CN106048478A - 铝锂合金板材的成形强化方法、铝锂合金强化构件和模具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铝锂合金板材的成形强化方法，包括：将铝锂合金板材放入热处理炉中固溶处理，固溶温度为475‑525℃，固溶时间为30‑45min；将固溶后的所述铝锂合金板材在介质中进行淬火冷却；将淬火后的所述铝锂合金板材在室温下停留60‑180min，随后进行充液拉伸成形；将所获得的所述铝锂合金钣金件放入热处理炉中进行时效处理，时效温度为150‑165℃，时效时间为10‑25h中某一时间，最终得到铝锂合金强化构件。此方法避免了固溶后的热态坯料难以快速转移并快速成形的问题，规定了淬火态板料室温停留时间，避免PLC效应，提高成形质量，对设备要求低，生产效率高，具有很高的工程应用价值。本发明还提供由此得到的铝锂合金强化构件和相应模具。

Description

铝锂合金板材的成形强化方法、铝锂合金强化构件和模具

技术领域

本发明涉及一种铝锂合金板材的成形强化方法，还涉及一种由此铝锂合金板材的成形强化方法得到的铝锂合金强化构件，再涉及一种用于铝锂合金板材的成形强化方法的模具。

背景技术

铝锂合金作为一种特殊的铝合金材料，具有低密度、高强度、高模量以及优异的抗腐蚀性能，是航空航天工业中最具潜力的新型金属材料。相比于很多先进复合材料，铝锂合金具有明显的价格优势，是目前航空航天工业领域最理想的轻质高强材料。

目前铝锂合金的成形方式主要有：(1)、直接对铝锂合金实施时效成形法。由于时效成形是利用铝合金在弹性应力作用下于人工时效温度时发生蠕变变形得到具有一定形状和强度的结构件，其时间周期长，一般需要10h-30h，且对设备要求较高。(2)、冷成形后时效处理法。包括冷成形包括蒙皮拉伸成形、辊弯成形、框肋零件的橡皮囊成形、大型壁板的喷丸成形以及增量渐进成形等。其在成形前板材处于退火状态，通过“(退火态)成形-手工校形-淬火热处理-新淬火态校形-时效强化”的工艺流程制造的零件强度较低，组织性能不能满足要求，而且反复的“成形”和“手工校形”在回弹控制、加工效率以及固溶-时效工艺协调等方面都面临很多问题。

新淬火态成形是指对坯料固溶处理后在自然时效开始阶段进行成形的工艺。新淬火状态下板材具有良好的塑性，可进行各种成形加工和校形；可避免在零件成形后淬火热处理时加热和冷却引起的零件形状尺寸变化，获得尺寸精度高的零件。然而，淬火态铝锂合金板料对自然时效响应十分迅速，室温放置过程中，铝锂合金会因自然时效而发生材料强化，且在该过程中，其成形性能处于波动状态(可由图2获知)，并在一定阶段产生PLC效应(材料在一定的应变速率和温度范围内的拉伸试验中，表现出的锯齿形流变现象，并伴随有空间上可传播的应变局域化)，如图1所示。PLC效应的出现，在一定程度上降低铝锂合金的延展性，影响成形表面质量，并会导致合金耐腐蚀性能的下降。故如何选择铝锂合金淬火态的成形时间，已避免PLC效应的产生，并在较好的成形性能下实施塑性成形极为关键。

由于铝锂合金板料处于新淬火状态，材料成形性能相比于退火态及淬火态略有下降；由于充液拉深成形技术与普通冷冲压成形技术相比，能够获得成形极限高、尺寸精度高及表面质量好的零件，并且成形道次少，弥补了材料在新淬火态下塑性下降的缺陷。采用充液拉深成形技术对新淬火态铝锂合金板料进行成形，可一次性快速获得形状复杂的零件，并且铝锂合金板料在变形过程中获得大变形量，合金获得大量的位错及位错组态，使强化相在时效阶段弥散析出，达到强化效果。

2012年10月17日，中国发明专利申请CN102728693A公开了一种金属板材温热成形方法，该方法对成形设备要求较高，在实现金属板料差温成形过程中温度精确控制难以实施，且采用较高强度的固体介质颗粒对模具具有一定的磨损性。

