CN110560618A - 一种高强轻质合金复杂异形构件电磁辅助成形成性工艺 - Google Patents

一种高强轻质合金复杂异形构件电磁辅助成形成性工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高强轻质合金复杂异形构件电磁辅助成形成性工艺，包括根据构件的形状尺寸与材料属性制定相应的高密度脉冲电流参数，通过脉冲电源、电极、模具、坯料构成的闭合回路使坯料在脉冲电流焦耳热作用下加热至特定温度，实时调整参数保持温度，合模后切断电流保压，使构件在模内或模外淬火，降至常温，取出校形切边；根据成形构件的横截面尺寸与电阻数据，制定强韧化处理的低密度脉冲电流参数，加热构件至较低温度并保持，进行长周期的电脉冲处理，完成复杂异形构件组织性能调控处理。本发明工艺能量利用率高，不产生废气，适用于多种高强轻质合金，制造出的构件成形性好，精度高，表面质量优良，综合力学性能大幅提升。

Description

一种高强轻质合金复杂异形构件电磁辅助成形成性工艺
技术领域
本发明涉及高强轻质合金电磁辅助制造领域，特别涉及一种复杂异形构件的电磁辅助成形成性一体化工艺。
背景技术
随着航空航天、武器、汽车、轨道交通等领域的高端装备对长寿命、可靠性和能耗效率需求的日益增加，迫切要求难成形构件在材料和结构上同时满足高功效和轻量化等特点，还需要保障在恶劣服役工况下具有可靠性与极为优异的使用性能，如耐蚀性能、断裂韧性和抗疲劳性能等。
在制造高强合金复杂异形构件时，一般通过铸造与等温锻造工艺成形，必要时还需要增加预成形、退火等工序；对于大口径薄壁、高筋薄腹等难成形结构构件，甚至还需要借助数控加工或化铣加工方法制造。上述工艺容易导致构件高筋、深腔等局部难成形处出现折叠、充不满、裂纹等各种宏观成形缺陷。由于构件成形过程中不均匀的塑性变形，容易引起局部微孔洞、微裂纹等微观结构缺陷，很难通过后续的热处理、喷丸等措施消除，这必将对构件在恶劣服役工况下的使用性能和寿命带来极大的安全隐患。此外，传统制造工艺效率低，生产成本高，易污染环境。
发明内容
本发明解决的技术问题：提供一种高强轻质合金复杂异形构件电磁辅助成形成性工艺，解决高强轻质合金复杂异形构件尺寸精度低、使用性能差以及制造工艺能量利用率低的问题。
本发明为解决上述技术问题所提供的制造工艺，包括如下步骤：
(1)高密度脉冲电流辅助成形：根据构件的形状与尺寸设置坯料的形状与尺寸，并根据材料属性与成形特性，制定相应的高密度脉冲电流参数：脉冲电场的电流密度为20-400A/mm2；将坯料放置于上模具与下模具之间，保持坯料与上下模具表面贴合，通过脉冲电源、电极、模具、坯料构成的闭合回路使坯料在脉冲电流焦耳热作用下加热至指定温度；实时监控坯料温度，达到指定温度后，压力装备下行，控制上、下模具以20-500mm/s的速度进行合模，此时坯料挤压入模具之中形成成形构件，此过程中始终保持通入脉冲电流并实时调整脉冲电流参数，保证坯料成形温度波动范围在20℃以内；上、下模具合模后，切断脉冲电流，保压一段时间，使成形构件在模内或模外淬火，待温度下降至常温后将其从模具中取出，校形切边；
(2)低密度脉冲电流强韧化处理：根据成形构件的横截面尺寸与电阻数据，制定强韧化处理的低密度脉冲电流参数：脉冲电场的电流密度为2-10A/mm2；根据成形构件特性与力学性能薄弱区域，布置相应的电极，所述的力学性能薄弱区域为根据经验确认的难以成形或成形不充分区域；通入低密度脉冲电流，使成形构件在焦耳热作用下加热至预定温度；实时调整低密度脉冲电流参数，使成形构件在预定温度下进行长周期的电脉冲处理，完成构件的组织性能调控处理。
按照上述方案，高密度脉冲电流参数还包括：脉冲电场频率为20-500Hz，处理时间为1-30mins；低密度脉冲电流参数还包括：脉冲电场频率为0.5-20Hz，处理时间为0.5-12h。
按照上述方案，高密度脉冲电流辅助成型中的指定温度根据材料种类不同控制在400-1000℃，低密度脉冲电流强韧化处理的预定温度根据材料种类不同控制在100-200℃。
按照上述方案，实时监控坯料温度采用热电偶实时监控坯料温度。
按照上述方案，坯料为铝合金、镁合金或钛合金。
按照上述方案，压力装备为压力机。
本发明的有益效果为：
1、先通入高密度脉冲电流，使坯料形成成形构件；然后给成形构件通入低密度脉冲电流，使成形构件在焦耳热作用下加热至较低温度进行长周期的电脉冲处理，完成成形构件组织性能调控处理，使制造出的构件成形性好，表面质量优良，尺寸精度高，回弹与氧化情况减少的同时，综合力学性能大幅度提升；尤其适用于高强轻质合金复杂异形构件。
2、利用脉冲电流的焦耳热作用加热，能量利用率高，不产生废气污染环境。
3、本工艺适用范围广，适用于铝合金、镁合金、钛合金等多种高强轻质合金的锻压、挤压及冲压成形制造工艺。
附图说明
