CN109570321B - 一种用于促进蠕变成形的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属材料电磁场辅助成形领域，公开了一种用于促进蠕变成形的方法，以提高金属材料在蠕变成形中的升温和降温速度，避免热量损失，节约能源并进一步提高蠕变成形效率；本发明的方法包括：对待蠕变的材料进行预处理得到待蠕变试样；将所述待蠕变试样放置于电子式蠕变机内，开启所述电子式蠕变机给所述待蠕变试样加载力并升温到设定温度；采用脉冲电源装置连接电子式蠕变机内的待蠕变试样，并对所述待蠕变试样加载电脉冲并维持设定的第一时间段；在第一时间段的截止时刻关闭所述脉冲电源装置，使待蠕变试样处于常规蠕变状态，并维持设定的第二时间段；在第二时间段的截止时刻关闭所述电子式蠕变机，待所述待蠕变试样冷却以完成蠕变成形。

Description

一种用于促进蠕变成形的方法
技术领域
本发明涉及金属材料电磁场辅助成形领域，尤其涉及一种用于促进蠕变成形的方法。
背景技术
航空、航天等领域高端装备对大运力、低能耗和长寿命等需求的日益增加，迫切要求其关键构件要同时从材料和结构上满足高性能、轻量化和高功效。金属等材料，例如7B50铝合金作为一种高强材料，在航空、航天等领域使用非常广泛，但其成形性能有限，属于典型的难变形材料。如何提高难变形材料难成形结构的成形潜力，实现其形性一体化协同制造是当前国际塑性加工领域研究的前沿及难点问题。金属材料在加载电流后其塑性提高、变形抗力降低，该现象称为电塑性效应。国内学者已将电塑性效应应用于塑性加工工艺，大幅提高材料的成形极限和成形质量，例如：电塑性拔丝、电塑性轧制、电塑性拉深、电塑性搅拌摩擦焊、电塑性微成形和板料电塑性渐进成形等。相比于传统的成形工艺，电流辅助成形在增加材料塑性、提高成形极限的同时能实现材料组织性能的控制，且该工艺具有加工道次少、生产周期短和设备使用寿命长等优点。因此，电流辅助成形工艺为难变形材料难成形结构的形性一体化成形制造提供了一种极具前景的新途径。
目前，蠕变时效成形技术作为航空航天领域里大型整体构件的重要成形方法，已得到广泛的应用，传统热蠕变成形一般采用时效炉加热，升温速度慢，降温速度慢，浪费能源，成形效率低。
因此，如何提高金属材料在蠕变成形中的升温和降温速度，提高蠕变成形效率成为一个急需解决的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种用于促进蠕变成形的方法，以提高金属材料在蠕变成形中的升温和降温速度，避免热量损失，节约能源并进一步提高蠕变成形效率。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于促进蠕变成形的方法，包括以下步骤：
S1：对待蠕变的材料进行预处理得到待蠕变试样；
S2：将所述待蠕变试样放置于电子式蠕变机内，开启所述电子式蠕变机给所述待蠕变试样加载力并升温到设定温度；
S3：采用脉冲电源装置连接电子式蠕变机内的待蠕变试样，并对所述待蠕变试样加载电脉冲并维持设定的第一时间段；
S4：在第一时间段的截止时刻关闭所述脉冲电源装置，使待蠕变试样处于常规蠕变状态，并维持设定的第二时间段；
S5：在第二时间段的截止时刻关闭所述电子式蠕变机，待所述待蠕变试样冷却以完成蠕变成形。
优选地，所述S3中对所述待蠕变试样加载电脉冲具体包括以下步骤：
设置脉冲电源装置产生的电脉冲参数，包括设置脉冲周期为0.001-0.01s，占空比为10％-50％，脉冲时间为0.0001-0.005s，电流密度为8-25A/mm2；
将电子式蠕变机的外加应力加载至300MPa，时效炉温度加至120℃。
优选地，所述设定的第一时间段为1h，所述设定的第二时间段为4h。
优选地，所述S3中采用脉冲电源装置连接电子式蠕变机内的待蠕变试样具体包括以下步骤：
采用上绝缘夹头通过连接销安装在所述电子式蠕变机的上横梁处，下绝缘夹头通过连接销安装在所述电子式蠕变机的下横梁处；
将待蠕变试样固定在电子式蠕变机的上绝缘夹头和下绝缘夹头之间，将脉冲电源装置的导电块分别与待蠕变试样的上端和下端贴紧；
由脉冲电源装置通过导线和导电块将电流传递给待蠕变试样。