2013年3月20日，中国发明专利申请CN102974675A公开了一种铝合金钣金件固溶水淬后热成形方法，采用固溶水淬处理后的铝合金板坯在热态模具内二次加热并合模压制成形，最后将成形后的钣金件进行时效强化处理。但是二次加热在模具内冷却，冷却速度慢，不利于获得过饱和固溶体，时效后零件强度无法达到要求；另外在成形过程中需要对模具加热并精确控制模具温度，对模具及成形设备要求较高。

2013年6月19日，中国发明专利申请CN103168111A公开了改进2XXX铝合金及其生产方法，其中涉及采用固溶处理后冷加工并实施时效处理的方法生产各种2XXX铝合金产品，例如薄板、板材和箔材，但并未能将铝合金实际成形为具有一定形状的零件。

发明内容

本发明利用铝锂合金淬火态具有优异成形性能的特点，通过合理的工艺控制，使铝锂合金在淬火态实现拉深成形的同时，避免PLC效应的产生；同时，基于铝锂合金变形行为对时效强化的影响特点，根据铝锂合金拉深构件的变形行为，制定其时效强化方案，使其获得损伤容限优异的成形构件。其目的在于提供一种铝锂合金钣金件新淬火态成形及强化方法，旨在解决现有技术中铝锂合金板材成形方法设备成本大、加工效率低、成形质量差、时效强化工艺复杂等技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种铝锂合金板材的成形强化方法，包括以下步骤：

1)、将铝锂合金板材放入热处理炉中固溶处理，固溶温度为475℃-525℃中某一温度，固溶时间为30min-45min中某一时间；

2)、将固溶后的所述铝锂合金板材在介质中进行淬火冷却；

3)、将淬火后的所述铝锂合金板材在室温下停留60min-180min中某一时间，随后进行充液拉伸成形；

4)、将经步骤3)所获得的所述铝锂合金钣金件放入热处理炉中进行时效处理，时效温度为150℃-165℃中某一温度，时效时间为10h-25h中某一时间，最终得到铝锂合金强化构件。

较优选地，在上述步骤2)中，淬火冷却处理的淬火介质为水或聚合物水溶液。

较优选地，在对所述铝锂合金板材进行充液拉伸成形后，对成形后的所述铝锂合金钣金件进行清洗。

较优选地，上述步骤3)中将淬火态铝锂合金板材进行充液拉伸成形过程为：

a)、在液室内充满液体，将所述铝锂合金板材放置在凹模端面上；

b)、通过压边圈施加压边力将所述铝锂合金板材压紧，然后凸模向下运动，将所述铝锂合金板材压入所述液室内；

c)、所述液室内压力升高，使所述铝锂合金板材紧贴在凸模上，使之拉伸成形为相应尺寸和形状的铝锂合金钣金件。

较优选地，所述铝锂合金钣金件形状为圆筒形、盒形或半球形。

较优选地，在上述步骤4)中，所进行的时效处理包括至少以下两个阶段：第一阶段为时效升温过程，第二阶段为时效保持过程。

较优选地，在进行的时效处理的第一阶段的时效升温过程中，升温速率为5℃/min-10℃/min中某一速率。

与此同时，本发明还提供了一种根据上述的铝锂合金板材的成形强化方法得到的铝锂合金强化构件。

与此同时，本发明还提供了一种用于上述的铝锂合金板材的成形强化方法的模具，包括：

凸模；

凹模，所述凹模的内凹部能够容纳所述凸模的外凸部，并且所述凹模的内凹部与所述凸模的外凸部的形状相配，所述凹模的内凹部为液室，所述凹模设置有用于所述液室中流体的流出的流体流出孔和用于控制流体流出的控制阀；

