CN104438481B - 一种大曲率铝合金整体壁板构件的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种大曲率铝合金整体壁板构件的制备方法，包括，步骤A，将壁板固溶淬火；步骤B，将步骤A得到的壁板置于由薄膜覆盖层和成形模具共同构成的密封环境中，在抽真空条件下壁板先后发生弹性形变和塑性形变得到变形壁板；壁板所处密封环境中温度为15～35℃、真空度为-0.1MPa～-0.05MPa、处理时间为5～60min；步骤C，将步骤B中得到的变形壁板原位蠕变应力松弛时效，蠕变应力松弛时效时间为2h以上；步骤D，卸载而得到所述大曲率铝合金壁板构件。使用本发明的方法制备大曲率铝合金整体壁板构件，大大减小了产品的残余应力、提高了产品强度、获得了较高成形精度以及良好性能的产品。

Description

一种大曲率铝合金整体壁板构件的制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金薄板领域，具体涉及一种大曲率铝合金整体壁板构件的制备方法。
背景技术
航空航天运载器使用大曲率薄壁高筋铝合金整体壁板构件(如飞机机身壁板、火箭贮箱壁板和汽车车身薄板等)成形曲率大，因而先对其进行如滚弯、压弯等冷成形的机械塑性形变过程，再对其蠕变校形或手工校形得到目标产品。但滚弯、压弯等冷成型工艺易导致构件成形精度低，产生局部应力集中，且易发生筋条裂纹或断裂。在这样的方案中，应用蠕变校形(也称应力松弛时效)时壁板构件需要初步完成塑性形变，因而难以用单一的成形工装实现高强度、高精度及高稳定性的构件大曲率成形。
对铝合金壁板构件应力松弛时效成形的已有方案包括：授权的发明专利CN200810017544中提出了一种纯弯曲时效成形模具，该结构采用了蜗杆传动结构。其加工较复杂，成本高，传动效率低，且仅能实现待成形件的单曲率纯弯曲成形，难以实现待成形件的复杂大曲率蠕变时效成形。授权的发明专利CN101774274B公开一种基于热压罐的蠕变时效成形柔性工装，以解决现有卡板式工装存在的缺陷，该工装主要用于基于热压罐的小曲率构件的蠕变时效成形，加工中通过调节螺栓达到其目的。其构造待成形件曲面的过程相当繁琐，操作困难，且难以保证所构造待成形件曲面的精度。同时，由于该工装必须和热压罐配套使用，并不适用于常规的仅需要机械加载就可以达到要求的待成形件的蠕变时效成形。授权的发明专利CN102266887B提出一种形板式机械加载蠕变时效成形装置，采用点阵式机械加载实现对具有复杂曲率曲面和纯弯曲常规目标零件的蠕变时效成形，该装置调节过程繁重，同样无法完全保证所构造待成形件曲面的精度。发明专利申请CN102978549A披露一种Al-Zn-Mg-Cu系铝合金板的弯曲蠕变时效方法，并配套研制了授权的实用新型专利CN202921725U所述一种金属板材蠕变时效成形装置。该方法对构件先进行弯曲成形，其调节精度不可控，而后再进行蠕变时效增加了一道弯曲工艺、延长了整体成形时间。专利申请CN201310711973中也提供了一种基于热压罐的可时效强化铝合金整体壁板一次成型方法，其中依然要用到热压罐进行成型，具体地，利用热压罐提供铝合金时效所需温度与构件贴模所需压力，使大曲率部位材料达到屈服极限而发生塑性变形后保持贴模状态进入蠕变时效阶段，该专利将构件放入热压罐后再加压贴膜，因热压罐属密闭容器，构件在加压后是否完全贴膜难以获知。
因此，本领域需要提供一种更优的大曲率铝合金整体壁板构件的制备方法。
发明内容
本发明提供一种成形精度高、残余应力低、尺寸一致性和确定性好的大曲率铝合金整体壁板构件的制备方法。本发明方法中省去了对大曲率铝合金壁板构件先进行如滚弯、压弯等冷成形的机械塑性形变过程，因而不会因损坏壁板结构而降低疲劳强度与寿命；此外，以气体作为施载介质，可提高对薄壁高筋构件的成形极限；同样在本发明中也可以不使用热压罐等庞大压力容器。
