CN108754363A - 调控铝合金构件应力松弛行为的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种调控铝合金构件应力松弛行为的方法，包括以下步骤：预处理可时效强化铝合金构件，得到预应力构件；时效处理预应力构件，得到应力松弛构件；预处理步骤为向铝合金构件表面均匀施加挤压力或拉伸力，经过所述预处理步骤后预应力构件的厚度相对铝合金构件的厚度挤压或拉伸1％～10％。该方法能够大幅缩减时效次数和时间，提高效率，避免多次长时间时效对材料性能造成的损伤。该方法处理后所得构件最终力学性能不低于初始状态性能，甚至得到提高。

Description

调控铝合金构件应力松弛行为的方法

技术领域

本发明涉及铝合金构件精密加工制造技术领域，具体的涉及一种调控铝合金构件应力松弛行为的方法。

背景技术

大型整体铝合金构件由于具有比强度高、结构效率高等优点，越来越广泛地应用在航空航天装备的关键结构中，例如用作机翼和机身的连接件、火箭贮箱网格壁板及瓜瓣等构件。

这类构件通常先采用金属成形方法得到毛坯件，然后采用机械加工方法加工毛坯件得到精确外形。机加工过程中构件内部残余应力会释放并重新分布，导致构件出现变形、翘曲、开裂等现象。目前主要是采用常规的多次长时间时效的方法来消减残余应力，但常规的铝合金时效制度去除残余应力效果并不明显，构件在加工过程中仍会产生变形，需要多次返工；而且多次时效后性能会有所降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种调控铝合金构件应力松弛行为的方法，该发明解决了现有大型整体铝合金构件在机加工过程中，所产生大量残余应力消除不明显而导致严重变形；多次返工；多次时效降低材料性能的技术问题。

本发明提供一种调控铝合金构件应力松弛行为的方法，包括以下步骤：

预处理铝合金构件，得到预应力构件；时效处理预应力构件，得到应力松弛构件；预处理步骤为向铝合金构件表面均匀施加挤压力或拉伸力，经过所述预处理步骤后预应力构件的厚度相对铝合金构件的厚度挤压或拉伸1％～10％。

该方法中的预处理步骤，能使构件内部基体产生大量位错及位错组态，为析出相的形核和长大提供位置。同时按上述处理量进行预处理，还能防止时效步骤影响所得应力松弛构件的各项性能。经过预处理的预应力构件，再继续进行后续的时效，能更好的结合欠时效阶段铝合金构件内，析出相不断形核析出和长大，从而保持并提高所得构件，时效后的各项性能。所处理构件为可时效强化铝合金构件，可时效强化铝合金构件是指合金构件经过固溶淬火后内部基体形成含有大量溶质原子和空位的过饱和固溶体；并且在一定温度下，随着时间的延长，过饱和固溶体内的溶质原子偏聚形成细小弥散分布的析出相，而析出相有助于材料强度的提高，因此把上述经过固溶淬火后发生析出强化的铝合金构件称为可时效强化铝合金构件。

可选的，所述铝合金构件为2系铝合金材料、6系铝合金材料或7系铝合金材料制成的所述铝合金构件。铝合金构件为2系铝合金材料、6系铝合金材料或7系铝合金材料中任一制成的所述铝合金构件。以上2、6、7系铝合金材料即可时效强化铝合金构件，也称为系列铝合金材料。

可选的，时效为人工时效。

可选的，时效步骤中处理时间在铝合金构件的欠时效时间范围内。可根据具体所处理铝合金材料的性能，要求进行时效时间的选择，例如Al-Cu-Mn合金控制在18小时内。预处理步骤中1％～10％的处理量和欠时效时间的匹配制度下，材料的残余应力大幅消减。

可选的，铝合金构件为经过锻造的锻件毛坯。此处的锻造是指利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法，包括锻压。通过锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，优化微观组织结构，同时由于保存了完整的金属流线，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。

可选的，铝合金构件的尺寸≥0.5m。

优选的，预应力构件的厚度相对铝合金构件的厚度挤压或拉伸2％～5％。预应力构件的预变形量越大，虽然构件的应力松弛量和强度会有增加，但相应的延伸率会有些降低，因此这个范围内的综合力学性能最好。该优选范围内的预变形范围综合性能更优。