压边圈，所述压边圈设置在所述凸模的外部，并且能沿着所述凸模上下滑动，所述铝锂合金板材能够被夹紧在所述压边圈的下表面与所述凹模外圈的上表面之间。

较优选地，所述凹模的内凹部的形状为圆筒形、盒形或半球形。

本发明的有益效果在于以下几个方面：

先对铝锂合金板材进行固溶处理，然后在新淬火态成形，有效地避免了固溶后的热态坯料难以快速转移并快速成形的问题；

规定了淬火态板料室温停留时间，避免PLC效应，提高成形质量；

在塑性变形过程中铝锂合金发生形变强化，后续时效处理有助于沉淀硬化，能够获得符合强度要求的铝锂合金构件；

采用“淬火-成形-时效强化”的方法，可以实现铝锂合金钣金零件的快速制造，减少矫形次数、提高成形质量；

对设备要求低，生产效率高，具有很高的工程应用价值。

附图说明

图1是铝锂合金在室温停留不同时间的PLC效应的应力-应变的变化示意图。其中，真实应力-应变曲线上表现出的锯齿形流变现象即为PLC效应。

图2是铝锂合金在淬火态成形性能在室温下停留不同时间的成形性能参数变化图。

图3是本发明的铝锂合金板材的成形强化方法的过程示意图。其中，纵轴为温度轴，T1为固溶温度，T2为时效温度，RT为室温(Room Temperature)，横轴为时间轴。

图4是本发明的用于铝锂合金板材的成形强化方法的模具的结构示意图。

图5是本发明的第一个实施例中的圆筒形铝锂合金钣金件的形状示意图。

图6是本发明的第二个实施例中的盒形铝锂合金钣金件的形状示意图。

图7是本发明的第三个实施例中的半球形铝锂合金钣金件的形状示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实例对本发明作进一步详细的说明。为了论述的方便，采用“上”、“下”、“左”、“右”对各个示意图中的方位进行指示，有利于论述的展开。以下的各实施例为优选实施例。

实施例1：结合图3、图4和图5所示。

在此优选实施例中，如图4和图5所示，本发明提供了一种用于上述铝锂合金板材的成形强化方法的模具，包括：

凸模5；

凹模3，凹模3的内凹部能够容纳所述凸模5的外凸部，并且凹模3的内凹部与凸模5的外凸部的形状相配，凹模3的内凹部为液室4，凹模3的底部设置有用于液室4中流体的流出的流体流出孔和用于控制流体流出的控制阀(图中未示出)；

压边圈1，压边圈1设置在凸模5的外部，并且能沿着凸模5上下滑动，铝锂合金板材2能够被夹紧在压边圈1的下表面与凹模3外圈的上表面之间；

凹模3的内凹部的形状为圆筒形。

需要指出的是，此处的图4为侧面剖视图，因此从侧面观察，凸模5的侧面视图呈长方形。如果从竖直方向向下进行观察，凸模的截面呈圆形。换而言之，凸模5呈圆柱状，液室4呈空心圆柱形，两者形状相配。因此，能够获得圆筒形的铝锂合金钣金件和铝锂合金强化构件。

有了上述模具之后，做好预备工作：采用2mm厚的2060铝锂合金板材，线切割直径为162mm的铝锂合金圆形板材2。

然后，采用本发明提供的铝锂合金板材的成形强化方法，包括以下步骤：

1)、将铝锂合金板材2放入热处理炉中固溶处理，固溶温度为475℃，固溶时间为45min(如图3所示的A-B段)；

2)、将固溶后的铝锂合金板材2取出，置于水中淬火冷却(如图3所示的B-C段)；

3)、将淬火后的铝锂合金板材2在室温下停留60min(如图3所示的C-D段)，

随后按如下步骤进行充液拉伸成形(如图3所示的D-D’段)，其目的是为了避免PLC效应产生：

a)、在液室4内充满液体，将铝锂合金板材2放置在凹模3端面上；

b)、通过压边圈1施加压边力将铝锂合金板材2压紧，然后凸模5向下运动，将铝锂合金板材压2入液室4内；

c)、液室内压力4升高，使铝锂合金板材2紧贴在凸模5上，使之拉伸成形为直径为100mm，高为40mm的圆筒形的铝锂合金钣金件，此时的铝锂合金钣金件获得了形变强化；

d)、取出铝锂合金钣金件，并对成形后的所述铝锂合金钣金件进行清洗；

4)、将经步骤3)所获得的铝锂合金钣金件放入热处理炉中进行时效处理，时效温度为150℃，时效时间为25h(如图3所示的D’-E-F段)，其中，时效处理包括第一阶段和第二阶段，第一阶段为时效升温过程，升温速率为5℃/min(如图3所示的D’-E段)，第二阶段为时效保持过程(如图3所示的E-F段)，最终得到时效强化的圆筒形的铝锂合金强化构件。

