一种ZL205A合金铸件致密化热处理方法与流程

一种zl205a合金铸件致密化热处理方法
技术领域
1.本发明属于金属材料领域，特别涉及一种zl205a合金铸件致密化热处理方法。


背景技术：

2.zl205a合金是目前强度最高的铸造铝合金之一，作为静载承力件、舱体结构部件在航空、航天、兵器领域广泛应用。zl205a合金是铸造al-cu系合金，cu含量为4.6～5.3％，根据al-cu二元相图可知，该成份al-cu合金在凝固过程中为糊状凝固，凝固时极易产生疏松缺陷，极大影响铸件本体性能。
3.zl205a合金凝固时为糊状凝固，其固液两相区温度差异较大(近100℃)，致其凝固收缩时容易产生疏松缺陷，且多为穿透性疏松，疏松区域组织不致密且氢含量较高，补焊时极易发气，造成焊缝气孔或焊接区域扩大；由于疏松为穿透性组织，热等静压无法将疏松组织压合。若发现不了，极易造成部件过载失效和安全隐患；同时，对铸件疏松进行排缺补焊时，疏松部位极易发气，造成补焊区域内部质量超标，补焊区域扩大，超出行业标准要求而导致铸件报废。目前，通常采用在铸件厚大部位设置冷铁和加强补缩的方式，来引导zl205a合金实现顺序凝固，尽可能减少疏松缺陷，但对于部分厚大部件、复杂部件或设置浇道后不易去除的部件，该问题较难解决。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明提出一种针对zl205a合金铸件的致密化热处理工艺，以期有效提高zl205a铸件的一次合格率，同步提升zl205a合金性能，具体技术方案如下：
5.一种zl205a合金铸件致密化热处理方法，包括以下步骤：
6.s1、对铸件进行固态真空热处理：将铸件送入炉腔，进行抽真空处理，将炉腔真空度抽至2
×
10-4
～2
×
10-5
pa，然后将炉温升至480～510℃，保温2～3h；保温过程中保持真空泵开启，保持炉腔真空度不大于2.3
×
10-4
pa；
7.s2、对铸件表面进行100％荧光处理，检测疏松区域；
8.s3、采用氩弧焊机对疏松区域进行电弧封闭处理；
9.s4、对封闭后的疏松区域进行荧光处理，如不合格继续重复s3步骤，直至合格；
10.s5、将铸件进行热等静压处理，压力介质为高纯氩气，在510～530℃对铸件进行保压处理，压力为110～130mpa，保压后炉冷至200℃以下出炉；
11.s6、对铸件进行固溶、时效处理：将铸件在538℃下保温15h，室温水淬，然后在155℃下保温10h，获得高性能zl205a铸件。
12.作为优选，所述zl205a合金铸件化学成份符合gb/t 1173-2013要求。
13.作为优选，所述zl205a合金铸件的各组分质量百分比为：cu：5.1％，mn：0.40％，ti：0.18％，cd：0.20％，v：0.19％，zr：0.22％，b：0.06％，fe：0.10％，其它杂质不大于0.20％，余量为铝。
14.作为优选，所述s2步骤按gb/t 9438-2013规定方法。
15.作为优选，所述s3步骤氩弧焊机焊接电流40～55a，钨极直径3～4mm，喷嘴直径5～8mm，喷嘴离铸件疏松表面距离控制在20～30mm；封闭处理时间约20～35s。
16.作为优选，所述s3步骤重复处理次数不超过3次。
17.作为优选，所述s5步骤高纯氩气纯度不低于99.5％。
18.作为优选，所述s5步骤保压时间为1～1.5h。
19.作为优选，所述s6步骤处理参数参考gb/t 1173-2013标准中zl205a合金的规定。
20.本发明致密化zl205a合金铸件的原理为：
21.本发明对zl205a合金进行真空抽气处理，通过高温下铸件与真空环境中的h元素浓度差，铸件中的h原子通过扩散脱离铸件，达到降低铸件中氢含量的目的，可有效减少铸件补焊过程中产生气泡，减少补焊气孔缺陷。
