CN106170577B - 由板材金属合金成形零件的方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种由板材金属合金成形零件的方法，例如，由铝合金成形零件的方法。该方法包括加热(A)板材金属合金至发生合金的固溶热处理的温度，从而实现固溶热处理。以至少合金的临界冷却速率冷却(B)板材，然后将板材放在模具之间，以使其成形(C)为零件或朝向零件成形(C)。

Description

由板材金属合金成形零件的方法

技术领域

本发明涉及由板材金属合金成形零件。在实施方案中，其涉及由铝合金成形零件。

背景技术

通常希望由与部件的最终用途兼容的很少的零件制造用于汽车和航空航天应用中的那些部件。一种制造满足这种要求的零件的方法是使用模组将单个金属板材成形为零件。然而，可以以这种方式成形的零件的形状复杂度受到在模组中成形的板材金属的机械性质的限制。一方面，其可能非常易碎；另一方面，其可能非常易延展(ductile)。在任一种情况下，可成形性都将受到限制。之前，本发明人发现将金属板材固溶热处理然后使其在冷模组中快速成形为零件改善金属的可成形性，从而允许由单个板材制造更复杂形状的部件。因此，这样的部件不再需要被成形为多零件总成。

该方法公开于WO 2010/032002A1中，其公开了一种使用固溶热处理、冷模成形和淬火(HFQ(RTM))工艺成形铝合金板材部件的方法。金属合金板材经受这样的处理时的金属合金板材温度示于图1中。大体而言，该目前的HFQ(RTM)工艺涉及以下步骤：

(A)将板材金属工件预热至该金属的固溶热处理(SHT)温度范围，或高于该温度范围；

(B)在预热温度下均热处理(soak)工件，以使材料能够被完全固溶热处理；

(C)将工件转移至冷模组，并且在可能的最高温度下且以高成形速度快速成形；

(D)将成形的零件保持在冷模组中用于快速冷却(冷模淬火)，以得到后成形强度需要的过饱和固溶体(SSSS)材料微结构；和

(E)将成形的零件人工老化或自然老化，以得到提高的可热处理材料的强度。

在C阶段，工件是在接近于SHT温度的温度下成形的，以使材料的高可延展性能够用于零件的成形中。在该高温下，工件非常柔软，可延展和易变形。尽管该方法因此比更早期的方法具有某些优点，包括能够成形具有高后成形强度需要的SSSS微结构的形状复杂的零件(复杂零件)，但是其还具有某些缺点。现在将描述这些缺点。

当工件接近其SHT温度时，其是脆弱的(weak)。在复杂零件成形期间，工件的某些区域被模具约束，而其它区域被迫溢出模具。材料从仍被保持在模具中的区域到正被冲压(stamp)的区域的流动受到限制。这可以导致工件局部变薄和撕裂。这是因为成形工艺较少受益于应变硬化(strain hardening)的作用，其在较高的温度下更弱，尤其在铝合金情况下。应变使金属硬化，使得工件已经变形的区域变得更硬且因此更坚固。这增加了这些变形的区域牵拉区域中的其它材料和将该材料拉入模具中的能力。金属被拉拔是其本身形变且因此硬化。整个板材的形变和硬化阻止局部变薄，和导致更均匀的变形。应变硬化越大，均匀变形的倾向越大。在仅微弱应变硬化的情况下，变形位于高延展性区域并且拉入受限，因此局部变薄的发生率和失效可因此增加。这削弱了可成形性。为了提高在该工艺中的可成形性和强度，以非常高的速度在模具中成形工件，以便通过最大化应变率硬化(strainrate hardening)作用来补偿高温下较弱的应变硬化。

对用以增加延展性的高温和用以增大应变硬化和应变率硬化的高成形速度的需要可以导致以下问题：

(i)将大量的热从工件转移到模组。因为成形工艺需要这些模具保持在低温下，以实现得到SSSS微结构所需的淬火速率，所以它们不得不在表面上或通过携带冷却剂的内部管道(或其它方式)被人工冷却。重复的热循环可以导致这些模具更快的退化和磨损。

(ii)对于HFQ成形的零件的批量生产，将模具冷却的需要使这些模具的设计、操作和维护复杂化，并且增加模组成本。

(iii)模具中的保压压力和时间更高，因为成形的零件不得不保持在这些模具之间，直到其被冷却至希望的温度。与具有更低成形时间和压力的方法相比，这使用更多的能量且降低成形效率和因此降低生产率。

(iv)当在成形期间关闭这些模具时，高成形速度可以引起显著的冲击负载(impact load)。重复的负载可以导致对这些模具的破坏和磨损。其也可以使得必须使用高延展性模具材料，这增加模组成本。

(v)该工艺需要专门的高速液压机，以提供合模力(die closing force)。这些液压机昂贵，这限制了HFQ工艺的应用。

将希望解决目前的HFQ工艺的这些问题中的至少一些问题。

发明概述

根据本发明的第一方面，提供了一种由板材金属合金成形零件的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)将所述板材加热至发生合金的固溶热处理的温度，以便实现固溶热处理；

(b)以至少合金的临界冷却速率冷却所述板材；和然后

(c)将所述板材放置在模具之间，以使其成形为复杂零件或朝复杂零件成形。

[材料]

该板材可以是由铝合金制成的。该板材可以是由AA5XXX合金制成的。该板材可以是由AA6XXX合金制成的。该板材可以是由AA7XXX合金制成的。其可以是由铝合金6082制成的。该板材可以是由镁合金制成的。其可以是由钛合金制成的。该板材可以是由在成形之前需要固溶热处理的任意合金制成的。该板材可以是由回火合金制成的。该板材可以是由非回火合金制成的。该板材可以是由退火合金制成的。