本发明将传统的滚弯冷成型+校形+时效热处理用“真空处理”+原位蠕变应力松弛时效步骤代替，通过控制真空处理步骤的特定范围的压力和温度，使得壁板不需先经过机械塑性形变的过程即可一次性完成塑性形变、得到成形精度高、残余应力低、尺寸一致性和确定性好的大曲率铝合金整体壁板构件。
因此，本发明提供一种大曲率铝合金整体壁板构件的制备方法，包括，步骤A，将铝合金壁板固溶淬火；步骤B，真空处理：将步骤A得到的壁板置于由薄膜覆盖层21和成形模具22共同构成的密封环境中，在抽真空条件下壁板先后发生弹性形变和塑性形变得到变形壁板；壁板所处密封环境中温度为15～35℃、真空度为－0.1MPa～－0.05MPa、处理时间为5～60min；步骤C，蠕变应力松弛时效：将步骤B中得到的变形壁板在温度为150～200℃、真空度为条件a或条件b下原位蠕变应力松弛时效，蠕变应力松弛时效时间为2h以上，条件a，密封空间内真空度保持为－0.1MPa，且不对所述变形壁板施加其他压力，条件b，密封空间内真空度为－0.1MPa～－0.01MPa，且使用热压罐对所述变形壁板施加压力，其中热压罐内气压为0.2～4MPa；步骤D，卸载：步骤C中得到的变形壁板经温度和压力的卸载处理得到所述大曲率铝合金整体壁板构件。
本发明中步骤B和C中的真空度均为普通真空表测量得到的相对真空度值，即被测对象的压力与测量地点大气压的差值。在没有真空的状态下(即常压时)，表的初始值为0。当测量真空时，它的值介于0到－101.325KPa(一般用负数表示)之间。本发明中的真空表测量值为－0.1MPa时，本领域技术人员可知密封空间内的实际压力已经接近0值。
本发明中的步骤B是在常温下进行，因此不需使用庞大设备热压罐，且在步骤B中不需要对壁板施加其他压力。相反地，在热压罐内完成该步骤反而会对本发明的工业应用带来诸多不便。
本发明中，步骤B的真空处理时间优选为5～25min。步骤A中的壁板经步骤B中的弹性形变和塑性形变后，所得的变形壁板的曲率大于产品的目标曲率，此时变形壁板与成形模具内凹面221贴合；步骤C中变形壁板与模具曲面保持紧密接触、其曲率保持不变，材料在时效析出同时发生应力松弛作用；在步骤D中，先降低铝合金壁板和成形模具温度至常温，继续保持真空－0.1MPa状态不小于3h，最后卸载真空压力，壁板曲率回弹，达到目标曲率。考虑到步骤D中的回弹，因此，本发明中的成形模具内凹面221的曲率半径的设计需综合考虑步骤B和C中的成形产生的瞬时塑性变形与蠕变应力松弛时效作用以及步骤D中的卸载回弹的影响。
本发明步骤C中变形壁板的应力为150～300MPa，而经本发明中的四个步骤处理后得到的大曲率铝合金整体壁板构件的残余应力值为小于等于30Mpa。
在一种具体的实施方式中，所述大曲率铝合金壁板构件的曲率半径为不小于600mm。所述壁板的厚度例如为2～30mm；所述壁板构件包括平板和网格板，网格板含有加强筋，所述加强筋的高度例如为大于20mm。
本发明中，所述大曲率铝合金整体壁板构件的铝含量例如为≥90％，且铝合金为可时效处理的铝合金。本领域技术人员容易理解地，蠕变应力松弛时效处理是时效处理中的一种。且本领域技术人员容易知晓哪些铝合金属于可时效处理的铝合金，哪些铝合金属于不能时效处理的铝合金。
在一种具体的实施方式中，步骤A中的固溶温度为490～550℃，固溶时间为40min～1h；且于15s内将所述壁板转移水冷淬火。
在一种具体的实施方式中，薄膜覆盖层21粘贴在所述成形模具22的上平面222和内凹面221形成密封。本领域技术人员容易理解的，所述成形模具22的上平面222为与成形模具底面平行的平面，内凹面221为用于放置壁板在其中的表面。优选所述粘贴的胶迹为两道或多道回型密封线。
在另一种具体的实施方式中，薄膜覆盖层21上含有抽气孔211，且抽气孔个数为2个或以上。多点抽真空对壁板的力度更均匀，使壁板的成形精度更高。
本发明中，优选的，成形模具的内凹面221的曲率半径为所述大曲率铝合金壁板构件的曲率半径的0.8～0.98倍。
在一种具体的实施方式中，所述薄膜覆盖层21为厚度为0.2～1mm的氯乙烯塑料膜。
