CN107866491A - 一种铝合金板类构件冷冻成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种铝合金板类构件冷冻成形方法，该方法利用铝合金板在超低温下塑性提高的特性，通过冷却剂1使得铝合金板3材冷却至123K以下的超低温区间，采用模具2成形出复杂薄壁构件。与现有技术比较，本发明的有益效果在于：该方法在超低温条件下进行，使铝合金材料塑性提高，克服了复杂形状板类构件成形开裂的难题，显著提高了成形极限，铝合金内部组织不发生变化，不会产生组织性能损伤，且铝合金板材和模具的工作表面形成冰冻润滑层，可降低板材流动的摩擦阻力；同时，低温冷却剂绿色环保，相比热成形和充液拉深成形可大幅降低装备吨位和造价。

Description

一种铝合金板类构件冷冻成形方法

技术领域

本发明涉及板材成形技术领域，具体为一种铝合金板类构件冷冻成形方法。

背景技术

铝合金作为一种轻量化、高强比材料被广泛用于航空、航天等飞行器 主体结构制造。随着航空、航天等零件结构向高精度、整体化和复杂化发 展，要求板类构件的贴模间隙小于0.2mm，径厚比大于400，壁厚减薄率小 于10％。特别是高强、轻质铝合金、铝锂合金的广泛应用，具有复杂形状、 空间曲面、薄壁结构的铝合金板类构件的塑性成形问题愈加突出。数据表 明：室温下当铝合金的强度为150MPa时，延伸率接近30％，当强度提高 到530MPa时，延伸率降低到不足10％，塑性成形难度大幅提高。

目前，铝合金板类构件的成形方法主要有室温成形和热成形两类。然 而，铝合金受到塑性较差、成形极限较低等问题的限制，室温下成形往往 需要多道次和中间退火，存在废品率高，产品质量差的问题，成为制约铝 合金板材深入应用的瓶颈。例如，火箭电缆整流罩采用2A12硬铝合金和落 压工艺成形，因表面死皱和厚度不均等成形缺陷，而严重影响了零件质量 和使用性能，成形需要3道次和2次中间退火，总废品率高达55％以上。

随着充液拉深技术和装备的发展，采用充液拉深方法可在板材与凹模 之间建立起流体润滑，并增大板材与凸模之间的有益摩擦力，有效缓解板 材的径向拉应力，可显著提高成形极限。但是同时存在成形力大，能耗大、 设备造价高等问题。例如，直径3m的半球形推进剂贮箱封头充液拉深时， 总拉深力需要10000吨，其中8500吨用于克服液体介质对凸模的反作用力， 占总拉深力的82％，这一问题限制了充液拉深技术在大型板材构件的应用 范围。

目前，已有大量研究旨在提高铝合金板材的成形性，如钢模热(温) 成形、超塑性成形、蠕变成形等方法利用铝合金在热态下的高流变、低加 工硬化特点实现复杂铝合金板件的成形。但这种热成形方法同样存在致命 的缺陷。例如，超塑性成形过程铝合金材料的软化行为显著，这会加速铝 合金板材的局部颈缩，进而导致复杂曲面板件壁厚减薄率达60％以上；此 外，加热过程会使铝合金产生不必要的回复、再结晶过程，诱发晶粒的异 常长大以及组织或相成分的不均匀分布，例如2219铝合金瓜瓣产品预拉伸 5％再固溶热处理后晶粒尺寸长大10倍，零件的服役强度和疲劳性能大幅降 低；此外，由于应力松弛后产生残余应力以及零件和模具热物性不同，蠕 变成形冷却后导致铝合金板件回弹严重超差，残余应力差可达100MPa,回 弹预测和补偿十分困难。

已有研究发现铝合金、铝锂合金等材料在超低温下具有塑性和强度同 时提高的特性。例如，随着温度由293K降低到4K时，2219、2024、2519、 2195、6016、7075等铝合金材料的屈服强度和抗拉强度增加，硬化指数增 加，变形均匀性均有不同程度的提高。因此，为了提高铝合金板材的成形 极限，实现复杂形状和高性能铝合金板类构件的成形，同时克服以上现有 技术存在的难题，本发明提出一种铝合金板类构件冷冻成形方法。