[步骤(a)]

[SHT温度]

步骤(a)中加热板材达到的温度将取决于合金和取决于成品零件的应用。存在可以实现固溶热处理(SHT)的温度范围。该范围的下端可以是合金的固溶温度(solvustenperature)。可以将固溶温度定义为以下温度：在该温度下，板材中将沉淀的合金元素成为固溶体或开始成为固溶体。该范围的上端可以是合金的固相线温度(solidustemperature)。可以将固相线温度定义为以下温度：在该温度下，板材中的合金元素沉淀。步骤(a)可以包括将板材加热到至少合金中的沉淀溶解的温度。当板材金属合金是铝合金6082时，步骤(a)可以包括将板材加热到520℃-575℃(575℃是铝合金6082的固相线温度)。当板材金属合金是铝合金6082时，步骤(a)可以包括将板材加热到520℃-565℃。当板材金属合金是铝合金6082时，步骤(a)可以包括将板材加热到520℃-540℃。当板材金属合金是回火铝合金6082时，步骤(a)可以包括将板材加热至525℃。当板材金属合金是AA5XXX合金时，步骤(a)可以包括将板材加热到480℃-540℃。当板材金属合金是AA7XXX合金时，步骤(a)可以包括将板材加热到460℃-520℃。

[均热处理]

步骤(a)可以包括将板材加热至发生合金的固溶热处理的温度范围内的温度，和将其保持在该温度范围内至少15秒。当板材是由回火金属合金制成的时，步骤(a)可以包括将板材保持在该温度范围内15至25秒。当板材是由回火金属合金制成的时，步骤(a)可以包括将板材保持在该温度范围内至少一分钟。当板材是由非回火金属合金制成的时，步骤(a)可以包括将板材保持在该温度范围内至少五分钟。将板材保持在其固溶热处理温度范围内使合金元素溶解成金属基体。

[效果]

通过在其成形之前将板材固溶热处理，可以得到与没有SHT步骤的方法中相比更高的可延展性。

[步骤(b)]

该方法与WO2010/032002A1部分中描述的方法的不同之处至少在于：其包括在将板材加热至发生固溶热处理(SHT)的温度之后，将板材放置于模具之间之前，以至少合金的临界冷却速率冷却板材的步骤(b)。

[冷却速率]

步骤(b)的临界冷却速率根据合金而有所不同。步骤(b)可以包括以至少避免合金中的微结构沉淀的速率冷却所述板材。在临界冷却速率下或在临界冷却速率以上冷却避免在晶粒边界处形成粗沉淀，这可以降低后成形强度。当板材金属合金是具有第一质量分数的Mg和Si的铝合金时，步骤(b)可以包括以至少10℃每秒冷却板材。步骤(b)可以包括以至少20℃每秒冷却板材。当板材金属合金是具有比第一质量分数的Mg和Si更高的第二质量分数的Mg和Si的铝合金时，步骤(b)可以包括以至少50℃每秒冷却板材。当板材金属合金是铝合金6082时，以至少该速率的冷却避免金属中的粗沉淀。步骤(b)可以包括在板材上一个或多个位置处测量板材的温度。可以连续或间隔地测量温度或多个温度。步骤(b)可以包括基于测量的温度或多个测量的温度控制板材冷却速率。

[冷却的持续时间]

步骤(b)可以包括冷却板材少于10秒。步骤(b)可以包括冷却板材少于5秒。步骤(b)可以包括冷却板材少于3秒。步骤(b)可以包括冷却板材少于2秒。步骤(b)可以包括冷却板材少于1秒。步骤(b)可以包括冷却板材少于0.5秒。步骤(b)可以包括冷却板材少于0.1秒。当板材金属合金是AA6082时，步骤(b)可以包括冷却板材1秒至3秒。

[目标温度]

步骤(b)可以包括冷却板材直至达到目标温度。冷却板材的步骤(b)可以包括冷却整块板材至基本上相同的温度。

在步骤(c)之前将板材冷却达到的目标温度取决于待成形的零件的形状、成形其的材料和成品零件需要的机械性能。可以将板材冷却至仍允许成形零件的最低温度。可以将板材冷却至仍允许成形零件使得其具有希望的特性的最低温度。例如，如果将板材冷却至太低的温度，会发生不可接受的回弹(spring-back)。可以将板材冷却至以下最低温度：该最低温度使零件能够承受在成形期间其将经受的最大应力而没有失效。可以将板材冷却到50℃-300℃。可以将板材冷却到100℃-250℃。可以将板材冷却到150℃-200℃。可以将板材冷却到200℃-250℃。当板材由铝合金6082成形时，可以将板材冷却到200℃-300℃。当板材由铝合金6082成形时，可以将板材冷却至300℃。

[冷却方式]

设想通过一些人工方式而非仅通过环境静止空气冷却板材。步骤(b)可以包括施加冷却介质至板材。步骤(b)可以包括将冷却介质引导向经加热的板材。

[通过流体冷却]

冷却介质可以是流体。流体可以是气体，例如空气。流体可以是液体，例如水。流体可以包括气体和液体，例如空气和水。可以将流体作为加压的流体流引导。可以将流体作为喷射流引导。可以将流体作为喷雾引导。可以采用使得以至少合金的临界冷却速率冷却板材的持续时间、温度和/或质量流量引导流体。

[通过固体冷却]