在另一种具体的实施方式中，所述成形模具22还含有用于步骤C中使得变形壁板加热均匀的孔槽结构223。孔槽结构223的设置，使得步骤C中传热效果良好，保证了构件应力松弛时效过程中温度的均匀性，所得构件质量更优。
使用本发明的方法制备大曲率铝合金整体壁板构件，大大减小了产品的残余应力、提高了产品强度、获得了较高成形精度以及良好性能的产品。
本发明中，通过对铝合金固溶淬火后和蠕变应力松弛时效前的真空处理，在铝合金中获得大量的位错及位错组态，促进主要强化相细小弥散析出。蠕变应力松弛时效时由于继续外加的应力的存在，促使主要强化相析出、晶界颗粒不连续、抑制无沉淀析出带宽度增加，有效地提高了合金壁板构件的力学性能以及耐蚀性。
本发明的真空处理步骤中，气压对壁板的作用力均匀且可控，成形效率高。在气压成形的同时还实现了材料的性能强化，构件成形工艺少、成本低、精度高、稳定性好。
附图说明
图1为本发明中的铝合金壁板；其中1-12为壁板上力学性能的测试位置；
图2为所得的大曲率铝合金整体壁板构件的晶内(图2a)和晶界(图2b)的TEM图；
图3为应力和应变过程图，其中图3a为本发明中步骤B～步骤D的应力和应变过程图，图3b为现有技术中的蠕变时效应力和应变过程图；
图4为本发明中步骤B开始前对壁板进行真空处理的位置示意图；
图5为本发明中步骤B～D中壁板的形状改变过程图。
附图标记：21薄膜覆盖层，211抽气孔，22成形模具，221内凹面，222上平面，223孔槽结构，31壁板。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明做进一步解释，但本发明的范围并不限制于此。
本实施例中提供了一种可制备大曲率铝合金整体壁板构件的铝合金壁板(2219铝合金)，其成份如表1所示，壁板总尺寸为935mm×288mm，具体结构为如图1所示的三角形网格板件。图1中的6个小矩形代表对其进行力学性能测试的1～6共六个检测试样，其中7～12为不同位置的加强筋检测试样。
本实施例中，构件目标曲率半径为1620±5mm，使用的成形模具内凹面221的曲率半径为1405mm。
表1
步骤A中，固溶温度为490～550℃，固溶时间为40min～1h；且于15s内将所述壁板转移水冷淬火；步骤B中，壁板所处密封环境中温度为室温25℃、真空度为－0.1MPa～－0.05MPa、处理时间为30min；步骤C中的蠕变时效温度为165℃，真空度保持在－0.1MPa，时间为12h。步骤D卸载温度和压力后得到本发明中的大曲率铝合金壁板构件。使用光学扫描仪器测量得到构件成形后的曲率半径为1624.42mm，说明产品的精度控制在构件目标曲率半径的误差范围内。此外，在本发明步骤A中的固溶淬火完成后，优选本发明步骤A中还包括一个预拉伸的过程，例如对所述整体壁板预拉伸2％～2.2％，以消除淬火残余应力，使得经过步骤B～D后所得的大曲率铝合金整体壁板构件具有更好的性能。
表2
测试位置 抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 延伸率/％ 残余应力/MPa
1 449.22 365.48 10.33 8.26±11.51
2 450.17 374.62 11.07 6.25±7.12
3 452.45 372.08 9.2 3.15±10.20
4 448.08 370.03 9.5 3.9±9.39
5 467.35 379.47 8.63 13.49±10.3
6 464.49 372.44 10.3 7.71±8.25
7 476.24 386.42 13.7 9.09±8.14
8 451.1 367.24 9.83 6.85±11.99
9 454.14 371.58 12.9 20.17±7.67
10 446.79 365.04 13.27 13.11±9.38
11 465.57 385.21 13.4 5.63±12.85
12 451.99 369.18 14.36 23.16±10.31
平均值 456.47 373.23 11.37 10.06