图1为本发明的工艺温度与时间曲线图。
图2为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种高强轻质合金复杂异形构件电磁辅助成形成性工艺，包括高密度脉冲电流辅助成形和低密度脉冲电流强韧化处理两个步骤：
第一个步骤，高密度脉冲电流辅助成形，主要利用脉冲电流产生的焦耳热效应、电致塑性效应与磁压缩效应来辅助成形。其中，高密度脉冲电流产生的焦耳热使金属软化，降低材料内部的流动应力，使材料易于成形；电致塑性效应表现为促进材料内部位错增殖、运动，使位错间的相互缠结打开、钉扎解钉，材料表现出较高的塑性和变形能力；磁压缩效应表现为高密度脉冲电流在试样周围产生磁场，对坯料施加径向的压力，在坯料压缩时更容易变形，因此高密度脉冲电流辅助成形时坯料塑性和流动性大幅度提升，可充分填满模具型腔以获得成形性优良的构件。此外，脉冲电流辅助成形时对合金第二相进行快速固溶，而脉冲电流作用时间很短，坯料在高温状态下停留时间短，晶粒无充分时间长大，可获得比较细小的晶粒组织，完成部分组织性能调控。
如图2所示，该步骤包括：根据构件的形状与尺寸设置坯料的形状与尺寸，坯料可以采用铝合金、镁合金、钛合金等多种高强轻质合金，并根据材料属性与成形特性，制定相应的高密度脉冲电流参数：脉冲电场的电流密度为20-400A/mm2，频率为20-500Hz，处理时间为1-30mins；将坯料放置于上模具与下模具之间，保持坯料与上下模具表面贴合，通过脉冲电源、电极、模具、坯料构成的闭合回路使坯料在脉冲电流焦耳热作用下加热至指定温度，指定温度根据材料种类不同控制在400-1000℃；采用热电偶实时监控坯料温度，达到指定温度后，压力装备下行，控制上、下模具以20-500mm/s的速度进行合模，此时坯料挤压入模具之中形成成形构件，压力装备为压力机，如图1所示，此过程中始终保持通入脉冲电流并实时调整脉冲电流参数保证坯料成形温度波动范围在20℃以内；上下模具合模后，切断脉冲电流，保压一段时间，使成形构件在模内或模外淬火，待温度下降至常温后将其从模具中取出，校形切边。
第二个步骤，低密度脉冲电流强韧化处理，主要对成形构件通入低密度脉冲电流，使局部能量增加满足形核的热力学和动力学条件，加快析出相的形核速度，同时空位消耗量增大，降低基体中空位浓度，第二相的长大速率随之降低，导致细小析出相弥散分布，使高强轻质合金构件强度显著提升。电脉冲强韧化处理使晶界处析出连续分布的晶界沉淀相，有助于提高合金构件塑性。前期电脉冲辅助成形工艺使过饱和固溶体浓度增加，加大时效过程第二相的析出动力，促使析出相产生，这些析出相有效地阻止了位错运动，构件耐磨性、韧性等综合性能得到明显的改善，获得综合力学性能优良的高强轻质合金复杂异形构件。
如图2所示，该步骤包括：根据成形构件的横截面尺寸与电阻数据，制定强韧化处理的低密度脉冲电流参数：脉冲电场的电流密度为2-10A/mm2，频率为0.5-20Hz，处理时间为0.5-12h；根据成形构件特性与力学性能薄弱区域，布置相应的电极，所述的力学性能薄弱区域为根据经验确认的难以成形或成形不充分区域；通入低密度脉冲电流，如图1所示，使成形构件在焦耳热作用下加热至预定温度，预定温度根据材料种类不同控制在100-200℃；实时调整低密度脉冲电流参数，使成形构件在预定温度下进行长周期的电脉冲处理，完成构件的组织性能调控处理。
以上两个步骤中，实时调整脉冲电源的输出电流参数是本领域技术人员共有的技术手段。且对于较大坯料尺寸的脉冲电流处理，可以通过改变电极形状、大小和分布调整电流参数。
接下来结合给出的四个实施例，说明本工艺的步骤与效果：
实施例一：
采用本发明对7175铝合金飞机高筋薄壁件进行生产制造，包括以下步骤：以7175铝合金随形板料为坯料，利用脉冲电流焦耳热效应将其加热至450℃左右后进行锻压工序，之后生产工序不变，获得表面光滑成形优良的高筋薄壁件。脉冲电流的参数选择为120-200A/mm2，频率为40-500Hz，处理时间为5-10mins。锻压成形工艺后对铝合金窗框通入脉冲电流加热至120-180℃左右，持续电脉冲处理5-12h，脉冲电流的参数选择为5-10A/mm2，频率为1-20Hz。整个工艺流程结束后，将高筋薄壁件取出，准备进行后续的性能测试试验。
对生产制造出的铝合金飞机高筋薄壁件取样，结果显示零件硬度提升3-5％，综合力学性能有一定程度上的提升。
实施例二：
采用本发明对钛合金发动机连杆进行生产制造，包括以下步骤：以钛合金圆柱体为坯料，利用脉冲电流焦耳热效应将其加热至500℃左右后进行模锻工序，之后生产工序不变，获得表面光滑成形优良的连杆。脉冲电流的参数选择为150-300A/mm2，频率为50-500Hz，处理时间为10-30mins。锻压成形工艺后通入脉冲电流将连杆加热至150℃左右，持续电脉冲处理6-12h，脉冲电流的参数选择为2-10A/mm2。频率为0.5-20Hz。整个工艺流程结束后，将连杆取出，准备进行后续的性能测试试验。