值得注意的是，图3是示意性的，也就是说，其横轴上的各个阶段的时间并不与真实情况下的时间呈线性比例关系，只是为了说明各个阶段的趋势情况。同样值得注意的是，为了显示出上述步骤3)中的充液拉伸成形过程的起点D与终点D’的差别，在图3上特意把D与D’画得明显分开，在实际情况中，上述的充液拉伸成形过程的起点D与终点D’的相隔时间是可长可短的，如果相隔时间很短(相比于C-D的时间或D’-E-F的时间)，那么D与D’就非常接近，在这种情况下，可以近似认为，D与D’是重合的。

实施例2：结合图3、图4和图6所示。

在此优选实施例中，如图4和图5所示，本发明提供了一种用于上述铝锂合金板材的成形强化方法的模具，包括：

凸模5；

凹模3，凹模3的内凹部能够容纳所述凸模5的外凸部，并且凹模3的内凹部与凸模5的外凸部的形状相配，凹模3的内凹部为液室4，凹模3的底部设置有用于液室4中流体的流出的流体流出孔和用于控制流体流出的控制阀(图中未示出)；

压边圈1，压边圈1设置在凸模5的外部，并且能沿着凸模5上下滑动，铝锂合金板材2能够被夹紧在压边圈1的下表面与凹模3外圈的上表面之间；

凹模3的内凹部的形状为盒形。

需要指出的是，此处的图4为侧面剖视图，因此从侧面观察，凸模5的侧面视图呈长方形。如果从竖直方向向下进行观察，凸模的截面也呈长方形。换而言之，凸模5呈长方体柱形，液室4呈空心长方体柱形，两者形状相配。因此，能够获得盒形的铝锂合金钣金件和铝锂合金强化构件。

有了上述模具之后，做好预备工作：采用2mm厚的2198铝锂合金板材，线切割长度为160mm的铝锂合金正方形板材2。

然后，采用本发明提供的铝锂合金板材的成形强化方法，包括以下步骤：

1)、将铝锂合金板材2放入热处理炉中固溶处理，固溶温度为500℃，固溶时间为30min(如图3所示的A-B段)；

2)、将固溶后的铝锂合金板材2取出，置于聚合物水溶液中淬火冷却(如图3所示的B-C段)；

3)、将淬火后的铝锂合金板材2在室温下停留120min(如图3所示的C-D段)，

随后按如下步骤进行充液拉伸成形(如图3所示的D-D’段)，其目的是为了避免PLC效应产生：

a)、在液室4内充满液体，将铝锂合金板材2放置在凹模3端面上；

b)、通过压边圈1施加压边力将铝锂合金板材2压紧，然后凸模5向下运动，将铝锂合金板材压2入液室4内；

c)、液室内压力4升高，使铝锂合金板材2紧贴在凸模5上，使之拉伸成形为正方形边长为100mm，高为40mm的盒形的铝锂合金钣金件，此时的铝锂合金钣金件获得了形变强化；

d)、取出铝锂合金钣金件，并对成形后的所述铝锂合金钣金件进行清洗；

4)、将经步骤3)所获得的铝锂合金钣金件放入热处理炉中进行时效处理，时效温度为165℃，时效时间为10h(如图3所示的D’-E-F段)，其中，时效处理包括第一阶段和第二阶段，第一阶段为时效升温过程，升温速率为10℃/min(如图3所示的D’-E段)，第二阶段为时效保持过程(如图3所示的E-F段)，最终得到时效强化的盒形的铝锂合金强化构件。