冷却介质可以是比空气具有更高热导率的固体。冷却介质可以是比水具有更高热导率的固体。可以采用使得以至少合金的临界冷却速率冷却板材的压力和/或持续时间施加固体。固体可以是铜转移夹具(copper transfer grip)。固体可以是淬火块(quenchingblock)。固体可以是传导板(conductive plate)。固体可以包括布置成有助于将板材定位于块上的可伸缩滚筒。固体可以包括布置成至少部分地与板材接触的表面，该表面限定至少一个开口，所述至少一个开口被布置成连接至真空单元使得所述至少一个开口中的压力小于大气压力。以此方式，可以通过所述至少一个开口中的负计示压力将板材保持在固体上。固体可以包括双金属片，该双金属片被布置成：当该片达到在步骤(c)之前将板材冷却达到的温度时，从固体至少部分地提升板材。可以施加负载至固体，以增大固体对板材的压力。

[对流冷却]

步骤(b)可以包括将板材转移至温度控制室。可以将温度控制室布置成以至少合金的临界冷却速率冷却板材。温度控制室可以处于300℃以下的温度。温度控制室可以处于250℃的温度或低于250℃的温度。温度控制室可以处于200℃的温度或低于200℃的温度。温度控制室可以处于150℃的温度或低于150℃的温度。温度控制室可以处于100℃的温度或低于100℃的温度。温度控制室可以处于50℃的温度或低于50℃的温度。步骤(b)可以包括将板材保持至温度控制室直至达到目标温度。

[非均匀冷却]

冷却板材的步骤(b)可以包括选择性地将板材的至少一个区域冷却至与板材的其余部分不同的温度。步骤(b)可以包括选择性地将板材的至少第一区域冷却至第一温度，所述第一温度低于将所述板材的至少第二区域冷却达到的第二温度。换言之，冷却可以是不均匀的。以此方式，可以根据这些区域中模具的几何结构的复杂性来选择至少第一和第二区域被冷却达到的温度。例如，被冷却至第一温度的第一区域可以是以下板材区域，在所述板材区域中需要比在第二区域中更高的强度以防止发生局部变薄。可以根据这些区域将在模具中经受的力来选择至少第一和第二区域被冷却达到的温度，或者可以根据一旦成形这些区域在使用中将经受的力来选择至少第一和第二区域被冷却达到的温度。可以选择至少第一和第二区域被冷却达到的温度，以提供受控的由工件成形的零件的失效。被冷却至第一温度的第一区域可以是比被冷却至第二温度的第二区域更厚的板材区域。步骤(b)可以包括选择性地将板材的至少一个区域冷却至与板材的至少第二区域不同的温度，使得成品零件具有至少一个区域，其相对于板材的至少一个第二区域具有降低的强度和/或升高的可延展性。这提供在碰撞条件下受控的成品零件失效。

[通过流体的非均匀冷却]

当冷却是不均匀的和将冷却流体引导向经加热的板材时，可以用更长的持续时间、更低的温度和/或更大的质量流量将流体引导至板材的第一区域，以将其冷却至第一温度，所述第一温度低于所述板材的至少第二区域被冷却达到的第二温度。

[通过固体的非均匀冷却]

当冷却是不均匀的和将具有比空气更高的热导率的固体施加至板材时，步骤(b)可以包括通过以比施加至第二区域更大的压力将固体施加至第一区域，选择性地将板材的至少第一区域冷却至第一温度，所述第一温度低于所述板材的至少第二区域被冷却达到的第二温度。

所述固体可以包括布置成与所述板材接触的表面，该表面的至少一个第一区域相对于至少一个第二区域是凸出的(in relief)。以此方式，当将固体施加至板材时，与所述至少一个第二区域相比，所述至少一个第一区域用更大的压力与板材接触。步骤(b)可以包括：通过将固体施加至第一区域而不施加至第二区域，选择性地将所述板材的至少所述第一区域冷却至第一温度，所述第一温度低于将所述板材的至少所述第二区域冷却达到的第二温度。固体可以包括布置成至少部分地接触板材的表面。也就是说，表面的至少部分可以布置成接触板材的至少部分。表面可以由具有第一热导率的第一材料和具有比第一热导率更低的第二热导率的第二材料形成。以此方式，当表面与板材接触时，第一材料将比第二材料更快地冷却板材。

当固体包括布置成接触板材的表面，该表面限定至少一个开口，所述至少一个开口布置成连接至真空单元使得所述至少一个开口中的压力低于大气压力时，步骤(b)可以包括操作真空单元，以在第一开口中施加小于第二开口中的第二压力的第一压力，第一压力和第二压力小于大气压力。以此方式，与邻近第二开口的板材区域相比，将用更大的力将邻近第一开口的板材区域牵拉至板材，使得第一区域比第二区域更快被固体冷却。

[冷却之处]

步骤(b)可以包括在冷却站处的表面上冷却板材。冷却站可以形成布置成转移板材至模具的装置的部分。步骤(b)可以包括在正将板材转移至模具时冷却板材。其可以包括在将板材保持在夹具中以用于将板材从炉转移至模具的同时冷却板材。步骤(b)可以包括在模具中冷却板材。当步骤(b)包括在模具中冷却板材时，这些模具可以被布置成将流体引导向板材。可以使用流体清洁这些模具。

[效果]