22.由于zl205a合金为糊状凝固，其疏松缺陷一般为穿透性缺陷，可通过表面荧光渗透处理，发现疏松位置和大致疏松面积，对铸件正反表面疏松区域进行电弧封闭处理，即表面熔化，达到表面封闭效果。对封闭后的铸件进行热等静压处理，将疏松组织压合，同时对于其它非疏松组织(如存在针孔的区域)也能起到较好的致密化作用。
23.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
24.1、本发明提出一种zl205a铸件的致密化处理工艺，先将铸件置于真空热处理炉，对铸件进行抽真空热处理，抽除铸件中固溶的氢，然后将铸件表面疏松区域用氩弧焊枪进行封闭处理，接着进行热等静压处理，最后对铸件按行业标准进行固溶、时效热处理。本热处理工艺可有效减少铸件中的氢含量，压合zl205a铸件大部分疏松缺陷，明显提高铸件一次合格率。
25.2、本发明对zl205a合金进行真空抽气处理，通过高温下铸件与真空环境中的h元素浓度差，将铸件中固溶的h原子脱出，达到降低铸件中氢含量的效果，可有效减少铸件后续补焊中气体析出，减少补焊气孔缺陷。
26.3、本发明对铸件正反表面的疏松区域进行电弧封闭处理，达到表面封闭效果，电弧接近铸件表面时，表面疏松区域会发生固态-半固态(或液态)转变，有效封闭疏松表面；电弧不直接接触表面，最大限度减小对外形尺寸和其它位置的影响。
27.4、对封闭处理后的铸件进行热等静压处理，将疏松组织压合，同时对于其它非疏松组织也能起到良好的致密化作用。
28.5、铸件经本发明热处理后，力学性能提升明显，与gb 1173-2013中规定的zl205a-t5标准值相比，其抗拉强度高出标准值近13％，延伸率高出标准值近50％。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
30.图1为对比例2zl205a合金铸件表面封闭处理前后的内部质量对比，a为表面封闭前zl205a合金铸件x射线检测图，b为表面封闭后zl205a合金铸件x射线检测图；
31.图2为对比例3zl205a合金铸件热等静压处理前后的内部质量对比，a为热等静压处理前zl205a合金铸件x射线检测图，b为热等静压处理后zl205a合金铸件x射线检测图；
具体实施方式
32.为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
33.以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。
34.若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段；若未特别指明，实施例中所用试剂均为市售。
35.实施例1
36.zl205a合金铸件致密化热处理
37.zl205a合金各组分质量百分比为：cu：5.1％，mn：0.40％，ti：0.18％，cd：0.20％，v：0.19％，zr：0.22％，b：0.06％，fe：0.10％，其它杂质不大于0.20％，余量为铝。
38.s1、将获得的zl205a铸件进行固态真空除气处理：将铸件推入炉腔，抽真空至2
×
10-4
pa，然后将炉温升至500℃，保温2h，保温过程中持续抽气，炉腔真空度保持在2.3
×
10-4
pa；
39.s2、按gb/t 9438-2013规定方法对铸件进行表面100％荧光处理，检测疏松区域；
40.s3、采用氩弧焊机，对疏松区域进行表面电弧处理，控制焊接电流为45a，钨极直径3mm，喷嘴直径6mm，保持喷嘴离铸件疏松表面距离20mm，电弧处理时间30s；
41.s4、对电弧封闭处理后的疏松区域进行荧光处理，表面质量应无疏松显示。
42.s5、对铸件进行热等静压处理，介质为高纯氩气，氩气纯度为99.8％，在510℃对铸件进行保压处理，压力保持在120mpa，保压1h，炉冷至200℃以下空冷。