优选地，所述S2中开启所述电子式蠕变机给所述待蠕变试样加载力并升温到设定温度之前还包括步骤：采用数据记录仪对待蠕变试样的温度进行监测和记录。
优选地，所述S1中对待蠕变试样进行预处理具体包括以下步骤：
对待蠕变试样进行固溶处理后淬火，然后进行人工时效。
优选地，所述对待蠕变试样进行固溶处理后淬火，然后进行人工时效具体包括以下步骤：
将待蠕变试样放在470℃的时效炉中保温1h完成固溶处理；
将固溶处理后的待蠕变试样在出炉后的3s内置于20℃的水中进行淬火；
将经过淬火后的待蠕变试样放入时效温度为120℃的时效炉中保温24h进行人工时效。
优选地，所述待蠕变试样为2219铝合金、7B50铝合金、铝锂合金、2254合金中的任意一种或者任意几种的组合。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种用于促进蠕变成形的方法，首先对待蠕变的材料进行预处理得到蠕变试样；然后将蠕变试样放置于电子式蠕变机内，开启电子式蠕变机给蠕变试样加载力并升温到设定温度；采用脉冲电源装置连接电子式蠕变机内的待蠕变试样，并对所述待蠕变试样加载电脉冲并维持设定的第一时间段；在第一时间段的截止时刻关闭所述脉冲电源装置，使待蠕变试样处于常规蠕变状态，并维持设定的第二时间段；在第二时间段的截止时刻关闭所述电子式蠕变机，待所述待蠕变试样冷却以完成蠕变成形；该用于促进蠕变成形的方法能提高升温和降温速度，避免热量损失，节约能源并进一步提高蠕变成形效率。
下面将参照附图，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是本发明优选实施例用于促进蠕变成形的方法流程图；
图2是本发明优选实施例的脉冲电源装置的输出脉冲图；
图3是本发明优选实施例1的电脉冲加热与时效炉加热1h试样材料表面温度变化的对比情况示意图；
图4是本发明优选实施例1的经过电脉冲加热与时效炉加热的试样材料的应力应变曲线对比情况示意图；
图5是本发明优选实施例1的电脉冲加热与时效炉加热的蠕变变形曲线对比示意图；
图6是本发明优选实施例2的电脉冲加热与时效炉加热的蠕变变形曲线对比示意图；
图7是本发明优选实施例3的电脉冲加热与时效炉加热的蠕变变形曲线对比示意图。
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，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而仅仅是为了便于对相应零部件进行区别。同样，“一个”或者“一”等类似词语不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“两侧”、“外侧”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。
实施例1
参见图1，本实施例提供一种用于促进蠕变成形的方法，包括以下步骤：
S1：对待蠕变的材料进行预处理得到蠕变试样；
S2：将所述待蠕变试样放置于电子式蠕变机内，开启所述电子式蠕变机给所述待蠕变试样加载力并升温到设定温度；
S3：采用脉冲电源装置连接电子式蠕变机内的待蠕变试样，并对所述待蠕变试样加载电脉冲并维持设定的第一时间段；
S4：在第一时间段的截止时刻关闭所述脉冲电源装置，使待蠕变试样处于常规蠕变状态，并维持设定的第二时间段；
S5：在第二时间段的截止时刻关闭所述电子式蠕变机，待所述待蠕变试样冷却以完成蠕变成形。
上述的用于促进蠕变成形的方法，能提高升温和降温速度，避免热量损失，节约能源并进一步提高蠕变成形效率。
需要说明的是，本发明中采用的器件包括电子式蠕变机、数据记录仪、脉冲电源装置、以及绝缘夹头，该各器件都为市场上已有的产品，在此，不对器件构造做多赘述。
具体地，在实际操作过程中，以7B50铝合金为例，首先将切割好的待蠕变的材料放在470℃的时效炉中保温1h进行固溶处理，出炉后在3s内置于20℃水中进行淬火，然后放入时效温度为120℃的时效炉中保温24h进行人工时效，最后得到T6态的7B50蠕变试样。本实施例中，蠕变试样的横截面积为30mm2。需要说明的是，本实施例采用的待蠕变的材料的状态是T7751态，所以需要经过处理才能得到T6态的7B50蠕变试样。