通过以至少合金的临界冷却速率冷却板材(在将板材加热至其SHT温度范围内之后且在将板材放置在这些模具之间之前)，避免了合金中的微结构沉淀，并且与没有冷却步骤(b)的方法相比，板材当其被放在模具中时更冷。因此，与WO2010/032002A1中描述的目前的HFQ(RTM)方法相比，可以在更低的温度下成形板材。因为板材是在更低的温度下成形的，所以其强度将更高，且应变硬化效应更大，有助于更大的材料引入。换言之，应变硬化效应导致板材的变形更加均匀，变形的区域变得更坚固，导致在其它区域发生变形，其它区域转而又变得更坚固。这降低局部变薄的可能性，增强板材的可成形性。因此，给目前的HFQ(RTM)方法引入冷却步骤(b)使HFQ(RTM)成形的益处得以进一步增强，同时减少其缺陷。

以至少合金的临界冷却速率冷却板材的特征因此增加成形零件的强度，同时保持足够的板材可延展性，以使其得以成形。

[步骤(c)]

在将板材放置在模具之间以使其成形为复杂零件或朝向复杂零件成形的步骤(c)中，可以将模具成形为导致(account for)板材的局部变薄。换言之，可以将布置成接触板材的模具的表面成形为遵循所成形零件的厚度轮廓。这些模具可以是冷模具。这些模具可以被冷却。因此，可以在模具中对板材进一步淬火。

[效果]

通过在冷模具中成形板材，避免了低成本效益的(由于板材和模组的加热的缘故)温成形问题和工件的微结构破坏(后成形强度退化)的可能性的问题。

[应用]

该方法可以是成形复杂零件的方法。该方法可以是成形用于汽车应用的零件的方法。该方法可以是成形用于航空航天应用的零件的方法。该方法可以是成形用于航空航天应用的面板部分(panel part)的方法。该方法可以是成形内部结构性板材部件、承重零件或适于承受静态或移动结构中的负荷的零件的方法。

附图简述

下面仅通过实例的方式并参照附图描述本发明的具体实施方案，其中：

图1是显示当金属合金板材经受现有HFQ(RTM)工艺时其温度的曲线图；

图2(a)显示在使用和不使用现有的SHT的情况下，用于在300℃下对金属合金板材的单轴拉伸测试的温度历程；

图2(b)除了显示使用现有SHT的在450℃下的金属行为以模拟常规HFQ(RTM)工艺之外，还显示使用现有SHT和不使用现有SHT在300℃下金属的机械行为的比较，以模拟步骤(b)的效果。

图3显示由板材金属合金成形复杂零件的方法的实施方案的工艺流程图；

图4显示具有真空管道的传导冷却板上的金属合金板材(工件)的示意图；

图5显示在具有用于使用空气雾和水雾冷却工件的喷嘴总成的冷却站处的工件；和

图6显示在具有呈上淬火块和下淬火块形式的传导板的冷却站处的工件。

某些示例实施方案的具体描述

图1中示出了WO2010/032002A1中描述的冷模成形和淬火(HFQ(RTM))方法的工件温度对固溶热处理时间的曲线图。简言之，该方法涉及加热板材金属工件至其SHT温度或高于SHT温度；在该温度下对其均热处理；将其转移至冷模组；和快速将其成形为零件形状。然后将成形的零件在模具中淬火，然后人工老化或自然老化。如上文所讨论的，该现有方法中的重要考虑因素是：当其成形时，板材金属合金尽可能接近其SHT温度。

相比之下，现在将要描述的相当于本公开内容的实施方案的本方法包括：在将板材放置在模具中之前以至少合金的临界冷却速率冷却板材的另外的步骤。

现在参照图3，该方法(其是由板材金属合金成形复杂零件的方法，在该实施方案中该板材金属合金是回火AA6082板材(“工件”))概述地涉及以下步骤：固溶热处理(A)该工件；将其快速冷却(B)至其待成形的温度；在模具中由该工件成形(C)零件，和在模具中进一步淬火；和对这些模具脱模(D)，并移除成形的零件。

继续参照图3，现在将更详细地描述这些步骤中的每一个步骤。

[步骤(A)]

步骤(A)涉及工件的固溶热处理。将该工件加热至发生合金的固溶热处理的温度。在该实施方案中，将其加热至525℃。使用炉加热工件，但是在其它实施方案中，可以想得到使用其它加热站，例如，对流烤箱。在该温度下均热处理该工件，以将尽可能多的合金元素溶解为铝基体。这使得工件被完全固溶热处理。在该实施方案中，均热处理工件15秒至25秒。然而，温度和时间将随下面讨论的许多因素变化。

选择的温度和时间取决于合金系列。

温度和时间还将取决于工件是否已经回火。在该实施方案中，如上文提到的，工件已经回火。在工件未经回火的实施方案中(例如，在其中辊轧(roll)板材之后或将板材退火之后对板材金属合金实施成形复杂零件的方法的实施方案中)，通过将工件保持在该温度范围内比用于上文描述的实施方案的回火铝合金6082的工件的15秒至25秒更长的时间完成固溶热处理。例如，在某些实施方案中，将工件保持在该温度范围内至少1分钟，而在其它实施方案中，将其保持在该温度范围内至少10分钟。

均热处理时间还取决于所选择的温度和取决于朝向该温度加热的速率。根据合金，与在较低温度下较长时间的SHT相比，在较高的温度下均热处理短时间可以引起零件的最终机械性能，诸如在室温下的可延展性的降低。然而，较短时间加热至高温增加可用该方法成形零件的速度。AA6082(本实施方案的合金)包含阻止晶粒生长的添加物。因此，可以在不损害成品零件的机械性能的情况下，在较高温度下将其加热较短时间。因此，在其它实施方案中，将工件加热至高于525℃的温度例如560℃。与该描述的实施方案相比，在其中加热至最终希望的温度耗费更长时间的实施方案中，额外的均热处理是不必要的。例如，在对流烤箱中将工件加热至560℃可以耗费约10分钟。在这种情况下，不将工件保持在该温度下，因为在加热阶段期间已经完成SHT。