43.s6、对铸件进行固溶、时效处理：将铸件在538℃下保温15h，室温水淬，然后在155℃下保温10h，获得高性能zl205a铸件。
44.实施例2
45.zl205a合金铸件致密化热处理
46.zl205a合金各组分质量百分比为：cu：5.0％，mn：0.40％，ti：0.18％，cd：0.20％，v：0.19％，zr：0.22％，b：0.06％，fe：0.10％，其它杂质不大于0.20％，余量为铝。
47.s1、将获得的zl205a铸件进行固态真空除气处理：将铸件推入炉腔，抽真空至2
×
10-4
pa，然后将炉温升至500℃，保温2h，保温过程中持续抽气，炉腔真空度保持在2.3
×
10-4
pa；
48.s2、按gb/t 9438-2013规定方法对铸件进行表面100％荧光处理，检测疏松区域；
49.s3、采用氩弧焊机，对疏松区域进行表面电弧处理，控制焊接电流为45a，钨极直径3mm，喷嘴直径6mm，保持喷嘴离铸件疏松表面距离20mm，电弧处理时间30s；
50.s4、对电弧封闭处理后的疏松区域进行荧光处理，表面质量应无疏松显示。
51.s5、对铸件进行热等静压处理，介质为高纯氩气，氩气纯度为99.8％，在510℃对铸件进行保压处理，压力保持在120mpa，保压1h，炉冷至200℃以下空冷。
52.s6、对铸件进行固溶、时效处理：将铸件在538℃下保温15h，室温水淬，然后在155
℃下保温10h，获得高性能zl205a铸件。
53.实验例1
54.考察本发明zl205a合金铸件的性能
55.按照gb/t 228.1-2010标准检测实施例1-2致密化热处理的zl205a合金抗拉强度、屈服强度与延伸率
56.按照gb/t 3075-2008检测实施例1-2致密化热处理的zl205a合金轴向疲劳性能
57.表1实施例1-2处理的zl205a合金与gb/t 1173-2013标准的性能比较
[0058][0059]
结果如表1所示，对铸件进行本体解剖，获得合金的抗拉强度达到498-510mpa，其抗拉强度大幅高出gb 1173-2013中规定的zl205a-t5标准值，高出常规处理的zl205a合金近13％，屈服强度为390-411mpa；延伸率达到12.3-12.6％，高出标准值近50％。
[0060]
铸件经轴向疲劳测试，疲劳寿命均超过107次。
[0061]
综合以上结果表明，铸件经本发明热处理后，力学性能提升明显。
[0062]
实验例1
[0063]
考察真空抽气对zl205a合金铸件中氢含量的影响
[0064]
根据gb/t 20975.30-2019检测标准检测真空抽气前后zl205a合金铸件中的氢含量
[0065]
结果表明，真空抽气处理后，铸件中氢含量由0.14mg/100g下降至0.08mg/100g，降低铸件中氢含量的效果，可有效减少铸件后续补焊中气体析出，减少补焊气孔缺陷。
[0066]
对比例1
[0067]
考察常规zl205a铸件与本发明zl205a铸件的对比
[0068]
zl205a合金各组分质量百分比为：cu：5.1％，mn：0.40％，ti：0.18％，cd：0.20％，v：0.19％，zr：0.22％，b：0.06％，fe：0.10％，其它杂质不大于0.20％，余量为铝。
[0069]
直接对zl205a合金铸件进行固溶、时效处理：将铸件在538℃下保温15h，室温水淬，然后在155℃下保温10h，获得常规zl205a铸件，对常规铸件与本发明铸件依照相同的检测标准检测力学性能。
[0070]
结果如表1所示，不经过表面封闭和热等静压的常规铸件抗拉强度、屈服强度、延伸率和疲劳寿命都显著低于本发明铸件，表明本发明的致密化热处理方法显著增加了铸件的力学性能。
[0071]
对比例2
