺。

背景技术

晶粒细化是提高结构材料力学性能的有效手段，细晶材料在一定温度下具有成形性和超塑性变形能力。沉淀强化型铝合金常受到应力腐蚀开裂的困扰，晶粒细化能够降低沉淀强化型铝合金的应力腐蚀敏感性。由于铝合金的层错能高，铝合金很难通过传统的机械加工和再结晶获得细晶结构。

Waldman和Sulinski发表美国专利3847681最先提出中间热机械处理(ITMT)细化Al-Zn-Mg-Cu铝合金。该工艺特点固溶处理获得含铬粒子的过饱和固溶体，通过过时效获得Zn、Mg和Cu的粗大化合物，在低于过时效温度温变形获得应变能，最后再结晶处理利用颗粒激发形核细化晶粒结构。随后有大量的工作研究ITMT工艺，将该工艺应用到多方向变形细化铝合金和制备超塑性铝合金，并获得多项专利：如美国专利4092181(1978)，4222797(1980)，4295901(1981)，4358324(1982)，4486242(1984)，4490188(1984)，4528042(1985)，4721537(1988)，4799974(1989)，6350329(2002)。ITMT工艺的设计理念是在加工变形(最小变形量40％)前进行过时效处理，获得粗大沉淀相颗粒(0.5~1μm)，在再结晶处理过程中，利用颗粒激发形核增加形核质点促进晶粒组织细化。但该工艺在每段热处理过程均需几小时到几十小时的保温过程，耗费能量大，生产周期长。因此开发一种操作简单，无需长时间热处理，并能在工业生产中实现的热机械处理工艺非常重要。

发明内容

本发明提供一种可细化Al-Zn-Mg-Cu铝合金板材的热机械处理工艺。此工艺利用中温变形将纳米级沉淀相和应变能引进铝合金中，在随后高温和累积变形的双重作用下，利用小沉淀相对位错和晶界的钉扎作用，促进铝合金晶粒细化和形成大量亚结构，可以在相对较小的应变量下获得细晶的铝合金板材。本发明工艺简单、耗时短、不需要大的累积应变量，能提高铝合金的强度和塑性，可广泛应用于细化沉淀强化型铝合金板材。

实现本发明的具体方法：如图1所示：热变形工艺步骤是将Al-Zn-Mg-Cu铝合金加热到单相固溶区470~490℃之间某一温度T₁，保温2~24小时的时间t₁，室温水淬。以适当的加热速率C将铝合金加热到200~350℃之间的某个温度T₂，保温t₂根据板材厚度而定，在2~40min范围，使合金充分加热后进行变形，应变量ε₁在0.4~0.916范围内，变形后再以适当的加热速率C将合金加热到380~450℃范围内的某一温度T₃保温时间t₃（10s~20min）后变形，累积应变量ε₂达到1.4以上，立即室温水淬。

所述加热速率C要根据加热方式的不同而确定在0.16~2℃/s之间。

所述保温时间t₃由变形弛豫实验获得。

根据上述热变形工艺处理后，合金基体中存在一定量的沉淀相(20~400nm)，随后可将变形合金在470~480℃之间保温0.5~2小时固溶沉淀相，再进行时效处理，得到细晶组织的铝合金的抗拉强度可达613MPa以上，屈服强度可达540MPa，室温断裂延伸率可到15.9％。

通过上述变形工艺，在固溶态铝合金中，通过温变形诱导球化沉淀颗粒，利用弥散分布的球形小沉淀相MgZn₂(20~200nm)在随后高温变形中阻碍位错和晶界的迁移，获得小角度晶界体积分数83.8％的变形组织。提高铝合金变形组织中小角度晶界分数，能显著提高铝合金的延伸率；细化铝合金的晶粒组织，则能提高铝合金的强度和延伸率。