一种复杂异形铝合金铸件的热等静压方法

技术领域

本发明涉及铝合金热处理技术领域，尤其是涉及一种复杂异形铝合金铸件的热等静压方法。

背景技术

随着熔模铸造技术的发展，航空航天领域越来越多的大型、复杂、薄壁、整体化的零件采用该技术进行制备，例如，铝合金导轨梁、铝合金仪表骨架、铝合金整体舱门、铝合金复杂壳体等。对于铝合金铸件，特别是大型复杂异形铝合金铸件，例如，我国航空发动机铝合金某梁铸件，整体呈扭曲结构，长度1400mm，最大壁厚48mm，最小壁厚3mm，铸件尺寸要求苛刻；此类铝合金铸件往往带有大截面的薄板状结构，补缩通道非常狭窄，不利于实现顺序，凝固补缩困难；此外铸件尺寸很大，往往有大量安装结构和减重要求，使得铸件壁厚极不均匀，且零件结构存在厚薄断面过渡急剧、凹凸过渡突然等现象，铸件存在较多的局部热节，容易形成疏松和裂纹缺陷；严重制约着铸件制备的合格率和后期的服役可靠性。

热等静压技术起源于上世纪50年代，是利用高温高压同时作用使物料经受三向等静压制的工艺技术，具有独特的优点，可以实现复杂形状的粉末冶金产品的全致密化成型，及生产一些传统方法难以制备成型的制品，广泛应用于各种金属、陶瓷、金属陶瓷、金属-纤维复合材料制备，以及固态粘结和钛合金、铝合金和高温合金等铸造产品内部冶金缺陷的消除，使合金的循环疲劳寿命、持久强度、塑性和性能稳定性等方面得到提高。

公开号为CN106216937A的专利公开了采用热等静压的方法有效消除了铸件的缺陷，提高铸件的致密化和机械性能；公开号为CN111534768A的专利公开了将含Cu铸造Al-Si-Mg铝合金铸件浇注完成后进行热等静压处理，可有效提高铸件的致密性和力学性能。上述专利中主要考虑的是热等静压对于铸件缺陷修复、组织调控及力学性能提升等方面，但未考虑热等静压过程对铸件尺寸变形的影响。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种复杂异形铝合金铸件的热等静压方法，该方法在保证冶金缺陷有效修复的同时，可有效减少复杂异形铝合金铸件在热等静压处理过程中的变形。

本发明的第二目的在于提供一种复杂异形铝合金铸件的铸造方法，包括如上所述的复杂异形铝合金铸件的热等静压方法。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

本发明提供了一种复杂异形铝合金铸件的热等静压方法，包括如下步骤：

将复杂异形铝合金铸件在340~360℃进行退火处理，然后在＜530℃的温度下进行热等静压处理。

进一步地，所述退火处理包括：在340~360℃保温处理160~200min，空冷；

和/或，所述退火处理包括采用工装对所述复杂异形铝合金铸件进行约束。

进一步地，所述热等静压处理包括：

（a）升温至330~370℃保温处理15~45min；

（b）再升温至460~500℃保温处理15~45min；

（c）再升温至505~535℃保温处理100~150min；

（d）再降温至200℃以下，空冷。

进一步地，所述热等静压处理包括：

（a）升温至340~360℃保温处理25~35min；

（b）再升温至470~490℃保温处理25~35min；

（c）再升温至515~525℃保温处理115~125min；

（d）再降温至200℃以下，空冷。

进一步地，步骤（a）中，所述升温的速率≤5℃/min；

和/或，步骤（b）中，所述升温的速率≤5℃/min。

进一步地，步骤（c）中，所述升温的速率≤2℃/min；

和/或，步骤（d）中，所述降温的速率≤2℃/min。

进一步地，所述热等静压处理的压力为115~130MPa。

进一步地，所述复杂异形铝合金铸件的材质包括ZL116合金、ZL101合金、ZL105合金、ZL105A合金、ZL114A合金、ZL201合金、ZL201A合金、ZL205A合金和ZL208合金中的一种或多种。

进一步地，所述复杂异形铝合金铸件的制备包括：铝合金经真空熔炼、浇注、精整后得到所述复杂异形铝合金铸件。

本发明还提供了一种复杂异形铝合金铸件的铸造方法，包括如上所述的复杂异形铝合金铸件的热等静压方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的复杂异形铝合金铸件的热等静压方法，通过在热等静压处理前增加退火处理的步骤，可有效消除铸件的残余应力，减少铸件在后续热等静压处理过程中的变形；通过采用≤5℃/min的升温速率以及三阶段升温过程的热等静压处理，可有效降低热等静压处理过程中铸件的厚壁部分的表面和芯部的温度差异，从而降低应力差，减少变形。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中的铸件1#的射线底片图。

图2为本发明实施例1中的铸件3#的射线底片图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本发明实施例的一种复杂异形铝合金铸件的热等静压方法进行具体说明。