在一些实施方案中，根本不需要对工件均热处理，因为随着将工件朝向最终温度加热可以实现SHT。

[步骤(B)]

[均匀冷却]

在步骤(B)处，将工件冷却至其待成形的温度。在该实施方案中，均匀地将工件冷却至300℃。冷却坯料达到的温度和冷却坯料的时间取决于工件的厚度以及使用的具体冷却方法。可以使用先进的材料测试技术表征不同温度和/或应变速率下的工件金属的机械性能。使用先进的材料建模和有限元(FE)建模，以预测在指定成形条件下材料的成形极限。基于建模预测选择最合适的成形参数。在一些实施方案中，成形工艺的FE模型还帮助确定零件中的最大应力水平，并且选择能够实现这些应力的温度和冷却时间。例如，在其中工件为AA6082且2mm厚的供选择的实施方案中，将工件冷却至350℃，并且冷却时间为约1秒至3秒。

现在参照图5，在该实施方案中，在冷却站(50)处冷却工件(52)，该冷却站(50)在炉与模具(未示出)之间的生产线上(也未示出)，作为在炉与模具之间转移工件(52)的系统(未示出)的部分。在冷却站(50)处，将工件(52)放在工件保持单元(55)的表面上，并且通过空气雾和水雾将其冷却。将加压的水从喷嘴总成(51)释放为细喷雾。根据需要的冷却速率和部件的尺寸选择使用的喷嘴的数目。当需要以高速率冷却大工件的整体时，所需要的喷嘴数目大于例如以较低速率冷却小工件所需的喷嘴的数目。

以至少合金的临界冷却速率，即以避免不想要的沉淀形成和生长但是保持高可延展性的速率冷却工件。在该实施方案中，50℃每秒的冷却速率实现该效果。对于其它合金来说，合金的临界冷却速率将是不同的。

使用控制回路监控和调整工件(52)的冷却。用热电偶(53)测量工件(52)的温度。通过流量控制单元(54)控制来自喷嘴总成(51)的加压水喷雾的质量流量。流量控制单元(54)将通过热电偶(53)测得的温度与参考温度(即，限定避免不想要的沉淀形成和生长但是保持高可延展性的冷却速率的温度)进行比较。当通过热电偶(53)测得的温度正以低于参考温度的速率降低时，流量控制单元(54)增大来自喷嘴总成(51)的加压水喷雾的质量流量。相反地，当通过热电偶(53)测得的温度正以高于参考温度降低速率的速率降低时，流量控制单元(54)减小来自喷嘴总成(51)的加压水喷雾的质量流量。还根据通过热电偶(53)测得的温度通过流量控制单元(54)控制喷嘴总成(51)释放加压水喷雾至工件(52)的时间。当测得的温度表明工件(52)被冷却到希望的温度时—在该实施方案中，当工件(52)已经被均匀冷却至300℃时—流量控制单元(54)停止将加压水喷雾至工件(52)上。

[步骤(C)]

再次参照图3，在步骤(C)中，在冷模组中由工件成形零件。在该实施方案中，还将零件保持在模组中的压力下，以进一步将其冷却。

在该实施方案中，将这些模具成形以导致工件的局部变薄。在制造模具之前，根据待在模具中成形的零件的厚度，包括局部变薄，使用模拟来精修设计的表面几何形状。在现有的方法中，基于以下假设设计和机械加工模具表面：待借助模具成形的板材将是厚度均匀的。例如，将模具表面设计和机械加工成具有标称板材厚度加10％公差的板材。相比较而言，在该实施方案中，将工具表面成形为遵循成形零件的厚度轮廓。这增加了工件与模具之间的接触，从而改善至模具的热传导。

[步骤(D)]

在步骤(D)中，对模具进行脱模。一旦已将零件冷却至足够低的温度—在该实施方案中，一旦将其冷却至约100℃—就将其移除。

然后在成形工艺之后通过人工老化(图3中未示出)增强部件的最终强度。

[效果和优点]

与现有的HFQ(RTM)工艺相比，该方法的优点可以概述如下：

(i)较低的成形温度导致较低的模具温度和较不密集的热循环，从而增加模具寿命。

(ii)将较少的热传递至模具。在许多实施方案中，自然对流/传导足以冷却模具中的工件，并且消除了对模具冷却的需要。这可以简化模组设计和降低成本。例如，在航空航天应用中，通常缓慢地成形零件(生产率低)，并且因此工件的自然模具冷却将是足够的。

(iii)由于需要较小的温度变化，所以模具中成形的零件的保压压力和时间更低，从而减少能量使用并提高生产率。

(iv)因为在较低温度下，应变硬化效应更大，所以可以以与现有的HFQ(RTM)方法相比更低的速度成形零件。因此，可以使用标准机械压力机用于成形。

(v)更低的成形速度可以降低对模具的冲击负荷，从而增加模具寿命。

(vi)在较低温度下的较大应变硬化效应可以导致模具中工件的较高可拉拔性和因此导致改进的可成形性。与固溶热处理之后得到的良好的可延展性(真实应变失效(strains to failure)(εf)在30％至60％的范围内；即，与低碳钢的真实应变失效是相当的)相结合，即使在较低的成形温度下，也可以成形复杂形状的零件。