目标值 >＝440 >＝350 >＝7 <＝50
表2中给出了目标构件的力学性能测试结果。在制备得到目标构件后，先在整板的图1所示的位置1～12处检测其残余应力值。再将目标构件分割取得试样后检测其抗拉强度、屈服强度和延伸率。
从表2数据可见，本发明得到的大曲率铝合金壁板构件上12个位置的力学性能均匀，且这些位置的力学性能测试值均达到了目标设计值；且本发明所得产品在成形精度和残余应力方面明显优于现有技术。这可以归因于本发明中步骤B的常温真空处理。在同等塑性变形条件下，假设壁板获得同样的能量和应变，常温属于自然时效范畴，高温属于人工时效范畴。从成形方面来说，相比高温下的人工时效，常温下的自然时效析出相析出缓慢，析出相的强化效果小，壁板变形抗力小。所以，同样用气体作为介质常温下真空处理可以增加壁板的成形极限。此外，常温下变形壁板内可以存储更高的能量，有利于后续的蠕变应力松弛时效作用，提高壁板成形精度和稳定性。从成性方面来说，常温下塑性变形先增加了大量位错和产生位错滑移现象，让后续的蠕变应力松弛时效的析出相优先在位错交接面形核，抑制了应力位相效应，提高了壁板整体性能。从工程应用方面来说，相比现有技术中热压罐内复杂热流和密闭环境，本发明在室外的步骤B中塑性变形拥有更简单的操作和控制成形的环境，更利于壁板高精度成形。具体地，因步骤B中抽真空的真空度是相对来说较难控制的环节，如果步骤B在热压罐中进行，则当真空度在步骤B和/或步骤C中未控制好时，容易产生精度不达标的废品。本发明中步骤B完全不需使用热压罐，因此，步骤B中在热压罐外抽真空步骤顺利实施则一般能确保步骤C中的真空度达标，如此可大大减小壁板构件的废品率。
图2给出了所得的大曲率铝合金壁板构件晶内和晶界的TEM图。从图2可知，构件晶相内析出相均匀，说明其析出相强化效果好。而晶界上析出相不连续，说明其抗腐蚀性较好。
图3为应力和应变过程图，其中图3a为本发明中步骤B～步骤D的应力和应变过程图，图3b为现有技术中的蠕变时效应力和应变过程图。从图3a可见，对应本发明的步骤B～D，本发明的应力和应变过程分为如下四段，1、从原点开始第一段斜向上的箭头代表真空处理下的弹性形变阶段，2、接下来向上趋平线段代表真空处理下的瞬时塑性形变阶段，3、接着竖直向下的箭头段代表蠕变应力松弛时效处理降低应力阶段，最后的斜向左下的箭头代表卸载阶段产生一定的回弹。而图3b表示的现有的蠕变时效中不涉及瞬时塑性形变阶段，只含有第1、3、4段，因此其带来的永久变形小；此外，现有技术中的蠕变时效所用的固溶淬火步骤和时效温度均与本发明步骤A和步骤C中所使用的固溶淬火步骤和时效温度基本一致。
图4为本发明中步骤B开始前对壁板进行真空处理的位置示意图。对所述壁板进行处理的设备主要包括薄膜覆盖层21和成形模具22。薄膜覆盖层21上含有抽气孔211，用于外接抽真空的管道和真空泵。所述成形模具22包括内凹面221、上平面222和孔槽结构223。上平面222的中间为空缺部位，两边为成形模具的肩部，壁板跨越空缺部位放置在上平面222的肩部(壁板也可以完全放在内凹面221中，具体是视壁板尺寸情况而定，该方式图中未示出)，壁板与内凹面221间形成一个内凹的空间，在壁板的长度方向或宽度方向上壁板与成形模具的肩部间留出空隙，以便壁板与内凹面间空气的抽出。用薄膜覆盖层21完全盖住壁板并覆盖成形模具的上平面222和内凹面221，将薄膜覆盖层21牢牢地粘接(例如用耐热双面胶)在所述成形模具的上平面和/或内凹面上，粘接痕迹可以为框型，但优选为两道或多道回型密封线(更优选的是在回型密封线的两条闭合线之间再设置有若干条加强粘贴效果的垂直线)，如此形成一个把壁板包在其中的密闭空间。对图4中多个抽气孔位置进行抽真空，例如可以同时使用多台真空泵，使得步骤B中密封空间内的气压至少比大气压低0.05MPa。在步骤B完成后，步骤C中条件a下，严格保持真空度在－0.1MPa；而步骤C中的条件b下，则可关闭部分真空泵或将真空泵的功率调低，使得步骤C中气压比大气压低0.01MPa以上即可。步骤D中，先降低铝合金壁板和成形模具温度至常温，继续保持真空状态不小于3h，最后卸载真空压力，壁板产生一定回弹得到本发明中的产品。成形模具中还含有用于步骤C中对变形壁板均匀加热的孔槽结构223，该结构的设置使得成形模具中的壁板受热均匀。
