技术领域
[0001] 本
发明涉及有色金属材料处理技术领域，具体涉及一种
铝合金板材的制备工艺。
背景技术
[0002] 高强高韧的铝合金板材在航空工业、军事工业、民用工业等领域的应用非常广泛。特别是在航空工业中，航空整体结构件通常采用高强度铝合金厚板直接
铣削加工而成。为了获得高性能的铝合金板材，必须将锭坯经过
轧制、淬火、预拉伸等工序，在这一系列的工序中铝合金板材都会存在相应的残余应
力，残余
应力引起的加工
变形问题是航空自动化制造领域的
瓶颈问题，严重制约着新型飞机的研制和生产。
[0003] 随着国家“大飞机"项目的启动，对大断面、高
质量的铝合金宽厚板的需求变得日益迫切。高性能铝合金宽厚板材在大型飞机的
机身、机翼等结构件的制造中占有相当大的比重。为了降低铝合金厚板残余应力，就必须采用大型
张力拉伸机对其进行拉伸处理，万吨级大型张力拉伸机是生产高性能航空级铝合金厚板产品的关键设备。这种级别的大型张力拉伸机不仅技术指标高、价格昂贵而且属敏感产品，投资巨大且难以引进，我国目前的大型铝合金加工厂只有极少数装备用于生产高性能铝合金厚板的万吨级大型张力拉伸机。
现有技术生产的铝合金板材在铝合金板材厚度为80 200mm时，淬火残余应力消除效果不佳；当~厚度超过200mm时铝合金板材超厚板的拉伸机拉力不够，不能有效减弱淬火残余应力，因此现有技术生产的铝合金超厚板淬火残余应力大、机加工易变形。
发明内容
[0004] 针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种有效减少淬火残余应力，后续机加工不易变形的一种铝合金板材的制备工艺。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种铝合金板材的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
[0006] （1）均匀化：将纯铝锭及中间金属熔炼，进行除气除渣工序降低铝熔体中的氢渣浓度，再经过过滤工序去除铝熔体中的
氧化物和非金属夹杂物，
铸造出铝
合金锭坯并进行均匀化, 所述中间金属包括锌锭、镁锭、
电解铜、Al-Zr、Al-Ti，铸造出的铝合金锭坯各组分的质量百分比组成为：Zn 4.5%～9.5%，Mg 1.0%～2.8%，Cu 0～2.5%，Zr 0.05%～0.25%，余量为Al；
[0007] （2）机加工：将均匀化后的铝合金锭坯切头尾，锯切成400～600mm厚，1500～2000mm宽的
热轧坯料；
[0008] （3）预热：将步骤（2）的热轧坯料在350～450℃下加热4～20小时；
[0009] （4）热轧：预热完成后，将热轧坯料轧制成厚度为80～300mm的板材；
[0010] （5）拉伸：将步骤（4）中的板材转至拉伸机拉伸，拉伸量为0.5%～1.5%；
[0011] （6）固溶淬火：将步骤（5）中的板材投入辊底炉内，保温
温度450～490℃，保温时间500～900min，随后进行三级淬火,第一级淬火:将固溶温度从450℃-490℃冷却至430℃-
440℃，淬火
水压为1.2～2.4 bar，冷却速率5～20℃/s；第二级淬火：将第一级淬火结束的铝合金板材料冷却至220℃-240℃，淬火水压为3.0～5.0bar，冷却速率30～50℃/s；第三级淬火：将第二级淬火结束的铝合金板材料冷却至35℃-45℃，淬火水压0.5～2.0 bar，冷却速率5～15℃/s；
[0012] （7）拉伸：将三级淬火结束后的板材转至拉伸机拉伸，总拉伸量为2%～3%，先进行预拉伸，预拉至0～0.2%，再依次进行第一步拉伸至第四步拉伸，第一步拉伸至0.2～1.0%，第二步拉伸至1.0～1.5%，第三步拉伸至1.5～2.0%，第四步拉伸至2.0～3.0%，拉伸速率1～4mm/min；
[0013] （8）时效处理：将拉伸结束后的板材在第一级80～120℃进行2～12h的时效处理，之后在第二级150～170℃进行4～24h的时效处理；
[0014] （9）固溶淬火：将步骤（8）中的板材投入辊底炉内，保温温度450～490℃，保温时间300～1200min，随后进行三级淬火；