[0072]
考察表面封闭对zl205a合金铸件性能的影响
[0073]
不对疏松区域进行表面电弧处理，其余步骤与实施例1相同，在检测疏松区域后直接进行热等静压，对两种处理的zl205a合金铸件按gb/t 9438-2013要求进行内部质量检测，x射线底片满足1级疏松缺陷标准底片要求。
[0074]
结果如图1所示，不经过表面封闭处理，直接进行热等静压处理，铸件疏松仍存在，说明表面封闭处理对铸件的性能影响是显著的。
[0075]
对比例3
[0076]
考察热等静压对zl205a合金铸件性能的影响
[0077]
不对铸件进行热等静压处理过程，其余处理步骤与实施例1相同，仅在对表面封闭处理后直接进行固溶、时效处理，对两种处理的zl205a合金铸件按gb/t 9438-2013要求进行内部质量检测，x射线底片满足1级疏松缺陷标准底片要求。
[0078]
结果如图2所示，经本发明全套热处理工艺后，热等静压疏松组织闭合，疏松缺陷消失，且热等静压不仅将疏松组织压合，同时对于其它非疏松组织也能起到良好的致密化作用。

技术特征：
1.一种zl205a合金铸件致密化热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、对铸件进行固态真空热处理：将铸件送入炉腔，进行抽真空处理，将炉腔真空度抽至2
×
10-4
～2
×
10-5
pa，然后将炉温升至480～510℃，保温2～3h；保温过程中保持真空泵开启，保持炉腔真空度不大于2.3
×
10-4
pa；s2、对铸件表面进行100％荧光处理，检测疏松区域；s3、采用氩弧焊机对疏松区域进行电弧封闭处理；s4、对封闭后的疏松区域进行荧光处理，如不合格继续重复s3步骤，直至合格；s5、将铸件进行热等静压处理，压力介质为高纯氩气，在510～530℃对铸件进行保压处理，压力为110～130mpa，保压后炉冷至200℃以下出炉；s6、对铸件进行固溶、时效处理：将铸件在538℃下保温15h，室温水淬，然后在155℃下保温10h，获得高性能zl205a铸件。2.根据权利要求1所述的一种zl205a合金铸件致密化热处理方法，其特征在于，所述zl205a化学成份符合gb/t1173-2013要求。3.根据权利要求1所述的一种zl205a合金铸件致密化热处理方法，其特征在于，所述s3步骤氩弧焊机焊接电流40～55a，钨极直径3～4mm，喷嘴直径5～8mm，喷嘴离铸件疏松表面距离控制在20～30mm；封闭处理时间约20～35s。4.根据权利要求1所述的一种zl205a合金铸件致密化热处理方法，其特征在于，所述s5步骤高纯氩气纯度不低于99.5％。5.根据权利要求1所述的一种zl205a合金铸件致密化热处理方法，其特征在于，所述s5步骤保压时间为1～1.5h。

技术总结
本发明提供了一种ZL205A合金铸件致密化热处理方法，针对ZL205A铸件凝固时容易产生疏松的问题，提出一种新的致密化热处理工艺，以期减少铸件疏松缺陷，提高铸件一次合格率，进一步提高铸件性能。先将铸件置于真空热处理炉，对铸件进行抽真空热处理，抽除铸件中固溶的氢，然后将铸件表面疏松区域用氩弧焊枪进行封闭处理，接着进行热等静压处理，最后对铸件按行业标准进行固溶、时效处理。本热处理工艺可有效减少铸件中的氢含量，压合ZL205A铸件大部分疏松缺陷，大幅提高铸件一次合格率。铸件经本发明热处理后，力学性能得到有效提升，其抗拉强度高出GB1173-2013中规定的ZL205A-T5标准值近13％，延伸率高出标准值近50％，同时具好良好的疲劳性能。具好良好的疲劳性能。具好良好的疲劳性能。


技术研发人员：黄粒 杜旭初 丁小明 庄欠玉 王强
受保护的技术使用者：航材国创（青岛）高铁材料研究院有限公司
技术研发日：2023.07.07
技术公布日：2023/10/7