发明内容

为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种铝合金板类 构件冷冻成形方法，利用铝合金板在超低温下塑性提高的特性，其特征在于， 用冷却剂使铝合金板材冷却至123K以下的超低温区间，采用模具成形出复杂薄 壁构件，具体包括以下步骤：

第一步：用冷却剂将模具和铝合金板冷却至123K～4K；

第二步：将第一步中所述铝合金板放置在所述模具上；

第三步：当第二步中所述模具和所述铝合金板的温度达到123K～4K时，将 所述模具合模，施加压力使所述铝合金板变形，成形为铝合金板件；

第四步：将第三步中所述模具分开，取出所述铝合金板件，完成铝合金板 类构件的冷冻成形。

较佳的，在所述第一步之前，对所述铝合金板进行固溶处理，在所述第四 步之后对所述铝合金板件进行人工时效处理，具体包括以下步骤：

第一步：将铝合金板进行固溶处理；

第二步：用冷却剂将模具和经第一步所述固溶处理后的铝合金板冷却至 123K～4K；

第三步：将第二步中所述铝合金板放置在所述模具上；

第四步：当第三步中所述模具和所述铝合金板的温度达到123K～4K时，将 所述模具合模，施加压力使所述铝合金板变形，成形为铝合金板件；

第五步：将第四步中所述模具分开，取出所述铝合金板件；

第六步：对第五步所述铝合金板件进行人工时效处理。

3.较佳的，所述第一步可以用所述冷却剂同时将所述模具和所述铝合金板 冷却至123K～4K，也可以分别用所述冷却剂将所述模具和所述铝合金板冷却至 123K～4K。

较佳的，所述冷却剂为一种超低温冷却介质，可以为液氮或液氦中的一种。

较佳的，所述铝合金板可以是Al-Cu合金板、Al-Mg-Si合金板、Al-Zn-Mg-Cu 合金板、Al-Li合金板中的一种。

与现有技术比较，本发明的有益效果在于：本发明提出一种铝合金板类构 件冷冻成形方法，该方法在超低温条件下进行，使铝合金材料塑性提高，克服 了复杂形状板类构件成形开裂的难题，显著提高了成形极限，铝合金内部组织 不发生变化，不会产生组织性能损伤，且铝合金板材和模具的工作表面形成冰 冻润滑层，可降低板材流动的摩擦阻力；同时，低温冷却剂绿色环保，相比热 成形和充液拉深成形可大幅降低装备吨位和造价。

附图说明

为了更清楚地说明本发明各实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中 所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明中铝合金板类构件冷冻成形之前的示意图；

图2为本发明中铝合金板类构件冷冻成形过程的示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

请参见图1和图2，

图1为本发明中铝合金板类构件冷冻成形之前的示意图；

图2为本发明中铝合金板类构件冷冻成形过程的示意图。

实施例1

本实施例提供一种铝合金板类构件冷冻成形方法，该方法利用铝合金板在 超低温下塑性提高的特性，通过冷却剂1使得铝合金板3材冷却至123K以下的 超低温区间，采用模具2成形出复杂薄壁构件。其中铝合金板3为1.5mm厚度 的Al-Cu合金板材，具体材料为退火态2219铝合金板，模具2为凸模为直径100mm 的半球形刚性模具，且所述模具2包括凸模、凹模、压边圈，具体步骤如下：

第一步：用液氮作为冷却剂1同时将所述凸模、凹模、压边圈和2219铝合 金板3冷却至123K；

第二步：将所述2219铝合金板3放置在第一步所述的凹模上；

第三步：当所述凹模和所述2219铝合金板3的温度达到123K，将所述压边 圈合模，并施加5MPa的单位压力，使所述2219铝合金板无法向所述凹模内流 动，所述凸模下行使所述2219铝合金板发生胀形变形，成形为2219铝合金半 球形件4；

