CN106862376B - 一种快速蠕变时效成形的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种快速蠕变时效成形的方法，包括以下步骤：第一步、热压罐中的构件和模具在荷载作用下紧密贴合；第二步、将热压罐内部温度升高至蠕变时效温度T以上10℃‑50℃，保温t1小时；第三步、将热压罐内部温度降低至蠕变时效温度T，保温t2小时，其中t2为t1的3‑4倍；第四步、降温至室温，卸载即得蠕变时效成形后的产品；所述第一步、第二步和第三步中的荷载均相同。应用本发明的技术方案，效果是：本发明通过升温至高于蠕变时效温度的温度后进行短时间保温和降温至蠕变时效温度后进行长时间保温的结合，既能大幅加快成形速率，也能获得比现有工艺性能更好的蠕变产品。

Description

一种快速蠕变时效成形的方法

技术领域

本发明涉及蠕变时效成形技术领域，具体涉及一种快速蠕变时效成形的方法。

背景技术

蠕变时效成形(CAF)是以应力松弛原理为基础，成形构件利用专用模具蠕变成形的同时进行时效热处理，其成形样品加载时所受的应力通常在弹性范围内，这种成形工艺适合成形曲率小、塑性应变小的大型复杂双曲率壁板，如飞机机翼壁板。该方法是基于金属材料蠕变/应力松弛特性，进行人工时效处理，同时获得工件复杂构件的形状和优良的综合性能。CAF是集成形与成性于一体的工艺，成形效率高，零件材料性能好，相比于传统冷加工成形，有很多优点，但同时也存在不足，由于应力松弛后存在残余应力，蠕变时效成形后零件必然存在回弹，使成形后零件与其设计形状之间产生偏差，并将影响后续的装配。为了能够更好得获得零件外形与模具型面之间的关系，国外学者通常将数值模拟技术引入到蠕变时效成形技术的研究中，利用向前回弹法、偏差调节法和响应面法等算法，对模具型面进行补偿计算，预测模具型面，并成功用于工程实践中。

现有的蠕变时效成形的方法具体是：

(1)加载阶段：在室温下，向构件上表面逐步施加适当的载荷，使构件发生变形，直至构件下表面与成形模具上表面紧密贴合，一般情况下，该变形量保持在材料弹性范围内；

(2)蠕变时效阶段：将构件与成形工装放入热压罐中，将温度升至时效温度，施加高温载荷并保持构件成形一定的时间。构件在此过程中发生蠕变、时效与应力松弛过程，三种机制交互作用，使得材料组织和性能发生较大变化，完成成形成性过程；

(3)卸载阶段：结束保温并去除施加在构件上的载荷，构件空冷至室温并自由回弹。由于蠕变时效与应力松弛的作用，构件中一部分弹性变形转变为永久塑性变形，使得卸载后构件保持一定形变。

蠕变时效成形的示意图详见图1。

蠕变过程可分为三个阶段，蠕变第一阶段，蠕变第二阶段及蠕变第三阶段，如图2所示，蠕变第一阶段蠕变速率较快，但随着时间逐渐降低，而传统蠕变时效成形工艺主要利用蠕变第二阶段的蠕变量进行成形，因此，效率不高。

从性能角度而言，蠕变时效过程中，温度越高，性能提升越快，但峰值越低，如图3所示，因此，不能简单地提升成形温度以加快成形效率。

综上所述，急需一种工艺精简、工艺参数容易控制以及能够获取质量高的蠕变时效成形产品以解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种能大幅加快成形速率且同时获得比现有工艺性能更好的蠕变产品的快速蠕变时效成形的方法，具体技术方案如下：

一种快速蠕变时效成形的方法，包括以下步骤：

第一步、热压罐中的构件和模具在荷载作用下紧密贴合；

第二步、将热压罐内部温度升高至蠕变时效温度T以上10℃-50℃，保温t1小时；

第三步、将热压罐内部温度降低至蠕变时效温度T，保温t2小时，其中t2为t1的3-4倍；

第四步、降温至室温，卸载即得蠕变时效成形后的产品；

所述第一步、第二步和第三步中的荷载均相同。

以上技术方案中优选的，所述第一步具体是：向构件施加机械力，使得构件和模具紧密贴合，再将构件和模具在荷载作用下移至热压罐中；

或者是，先将构件和模具贴真空袋后抽真空，再将构件和模具一同送入热压罐中，最后加压使得构件紧贴模具。

以上技术方案中优选的，所述第二步中将热压罐内部温度升高至蠕变时效温度T以上30℃-40℃，保温0.6-1.5小时；所述第三步中保温3-5小时。

以上技术方案中优选的，所述第二步中升温速率为3℃/分钟-5℃/分钟；所述第三步中的降温速率为3℃/分钟-5℃/分钟。

以上技术方案中优选的，所述第二步中升温至蠕变时效温度T以上35℃。

以上技术方案中优选的，所述构件的材质为金属。

以上技术方案中优选的，所述构件的材质为铝合金。

应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明的快速蠕变时效成形的方法包括加荷载步骤、升温保温步骤、降温保温步骤以及降温卸载步骤，工艺步骤精简。