然后，将待蠕变试样放置于电子式蠕变机内，开启电子式蠕变机给蠕变试样加载力并升温到设定温度。需要说明的是，电子式蠕变机通过导电块与蠕变试样贴紧，导电块与导线连接，脉冲电源装置的脉冲电流通过导线输送到导电块，然后传到蠕变试样。
本实施例中，采用的脉冲电源装置为高频脉冲电源装置，其输出参数的范围为三相交流380V±15％/50Hz/50KVA，脉冲形式为正脉冲，脉冲电流0-5400A(幅值)可调，电流频率F为100～1000Hz连续可调；占空比D为10％～90％可调。其中，脉冲电源装置输出的脉冲周期T＝1/F，脉冲时间t＝D*T，具体地，将待蠕变试样固定在电子式蠕变机的上绝缘夹头和下绝缘夹头之间，将脉冲电源装置的导电块分别与待蠕变试样的上端和下端贴紧；由脉冲电源装置通过导线和导电块将脉冲电流传递给待蠕变试样。连接好之后，在脉冲电源装置上进行电脉冲参数的设置，包括脉冲周期，脉冲时间，输出电流。
如图2所示。本实施例中，脉冲周期为0.001s，脉冲时间为0.0005s，电流密度为25A/mm2，即，设置脉冲电源装置的频率为1000HZ，占空比为50％，脉冲电流为750A。并将电式蠕变机的外加应力加载至300MPa，时效炉温度加至120℃，开启脉冲电源装置，在脉冲电流的焦耳热效应下，蠕变试样的温度迅速上升至设定温度为175℃，蠕变试样在温度175℃，外加应力300MPa的条件下产生蠕变，打开数据记录仪对蠕变试样进行温度监测和记录。
本实施例中，设定蠕变试样在电脉冲的作用下的蠕变时间(设定的第一时间段)为1h，待脉冲电源装置给蠕变试样加在电脉冲达到1h后关闭脉冲电源装置，蠕变试样温度迅速降到时效温度120℃，此时，蠕变试样处于常规蠕变，继续常规蠕变时效维持设定的第二时间段为4h，断开电子式蠕变机的电源，打开炉门使蠕变试样冷却至室温，然后对蠕变试样进行力学性能测试。值得说明的是，脉冲电流的非热效应(定向运动电子与位错、空位之间的交互作用)还可以增加蠕变材料的成形性。
进一步地，将常规蠕变时效与电脉冲加热蠕变作为对比，并对在这两种蠕变方式下的蠕变试样进行力学性能测试，设定实验时间为5h，将前1h设为第一时间段；将后4h设为第二时间段。在第一时间段中，分别将蠕变试样进行常规蠕变时效和电脉冲加热蠕变，其中，常规蠕变时效中采用的温度为175℃，电脉冲加热蠕变的温度也为175℃，且在两种方式中，外加应力都为300MPa；此时，传统蠕变为在时效炉中加温至175℃，采用本方案，当电流密度为25A/mm2的电脉冲流过试样瞬间，试样温度迅速上升到175℃。与传统热蠕变时效成形相比，电脉冲传热方式中升温速度快，降温速度快，避免了热量损失，如图3所示，经过电脉冲加热方式下的蠕变试样的升温和降温明显比时效炉加热方式下的升温和降温速度快，能使试样材料更好的进行蠕变，同时也避免了热量的损失。
在第二时间段中，断开电脉冲，即在该时间段内，蠕变试样都处于常规蠕变状态。完成蠕变过程后，如图4所示，先经过脉冲电流加热蠕变的蠕变试样的延伸率更高。此外，如图5所示，先经过脉冲电流加热蠕变的蠕变试样由于在脉冲电流的热效应和非热效应的共同作用下，其最大蠕变变形从0.18％提高到0.3％，增加了0.7倍，极大地提高了成形效率。
实施例2
本实施例中，脉冲周期为0.002s，脉冲时间为0.001s，电流密度为15A/mm2，即设置脉冲电源装置的频率为500HZ，占空比为50％，脉冲电流为450A。将电子式蠕变机的外加应力加载300MPa,时效炉温度升温至120℃，然后开启脉冲电源装置，在电脉冲的焦耳热效应下，蠕变试样的温度迅速上升至158℃，使蠕变试样在温度158℃，外加应力300MPa的条件下产生蠕变，打开数据记录仪对蠕变试样进行温度监测和记录。
本实施例中，设定蠕变材料在电脉冲的作用下的蠕变时间(设定的第一时间段)为1h，待脉冲电源装置给蠕变试样通电时间达到1h后关闭脉冲电源装置，试样温度迅速降到时效温度120℃，此时，蠕变试样处于常规蠕变，继续常规蠕变时效维持设定的第二时间段为4h。需要说明的是，本发明对于第一时间段和第二时间段的设置并不仅限于1h和4h,还可以在一定程度上作调整，例如将第一时间段可以在30min-2h之间进行调整；第二时间段可以在4-16h之间进行调整。断开电子式蠕变机的电源，打开炉门使蠕变试样冷却至室温。其中，先经过电脉冲加热蠕变的蠕变试样由于在脉冲电流的热效应和非热效应的共同作用下，如图6所示，其最大蠕变变形从0.1％提高到0.2％，增加了1倍，极大地提高了成形效率。