第四步、将所述凸模、凹模、压边圈分开，取出所述2219铝合金半球形件 4，完成2219铝合金板类构件冷冻成形。

本实施例中所述液氮也可用液氦替代。

胀形件的最大高度也称为极限胀形高度，可以用来表征板材在双向拉应力 状态下的成形极限，极限胀形高度越大说明该板材的成形极限越高，成形复杂 件的效果越好。本实施例采用高度尺测量半球形件4的极限胀形高度，并与室 温(293K)的极限胀形高度对比，如表1所示。

表1 2219铝合金(退火态、t＝1.5mm)极限胀形高度对比。

综上，本实施例提出的一种铝合金板类构件冷冻成形方法，在超低温条件 下进行，能够使铝合金材料塑性提高，克服了复杂形状板类构件成形开裂的难 题，显著提高了成形极限，铝合金内部组织不发生变化，不会产生组织性能损 伤，且铝合金板材和模具的工作表面形成冰冻润滑层，可降低板材流动的摩擦 阻力；同时，低温冷却剂绿色环保，相比热成形和充液拉深成形可大幅降低装 备吨位和造价。

实施例2：

本实施例提供一种铝合金板类构件冷冻成形方法，该方法利用铝合金板3 在超低温下塑性提高的特性，通过冷却剂1使得铝合金板3冷却至123K以下的 超低温区间，采用模具2成形出复杂薄壁构件。其中铝合金板3为1.2mm厚度 的Al-Mg-Si合金板材，具体材料为淬火态6016铝合金，所述模具2为凸模为 直径100mm的平底圆柱形刚性模具，且所述模具2包括凸模、凹模、压边圈， 且本实施例与实施1的区别在于，分别用冷却剂1对铝合金板3和模具2进行 冷却，利用铝合金板件4的成形时间完成了铝合金板3的冷却，可以提高成形 效率，便于实现铝合金板件4的批量生产。具体步骤如下：

第一步、用液氮作为冷却剂1将所述6016铝合金板3单独预先冷却至103K；

第二步、用液氮作为冷却剂1将所述凸模、凹模、压边圈冷却至103K；

第三步、将所述6016铝合金板3放置在第二步所述的凹模上；

第四步、当所述凹模和所述6016铝合金板的温度达到103K，将所述压边圈 合模施加3.5MPa的单位压力，使所述6016铝合金板3可以向所述凹模内流动， 所述凸模下行使6016铝合金板3发生拉深变形，成形为所述6016铝合金平底 圆筒形件4；

第五步、将所述凸模、凹模、压边圈分开，取出所述6016铝合金平底圆筒 形件，完成所述6016铝合金板类构件冷冻成形。

重复以上第二步～第四步，实现所述6016铝合金平底圆筒形件4的批量成 形。

本实施例中所述液氮也可用液氦替代。

本实施例采用高度尺测量所述6016铝合金平底圆筒形4的极限拉深比(极 限拉深高度与凸模直径之比)，并与室温(293K)的极限拉深比对比如表2所 示。

表2 6016铝合金(淬火态、t＝1.2mm)极限拉深比对比。

综上，本实施例提出的一种铝合金板类构件冷冻成形方法，在超低温条件 下进行，能够使铝合金材料塑性提高，克服了复杂形状板类构件成形开裂的难 题，显著提高了成形极限，铝合金内部组织不发生变化，不会产生组织性能损 伤，且铝合金板材和模具的工作表面形成冰冻润滑层，可降低板材流动的摩擦 阻力；同时，低温冷却剂绿色环保，相比热成形和充液拉深成形可大幅降低装 备吨位和造价。