(vii)在其中在步骤(B)中不均匀地冷却工件的实施方案中，可以根据需要改变工件的不同区域上方的温度，以最大化可成形性和降低局部变薄。

现在参照图2(a)和图2(b)，现在将对SHT(步骤(A))和冷却阶段(B)对工件的机械性能的影响进行简要讨论。

在使用和不使用现有的SHT的情况下，在300℃下对铝合金进行单轴拉伸试验。图2(a)显示用于这些试验的温度历程。圈起来的区域表示样本变形的时间。图2(b)显示用图2(a)中示出的测试条件对合金进行的单轴拉伸试验的结果。因此，其显示了在使用和SHT和不使用SHT的情况下的合金的机械行为的对比。其还显示了使用现有SHT(常规HFQ(RTM)方法)在450℃下对合金进行的测试结果。

将在不同温度下测试为失效的材料变形行为与在从SHT温度快速冷却至相同温度之后测试时的材料变形相比较。这将显露出现有SHT对机械性能的益处。在1/s的应变速率下进行测试，辊轧方向与负载方向平行。还比较了在HFQ(RTM)条件下进行的测试的结果，假定(在SHT温度下)在固溶热处理和转移至冷模组之后，变形之前的工件温度是450℃。这将显露出将冷却步骤引入到传统HFQ(RTM)方法的益处。

从图2(b)可以看出，与没有现有的SHT时相比，使用现有的SHT的工件的可延展性增强。其达到了足够用于成形复杂特征的水平。使用现有SHT在300℃下的变形增加可延展性大约80％。当与HFQ(RTM)条件相比较时，应变硬化增强。通过假定数据的幂律形式(powerlaw representation)，发现应变硬化指数(n值)从0.04增大至0.12。还可以看出，与HFQ(RTM)条件相比，流动应力高得多。在300℃变形下的抗张强度超过在HFQ(RTM)条件下实现的抗张强度的两倍。因此可以看出，冷却步骤增强了应变硬化和强度，同时保持足够的用于成形复杂形状零件的可延展性，从而增强板材金属可成形性。如还可以从图2(b)中示出的结果、从使用SHT的300℃的流动应力曲线与使用SHT的450℃的流动应力曲线的比较看出，在300℃下应变硬化效应更显著。因此，如果零件是在300℃下成形的，那么该零件中的厚度分布将比在450℃下成形的零件的厚度分布更均匀。

[步骤(B)—供选择的方案]

再次参照图3，在供选择的实施方案中，与上文描述的方式不同地实施冷却步骤(B)。在其它方面，方法可以与第一实施方案的方法相同。现在将描述这些供选择的实施方案。

[通过喷雾的供选择的均匀冷却]

在一个供选择的实施方案中，不是将工件放置在冷却站处的表面上，而是在从炉转移至模具期间将其保持在夹具中的同时通过空气雾和水雾(如上文描述)冷却工件。在其它实施方案中，一旦已将工件转移至模具，就继续通过空气雾和水雾冷却工件。这是通过构建到模组中的喷嘴实现的，这些喷嘴如上所述将加压水释放为细喷雾。在又一些其它实施方案中，一旦已将工件转移至模具，才冷却工件。在一旦已将工件转移至模具就冷却工件的一些实施方案中，使用空气-水雾冷却和清洁模具。

[通过气流的均匀冷却]

在其它实施方案中，通过来自气刀(air blade)总成的受控气流冷却工件。在一些实施方案中，这是在炉与模具之间的冷却站处进行的，在冷却站处，将工件放置在表面上并通过空气流冷却工件。在其它实施方案中，在将其转移至炉与模具之间的同时将其冷却，同时将其保持在用于转移其的夹具中。

[通过传导板的均匀冷却]

现在参照图6，在又一些其它实施方案中，使用呈上淬火块(63)和下淬火块(65)形式的传导板冷却工件(52)。正如其中使用空气雾和水雾或通过气刀冷却工件的实施方案一样，可以在炉与模具之间的生产线上的冷却站处或者在炉与模具之间转移期间使用传导板冷却工件。在两种实施方案中，都是将工件保持在传导板之间，并且施加均匀的压力，直到将其冷却到希望的温度。

在该供选择的实施方案中，在炉与模具(未示出)之间的生产线(也未示出)上的冷却站(60)处冷却工件(52)。在已经执行步骤(A)(工件的固溶热处理)之后，放置机械手(61)拾取工件(52)。放置机械手(61)将工件(52)放在装载运输机(64)上。装载运输机(64)将工件(52)滚动至下淬火块(65)的滚筒(69)上。这些滚筒(69)是可伸缩的，并且一旦工件(52)位于上淬火块(63)下面的适当位置上，滚筒(69)就缩回。然后将上淬火块(63)降低至工件(52)上。通过压力控制单元(66)调整通过上淬火块(63)施加的压力。通常，施加的压力越大，工件(52)的冷却速率越快。以此方式在负载下的淬火块之间的冷却允许超过500℃每秒的冷却速率。因此，在该实施方案中，在块(63)、(65)之间的冷却时间小于0.5s。然而，也可以实现甚至更快的冷却。例如，使用该装置冷却时间可能为0.1s。

在另一供选择的实施方案中，以与关于图5描述的实施方案中相同的方式，使用热电偶(未示出)监测工件(52)的温度。该供选择的实施方案中的压力控制单元(66)以与上文描述的流量控制单元(54)相似的方式运行。具体地，压力控制单元(54)将通过热电偶(53)测得的温度与参考温度进行比较。当通过热电偶(53)测得的温度正以低于参考温度的速率降低时，压力控制单元(54)通过上淬火块(63)增加施加到工件(52)的压力。相反地，当通过热电偶(53)测得的温度正以高于参考温度的速率降低时，压力控制单元(54)通过上淬火块(63)减小施加到工件(52)的压力。通过上淬火块施加压力的时间也是依据通过热电偶(53)测得的温度通过流量控制单元(54)控制的。当测得的温度表明工件(52)被冷却至希望的温度时—在该实施方案中，当工件(52)已经被均匀冷却至300℃时—压力控制单元(56)使上淬火块(63)从工件(52)被提升。

