本发明涉及铝合金变形加工技术领域，特别是7xxx系(al-zn-mg-cu)铝合金的轧制变形方法；更具体地，本发明涉及一种改进7xxx系铝合金厚板组织与性能的强变形轧制方法。
背景技术：
铝合金具有比重轻、易加工、制造成本低、综合性能良好、原材料资源丰富、可依托的基础工业实力强等特点，长期以来在航空航天、交通运输、武器装备等工业领域有着广泛的应用，是各种先进装备发展中不可缺少的重要支柱材料之一。在所有商用铝合金中，7xxx系(al-zn-mg-cu系)铝合金属强度最高的一个系列，具有比强度高、综合性能优良、加工性能良好等突出特点；其主要产品形式包括板材、锻件、型材、丝材等，其中，板材产品特别是预拉伸厚板(厚度规格6mm以上)的占比最大、应用最为广泛。特别是，近年来伴随着飞机结构件大型化和整体化的发展趋势，7xxx系铝合金厚板被进一步用于取代成本高、综合性能一致性控制困难的锻件，大量应用于当代飞机的机身承力框和舱壁板、机翼翼梁和翼肋、翼身对接接头等制造，是世界各国航空航天工业中不可缺少的重要材料。
在7xxx系铝合金的各种产品形式中，厚板属于大规格产品范畴，通常需要采用大规格的方锭以及大功率的轧机、拉伸机等重大装备，7xxx系铝合金的轧制变形及其对晶粒组织均匀性控制难度很大，成为7xxx系铝合金产品不断向大规格化、高性能化方向发展所面临的主要技术难题。在超高强7xxx系铝合金厚板的传统轧制生产过程中，为避免开裂、并保证板材芯部充分变形，单道次变形量一般不超过15％、而总变形量须达到80％以上。以此推算，轧制150～200mm厚度的7xxx系铝合金厚板，所需铸锭厚度至少要达到750mm以上，铸锭制造难度极大。而且，对于超高强铝合金大规格铸锭的热轧变形，往往存在着在轧制初始阶段变形很难深入内部、厚度方向上组织性能严重不均匀等技术问题。因此，如何利用现已更新换代的先进装备条件、对7xxx系铝合金厚板轧制热变形过程进行准确调控，实现对厚板晶粒组织均匀性控制，以提升7xxx系铝合金厚板组织均匀性及其综合性能显得至关重要，已成为当前7xxx系铝合金研究领域的技术难点之一。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种改进7xxx系铝合金厚板组织与性能的强变形轧制方法，可以实现对7xxx系铝合金厚板轧制热变形过程的准确调控，能显著改进合金厚板组织的均匀性及其综合性能。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种改进7xxx系铝合金厚板组织与性能的强变形轧制方法，所述方法主要包含以下工艺步骤：(1)锭坯加热(使铸锭充分热透，并回溶大部分铸锭在均热冷却过程中的脱溶析出相)：将7xxx系铝合金锭坯放入热处理加热装置中，进行保温处理，温度控制在420～450℃，时间控制在4～24h；(2)阶段i轧制(小压下量控温轧制，改善锭坯成形性)：将加热好的锭坯快速转移至轧机进行轧制热变形，坯料表面温度控制在395～420℃，共1～3道次，单道次压下率控制在3～8％，轧制速度控制在0.5～3.5m/s；(3)阶段ii轧制(大压下量控温轧制，调控组织均匀性)：坯料表面温度控制在380～410℃，单道次压下率控制在10～40％，共3～10道次，轧制速度控制在0.5～3.0m/s；(4)阶段iii轧制(中压下量控温轧制，控制板型和尺寸精度)：坯料表面温度控制在355～375℃，单道次压下率控制在6～15％，共1～3道次，轧制速度控制在0.5～2.5m/s；(5)完成步骤(4)，将坯料冷却至室温。
本发明通过大量研究和工业实践发现，通过采用精细设计的多级轧制热处理方法，可以有效调控7xxx系铝合金在轧制变形过程中的组织演变，采用轧制全过程窄温度区间控制与“轧制初段小压下量-中段少道次大压下量-末段中压下量”相结合的强变形加工新技术，并通过各环节的协同，可有效改善现有方法对组织无法兼顾的技术缺陷，使合金获得更佳的微观组织和优良的综合性能匹配，在合金强度水平保持不变甚至有所提高的情况下，可使合金厚板性能的均匀性得到显著提高。而且，本发明方法在工业条件下具有良好的可操作性。