实施例3

本实施例提供一种铝合金板类构件冷冻成形方法，该方法利用铝合金板3 在超低温下塑性提高的特性，通过冷却剂1使得铝合金板3冷却至123K以下的 超低温区间，采用模具2成形出复杂薄壁构件。其中铝合金板3为2.0mm厚度 的Al-Li合金板材冷冻成形，具体材料为退火态2195铝锂合金板，所述模具2 为凸模是横截面形状为几字形的刚性模具，其截面宽度为53mm，且所述模具2 包括凸模、凹模、压边圈，且本实施例与实施1的区别在于在所述第一步之前， 对所述铝合金板进行固溶处理，在所述第四步之后对所述铝合金板件进行人工 时效处理，利用铝合金板3固溶处理和人工时效处理获得具有析出相的铝合金 微观组织，有利于获得较高性能的铝合金板4。具体包括以下步骤：

第一步：将退火态2195铝锂合金板固溶处理，固溶温度为520℃，保温时 间为30min；

第二步：用液氮作为冷却剂1，同时将凸模、凹模、压边圈和所述2195铝 锂合金板3冷却至93K；

第三步：将所述2195铝锂合金板3放置在第二步所述凹模6上；

第四步：当所述凹模和2195铝锂合金板的温度达到93K，将所述压边圈合 模，并施加4MPa的压力，使所述2195铝锂合金板可以向所述凹模内流动，所 述凸模下行使所述2195铝锂合金板发生拉深变形，成形为所述2195铝锂合金 几字形件；

第五步：将所述凸模、凹模、压边圈分开，取出所述2195铝锂合金几字形 件，完成所述2195铝锂合金板类构件冷冻成形；

第六步：将所述2195铝锂合金几字形板件4进行人工时效处理，人工时效 处理温度为160℃，保温时间为48h。

本实施例中所述液氮也可用液氦替代。

本实施例在所述2195铝锂合金几字形板件的主要位置处取样并测试强度， 并与原始板材(293K)强度对比如表3所示。

表3 2195铝锂合金几字形板件(人工时效态、t＝2.0mm)平均强度对比

综上，本实施例提出的一种铝合金板类构件冷冻成形方法，在超低温条件 下进行，能够使铝合金材料塑性提高，克服了复杂形状板类构件成形开裂的难 题，显著提高了成形极限，铝合金内部组织不发生变化，不会产生组织性能损 伤，且铝合金板材和模具的工作表面形成冰冻润滑层，可降低板材流动的摩擦 阻力；同时，低温冷却剂绿色环保，相比热成形和充液拉深成形可大幅降低装 备吨位和造价。

实施例4

本实施例与实施例1的区别之处在于，铝合金板3为1.3mm厚度的 Al-Zn-Mg-Cu合金板材，具体材料为时效态7075铝合金板，模具2为曲率半径 为100mm的柱面刚性凸模，具体步骤如下：

第一步：用液氮作为冷却剂1同时将所述凸模、凹模、压边圈和7075铝合 金板3冷却至77K；

第二步：将所述7075铝合金板3放置在第一步所述的凹模上；

第三步：当所述凹模和所述7075铝合金板3的温度达到77K，将所述压边 圈合模，并施加5MPa的单位压力，使所述7075铝合金板无法向所述凹模内流 动，所述凸模下行使所述7075铝合金板发生胀形变形，成形为7075铝合金曲 面件4；

第四步、将所述凸模、凹模、压边圈分开，取出所述7075铝合金曲面件4， 完成7075铝合金板类构件冷冻成形。

本实施例中所述液氮也可用液氦替代。

本实施例采用光学形状精度测量仪测量曲面件4与理论型面的几何误差， 并与室温(293K)的结果对比，如表1所示。

表4 7075铝合金(时效态、t＝1.3mm)型面几何误差对比。

综上，本实施例提出的一种铝合金板类构件冷冻成形方法，在超低温条件 下进行，能够使铝合金材料塑性提高，克服了复杂形状板类构件成形开裂的难 题，显著提高了成形极限，铝合金内部组织不发生变化，不会产生组织性能损 伤，且铝合金板材和模具的工作表面形成冰冻润滑层，可降低板材流动的摩擦 阻力；同时，低温冷却剂绿色环保，相比热成形和充液拉深成形可大幅降低装 备吨位和造价。