(2)本领域固有思维是：由于高温下蠕变量大，性能提升快，但峰值时效性能较低，因此，一般选用一个折中的温度同时保证材料性能与成形效率，但是，为方便实施及预测，一般均采用固定温度(蠕变时效温度)。而本发明采用的技术方案是：通过升温至高于蠕变时效温度的温度后进行短时间保温和降温至蠕变时效温度后进行长时间保温的结合，在高温下，铝合金会发生回归现象，一部分析出相重新溶解到铝基体内部，减少析出相的产生，弱化了材料的析出强化效果，同时，若一直采用高温进行蠕变时效，高温将导致析出相的不均匀析出，也会使材料性能弱化，因此，采用本发明的技术方案，长时低温阶段抑制了材料的回归现象，析出相的数量与尺寸逐渐增加，因而性能继续提升，同时在长时低温阶段，析出相的继续析出也在一定程度上消除了高温阶段析出的不均匀性，既能大幅加快成形速率，也能获得较现有工艺性能更好的蠕变产品。

(3)本发明中向构件加荷载的方法有多种方式，如机械方式和气压方式，满足不同的需求，实用性强。

(4)本发明中第二步中升温速率和第三步中的降温速率均比较容易控制，便于实现工业化。

(5)本发明中构件适用于所有的金属材质，应用范围广泛。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是现有技术中快速蠕变时效成形的方法的结构示意图；

图2是现有技术中蠕变过程示意图；

图3是现有技术中时效性能和时效温度的关系图；

图4是本发明实施例1的蠕变时效成形过程的示意图；

图5是实施例2、对比实施例1和对比实施例2所得蠕变时效成形后的产品的屈服强度与蠕变时间的关系示意图；

图6是实施例2、对比实施例1和对比实施例2所得蠕变时效成形后的产品的抗拉强度与蠕变时间的关系示意图；

图7是实施例2、对比实施例1和对比实施例2所得蠕变时效成形后的产品的延伸率与蠕变时间的关系示意图；

图8是实施例2和对比实施例1所得蠕变时效成形后的产品的蠕变量与蠕变时间的关系示意图；

图9是实施例2-4与对比实施例1所得蠕变时效成形后的产品的屈服强度与蠕变时间的关系示意图；

图10是实施例2-4与对比实施例1所得蠕变时效成形后的产品的抗拉强度与蠕变时间的关系示意图；

图11是实施例2-4与对比实施例1所得蠕变时效成形后的产品的延伸率与蠕变时间的关系示意图；

其中，1、构件，2、模具，3、荷载，4、蠕变时效成形后的产品。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

参见图4，一种快速蠕变时效成形的方法，具体包括以下步骤：

第一步、热压罐中的构件和模具在荷载作用下紧密贴合，具体是：向构件施加机械力，使得构件和模具紧密贴合，再将构件和模具在荷载作用下移至热压罐中；或先将构件和模具贴真空袋后抽真空，再将构件和模具一同送入热压罐中，最后加压使得构件紧贴模具；