在刚描述的两个供选择的实施方案中，在已经将工件(52)冷却了特定的一段时间(或者，在第二实施方案中，冷却至特定的测量温度)之后，将上淬火块(63)从工件(52)提升。然后下淬火块(65)的滚筒(69)再次伸展出，并且将工件(52)滚动至卸载运输机(67)上。卸载运输机(67)定位工件(52)，使得其可以被转移机械手(68)提升。转移机械手(68)将工件(52)转移至用于步骤(C)的模具(未示出)。

[在真空板上的冷却]

现在参照图4，现在将描述其中通过传导板冷却工件(52)的另外的供选择的实施方案。图4显示了在具有高热导率的板(41)上的工件(52)。通过板(41)的侧面中的通道(44)将板(41)连接至真空单元(未示出)。通道(44)连接至在板(41)的表面中具有开口的导管(43)，在冷却期间将工件(52)放置在板(41)的表面上。在实施方案中，该板(41)替代上文参照图6描述的实施方案的下淬火块(65)。在该实施方案中，将工件(52)放置在板(41)上。将上淬火块(63)降低至工件(52)上。在导管(43)中产生真空。这将工件(52)吸至板(41)上。其从而增大工件(52)经受的压力。真空还增大工件(52)周围的气流，这增大冷却速率。一旦工件(52)已经被冷却至如通过热电偶测得的特定温度(在该实施方案中，300℃)，或者已经被冷却特定的时间(其中热电偶不存在)，不再施加真空，并且参照图6和图3如上文所述继续该方法。

在另一个供选择的实施方案中，在具有高热导率的板(41)上冷却工件，如上所述。当工件达到限定的温度时，双金属片(图4中未示出)从板(41)提升工件(52)。因此，在该供选择的实施方案中，通过双金属片终止冷却步骤，而不需要控制单元或人为干预。也可以使用双金属片提升工件(52)离开下淬火块(或者具有高热导率的板)，其中该块不是被布置成具有通过其的真空。

[非均匀冷却]

在另一供选择的实施方案中，将其中将需要较大的应变硬化效应以成形零件的工件区域冷却至比工件的其余部分更低的温度(“非均匀冷却”)。在一些“非均匀冷却”的实施方案中，通过待由工件成形的零件的几何形状确定选择性地冷却哪些区域。例如，待成形为具有小特征的工件的区域的温度将被选择为稍微低于工件上其它区域的温度，使得在成形期间可以发生材料引入以减少局部变薄，所述小特征需要显著的材料拉伸。换句话说，采用在工件各处赋予不均匀的温度，以便实现对模具中的材料移动的额外控制。

在其它“非均匀冷却”实施方案中，通过预测该零件在使用中所经受的力来确定选择性地冷却哪些区域。例如，将以快速率淬火在应保持高应力与相对低的可延展性的区域，另一方面，可以以较低的速率冷却应具有好的可延展性与较低的屈服应力的区域。

在又一些其它“非均匀冷却”实施方案中，将工件冷却使得其温度在冷却步骤(B)结束时在工件的区域之间平稳变化。换言之，冷却的工件具有跨越工件的多个温度梯度。这在工件上产生几个不同的温度区域。以此方式控制冷却，例如用以传送跨越工件的分等级的强度。在工件用于汽车零件的情形中，这样的冷却可以提供在碰撞条件下受控的零件失效。

在另外的“非均匀冷却”的实施方案中，当工件具有多于一种材料厚度时—例如，当工件是拼焊板(tailor welded blank)时(即，由两个或多个板材焊接在一起组成的工件)，工件的较薄区域被冷却至比工件的较厚区域更低的温度。这有助于较厚区域的应变，从而减小薄部分中的应变。以此方式，应变在厚材料与薄材料之间分布更均匀，并且减小了临界区域中的最大薄化。

[通过传导板的非均匀冷却]

在一个“非均匀冷却”实施方案中，以与上文关于图6描述的“均匀冷却”实施方案相似的方式通过传导冷却来冷却工件。也就是说，在炉与模具之间的生产线上的冷却站处在上淬火块与下淬火块之间将其冷却。然而，在该实施方案中，改变上淬火块，使得通过增大在工件将被冷却至较低温度的区域中块对工件的压力，实现在工件的不同区域上冷却至不同的温度。在该实施方案中，上淬火块具有与工件上需要较大的冷却速率的区域相对应的压花区域(embossed area)。当将上淬火块施加至工件时，这些压花区域对工件的压力大于未压花区域对工件的压力。从而在工件与压花区域接触的地方比在未压花区域的区域中以更大的速率冷却工件。

在另一“非均匀冷却”实施方案中，也是以与上文关于图6描述的“均匀冷却”实施方案相似的方式通过传导冷却来冷却工件。然而，在该实施方案中，改变上淬火块，使得仅将其施加到待冷却至较低温度的那些工件区域。

在又一“非均匀冷却”实施方案中，也是以与上文关于图6描述的“均匀冷却”实施方案相似的方式通过传导冷却来冷却工件，但是上淬火块由具有不同热导率的材料制成。在与将以比工件的其他区域更高的速率冷却的工件区域相对应的上淬火块区域中，上淬火块由比该淬火块的其它区域具有更高热导率的材料制成。在与将以较低速率冷却的工件区域对应的上淬火块区域中，上淬火块由具有较低热导率的材料成形。