实施例3
本实施例中，脉冲周期为0.01s，脉冲时间为0.005s，电流密度为8A/mm2，即设置脉冲电源装置的频率为100HZ，占空比为50％，脉冲电流为240A。将电子式蠕变机的外加应力加载至300MPa，时效炉温度加至120℃，然后开启脉冲电源装置，在脉冲电流的焦耳热效应下，蠕变试样的温度迅速上升至146℃，使蠕变试样在温度146℃，外加应力300MPa的条件下产生蠕变，打开数据记录仪对蠕变试样进行温度监测和记录。
本实施例中，设定蠕变试样在电脉冲的作用下的蠕变时间(设定的第一时间段)为1h，待脉冲电源装置给电子式蠕变机通电时间达到1h后关闭脉冲电源装置，试样温度迅速降到时效温度120℃，此时，蠕变试样处于常规蠕变，继续常规蠕变时效维持设定的第二时间段为4h，断开电子式蠕变机的电源，打开炉门使蠕变试样冷却至室温。其中，先经过电脉冲加热蠕变的蠕变试样由于在脉冲电流的热效应和非热效应的共同作用下，如图7所示，其最大蠕变变形从0.06％提高到0.1％，增加了0.7倍，极大地提高了成形效率。
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 (5)

1.一种用于促进蠕变成形的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对待蠕变的材料进行预处理得到待蠕变试样；对待蠕变试样进行固溶处理后淬火，然后进行人工时效，所述人工时效包括将待蠕变试样放在470℃的时效炉中保温1h完成固溶处理；
将固溶处理后的待蠕变试样在出炉后的3s内置于20℃的水中进行淬火；
将经过淬火后的待蠕变试样放入时效温度为120℃的时效炉中保温24h进行人工时效；
S2：将所述待蠕变试样放置于电子式蠕变机内，开启所述电子式蠕变机给所述待蠕变试样加载力并升温到设定温度；
S3：采用脉冲电源装置连接电子式蠕变机内的待蠕变试样，并对所述待蠕变试样加载电脉冲并维持设定的第一时间段；
S4：在第一时间段的截止时刻关闭所述脉冲电源装置，使待蠕变试样处于常规蠕变状态，并维持设定的第二时间段；
S5：在第二时间段的截止时刻关闭所述电子式蠕变机，待所述待蠕变试样冷却以完成蠕变成形；
所述S3中对所述待蠕变试样加载电脉冲具体包括以下步骤：
设置脉冲电源装置产生的电脉冲参数，包括设置脉冲周期为0.001-0.01s，占空比为10％-50％，脉冲时间为0.0001-0.005s，电流密度为8-25A/mm2；
将电子式蠕变机的外加应力加载至300MPa，时效炉温度加至120℃；
所述S5中，所述在第二时间段的截止时刻关闭所述电子式蠕变机后，所述待蠕变试样在脉冲电流的热效应和非热效应的共同作用下进行所述冷却。
2.根据权利要求1所述的用于促进蠕变成形的方法，其特征在于，所述设定的第一时间段为1h，所述设定的第二时间段为4h。
3.根据权利要求1所述的用于促进蠕变成形的方法，其特征在于，所述S3中采用脉冲电源装置连接电子式蠕变机内的待蠕变试样具体包括以下步骤：
采用上绝缘夹头通过连接销安装在所述电子式蠕变机的上横梁处，下绝缘夹头通过连接销安装在所述电子式蠕变机的下横梁处；
将待蠕变试样固定在电子式蠕变机的上绝缘夹头和下绝缘夹头之间，将脉冲电源装置的导电块分别与待蠕变试样的上端和下端贴紧；
由脉冲电源装置通过导线和导电块将脉冲电流传递给待蠕变试样。
4.根据权利要求1所述的用于促进蠕变成形的方法，其特征在于，所述S2中开启所述电子式蠕变机给所述待蠕变试样加载力并升温到设定温度之前还包括步骤：采用数据记录仪对待蠕变试样的温度进行监测和记录。
5.根据权利要求1所述的用于促进蠕变成形的方法，其特征在于，所述待蠕变试样为2219铝合金、7B50铝合金、铝锂合金、2254合金中的任意一种或者任意几种的组合。
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