对生产制造出的钛合金发动机连杆取样，结果显示硬度基本保持不变的情况下，疲劳强度提高5-10％。
实施例三：
采用本发明对7001铝合金U型梁进行生产制造，包括以下步骤：以7001铝合金圆柱体为坯料，利用脉冲电流焦耳热效应将坯料加热至420℃左右后进行挤压工序，之后生产工序不变，获得表面光滑成形优良的U型梁。脉冲电流的参数选择为150-180A/mm2，频率为80-500HZ,处理时长为15-30mins。挤压成形工艺后通入脉冲电流将U型梁加热到120℃左右，持续电脉冲处理4-12h，脉冲电流的参数选择为3-8A/mm2，频率为0.5-20Hz。整个工艺流程结束后，将U型挤压件取出，准备进行后续的性能测试试验。
对生产制造出的铝合金U型梁取样，结果显示零件硬度提升3-5％，综合力学性能得到一定程度上的提升。
实施例四：
采用本发明对钛合金发动机叶片进行生产制造，包括以下步骤：以钛合金圆柱体为坯料，利用脉冲电流焦耳热效应将其加热至800℃左右后进行锻压工序，之后生产工序不变，获得表面光滑成形优良的叶片，脉冲电流的参数选择为120-180A/mm2，频率为20-500Hz，处理时长为10-30mins。随后利用脉冲电流将叶片加热至140℃左右，持续电脉冲处理8-12h，脉冲电流的参数选择为2-10A/mm2，频率为0.5-20Hz。整个工艺流程结束后，将钛合金叶片取出，准备进行后续的性能测试试验。
对生产制造出的钛合金飞机叶片取样，结果显示硬度基本保持不变的情况下，疲劳强度提高5-10％。
以上实施例以及原理仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡是依据本发明的技术实质所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种高强轻质合金复杂异形构件电磁辅助成形成性工艺，包括如下步骤：
(1)高密度脉冲电流辅助成形：根据构件的形状与尺寸设置坯料的形状与尺寸，并根据材料属性与成形特性，制定相应的高密度脉冲电流参数：脉冲电场的电流密度为20-400A/mm2；将坯料放置于上模具与下模具之间，保持坯料与上下模具表面贴合，通过脉冲电源、电极、模具、坯料构成的闭合回路使坯料在脉冲电流焦耳热作用下加热至指定温度；实时监控坯料温度，达到指定温度后，压力装备下行，控制上、下模具以20-500mm/s的速度进行合模，此时坯料挤压入模具之中形成成形构件，此过程中始终保持通入脉冲电流并实时调整脉冲电流参数，保证坯料成形温度波动范围在20℃以内；上、下模具合模后，切断脉冲电流，保压一段时间，使成形构件在模内或模外淬火，待温度下降至常温后将其从模具中取出，校形切边；
(2)低密度脉冲电流强韧化处理：根据成形构件的横截面尺寸与电阻数据，制定强韧化处理的低密度脉冲电流参数：脉冲电场的电流密度为2-10A/mm2；根据成形构件特性与力学性能薄弱区域，布置相应的电极，所述的力学性能薄弱区域为根据经验确认的难以成形或成形不充分区域；通入低密度脉冲电流，使成形构件在焦耳热作用下加热至预定温度；实时调整低密度脉冲电流参数，使成形构件在预定温度下进行长周期的电脉冲处理，完成构件的组织性能调控处理。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述高密度脉冲电流参数还包括：脉冲电场频率为20-500Hz，处理时间为1-30mins。
3.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述低密度脉冲电流参数还包括：脉冲电场频率为0.5-20Hz，处理时间为0.5-12h。
4.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述高密度脉冲电流辅助成型中的指定温度根据材料种类不同控制在400-1000℃。
5.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述低密度脉冲电流强韧化处理的预定温度根据材料种类不同控制在100-200℃。
6.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述实时监控坯料温度采用热电偶实时监控坯料温度。
7.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述压力装备为压力机。
8.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述坯料为铝合金、镁合金或钛合金。
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