在本发明的一些实施方式中提供了一种复杂异形铝合金铸件的热等静压方法，包括如下步骤：

将复杂异形铝合金铸件在340~360℃进行退火处理，然后在＜530℃的温度下进行热等静压处理。

铝合金铸件在铸造的过程中难免会产生气孔、缩孔、缩松、夹杂、裂纹和表面缺陷等铸造缺陷，这些铸造缺陷可造成材料强度和疲劳性能的下降，在应力作用下容易在局部产生应力集中，将成为材料断裂的裂纹源，降低材料的力学性能，严重制约着铝合金铸件的服役和应用。

热等静压技术是利用高温高压同时作用使物料经受三向等静压制的工艺技术，铸件在热等静压加热升温过程中表面升温快，心部升温慢，表面和心部存在温差即存在热应力。特别是对于大型复杂异形铝合金铸件，此类铸件尺寸较大、铸件壁厚不均匀且相差较大，铸件的壁厚越大，温差就越大，所产生的热应力也就越大，极易产生变形问题。而且受限于热等静压设备内部空间限制，很难通过工装来控制变形问题，同时放置热等静压工装也不利于热等静压成本的控制。

本发明通过在热等静压处理前增加退火处理，可减少铸件在热等静压过程的变形。

在本发明的一些实施方式中，退火处理包括：在340~360℃保温处理160~200min，空冷；典型但非限制性的，例如，退火处理的温度为340℃、342℃、344℃、346℃、348℃、350℃、352℃、354℃、356℃、358℃或者360℃等等；退火处理的时间为160min、170min、180min、190min或者200min等等。

在本发明的一些实施方式中，退火处理包括采用工装对复杂异形铝合金铸件进行约束。

退火处理过程中，退火炉中可以放置工装进行约束，使铸件在约束条件下释放应力，减少铸件在热等静压过程的变形。退火处理过程中，铸件的屈服强度会随着去应力退火加热温度的升高而降低，当残余应力超过该温度下的铸件的屈服强度时，铸件会发生塑性变形，使得残余应力发生缓和，即残余应力消除。

在本发明的一些实施方式中，热等静压处理包括：

（a）升温至330~370℃保温处理15~45min；

（b）再升温至460~500℃保温处理15~45min；

（c）再升温至505~535℃保温处理100~150min；

（d）再降温至200℃以下，空冷。

为了达到更好的效果，对热等静压处理的过程进一步优化，热等静压处理包括：

（a）升温至340~360℃保温处理25~35min；

（b）再升温至470~490℃保温处理25~35min；

（c）再升温至515~525℃保温处理115~125min；

（d）再降温至200℃以下，空冷。

如在不同实施方式中，热等静压处理中，各步骤参数可分别如下，但不局限于此：

步骤（a）中，保温处理的温度可以为340℃、342℃、344℃、346℃、348℃、350℃、352℃、354℃、356℃、358℃或者360℃等等；保温处理的时间为25min、26min、27min、28min、29min、30min、31min、32min、33min、34min或者35min等等；

步骤（b）中，保温处理的温度可以为470℃、472℃、474℃、476℃、478℃、480℃、482℃、484℃、486℃、488℃或者490℃等等；保温处理的时间为25min、26min、27min、28min、29min、30min、31min、32min、33min、34min或者35min等等；

步骤（c）中，保温处理的温度可以为515℃、516℃、517℃、518℃、519℃、520℃、521℃、522℃、523℃、524℃或者525℃等等；保温处理的时间为115min、116min、117min、118min、119min、120min、121min、122min、123min、124min或者125min等等。

在本发明的一些具体的实施方式中，步骤（d）中，再降温至＜150℃，空冷。

在本发明的一些实施方式中，步骤（a）中，升温的速率≤5℃/min；典型但非限制性的，例如，升温的速率为1℃/min、2℃/min、3℃/min、4℃/min或者5℃/min等等。

在本发明的一些实施方式中，步骤（b）中，升温的速率≤5℃/min；典型但非限制性的，例如，升温的速率为1℃/min、2℃/min、3℃/min、4℃/min或者5℃/min等等。

在本发明的一些实施方式中，步骤（c）中，升温的速率≤2℃/min；典型但非限制性的，例如，升温的速率为0.5℃/min、1℃/min、1.5℃/min或者2℃/min等等。

在本发明的一些实施方式中，步骤（d）中，降温的速率≤2℃/min；典型但非限制性的，例如，降温的速率为0.5℃/min、1℃/min、1.5℃/min或者2℃/min等等。

当铝合金铸件的壁厚由5mm增加至50mm时升温速度降低10倍，因此，在热等静压处理过程中铸件厚壁部分的表面和芯部份或者不同厚度的部分之间温度差异大，会导致铸件组织差异大、铸件变形。

本发明的热等静压处理过程中，通过采用升温速率≤5℃/min的三阶段升温过程，可保证大型复杂异形铝合金铸件的厚大区域的表面和心部尽量温度均匀，从而有效降低了由于温度不均带来的尺寸变形。

本发明的热等静压处理过程中，从炉温的角度来看，增加保温处理的步骤可以保证炉温均匀性，使得铸件整体受热均匀；步骤（a）的温度设定主要是参考退火温度，如果过高则使得铸件厚壁部分的表面和心部温差增大，不利于变形控制，过低则增加进行步骤（b）时表面和心部的温差，其次，步骤（b）的温度设定除了上述考虑外还为了防止向上窜温，造成过烧风险。