值得注意的是，图3是示意性的，也就是说，其横轴上的各个阶段的时间并不与真实情况下的时间呈线性比例关系，只是为了说明各个阶段的趋势情况。同样值得注意的是，为了显示出上述步骤3)中的充液拉伸成形过程的起点D与终点D’的差别，在图3上特意把D与D’画得明显分开，在实际情况中，上述的充液拉伸成形过程的起点D与终点D’的相隔时间是可长可短的，如果相隔时间很短(相比于C-D的时间或D’-E-F的时间)，那么D与D’就非常接近，在这种情况下，可以近似认为，D与D’是重合的。

实施例3：结合图3、图4和图7所示。

在此优选实施例中，如图4和图7所示，本发明提供了一种用于上述铝锂合金板材的成形强化方法的模具，包括：

凸模5；

凹模3，凹模3的内凹部能够容纳所述凸模5的外凸部，并且凹模3的内凹部与凸模5的外凸部的形状相配，凹模3的内凹部为液室4，凹模3的底部设置有用于液室4中流体的流出的流体流出孔和用于控制流体流出的控制阀(图中未示出)；

压边圈1，压边圈1设置在凸模5的外部，并且能沿着凸模5上下滑动，铝锂合金板材2能够被夹紧在压边圈1的下表面与凹模3外圈的上表面之间；

凹模3的内凹部的形状为半球形。

需要指出的是，此处的图4并未示出半球形的凸模5的侧面剖视图，因为本领域技术人员结合图7，容易理解，半球形的凸模5的侧面观察形状为半圆形，因此不再赘图。如果从竖直方向向下进行观察，凸模的截面呈圆形。换而言之，凸模5呈半球形，液室4呈空心半球形，两者形状相配。因此，能够获得半球形的铝锂合金钣金件和铝锂合金强化构件。

有了上述模具之后，做好预备工作：采用2mm厚的2197铝锂合金板材，线切割长度为106mm的铝锂合金圆形板材2。

然后，采用本发明的铝锂合金板材的成形强化方法，包括以下步骤：

1)、将铝锂合金板材2放入热处理炉中固溶处理，固溶温度为525℃，固溶时间为38min(如图3所示的A-B段)；

2)、将固溶后的铝锂合金板材2取出，置于聚合物水溶液中淬火冷却(如图3所示的B-C段)；

3)、将淬火后的铝锂合金板材2在室温下停留180min(如图3所示的C-D段)，

随后按如下步骤进行充液拉伸成形(如图3所示的D-D’段)，其目的是为了避免PLC效应产生：

a)、在液室4内充满液体，将铝锂合金板材2放置在凹模3端面上；

b)、通过压边圈1施加压边力将铝锂合金板材2压紧，然后凸模5向下运动，将铝锂合金板材压2入液室4内；

c)、液室内压力4升高，使铝锂合金板材2紧贴在凸模5上，使之拉伸成形为直径为50mm，高为30mm的半球形的铝锂合金钣金件，此时的铝锂合金钣金件获得了形变强化；

d)、取出铝锂合金钣金件，并对成形后的所述铝锂合金钣金件进行清洗；

4)、将经步骤3)所获得的铝锂合金钣金件放入热处理炉中进行时效处理，时效温度为160℃，时效时间为15h(如图3所示的D’-E-F段)，其中，时效处理包括第一阶段和第二阶段，第一阶段为时效升温过程，升温速率为7.5℃/min(如图3所示的D’-E段)，第二阶段为时效保持过程(如图3所示的E-F段)，最终得到时效强化的半球形的铝锂合金强化构件。

值得注意的是，图3是示意性的，也就是说，其横轴上的各个阶段的时间并不与真实情况下的时间呈线性比例关系，只是为了说明各个阶段的趋势情况。同样值得注意的是，为了显示出上述步骤3)中的充液拉伸成形过程的起点D与终点D’的差别，在图3上特意把D与D’画得明显分开，在实际情况中，上述的充液拉伸成形过程的起点D与终点D’的相隔时间是可长可短的，如果相隔时间很短(相比于C-D的时间或D’-E-F的时间)，那么D与D’就非常接近，在这种情况下，可以近似认为，D与D’是重合的。