[0015] （10）拉伸：将三级淬火结束后的板材转至拉伸机拉伸，总拉伸量为2%～3%，先进行预拉伸，预拉至0～0.2%，再依次进行第一步拉伸至第四步拉伸，第一步拉伸至0.2～1.0%，第二步拉伸至1.0～1.5%，第三步拉伸至1.5～2.0%，第四步拉伸至2.0～3.0%，拉伸速率1～4mm/min；
[0016] （11）时效处理：将板材在第一级80～120℃进行2～12h的时效处理，之后在第二级150～170℃进行4～24h的时效处理，时效处理结束后将板材转至保
温室，并确保板材的降温速率为2～10℃/h，当板材降至室温时即得到所述铝合金板材。
[0017] 优选地，所述铝合金板材料是Al-Zn-Mg-(Cu)-Zr铝合金，所述铝合金各组分的质量百分比组成为：Zn 5.5%～9.5%，Mg 2.0%～2.8%，Cu 1.0～2.5%，Zr 0.10%～0.25%，余量为Al。
[0018] 优选地，所述低残余应力铝合金板材的厚度为80～200mm。
[0019] 优选地，所述第一级淬火的淬火水温为15～25℃、淬火速度为2.5～4m/min、淬火喷头高度为160～200mm；第二级淬火的淬火水温为15～25℃、淬火速度为1.5～2.5m/min、淬火喷头高度为100～140mm；第三级淬火的淬火水温为15～25℃、淬火速度为3～5m/min、淬火喷头高度为160～200mm。
[0020] 优选地，所述步骤（9）中将铝合金板材料在固溶温度保温后，进行三级淬火：
[0021] 第一级淬火：将固溶温度从470℃冷却至435℃，淬火水压为2.0～2.4 bar，冷却速率10～20℃/s；
[0022] 第二级淬火：将第一级淬火结束的铝合金板材料冷却至230℃，淬火水压为4.0～5.0bar，冷却速率35～50℃/s；
[0023] 第三级淬火：将第二级淬火结束的铝合金板材料冷却至40℃，淬火水压1.0～2.0 bar，冷却速率10～15℃/s。
[0024] 优选地，所述步骤（3）中的热轧坯料在400～450℃下加热10～20小时。
[0025] 优选地，所述步骤（5）中的板材的拉伸量为0.8%～1.5%。
[0026] 优选地，所述步骤（7）中的拉伸的总拉伸量为2.5%，拉伸速率为1.5mm/min。
[0027] 优选地，所述步骤（8）的时效处理的第一级时效处理的时间为6h，第二级时效处理的时间为12h。
[0028] 优选地，所述步骤（11）的时效处理需确保板材的降温速率为6℃/h。
[0029] 本发明一种铝合金板材的制备工艺，通过除气除渣工序降低铝熔体中的氢渣浓度，以减少
铸锭中的气孔或针孔，通过过滤工序去除铝熔体中的氧化物和非金属夹杂物，以减少铸锭中的疏松、气孔、夹渣等
缺陷，由此可以改善铸造出的铝合金锭坯的质量，从而减少后续制备工艺中淬火过程中铝合金板材料产生的残余应力；将铝合金板材料在固溶温度保温后，进行三级淬火：第一级淬火用低压淬火，第二级淬火用高压淬火，第三级淬火用低压淬火，根据淬火冷却规律对淬火的淬火压力、冷却速率、冷却温度进行分段精确控制，以实现铝合金板材料淬火后心层淬透的同时将淬火残余
应力降至最低；一种低残余应力铝合金板材的制备工艺中步骤（5）、步骤（7）、步骤（10）的拉伸的总拉伸率都不大于3%，且分步拉伸，使得拉伸得到的铝合金板材料的强度高、韧性好且耐
腐蚀，同时可有效减少淬火过程中铝合金板材料产生的残余应力。
具体实施方式
[0030] 下面的
实施例可以帮助本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不可以以任何方式限制本发明。
[0031] 实施例1
[0032] 一种铝合金板材的制备工艺，包括以下步骤：
[0033] （1）均匀化：将质量百分比组成为：Zn 4.5%～8.5%，Mg 1.0%～2.6%，Cu 0.0～2.0%，Zr 0.05%～0.20%，余量为Al的铝合金板材料熔炼，进行除气除渣工序降低铝熔体中的氢渣浓度，再经过过滤工序去除铝熔体中的氧化物和非金属夹杂物，铸造出铝合金锭坯并进行均匀化；
[0034] （2）机加工：将均匀化后的铝合金锭坯切头尾，锯切成400mm厚，1500mm宽的热轧坯料；
[0035] （3）预热：将步骤（2）的热轧坯料在350℃下加热4小时；
[0036] （4）热轧：预热完成后，将热轧坯料轧制成厚度为80mm的板材；
[0037] （5）拉伸：将步骤（4）中的板材转至拉伸机拉伸，拉伸量为0.5%；