本发明的第一个优选方案为：所述的改进7xxx系铝合金厚板组织与性能的强变形轧制方法，其主要包含以下工艺步骤：(1)锭坯加热：将7xxx系铝合金锭坯放入热处理加热装置中，进行保温处理，温度控制在420～430℃，时间控制在6～12h；(2)阶段i轧制：将加热好的锭坯快速转移至轧机进行轧制热变形，坯料表面温度控制在400～415℃，共2～3道次，单道次压下率控制在4～7％，轧制速度控制在0.8～2.5m/s；(3)阶段ii轧制：坯料表面温度控制在385～405℃，单道次压下率控制在10～35％，共4～8道次，轧制速度控制在0.7～2.0m/s；(4)阶段iii轧制：坯料表面温度控制在360～375℃，单道次压下率控制在8～15％，共1～2道次，轧制速度控制在0.6～1.5m/s；(5)完成步骤(4)，将坯料冷却至室温。
本发明的第二个优选方案为：所述的改进7xxx系铝合金厚板组织与性能的强变形轧制方法，锭坯轧制变形的总变形量控制在55～80％；在一个优选方面，锭坯轧制变形的总变形量控制在60～70％。
本发明的第三个优选方案为：所述的改进7xxx系铝合金厚板组织与性能的强变形轧制方法，坯料表面温度通过匹配轧制速度和调节轧辊乳化液流量来进行控制。
本发明的第四个优选方案为：所述的改进7xxx系铝合金厚板组织与性能的强变形轧制方法，其中在步骤(2)中，将加热好的锭坯快速转移至轧机进行轧制热变形，锭坯表面温度在转移过程中降幅不超过15℃。
本发明的第五个优选方案为：所述的改进7xxx系铝合金厚板组织与性能的强变形轧制方法，其中在步骤(2)中，坯料表面温度控制在400～410℃，单道次压下率控制在5～6％。
本发明的第六个优选方案为：所述的改进7xxx系铝合金厚板组织与性能的强变形轧制方法，其中在步骤(3)中，坯料表面温度控制在390～405℃，单道次压下率控制在12～35％。
本发明的第七个优选方案为：所述的改进7xxx系铝合金厚板组织与性能的强变形轧制方法，其中在步骤(4)中，坯料表面温度控制在360～370℃，单道次压下率控制在8～10％。
本发明的第八个优选方案为：所述的改进7xxx系铝合金厚板组织与性能的强变形轧制方法，其中在步骤(5)中，坯料的冷却速度控制在5℃/min以上。
本发明所述方法不仅适用于7xxx系变形铝合金的轧制变形，还可以用于其他变形铝合金、以及变形镁合金等金属材料。
与现有技术相比，本发明涉及的改进7xxx系铝合金厚板组织与性能的强变形轧制方法的优点在于：
(1)本发明通过匹配轧制速度和调节轧辊乳化液流量来实时控制坯料表面温度，实现了7xxx系铝合金厚板轧制全过程窄温度区间控制，将合金板材轧制全过程的温降从传统的80～100℃控制缩窄到50℃以内；同时在轧制中段采取单道次最大压下量25-30％的强变形加工工艺，辅以合理的轧制速度匹配等，采用“轧制初段小压下量-中段少道次大压下量-末段中压下量”相结合的强变形加工新技术，充分发挥了现代轧机的装备能力，解决并利用了坯料在厚度方向上的温度梯度与应力应变梯度的关系，可在避免厚板轧制开裂前提下，通过60～70％轧制变形总量即可使厚板芯部获得充分变形组织；且使合金厚板在厚度方向上晶粒组织的不均匀性显著减小；同时，可以实现对合金厚板再结晶发生或晶粒组织长大的有效抑制，从而显著改善合金的微观组织及其综合性能。
(2)本发明的方法准确可靠，可操作性强、经济使用；充分考虑了7xxx系变形铝合金厚板的变形特性及方法的工业化适用性；而且本方法适用范围广，同样适于类似的其他变形铝合金和镁合金等需要轧制变形的金属材料。
附图说明
图1为本发明方法制备的7xxx系铝合金厚板芯部(a)和表层(b)晶粒组织的ebsd形貌。
具体实施方式
采用本发明的方法，先对7xxx系铝合金铸锭锭坯进行加热处理，完成后快速将加热好的锭坯转移至轧机进行轧制热变形，轧制按阶段i、阶段ii、阶段iii共三个阶段进行控制和实施，完成轧制变形后，将坯料冷却至室温。
实施例1
该实施例以7050/7150合金(al-6.4zn-2.3mg-2.2cu-0.12zr(wt％))厚板轧制变形为研究对象。采用400mm厚扁锭，在大型轧机上进行轧制变形，最终获得80mm厚度规格的厚板，工艺方案如表1所示。对于本发明方法，坯料表面温度可通过匹配轧制速度和调节轧辊乳化液流量来进行控制。完成轧制变形后取样进行组织观察分析，采用光学显微镜(om)、扫描电镜(sem)和电子背散射衍射(ebsd)验证分析，评价合金厚板表层与芯部晶粒组织、再结晶比例情况等；另取一组轧制态坯料依次进行465℃/2h+475℃/4h固溶处理、2％预拉伸变形和t6(121℃/24h)时效处理，对t6态合金厚板进行解剖分析，评价合金厚板沿板厚强度性能的均匀性；分析测试依照相关标准进行，结果如表2所示。
表17050合金厚板轧制工艺方案