可选的，时效步骤在时效炉内进行。

可选的，预处理步骤在常温下通过机械加载施加。

可选的，所述时效处理步骤中时效处理时间为12小时～24小时。

本发明的技术效果：

本发明提供调控铝合金构件应力松弛行为的方法，通过将预处理与欠时效处理手段组合使用，实现快速大幅消减铝合金构件残余应力，避免经过加工的铝合金构件发生变形、翘曲、开裂。该方法尤其适用于处理尺寸大于0.5m的铝合金构件。

本发明提供调控铝合金构件应力松弛行为的方法，能够大幅缩减时效次数和时间，提高效率，避免多次长时间时效对材料性能造成的损伤。该方法处理后所得构件最终力学性能不低于初始状态性能，甚至得到提高。

本发明提供调控铝合金构件应力松弛行为的方法，经过该方法处理后，能够使构件残余应力大幅消减，减小构件的变形，提高成品率。

具体请参考根据本发明的调控铝合金构件应力松弛行为的方法提出的各种实施例的如下描述，将使得本发明的上述和其他方面显而易见。

附图说明

图1是本发明优选实施例1、对比例1和对比例2中处理构件后残余应力消减趋势示意图；

图2是本发明优选实施例1所得材料的透射电镜(TEM)示意图，其中(a)为所得材料放大至标尺200nm时所得图像；(b)为所得材料放大至标尺50nm时所得图像；

图3是本发明对比文件1中所得材料的TEM示意图，其中(a)为所得材料第一处放大至标尺0.5μm时所得图像；(b)为所得材料第二处放大至标尺0.5μm时所得图像；

图4是是本发明对比文件2中所得材料的TEM示意图，其中(a)为所得材料放大至标尺50nm时所得图像；(b)为所得材料放大至标尺20nm时所得图像。

具体实施方式

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。

如无特别说明，本申请的实施例中的均通过商业途径购买，其中，利用日本电子株式会社生产的JEOL-2010型透射电镜(设备的加速电压为200KV，可以穿透500μm的薄片)进行TEM分析。构件中残余应力随时间变化的测量采用珠海三思泰捷生产的RMT-D10型高温蠕变/应力松弛试验机(载荷控制精度为±3N，温度控制精度为±2℃)进行具体测量方法参考《金属材料拉伸应力松弛试验方法》(GB/T 10120-2013)。

实施例1应力松弛构件的制备

1.将Al-Cu-Mn铝合金毛坯在常温下采用机械加载的方法施加1％的预处理(压缩)。

2.构件施加预处理后在时效炉内进行人工时效，时效时间控制在合金的欠时效时间为18h内，得到应力松弛构件。

实施例2应力松弛构件的制备

1.将Al-Cu-Mg铝合金毛坯在常温下采用机械加载的方法施加10％的预处理(拉伸)。

2.构件施加预处理后在时效炉内进行人工时效，时效时间为12h内，得到应力松弛构件。

实施例3应力松弛构件的制备

1.将Al-Zn-Mg-Cu铝合金毛坯在常温下采用机械加载的方法施加5％的预处理(压缩)。

2.构件施加预处理后在时效炉内进行人工时效，时效时间为24h内，得到应力松弛构件。

实施例4应力松弛构件的制备

1.将Al-Cu-Li铝合金毛坯在常温下采用机械加载的方法施加2％的预处理(拉伸)。

2.构件施加预处理后在时效炉内进行人工时效，时效时间控制在18h内，得到应力松弛构件。

对比例1仅预处理的预应力构件

与实施例1的区别在于：先对铝合金材料高温长时热处理(300℃/12h)，再进行预处理，未对所得预应力构件进行时效处理。。得到预应力构件。在对比例1中构件时效过程中材料内部组织会发生变化，例如析出相长大变粗；而构件先进行了高温长时间热处理(300℃/12h)后，材料内部析出相已经长大变粗了，后续再进行时效过程中不再长大变化；所以高温热处理，再进行预处理，后续再时效处理也没有时效的效果了，从而相当于没有时效处理。

对比例2仅时效处理的欠时效构件

与实施例1的区别在于：对铝合金毛坯件直接进行时效处理，未进行预处理。得到欠时效构件。

参见图1，对比例1～2以及实施例1所得各构件的残余应力与处理时间的曲线示意图，其中预处理代表对比例1；欠时效代表对比例2；预处理+欠时效代表实施例1。由图1可见，处理后，所得各构件中所含残余应力均发生衰减；但实施例1中所得构件的残余应力衰减幅度远大于对比例1～2，而且对比例1～2中所得构件随着时间的延长，残余应力不再继续衰减，而实施例1中所得构件中的残余应力持续在衰减。在单独预处理(对比例1)或者单独人工时效(对比例2)条件下，构件内部的残余应力降低幅度都很小。