[0038] （6）固溶淬火：将步骤（5）中的板材投入辊底炉内，保温温度450℃，保温时间500min，随后进行三级淬火，第一级淬火：将固溶温度从450℃冷却至430℃，淬火水温为15℃、淬火速度为2.5m/min、淬火喷头高度为160mm，淬火水压为1.2bar，冷却速率5℃/s；第二级淬火：将第一级淬火结束的铝合金板材料冷却至220℃，淬火水温为15℃、淬火速度为
1.5m/min、淬火喷头高度为100mm，淬火水压为3.0bar，冷却速率30℃/s；第三级淬火：将第二级淬火结束的铝合金板材料冷却至35℃，淬火水温为15℃、淬火速度为3m/min、淬火喷头高度为160mm，淬火水压0.5bar，冷却速率5℃/s。
[0039] （7）拉伸：将三级淬火结束后的板材转至拉伸机拉伸，总拉伸量为2%，先进行预拉伸，预拉伸量为0%，再依次进行第一步拉伸至第四步拉伸，第一步拉伸至0.2%，第二步拉伸至1.0%，第三步拉伸至1.5%，第四步拉伸至2.0%，拉伸速率1mm/min；
[0040] （8）时效处理：将拉伸结束后的板材在第一级80℃进行2h的时效处理，之后在第二级150℃进行4h的时效处理；
[0041] （9）重复步骤（6）和步骤（7）；
[0042] （10）时效处理：将板材在第一级80℃进行2h的时效处理，之后在第二级150℃进行4h的时效处理，时效处理结束后将板材转至保温室，并确保板材的降温速率为2℃/h，当板材降至室温时即得到所述铝合金板材。
[0043] 实施例2
[0044] 一种铝合金板材的制备工艺，包括以下步骤：
[0045] （1）均匀化：将质量百分比组成为：Zn 7.5%～9.5%，Mg 1.5%～2.8%，Cu 0.05～2.5%，Zr 0.05%～0.25%，余量为Al的铝合金板材料熔炼，进行除气除渣工序降低铝熔体中的氢渣浓度，再经过过滤工序去除铝熔体中的氧化物和非金属夹杂物，铸造出铝合金锭坯并进行均匀化；
[0046] （2）机加工：将均匀化后的铝合金锭坯切头尾，锯切成600mm厚，2000mm宽的热轧坯料；
[0047] （3）预热：将步骤（2）的热轧坯料在450℃下加热20小时；
[0048] （4）热轧：预热完成后，将热轧坯料轧制成厚度为300mm的板材；
[0049] （5）拉伸：将步骤（4）中的板材转至拉伸机拉伸，拉伸量为1.5%；
[0050] （6）固溶淬火：将步骤（5）中的板材投入辊底炉内，保温温度490℃，保温时间900min，随后进行三级淬火，第一级淬火：将固溶温度从490℃冷却至440℃，淬火水温为25℃、淬火速度为4m/min、淬火喷头高度为200mm，淬火水压为2.4 bar，冷却速率20℃/s；第二级淬火：将第一级淬火结束的铝合金板材料冷却至240℃，淬火水温为25℃、淬火速度为
2.5m/min、淬火喷头高度为140mm，淬火水压为5.0bar，冷却速率50℃/s；第三级淬火：将第二级淬火结束的铝合金板材料冷却至45℃，淬火水温为25℃、淬火速度为5m/min、淬火喷头高度为200mm，淬火水压2.0 bar，冷却速率15℃/s。
[0051] （7）拉伸：将三级淬火结束后的板材转至拉伸机拉伸，总拉伸量为3%，先进行预拉伸，预拉伸量为0.2%，再依次进行第一步拉伸至第四步拉伸，第一步拉伸至1.0%，第二步拉伸至1.5%，第三步拉伸至2.0%，第四步拉伸至3.0%，拉伸速率4mm/min；
[0052] （8）时效处理：将拉伸结束后的板材在第一级120℃进行12h的时效处理，之后在第二级170℃进行24h的时效处理；
[0053] （9）重复步骤（6）和步骤（7）；
[0054] （10）时效处理：将板材在第一级120℃进行12h的时效处理，之后在第二级170℃进行24h的时效处理，时效处理结束后将板材转至保温室，并确保板材的降温速率为10℃/h，当板材降至室温时即得到所述铝合金板材。
[0055] 实施例3
[0056] 一种铝合金板材的制备工艺，包括以下步骤：
[0057] （1）均匀化：将质量百分比组成为：Zn 5.5%～9.5%，Mg 2.0%～2.8%，Cu 1.0～2.5%，Zr 0.10%～0.25%，余量为Al的铝合金板材料熔炼，进行除气除渣工序降低铝熔体中的氢渣浓度，再经过过滤工序去除铝熔体中的氧化物和非金属夹杂物，铸造出铝合金锭坯并进行均匀化；
