一种高强高导电铝合金显微组织制备方法及设备

本发明属于铝合金热处理，更具体地，涉及一种高强高导电铝合金显微组织制备方法及设备。

背景技术：

1、近年来，al-zn-mg-cu铝合金除具有常规铝合金密度低、比强度高、易加工等优点外，还具有超高强度，被广泛应用于航空航天、车辆装备等行业并作为主要结构材料之一。在al-zn-mg-cu铝合金零件加工生产过程中，热处理过程会对显微组织产生复杂的影响从而对性能造成影响。al-zn-mg-cu铝合金存在强度与耐蚀性、韧性同时提高困难的问题，提高强度容易出现耐蚀性和韧性下降即电导率低的问题。为了解决al-zn-mg-cu铝合金强度与耐蚀性、韧性同时提高的难题提高应用水平，出现了以三级时效为代表的一些热处理方法，这些热处理方法改善了高强铝合金显微组织的低耐蚀性问题，并且保证了一定的强度，但是三级时效过程工艺参数多，工艺参数对显微组织影响复杂，较难得到最优热处理工艺路线，并且不同牌号和不同尺寸的铝合金的最优热处理工艺路线并不相同。这使得提高al-zn-mg-cu铝合金综合性能、获取高强高导电铝合金显微组织变得十分困难。

2、在时效前进行深冷处理被认为具有“预时效”作用，即能够促进时效过程中析出相的弥散析出。大量研究显示al-zn-mg-cu铝合金的强度和导电性与显微组织中的析出相状态和分布密切相关，但析出相状态的控制和表征均较为困难。单纯依靠试验的方法调整热处理的参数很难获得最优的热处理参数，而通过现有在线检测技术监控显微组织状态来也十分困难，并没有专门针对热处理过程中显微组织状态检测的在线检测技术。al-zn-mg-cu铝合金在时效过程会发生强化相的析出、长大、回溶等显微组织演变，强化相的行为会造成铝合金电导率的改变但电导率与强化相行为之间没有很强的对应关系。材料在显微组织演变如相变时会有声发射发生，可以通过声发射探头进行声信号检测，声信号的产生与强化相行为之间具有很强的对应关系，但声信号参数多，仅凭声信号特征较难区分不同的强化相行为。

3、基于此，如何改进和监控热处理过程从而有效调控显微组织中析出相的状态来制备高强高导电的铝合金显微组织成为亟待解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高强高导电铝合金显微组织制备方法及设备，其目的在于，实时监控经过热处理工艺过程中的显微组织状态，从而及时调整热处理过程以获取高强高导电铝合金显微组织。

2、为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种高强高导电铝合金显微组织制备方法，包括模型构建阶段和显微组织制备阶段，其中：

3、所述模型构建阶段包括：

4、进行铝合金热处理试验，采集热处理过程的在线检测数据建立数据库，其中每条数据包括热处理类型、热处理时间、电导率值、声信号和强化相行为，所述声信号包括声信号幅值记录、声信号频率记录、声信号能量记录和声信号源类型；

5、构建显微组织状态在线判别模型，其包括卷积神经网络模型和深度神经网络模型；以声信号幅值记录、声信号频率记录和声信号能量记录作为输入，以声信号源类型作为输出训练卷积神经网络模型；以热处理类型、热处理时间、电导率和声信号源类型为输入，强化相行为为输出训练深度神经网络模型，从而得到训练好的显微组织状态在线判别模型；

6、显微组织制备阶段包括：

7、对铝合金进行热处理，实时采集热处理类型、热处理时间、电导率值和声信号，并将其输入训练好的显微组织状态在线判别模型；其中卷积神经网络模型根据声信号幅值记录、声信号频率记录和声信号能量记录得到声信号源类型，然后深度神经网络模型根据卷积神经网络模型得到的声信号源类型以及热处理类型、热处理时间、电导率值得到强化相行为；

8、根据显微组织状态在线判别模型得到的强化相行为和电导率值实时调整热处理过程，直至得到满足需求的铝合金显微组织。

9、作为进一步优选的，热处理工艺过程为多级固溶-时效，具体在多级固溶后进行三级时效，并在一级时效和三级时效前进行深冷处理。

10、作为进一步优选的，显微组织制备阶段，实时调整热处理过程具体为：

11、在一级时效中，当强化相充分析出并开始发生长大时停止该时效过程；在二级时效中，当强化相回溶基本结束时停止该时效过程；在三级时效中，当强化相充分析出并开始发生长大，且电导率值达到理想值时停止该时效过程。