实施例5

本实施例与实施例1的区别之处在于，铝合金板3为1.5mm厚度的Al-Cu 合金板材，具体材料为时效态2219铝合金板，所述第一步和所述第三步中的冷 却温度为4.2K,具体步骤如下：

第一步：用液氦作为冷却剂1同时将所述凸模、凹模、压边圈和2219铝合 金板3冷却至4.2K；

第二步：将所述2219铝合金板3放置在第一步所述的凹模上；

第三步：当所述凹模和所述2219铝合金板3的温度达到4.2K，将所述压边 圈合模，并施加5MPa的单位压力，使所述2219铝合金板无法向所述凹模内流 动，所述凸模下行使所述2219铝合金板发生胀形变形，成形为2219铝合金半 球形件4；

第四步、将所述凸模、凹模、压边圈分开，取出所述2219铝合金半球形件 4，完成2219铝合金板类构件冷冻成形。

本实施例采用高度尺测量半球形件4的极限胀形高度，并与室温(293K) 的极限胀形高度对比，如表1所示。

表5 2219铝合金(时效态、t＝1.5mm)极限胀形高度对比。

综上，本实施例提出的一种铝合金板类构件冷冻成形方法，在超低温条件 下进行，能够使铝合金材料塑性提高，克服了复杂形状板类构件成形开裂的难 题，显著提高了成形极限，铝合金内部组织不发生变化，不会产生组织性能损 伤，且铝合金板材和模具的工作表面形成冰冻润滑层，可降低板材流动的摩擦 阻力；同时，低温冷却剂绿色环保，相比热成形和充液拉深成形可大幅降低装 备吨位和造价。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员 来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部 分技术特征进行等同替换,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 (5)

1.一种铝合金板类构件冷冻成形方法，利用铝合金板在超低温下塑性提高的特性，其特征在于，用冷却剂使铝合金板材冷却至123K以下的超低温区间，采用模具成形出复杂薄壁构件，具体包括以下步骤：

第一步：用冷却剂将模具和铝合金板冷却至123K～4K；

第二步：将第一步中所述铝合金板放置在所述模具上；

第三步：当第二步中所述模具和所述铝合金板的温度达到123K～4K时，将所述模具合模，施加压力使所述铝合金板变形，成形为铝合金板件；

第四步：将第三步中所述模具分开，取出所述铝合金板件，完成铝合金板类构件的冷冻成形。

2.根据权利要求1所述的铝合金板类构件冷冻成形方法，其特征在于，在所述第一步之前，对所述铝合金板进行固溶处理，在所述第四步之后对所述铝合金板件进行人工时效处理，具体包括以下步骤：

第一步：将铝合金板进行固溶处理；

第二步：用冷却剂将模具和经第一步所述固溶处理后的铝合金板冷却至123K～4K；

第三步：将第二步中所述铝合金板放置在所述模具上；

第四步：当第三步中所述模具和所述铝合金板的温度达到123K～4K时，将所述模具合模，施加压力使所述铝合金板变形，成形为铝合金板件；

第五步：将第四步中所述模具分开，取出所述铝合金板件；

第六步：对第五步所述铝合金板件进行人工时效处理。

3.根据权利要求1或2所述的铝合金板类构件冷冻成形方法，其特征在于，所述第一步可以用所述冷却剂同时将所述模具和所述铝合金板冷却至123K～4K，也可以分别用所述冷却剂将所述模具和所述铝合金板冷却至123K～4K。

4.根据权利要求3所述的铝合金板类构件冷冻成形方法，其特征在于，所述冷却剂为一种超低温冷却介质，可以为液氮或液氦中的一种。

5.根据权利要求4所述的铝合金板类构件冷冻成形方法，其特征在于，所述铝合金板可以是Al-Cu合金板、Al-Mg-Si合金板、Al-Zn-Mg-Cu合金板、Al-Li合金板中的一种。