[0058] （2）机加工：将均匀化后的铝合金锭坯切头尾，锯切成500mm厚，1700mm宽的热轧坯料；
[0059] （3）预热：将步骤（2）的热轧坯料在400℃下加热10小时；
[0060] （4）热轧：预热完成后，将热轧坯料轧制成厚度为200mm的板材；
[0061] （5）拉伸：将步骤（4）中的板材转至拉伸机拉伸，拉伸量为1.0%；
[0062] （6）固溶淬火：将步骤（5）中的板材投入辊底炉内，保温温度470℃，保温时间700min，随后进行三级淬火，第一级淬火：将固溶温度从470℃冷却至435℃，淬火水温为20℃、淬火速度为3m/min、淬火喷头高度为180mm，淬火水压为2.0bar，冷却速率10℃/s；第二级淬火：将第一级淬火结束的铝合金板材料冷却至230℃，淬火水温为20℃、淬火速度为
2.0m/min、淬火喷头高度为120mm，淬火水压为4.0bar，冷却速率35℃/s；第三级淬火：将第二级淬火结束的铝合金板材料冷却至40℃，淬火水温为20℃、淬火速度为4m/min、淬火喷头高度为180mm，淬火水压1.0bar，冷却速率10℃/s。
[0063] （7）拉伸：将三级淬火结束后的板材转至拉伸机拉伸，总拉伸量为2.5%，先进行预拉伸，预拉伸量为0.1%，再依次进行第一步拉伸至第四步拉伸，第一步拉伸至0.5%，第二步拉伸至1.2%，第三步拉伸至1.8%，第四步拉伸至2.5%，拉伸速率1.5mm/min；
[0064] （8）时效处理：将拉伸结束后的板材在第一级100℃进行6h的时效处理，之后在第二级160℃进行12h的时效处理；
[0065] （9）重复步骤（6）和步骤（7）；
[0066] （10）时效处理：将板材在第一级100℃进行6h的时效处理，之后在第二级160℃进行12h的时效处理，时效处理结束后将板材转至保温室，并确保板材的降温速率为6℃/h，当板材降至室温时即得到所述铝合金板材。
[0067] 实施例4
[0068] 与实施例3相比，实施例4一种铝合金板材的制备工艺的步骤（4）是将热轧坯料轧制成厚度为80mm的板材，其余制备铝合金板材的步骤均与实施例3相同。
[0069] 实施例5 制备厚度为160mm宽度为1800mm，长度为6000mm的7050超厚板[0070] 一种铝合金板材的制备工艺，包括以下步骤：
[0071] （1）熔炼质量百分比组成为：Zn 5.7%～6.7%，Mg1.9%～2.6%，Cu 2.0～2.6%，Zr 0.08%～0.15%，余量为Al的铝合金板材料，经除气、过滤后，进行半连续铸造，铸出厚度为
520mm的扁锭。
[0072] （2）将扁锭切头尾和去皮，经过预热、轧制工序后，制备出厚度为160mm的厚板。
[0073] （3）将热轧转至拉伸机拉伸，拉伸量为0.8%。
[0074] （4）将板材在470℃固溶600min后进行进行分级淬火，第一级淬火工艺：淬火水压上下均为2.0 bar、淬火水温为20℃、淬火速度为3m/min、淬火喷头高度为180mm；第二级淬火工艺：淬火水压上下均为4.0bar、淬火水温为20℃、淬火速度为2m/min、淬火喷头高度为120mm；第三级淬火工艺：淬火水压上下为1.0 bar、淬火水温为20℃、淬火速度为4m/min、淬火喷头高度为180mm。
[0075] （5）固溶淬火后，直接将板材转至拉伸机拉伸，总拉伸量为2.5%，预拉伸0.2%+第一步拉至1.0%+第二步拉至1.5%+第三步拉至2.0%+第四步拉至2.5%，拉伸速率1.5mm/min。
[0076] （6）经110℃/6h+160℃/12h时效。
[0077] （7）重复（4）（5）步骤。
[0078] （8）经110℃/6h+160℃/12h时效后进入保温室，板材的降温速率为5℃/h，即得板材。
[0079] 实施例6 制备厚度为250mm，宽度为1800mm，长度为6000mm的7050超厚板[0080] 一种铝合金板材的制备工艺，包括以下步骤：
[0081] （1）熔炼质量百分比组成为：Zn 5.7%～6.7%，Mg1.9%～2.6%，Cu 2.0～2.6%，Zr 0.08%～0.15%，余量为Al的铝合金板材料，经除气、过滤后，进行半连续铸造，铸出厚度为
520mm的扁锭。