注：d0-d1-d2-…(t1～t2℃，v1～v2m/s)中，d0为锭坯初始厚度，d1、d2、…为完成第1道次、第2道次、…轧制变形后坯料的厚度，括号中“t1～t2℃”表示括号前面紧邻轧制阶段各道次变形过程中坯料温度的控制范围，“v1～v2m/s”为对应的轧制速度控制范围。
表27050/7150合金经不同轧制变形后的组织性能分析结果
实施例2
该实施例以7449合金(al-8.1zn-2.2mg-2.0cu-0.12zr(wt％))厚板轧制变形为研究对象。采用350mm厚扁锭，在大型轧机上进行轧制变形，最终获得30mm厚度规格的厚板，工艺方案如表3所示。完成轧制变形后取样进行组织观察分析，采用光学显微镜(om)、扫描电镜(sem)和电子背散射衍射(ebsd)验证分析，评价合金厚板表层与芯部晶粒组织、再结晶比例情况等；另取一组轧制态坯料依次进行468℃/2h+474℃/2h固溶处理、2％预拉伸变形和t6(121℃/24h)时效处理，对t6态合金厚板进行解剖分析，评价合金厚板沿板厚强度性能的均匀性；分析测试依照相关标准进行，结果如表4所示。
表37449合金厚板轧制工艺方案
注：d0-d1-d2-…(t1～t2℃，v1～v2m/s)中，d0为锭坯初始厚度，d1、d2、…为完成第1道次、第2道次、…轧制变形后坯料的厚度，括号中“t1～t2℃”表示括号前面紧邻轧制阶段各道次变形过程中坯料温度的控制范围，“v1～v2m/s”为对应的轧制速度控制范围。
表47449合金经不同轧制变形后的组织性能分析结果
实施例3
该实施例以7085合金(al-7.5zn-1.5mg-1.6cu-0.11zr(wt％))厚板轧制变形为研究对象。采用500mm厚扁锭，在大型轧机上进行轧制变形，最终获得170mm厚度规格的厚板，工艺方案如表5所示。完成轧制变形后，厚板坯料的冷却速度控制在5℃/min以上，待厚板坯料完全冷却后取样进行组织观察分析，采用光学显微镜(om)、扫描电镜(sem)和电子背散射衍射(ebsd)验证分析，评价合金厚板表层与芯部晶粒组织、再结晶比例情况等；另取一组轧制态坯料依次进行470℃/2h+475℃/6h固溶处理、2％预拉伸变形和t6(121℃/24h)时效处理，对t6态合金厚板进行解剖分析，评价合金厚板沿板厚强度性能的均匀性；分析测试依照相关标准进行，结果如表6所示。
表57085合金厚板轧制工艺方案
注：d0-d1-d2-…(t1～t2℃，v1～v2m/s)中，d0为锭坯初始厚度，d1、d2、…为完成第1道次、第2道次、…轧制变形后坯料的厚度，括号中“t1～t2℃”表示括号前面紧邻轧制阶段各道次变形过程中坯料温度的控制范围，“v1～v2m/s”为对应的轧制速度控制范围。
表67085合金经不同轧制变形后的组织性能分析结果
对比实例1～3中针对不同合金采用不同轧制变形后的组织性能分析结果，可以清楚的发现，采用本发明的强变形轧制方法可使合金获得优异的组织匹配，可使合金厚板在不发生轧制开裂的情况下，其沿板厚方向晶粒组织获得更佳的均匀性，还可以有效地控制合金厚板中的再结晶组织比例，这必将显著提高合金厚板的最终性能。为直观反映合金厚板沿板厚方向上晶粒组织的均匀程度及再结晶组织比例情况，图1给出了采用本发明方法制备的7xxx系铝合金厚板芯部(a)和表层(b)晶粒组织的ebsd形貌，可以看出，厚板芯部(a)和表层(b)处晶粒组织的特征很接近，再结晶组织比例均较低。显然，采用本发明的强变形轧制方法，可使合金厚板在厚度方向上晶粒组织的不均匀性显著减小，同时还可以有效控制合金厚板中的再结晶比例，展示出其在改进7xxx系铝合金厚板组织与性能方面的优越性。
实施例4
该实施例以实施例3中的7085合金为研究对象，采用500mm厚扁锭，选用传统工艺方案(15#)和本发明工艺方法(17#)分别在大型轧机上进行轧制变形，获得170mm厚度规格的轧制态坯料；随后对该坯料依次进行470℃/2h+475℃/6h固溶处理、2％预拉伸变形和t74(115℃/6h+160℃/12h)时效处理，处理条件保持一致；对最终获得的t7451态合金厚板进行解剖分析，从其厚度1/2位置(t/2)和1/4位置(t/4)处分别取样，在相等条件下依照相关的测试标准，分别对强度、伸长率、断裂韧性kic、剥蚀性能和电导率进行测试，结果如表7所示。
表7采用不同轧制变形方法制备的7085合金厚板沿厚度典型位置处的性能对比
从表7中可以看出，与传统工艺方法相比，采用本发明方法处理，可使合金厚板在其厚度方向上性能的不均匀性显著减小，并使合金厚板获得了更佳的综合性能匹配，表现出了优越性。