第二步、将热压罐内部温度升高至蠕变时效温度T以上10℃-50℃，保温t1小时，此过程中升温速率为3℃-5℃/分钟；

第三步、将热压罐内部温度降低至蠕变时效温度T，保温t2小时，其中t2为t1的3-4倍，此过程中降温速率为3℃-5℃/分钟；

第四步、降温至室温，卸载即得蠕变时效成形后的产品。

上述步骤中，所述第一步、第二步和第三步中的荷载均相同。

实施例2：

本实施例以2219铝合金为例，公开其蠕变时效成形的具体方法，详情是：具体包括以下步骤：

第一步、热压罐中的构件和模具在荷载作用下紧密贴合，具体是：先将构件和模具贴真空袋后抽真空，再将构件和模具一同送入热压罐中，最后加压使得构件紧贴模具；

第二步、将热压罐内部温度升高至200℃(2219铝合金的蠕变时效温度为165℃)，保温60分钟，此过程中升温速率为3℃-5℃/分钟；

第三步、将热压罐内部温度降低至蠕变时效温度165℃，保温时间详见图5-图7，此过程中降温速率为3℃-5℃/分钟；

第四步、降温至室温，卸载即得蠕变时效成形后的产品。

上述步骤中，所述第一步、第二步和第三步中的荷载均相同。

本实施例所得蠕变时效成形后的产品的屈服强度、抗拉强度、延伸率和蠕变量详见图5、图6、图7和图8。

实施例3-4：

实施例3-4与实施例2不同之处仅在于：

实施例3中：第二步、将热压罐内部温度升高至185℃。

实施例4中：第二步、将热压罐内部温度升高至215℃。

实施例2-4以及对比实施例1所得蠕变时效成形后的产品的屈服强度、抗拉强度和延伸率详见图9-图11。

结合图5-图11可知：

(1)本发明技术方案(实施例2)与现有技术比较(对比实施例1)，蠕变时效成形工艺大大得到缩短。但是，第二步中蠕变温度的范围选择很重要，若温度选择合适，则利于性能的优化和效率的提升；如蠕变温度选择不合适，有两种情况：第一种、若蠕变温度过小，如蠕变温度与蠕变时效温度的差值小于30℃(实施例3)，高温的优点不够明显；第二种、若蠕变温度过高，如蠕变温度与蠕变时效温度的差值大于40℃(实施例4)，材料的回归效果太过显著，导致析出不均匀，存在更易产生裂纹等缺陷，反而不能提升产品的性能，因此，第二步蠕变时的温度优选高于蠕变时效温度30℃-40℃。

(2)蠕变时效成形一直在高温下进行(如对比实施例2)，其效果明显不及现有技术(对比实施例1)以及本发明的技术手段(实施例2)，主要原因是：在高温下，铝合金会发生回归现象，一部分析出相重新溶解到铝基体内部，时效析出与回归现象形成动态平衡，减少析出相的产生，弱化了材料的析出强化效果；同时高温将导致析出相的不均匀析出，也会使材料性能弱化。

综上所述，应用本发明的技术方案，效果是：a、升高蠕变时效成形温度能大大提高蠕变速率，利用蠕变第一阶段的高蠕变速率进行快速成形，而长时低温阶段的蠕变也可以提供一部分变形；b、升高蠕变时效成形温度能大大加快性能提升，利用短时高温对性能进行快速提升，而后期的长时低温阶段可以促进性能的进一步提升，而非高温所会引起的性能降低；c、提升蠕变时效成形工艺的成形成性效率，所得产品的屈服强度、抗拉强度以及延伸率明显高于现有技术，满足现实的需求。

对比实施例1：

对比实施例1为现有技术中常规的蠕变时效工艺，具体方法是：

第一步、热压罐中的构件和模具在荷载作用下紧密贴合，具体是：先将构件和模具贴真空袋后抽真空，再将构件和模具一同送入热压罐中，最后加压使得构件紧贴模具；

第二步、将热压罐内部温度升高至165℃(2219铝合金的蠕变时效温度为165℃)，保温n+1小时，此过程中升温速率为3℃-5℃/分钟；

第三步、降温至室温，卸载即得蠕变时效成形后的产品。

对比实施例2：

对比实施例2为高温下的蠕变时效工艺，具体方法是：

第一步、热压罐中的构件和模具在荷载作用下紧密贴合，具体是：先将构件和模具贴真空袋后抽真空，再将构件和模具一同送入热压罐中，最后加压使得构件紧贴模具；

第二步、将热压罐内部温度升高至200℃(2219铝合金的蠕变时效温度为165℃)，保温n+1小时，此过程中升温速率为3℃-5℃/分钟；

第三步、降温至室温，卸载即得蠕变时效成形后的产品。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种快速蠕变时效成形的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、热压罐中的构件和模具在荷载作用下紧密贴合；

第二步、将热压罐内部温度升高至蠕变时效温度T以上10℃-50℃，保温t1小时；

第三步、将热压罐内部温度降低至蠕变时效温度T，保温t2小时，其中t2为t1的3-4倍；

第四步、降温至室温，卸载即得蠕变时效成形后的产品；

所述第一步、第二步和第三步中的荷载均相同。

2.根据权利要求1所述的快速蠕变时效成形的方法，其特征在于，所述第一步具体是：向构件施加机械力，使得构件和模具紧密贴合，再将构件和模具在荷载作用下移至热压罐中；

或者是，先将构件和模具贴真空袋后抽真空，再将构件和模具一同送入热压罐中，最后加压使得构件紧贴模具。

3.根据权利要求1-2任意一项所述的快速蠕变时效成形的方法，其特征在于，所述第二步中将热压罐内部温度升高至蠕变时效温度T以上30℃-40℃，保温0.6-1.5小时；所述第三步中保温3-5小时。

4.根据权利要求3所述的快速蠕变时效成形的方法，其特征在于，所述第二步中升温速率为3℃/分钟-5℃/分钟；所述第三步中的降温速率为3℃/分钟-5℃/分钟。

5.根据权利要求3所述的快速蠕变时效成形的方法，其特征在于，所述第二步中升温至蠕变时效温度T以上35℃。

6.根据权利要求3所述的快速蠕变时效成形的方法，其特征在于，所述构件的材质为金属。

7.根据权利要求6所述的快速蠕变时效成形的方法，其特征在于，所述构件的材质为铝合金。