[0082] （2）将扁锭切头尾和去皮，经过预热、轧制工序后，制备出厚度为250mm的厚板。
[0083] （3）将热轧转至拉伸机拉伸，拉伸量为0.8%。
[0084] （4）将板材在470℃固溶800min后进行进行分级淬火，第一级淬火工艺：淬火水压上下均为2.2 bar、淬火水温为20℃、淬火速度为3m/min、淬火喷头高度为170mm；第二级淬火工艺：淬火水压上下均为4.5bar、淬火水温为20℃、淬火速度为2m/min、淬火喷头高度为110mm；第三级淬火工艺：淬火水压上下为1.2 bar、淬火水温为20℃、淬火速度为4m/min、淬火喷头高度为170mm。
[0085] （5）固溶淬火后，直接将板材转至拉伸机拉伸，总拉伸量为1.5%，预拉伸0.2%+第一步拉至0.8%+第二步拉至1.2%+第三步拉至1.5%，拉伸速率1.5mm/min。
[0086] （6）经110℃/6h+160℃/12h时效。
[0087] （7）重复（4）（5）步骤。
[0088] （8）经110℃/6h+160℃/12h时效后进入保温室，板材的降温速率为5℃/h，即得板材。
[0089] 对比例1 制备厚度为160mm，宽度为1800mm，长度为6000mm的7050超厚板[0090] 一种铝合金板材的制备工艺，包括以下步骤：
[0091] （1）熔炼质量百分比组成为：Zn 5.7%～6.7%，Mg1.9%～2.6%，Cu 2.0～2.6%，Zr 0.08%～0.15%，余量为Al的铝合金板材料，经除气、过滤后，进行半连续铸造，铸出厚度为
520mm的扁锭。
[0092] （2）将扁锭切头尾和去皮，经过预热、轧制工序后，制备出厚度为160mm的厚板。
[0093] （3）将板材在470℃固溶600min后进行进行单级淬火，淬火工艺：淬火水压上下均为4.0bar、淬火水温为20℃、淬火速度为2m/min、淬火喷头高度为120mm。
[0094] （4）淬火后进行变形量为2.5%的单步拉伸，拉伸速率1.5mm/min。
[0095] （5）拉伸后经110℃/6h+160℃/12h时效后自然冷却，即得板材。
[0096] 对比例2 制备厚度为250mm，宽度为1800mm，长度为6000mm的7050超厚板[0097] 一种铝合金板材的制备工艺，包括以下步骤：
[0098] （1）熔炼质量百分比组成为：Zn 5.7%～6.7%，Mg1.9%～2.6%，Cu 2.0～2.6%，Zr 0.08%～0.15%，余量为Al的铝合金板材料，经除气、过滤后，进行半连续铸造，铸出厚度为
520mm的扁锭。
[0099] （2）将扁锭切头尾和去皮，经过预热、轧制工序后，制备出厚度为250mm的厚板。
[0100] （3）将板材在470℃固溶800min后进行进行单级淬火，淬火工艺：淬火水压上下均为4.5bar、淬火水温为20℃、淬火速度为2m/min、淬火喷头高度为110mm。
[0101] （4）淬火后进行变形量为1.5%的单步拉伸，拉伸速率1.5mm/min。
[0102] （5）拉伸后经110℃/6h+160℃/12h时效后自然冷却，即得板材。
[0103] 检测实施例1-6和对比例1-2的制备得到的板材的残余应力状况，测试结果如表1。
[0104] 表1
[0105]组号 淬火态应力/MPa 淬火残余应力/MPa 残余应力消除效果/%
实施例1 -245.3 -11.5 95.3
实施例2 -298.5 -49.6 83.4
实施例3 -267.6 -41.2 84.6
实施例4 -243.8 -10.7 95.6
实施例5 -256.4 -15.9 94.1
实施例6 -280.8 -42.1 85.0
对比例1 -256.4 -66.2 75.1
对比例2 -280.8 -225.6 19.7
[0106] 由上述测试结果可知，本发明一种铝合金板材的制备工艺可有效减少淬火过程中铝合金板材料产生的残余应力，使得到的铝合金板材强度高、韧性好且耐腐蚀，同时在后续机加工不易变形。
[0107] 虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明
基础上，可以对之作一些
修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