本实施例中提供的成形模具的内凹面221为曲率半径单一的二维圆柱曲面。本领域技术人员可以理解的，根据对产品曲率的需要，该内凹面221可以是多个不同曲率半径的二维曲面，同样也可以是一个或多个三维曲面(如蛋箱式曲面)。
图5为本发明中步骤B～D中壁板的形状改变过程图。其中图5a为步骤B之前壁板放在成型装置上的示意图，抽真空条件下，相当于对壁板施加了一个均匀向下的力。在步骤B中壁板先发生弹性形变变形至图中的虚线位置，再发生塑性形变至与成形模具的内凹面贴合。图5b为步骤C中的蠕变应力松弛时效过程中变形壁板所处的位置图，该过程中壁板内的应力松弛。图5c为步骤D中卸载(停止抽真空并拆除真空袋)后壁板回弹示意图，获得具有目标曲率和力学性能的构件。

Claims (10)

1.一种大曲率铝合金整体壁板构件的制备方法，包括，
步骤A，将铝合金整体壁板固溶淬火；
步骤B，真空处理：将步骤A得到的壁板置于由薄膜覆盖层(21)和成形模具(22)共同构成的密封环境中，在抽真空条件下壁板先后发生弹性形变和塑性形变得到变形壁板；壁板所处密封环境中温度为15～35℃、真空度为－0.1MPa～－0.05MPa、处理时间为5～60min；
步骤C，蠕变应力松弛时效：将步骤B中得到的变形壁板在温度为150～200℃、真空度为条件a或条件b下原位蠕变应力松弛时效，蠕变应力松弛时效时间为2h以上，
条件a，密封空间内真空度保持为－0.1MPa，且不对所述变形壁板施加其他压力，
条件b，密封空间内真空度为－0.1MPa～－0.01MPa，且使用热压罐对所述变形壁板施加压力，其中热压罐内气压为0.2～4MPa；
步骤D，卸载：步骤C中得到的变形壁板经温度和压力的卸载处理得到所述大曲率铝合金壁板构件。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述大曲率铝合金壁板构件的曲率半径为不小于600mm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述大曲率铝合金壁板构件的铝含量≥90％，且铝合金为可时效处理的铝合金。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤A中的固溶温度为490～550℃，固溶时间为40min～1h；且于15s内将所述壁板转移水冷淬火。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的制备方法，其特征在于，薄膜覆盖层(21)粘贴在所述成形模具(22)的上平面(222)和内凹面(221)形成密封。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述粘贴的胶迹为多道回型密封线。
7.根据权利要求1～4中任意一项所述的制备方法，其特征在于，薄膜覆盖层(21)上含有抽气孔(211)，且抽气孔个数为2个或以上。
8.根据权利要求1～4中任意一项所述的制备方法，其特征在于，成形模具的内凹面(221)的曲率半径为所述大曲率铝合金壁板构件的曲率半径的0.8～0.98倍。
9.根据权利要求1～4中任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述薄膜覆盖层(21)为厚度为0.2～1mm的氯乙烯塑料膜。
10.根据权利要求1～4中任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述成形模具(22)还含有用于步骤C中使得变形壁板加热均匀的孔槽结构(223)。
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