12、作为进一步优选的，进行铝合金热处理时，一级时效温度为90～110℃，二级时效温度为190～200℃，三级时效温度为110～130℃。

13、作为进一步优选的，所述深冷处理为单次或多次的液氮浸泡。

14、按照本发明的另一方面，提供了一种用于实现上述高强高导电铝合金显微组织制备方法的设备，包括计算控制模块、设备腔体和设置在该设备腔体内的加热保温模块、深冷模块、在线检测模块：

15、所述加热保温模块用于在设备腔体中形成均匀、稳定的温度场；

16、所述深冷模块用于在深冷热处理过程中形成稳定的液氮液面；

17、所述在线检测模块包括声发射信号检测组件和电导率检测组件，分别用于检测热处理过程中的声信号和电导率；

18、所述计算控制模块用于接收在线检测模块检测的信号，并基于显微组织状态在线判别模型得到的强化相行为输出控制信号，控制加热保温模块和深冷模块工作，从而自主智能控制整个热处理过程。

19、作为进一步优选的，所述深冷模块包括深冷槽、底部连接架、液氮管路、液面传感器和自增压液氮罐，其中：

20、所述深冷槽通过底部连接架连接在所述设备腔体底部，该底部连接架为可伸缩或拆装结构，以实现深冷槽的升降或拆装；所述液氮管路用于将液氮由自增压液氮罐通入深冷槽中；所述液面传感器安装在深冷槽上部，且高度高于铝合金上表面，用于检测液面高度，从而控制液氮通入。

21、作为进一步优选的，所述加热保温模块包括加热棒、风扇和热电偶，其中：

22、多根所述加热棒沿第一方向对向均匀分布于设备腔体的侧壁，单个或多个所述风扇沿第二方向分布于设备腔体的侧壁，第一方向与第二方向垂直，加热棒与风扇所在的侧壁相邻；所述热电偶安装在设备腔体上方并靠近铝合金。

23、作为进一步优选的，所述声信号检测组件包括高温声发射传感器和低温声发射传感器，多个高温声发射传感器固定于设备腔体顶部，在时效热处理过程中与被热处理铝合金直接接触；多个低温声发射传感器固定于深冷槽底部，在深冷热处理过程中与被热处理铝合金直接接触；所述电导率检测组件包括涡流电导率仪和与其配套的电导率探头，所述电导率探头固定于设备腔体顶部。

24、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

25、1.本发明通过试验获取在线检测数据并结合人工神经网络建立显微组织状态在线判别模型，利用该模型在铝合金热处理过程中实时自动判别强化相的析出、长大和回溶过程，对铝合金显微组织状态进行实时监控，根据显微组织状态和电导率值及时调整热处理过程，从而获取综合性能优异的高强高导电铝合金显微组织，使多级固溶-时效对铝合金性能优化效果最大化。

26、2.本发明通过声发射技术和电导率检测对铝合金热处理过程进行在线检测，能够通过检测强化相的实现显微组织状态的在线监控，利用人工神经网络的智能方法处理大量复杂的声发射检测数据代替人工分辨更加快速高效准确，数据获取和分析方法使得显微组织状态在线检测准确可靠并能够及时在热处理过程中做出调整，热处理工艺参数的及时调整能够使经过改进的铝合金多级固溶-时效热处理工艺过程适应不同牌号和形状的7xxx系铝合金。

27、3.本发明综合运用了卷积神经网络模型和深度神经网络模型；由于声信号是二维数据，通过卷积神经网络先对其进行处理更准确、效率更高，进而由于热处理参数、在线检测数据与强化相行为的对应关系十分复杂，通过深度神经网络处理该多输入单输出问题更加高效准确，从而实现对强化相行为的准确预测。

28、4.本发明设计的高强高导电铝合金显微组织制备设备集成了在线检测模块、加热保温模块、深冷模块、计算控制模块等功能性模块，能够在同一设备中进行深冷和时效处理并且在热处理过程中获取大量的在线检测数据，在线检测模块的布置保证了数据采集的可靠有效并且能够适应不同形状的铝合金，能够有效保证热处理过程的连续性和可监控性并能够及时在热处理过程中做出工艺参数的调整，有力支撑高强高导电铝合金显微组织制备方法的实现。