在本发明的一些实施方式中，热等静压处理的压力为115~130MPa。

在本发明的一些实施方式中，复杂异形铝合金铸件的材质包括ZL116合金、ZL101合金、ZL105合金、ZL105A合金、ZL114A合金、ZL201合金、ZL201A合金、ZL205A合金和ZL208合金中的一种或多种；优选地，复杂异形铝合金铸件的材质包括ZL116合金。

对于复杂异形ZL116合金铸件，采用上述的复杂异形铝合金铸件的热等静压方法，在340~360℃对复杂异形ZL116合金铸件进行退火处理，可有效消除应力，抑制变形。

ZL116合金当温度高于180℃时，其M-Mg

在本发明的一些实施方式中，复杂异形铝合金铸件的制备包括：铝合金经真空熔炼、浇注、精整后得到所述复杂异形铝合金铸件。

在本发明的一些实施方式中还提供了一种复杂异形铝合金铸件的铸造方法，包括上述复杂异形铝合金铸件的热等静压方法。

本发明具体实施方式中采用的铝合金以ZL116合金为例进行说明，但不限于此。

实施例1

本实施例提供的复杂异形铝合金铸件的热等静压方法，包括如下步骤：

（1）铝合金经真空熔炼、浇注、精整后得到铸件1#；

（2）复杂异形铝合金铸件置于退火炉中，在350℃进行退火处理180min，空冷后得到铸件2#；

（3）将铸件2#置于热等静压炉中，在氩气保护下，压力为130MPa的条件下，以5℃/min的速率升温至350℃保温30min，再以5℃/min的速度升温至480℃保温30min，然后以2℃/min的速度升温至520℃保温120min，然后以2℃/min的速度冷却至150℃以下出炉，空冷后得到铸件3#。

实施例2

本实施例提供的复杂异形铝合金铸件的热等静压方法，包括如下步骤：

（1）铝合金经真空熔炼、浇注、精整后得到铸件1#；

（2）复杂异形铝合金铸件置于退火炉中，在360℃进行退火处理180min，空冷后得到铸件2#；

（3）将铸件2#置于热等静压炉中，在氩气保护下，压力为120MPa的条件下，以4℃/min的速率升温至360℃保温30min，再以4℃/min的速度升温至490℃保温30min，然后以1℃/min的速度升温至525℃保温120min，然后以1℃/min的速度冷却至150℃以下出炉，空冷后得到铸件3#。

实施例3

本实施例提供的复杂异形铝合金铸件的热等静压方法，包括如下步骤：

（1）铝合金经真空熔炼、浇注、精整后得到铸件1#；

（2）复杂异形铝合金铸件置于退火炉中，在340℃进行退火处理180min，空冷后得到铸件2#；

（3）将铸件2#置于热等静压炉中，在氩气保护下，压力为120MPa的条件下，以5℃/min的速率升温至340℃保温30min，再以5℃/min的速度升温至470℃保温30min，然后以2℃/min的速度升温至515℃保温120min，然后以2℃/min的速度冷却至150℃以下出炉，空冷后得到铸件3#。

对比例1

本对比例提供的复杂异形铝合金铸件的热等静压方法，包括如下步骤：

（1）铝合金经真空熔炼、浇注、精整后得到铸件1#；

（2）将铸件1#置于热等静压炉中，在氩气保护下，压力为130MPa的条件下，以2℃/min的速度升温至520℃保温120min，然后以2℃/min的速度冷却至150℃以下出炉，空冷后得到铸件2#。

试验例1

对实施例1中的铸件1#和铸件3#进行射线照相检测针孔缺陷和疏松缺陷，其射线底片如图1和图2所示，其结果如表1所示；其中，图1中a和图1中b为实施例1的铸件1#的射线底片，图2中a和图2中b为实施例1的铸件3#的射线底片；针孔缺陷的测试标准为GBT11346；疏松缺陷的测试标准为HB 5396。

表1

从图1和表1可知，采用本发明的复杂异形铝合金铸件的热等静压方法对复杂异形铝合金铸件进行热处理后，可有效较少铸件的针孔缺陷和疏松缺陷。

试验例2

对热处理（T5）后的实施例1的铸件3#进行力学性能的测试，其结果如表2所示；其中，力学性能的测试标准为HB962。

表2

从表2可知，实施例1的铸件3#经热处理后具有良好的力学性能。

试验例3

采用实施例1的复杂异形铝合金铸件的热等静压方法来制备航空发动机铝合金异形扭曲结构铸件，对制得的铸件的不同尺寸的部分进行了测量，其结果如表3所示。

表3

采用对比例1的复杂异形铝合金铸件的热等静压方法来制备航空发动机铝合金异形扭曲结构铸件，对制得的铸件的不同尺寸的部分进行了测量，其结果如表4所示。

表4

从表3和表4可以看出，相比于对比例1，采用本发明的热等静压方法制得的铸件的变形明显减少。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。