在上述实施方案中的每一个实施方案的变化中，相反地如上文关于上淬火块的描述改变下淬火块。在这些变化中，上淬火块如同关于图6中描述的上淬火块。

在另外的“非均匀冷却”实施方案中，在板(41)上冷却工件，贯穿工件产生真空，如图4中所示，以上文描述的方式中的任一种改变上淬火块(未示出)。

在又一“非均匀冷却”实施方案中，在板(41)上冷却工件，贯穿工件产生真空，如图4中所示，并且在工件的不同区域中，使用真空对工件产生不同的负计示压力。也就是说，通过位于工件(52)的区域下面的那些导管(43)的真空水平增加，与工件的其余部分相比，该工件区域将以更高的速率被冷却。这增加了保持那些区域紧靠板(41)使用的力，从而增加了那些区域的冷却速率。通过位于工件(52)的以较低的速率被冷却的区域下面的那些导管(43)的真空较弱。

如上所述，在其它实施方案中，进行使用传导板的“非均匀冷却”，同时在炉与模具之间转移的期间(而非在冷却站处)将工件保持在夹具中。

[通过喷雾的非均匀冷却]

在供选择的实施方案中，以与上文关于图5描述的使用空气雾和水雾均匀冷却工件相似的方式，使用了喷嘴总成(51)将加压水作为喷雾释放，以实现非均匀冷却。在该供选择的实施方案中，流量控制单元(54)仅使将以较高速率冷却的工件区域的区域中的喷嘴释放空气雾流和水雾流。这更快地冷却工件的那些区域，且将那些区域冷却至比喷嘴不引导空气雾和水雾的工件区域更低的温度。

供选择地或此外，在另外的实施方案中，流量控制单元(54)控制来自这些喷嘴中的每个喷嘴的空气雾和水雾的质量流量，使得与其它区域中的喷嘴相比，待更快冷却的工件区域的区域中的喷嘴以更高的质量流量释放空气雾和水雾。类似地，在该其它实施方案中的流量控制单元(54)控制待冷却至较低温度的工件区域的区域中的喷嘴，与工件的其它区域中的喷嘴相比，释放空气雾和水雾更长时间。

Claims (16)

1.一种由板材6XXX或7XXX铝合金成形零件的方法，所述方法包括以下顺序的步骤：

(a)将所述板材6XXX加热至520℃-575℃或将所述板材7XXX加热至460℃-520℃，该温度下发生合金的固溶热处理，以便实现固溶热处理；

(b)在所述板材上的一个或多个位置处测量所述板材的温度；

(c)基于在所述一个或多个位置处测得的温度，控制在合金的临界冷却速率下或高于合金的临界冷却速率冷却所述板材；

(d)将所述板材放在模具之间，以使其成形为复杂零件或朝向复杂零件成形；和然后

(e)将所述板材在模具之间淬火，同时模具与所述板材接触，

其中步骤(c)包括以至少避免合金中微结构沉淀的速率冷却所述板材。

2.权利要求1所述的方法，其中将所述板材冷却至仍允许成形所述零件的最低温度，以及其中将所述板材冷却至100℃-250℃的温度。

3.前述权利要求中任一项所述的方法，其中步骤(c)包括将冷却介质施加至所述板材。

4.权利要求3所述的方法，其中所述冷却介质是固体。

5.权利要求3所述的方法，其中所述冷却介质是流体。

6.权利要求1、2、4和5中任一项所述的方法，其中步骤(c)包括选择性地将所述板材的至少第一区域冷却至第一温度，所述第一温度低于所述板材的至少第二区域被冷却达到的第二温度。

7.从属于权利要求4时的权利要求6所述的方法，其中步骤(c)包括：通过以比施加至第二区域更大的压力将固体施加至第一区域，选择性地将所述板材的至少第一区域冷却至第一温度，所述第一温度低于所述板材的至少第二区域被冷却达到的第二温度。

8.从属于权利要求4时的权利要求6所述的方法，其中步骤(c)包括：通过将所述固体施加至第一区域而不施加至第二区域，选择性地将所述板材的至少第一区域冷却至第一温度，所述第一温度低于所述板材的至少第二区域被冷却达到的第二温度。

9.从属于权利要求5时的权利要求6所述的方法，其中步骤(c)包括：通过以比引导向所述第二区域更长的持续时间、更低的温度和/或更大的质量流量将所述流体引导向所述板材的第一区域，选择性地将所述板材的至少第一区域冷却至第一温度，所述第一温度低于所述板材的至少第二区域被冷却达到的第二温度。

10.权利要求1或2所述的方法，其中步骤(a)包括将所述板材加热到至少所述合金中的沉淀溶解的温度。

11.权利要求1或2所述的方法，其中步骤(a)包括将所述板材加热至其固溶热处理温度以上和将其保持在所述温度下至少15秒。

12.权利要求1或2所述的方法，其中所述模具被冷却。

13.权利要求7所述的方法，其中所述板材是由AA5XXX铝合金制成的，并且步骤(a)包括将所述板材加热到480℃-540℃。

14.权利要求4所述的方法，其中步骤(c)包括：施加负荷于所述固体，以增大所述固体对所述板材的压力。

15.权利要求4或14中任一项所述的方法，所述固体包括布置成与所述板材接触的表面，所述表面的至少一个第一区域相对于至少一个第二区域是凸出的。

16.权利要求1或2所述的方法，其中步骤(c)包括在冷却站处冷却所述板材，所述冷却站形成布置成将所述板材转移至所述模具的装置的部分。

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