通过上述三个实施例，本领域技术人员能够知道，根据不同的需要成形强化的铝锂合金板材的具体形状，可以根据需要，对各种温度和各种时间进行相应设定，以最有利于此种形状的铝锂合金强化构件的获得。

本发明的有益效果在于以下几个方面：

先对铝锂合金板材进行固溶处理，然后在新淬火态成形，有效地避免了固溶后的热态坯料难以快速转移并快速成形的问题；

规定了淬火态板料室温停留时间，避免PLC效应，提高成形质量；

在塑性变形过程中铝锂合金发生形变强化，后续时效处理有助于沉淀硬化，能够获得符合强度要求的铝锂合金构件；

采用“淬火-成形-时效强化”的方法，可以实现铝锂合金钣金零件的快速制造，减少矫形次数、提高成形质量；

对设备要求低，生产效率高，具有很高的工程应用价值。

对实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。综上所述仅为发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims (10)

1.一种铝锂合金板材的成形强化方法，包括以下步骤：

1)、将铝锂合金板材放入热处理炉中固溶处理，固溶温度为475℃-525℃中某一温度，固溶时间为30min-45min中某一时间；

2)、将固溶后的所述铝锂合金板材在介质中进行淬火冷却；

3)、将淬火后的所述铝锂合金板材在室温下停留60min-180min中某一时间，随后进行充液拉伸成形；

4)、将经步骤3)所获得的所述铝锂合金钣金件放入热处理炉中进行时效处理，时效温度为150℃-165℃中某一温度，时效时间为10h-25h中某一时间，最终得到铝锂合金强化构件。

2.根据权利要求1中所述的铝锂合金板材的成形强化方法，其特征在于，在上述步骤2)中，淬火冷却处理的淬火介质为水或聚合物水溶液。

3.根据权利要求1中所述的铝锂合金板材的成形强化方法，其特征在于，在对所述铝锂合金板材进行充液拉伸成形后，对成形后的所述铝锂合金钣金件进行清洗。

4.根据权利要求1中所述的铝锂合金板材的成形强化方法，其特征在于，上述步骤3)中将淬火态铝锂合金板材进行充液拉伸成形过程为：

a)、在液室内充满液体，将所述铝锂合金板材放置在凹模端面上；

b)、通过压边圈施加压边力将所述铝锂合金板材压紧，然后凸模向下运动，将所述铝锂合金板材压入所述液室内；

c)、所述液室内压力升高，使所述铝锂合金板材紧贴在凸模上，使之拉伸成形为相应尺寸和形状的铝锂合金钣金件。

5.根据权利要求4中所述的铝锂合金板材的成形强化方法，其特征在于，所述铝锂合金钣金件形状为圆筒形、盒形或半球形。

6.根据权利要求1-5中任一种所述的铝锂合金板材的成形强化方法，其特征在于，在上述步骤4)中，所进行的时效处理包括至少以下两个阶段：第一阶段为时效升温过程，第二阶段为时效保持过程。

7.根据权利要求6中所述的铝锂合金板材的成形强化方法，其特征在于，在进行的时效处理的第一阶段的时效升温过程中，升温速率为5℃/min-10℃/min中某一速率。

8.根据权利要求1-7中任一种所述的铝锂合金板材的成形强化方法得到的铝锂合金强化构件。

9.一种用于权利要求1-7中任一种所述的铝锂合金板材的成形强化方法的模具，其特征在于，包括：

凸模；

凹模，所述凹模的内凹部能够容纳所述凸模的外凸部，并且所述凹模的内凹部与所述凸模的外凸部的形状相配，所述凹模的内凹部为液室，所述凹模设置有用于所述液室中流体的流出的流体流出孔和用于控制流体流出的控制阀；

压边圈，所述压边圈设置在所述凸模的外部，并且能沿着所述凸模上下滑动，所述铝锂合金板材能够被夹紧在所述压边圈的下表面与所述凹模外圈的上表面之间。

10.根据权利要求9中所述的模具，其特征在于，所述凹模的内凹部的形状为圆筒形、盒形或半球形。