这主要是因为材料基体有大量由预处理产生的位错和时效析出的强交互作用，从而使残余应力得到快速消减，并能在后续实现持续衰减残余应力。从而较好的实现了避免构件变形的技术效果。

实施例1中所得应力松弛构件的TEM如图2所示，图2(a)为实施例1中所得构件的TEM放大到标尺200nm时，所得电镜照片；(b)为实施例1中所得构件与图2(a)中相同晶粒内放大到标尺50nm的电镜照片，由图2可知材料晶内弥散分布大量位错和析出相，大量可动位错发生晶内滑移有利于应力松弛，而且析出相对位错运动的阻碍钉扎作用会提高材料性能。说明采用本发明提供方法后，所得构件的性能也会增加。对比例1中所得构件的电镜照片如图3所示，图3(a)为对比例1中所得构件的TEM放大到标尺0.5μm时，所得电镜照片；(b)为对比例1中所得构件与图2(a)中相同晶粒内放大到标尺0.5μm后的电镜照片，在对比例1中铝合金首先经过高温长时间热处理后，析出相半径达500nm，如图3所示，在后续时效过程中不再长大变化，没有时效析出过程。时效析出行为是指材料内部析出相的形核长大动态过程，由于在高温阶段下析出相已经长大了，后面时效过程中温度较低，对析出相没有影响，所以析出相没有变化，即没有时效析出行为。由于合金材料仅施加了预处理只有位错，没有时效析出行为，应力降低幅度低。

对比例2所得构件的电镜扫描构件由图4可知，图4(a)为对比例2中所得构件的TEM放大到标尺50nm时，所得电镜照片；(b)为对比例2中所得构件与图2(a)中相同晶粒内放大到标尺20nm后的电镜照片，合金内部只有析出相析出强化而没有位错，因此应力降低幅度也很低。

通过对比图2～4可知，只有同时施加预处理和欠时效处理才能大幅消减应力。本发明提供方法能有效降低构件中的残余应力，还能实现残余应力的持续衰减，该方法简单有效。

本领域技术人员将清楚本发明的范围不限制于以上讨论的示例，有可能对其进行若干改变和修改，而不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围。尽管己经在附图和说明书中详细图示和描述了本发明，但这样的说明和描述仅是说明或示意性的，而非限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。

通过对附图，说明书和权利要求书的研究，在实施本发明时本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变形。在权利要求书中，术语“包括”不排除其他步骤或元素，而不定冠词“一个”或“一种”不排除多个。在彼此不同的从属权利要求中引用的某些措施的事实不意味着这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求书中的任何参考标记不构成对本发明的范围的限制。

Claims (9)

1.一种调控铝合金构件应力松弛行为的方法，其特征在于，包括以下步骤：预处理所述铝合金构件，得到预应力构件；时效处理所述预应力构件，得到应力松弛构件；

所述预处理步骤为向所述铝合金构件表面均匀施加挤压力或拉伸力，经过所述预处理步骤后所述预应力构件的厚度相对所述铝合金构件的厚度挤压或拉伸1％～10％。

2.根据权利要求1所述的调控铝合金构件应力松弛行为的方法，其特征在于，所述时效为人工时效。

3.根据权利要求1所述的调控铝合金构件应力松弛行为的方法，其特征在于，所述时效步骤中处理时间在所述铝合金构件的欠时效时间范围内。

4.根据权利要求1所述的调控铝合金构件应力松弛行为的方法，其特征在于，所述铝合金构件为2系铝合金材料、6系铝合金材料或7系铝合金材料制成的所述铝合金构件。

5.根据权利要求1所述的调控铝合金构件应力松弛行为的方法，其特征在于，所述铝合金构件的尺寸≥0.5m。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的调控铝合金构件应力松弛行为的方法，其特征在于，所述预应力构件的厚度相对所述铝合金构件的厚度挤压或拉伸2％～5％。

7.根据权利要求6所述的调控铝合金构件应力松弛行为的方法，其特征在于，所述时效步骤在时效炉内进行。

8.根据权利要求6所述的调控铝合金构件应力松弛行为的方法，其特征在于，所述预处理步骤为在常温下通过机械加载施加。

9.根据权利要求1所述的调控铝合金构件应力松弛行为的方法，其特征在于，所述时效处理步骤中时效处理时间为12小时～24小时。