CN110802220B - 一种大曲率壁板的蠕变时效成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大曲率壁板的蠕变时效成形方法，主要用于增大壁板的可蠕变时效成形曲率，提高大曲率壁板的耐腐蚀性能和抗疲劳性能，提高蠕变时效成形效率。该方法为将铝合金壁板毛坯在420~520℃下固溶1~3小时，淬火；然后对壁板选区进行喷丸强化处理；再将壁板在热压罐中进行蠕变时效；最后对壁板选区进行抛光处理。本发明的方法可有效避免大曲率壁板蠕变时效成形时微裂纹的产生，促进强化相的析出效率，增强壁板的耐腐蚀性能和抗疲劳性能，增大壁板的可蠕变时效成形曲率，提高蠕变时效成形工艺的应用范围。
Description
技术领域
本发明属于先进制造技术领域，具体涉及一种大曲率壁板的蠕变时效成形方法。
背景技术
蠕变时效成形技术是一种将时效强化与蠕变成形相结合，利用金属的高温蠕变特性进行成形的工艺。在航空航天壁板生产领域具有广阔应用前景。典型的时效成形工艺过程分为三个阶段，(1)加载：在室温下，将金属零件通过一定的加载方式使之产生弹性变形，并固定在具有一定外形型面的工装上。(2)人工时效：将零件和工装一起放入加热炉内，在特定高温环境内保温一段时间，材料在此过程中受到蠕变、应力松弛和时效机制的作用，内部组织和性能均发生变化。(3)卸载：在保温结束并去掉工装的约束后，所施加到零件上的部分弹性变形在蠕变和应力松弛的作用下，转变为永久塑性变形，从而使零件在完成时效强化的同时，获得所需外形。
为了降低零件因进入屈服状态后产生微裂纹而引发失稳破裂的几率，蠕变时效成形时的成形应力通常低于材料的屈服应力。但是，这限制了壁板的可蠕变时效成形曲率。目前大曲率壁板的蠕变时效成形，通常先使壁板产生大量的塑性变形再进行蠕变时效，但这不可避免的会使壁板内部出现裂纹缺陷，降低了壁板的耐腐蚀性能和抗疲劳性能，削弱了蠕变时效成形工艺的突出优势。此外，蠕变时效成形时，为使强化相充分弥散析出，壁板需要在高温环境中保持较长时间，导致蠕变时效成形的效率很低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大曲率壁板的蠕变时效成形方法，通过对壁板特定选区进行喷丸强化处理，形成均匀的压应力区域，抑制微裂纹产生，增大强化相的析出效率，提高大曲率壁板的耐腐蚀性能和抗疲劳性能，提高生产效率。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
一种大曲率壁板的蠕变时效成形方法，包括以下步骤：
步骤一、将铝合金壁板毛坯在420～520℃固溶1～3小时，然后以60～80℃/s的冷却速度淬火；
步骤二、利用保护带遮蔽除壁板选区外的区域，选区位于壁板弯曲时的拉伸变形一侧，选区的宽度使用公式w＝K·ρ·θ获得，式中k为选区系数，取值范围为1.1～1.5，ρ为弯曲半径，θ为弧度，壁板选区的长度等于弯曲线长度，然后启动喷丸设备控制硬度200～700HV的铸钢丸或不锈钢丸，弹丸直径为10～800μm，喷射速度为100～1000m/s，喷嘴移动速度为100～1000mm/min，沿对称式移动轨迹对壁板选区进行轰击；
步骤三、将壁板在模具中弯曲成形，然后在热压罐中进行蠕变时效成形；
步骤四、对壁板选区进行抛光处理。
所述的壁板材料为2XXX系、6XXX系和7XXX系可时效铝合金。
所述的壁板材料为厚度为1～10mm的不带筋板材。
所述的大曲率壁板为单曲率壁板或多曲率壁板。
步骤三中所述的壁板在模具中弯曲成形时，最大变形处的应变大于板材喷丸强化处理前的弹性极限。
步骤三中所述的壁板蠕变时效成形为在温度140～220℃、压力100～500MPa下保温10～22h。
步骤四中所述的对壁板选区进行抛光处理为首先使用粒度为340～1200的SiC砂纸对选区进行打磨处理，然后利用帆布或呢绒进行对选区进行机械抛光。
步骤四中所述的对壁板选区进行抛光处理为采用PH为0.8～3.5的硫酸、磷酸、氨基磺酸、硝酸中的一种或多种腐蚀选区。
本发明的有益效果是：1.本发明的方法，通过对选区进行喷丸强化，在壁板选区形成强大的压应力，提高了选区部分材料的弹性极限，特别有利于大曲率壁板的蠕变时效成形；2.本发明的方法，通过对选区进行喷丸强化，在壁板选区形成强大的压应力，有效抑制了微裂纹的产生，提高了壁板的耐腐蚀和抗疲劳性能；3.本发明的方法，通过对选区进行喷丸强化，增大了选区的位错密度和不稳定性，提高了强化相的析出动能，降低了强化相的弥散析出时间和温度，有利于提高生产效率，降低能耗；4.本发明的方法，在蠕变时效成形后对壁板选区进行抛光处理，消除了应力集中缺陷，进一步提高了壁板的耐腐蚀和抗疲劳性能。
附图说明
图1是本发明的大曲率壁板的蠕变时效成形流程图。
图2是本发明所述的选区示意图。
图3是本发明所述的对选区喷丸强化处理的喷丸轨迹示意图。
图4是本发明所述的板材喷丸处理及蠕变时效成形示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本申请的技术方案，下面将结合申请中的附图，对本发明所提出的具体实施方案进行清楚完整的描述。
图1是本发明的大曲率壁板的蠕变时效成形流程图。
图2是本发明所述的选区示意图，ABCD为选区区域，其中图2a为单一曲率壁板的选区示意图，图2b为多曲率壁板的选区示意图。
图3是本发明所述的对选区喷丸强化处理的喷丸轨迹示意图，对称式轨迹，具体按轨迹顺序进行，其中图3a为单一曲率壁板的选区喷丸轨迹顺序，图3b为多曲率壁板的选区喷丸轨迹顺序。
图4是本发明所述的板材喷丸处理及蠕变时效成形示意图，其中图4a为对选区进行喷丸处理，图4b为将喷丸处理后的壁板置于成形模具上，图4c为对壁板材料加压使其贴紧于模具型面，然后在高温环境中保温，图4d为降温卸载，取出壁板件，图4e为对壁板选区进行抛光处理。
本发明是一种大曲率壁板的蠕变时效成形方法，以表1所示合金成分的2024铝合金为例，详细说明本发明涉及的大曲率壁板的蠕变时效成形方法。各实施例和对比例中的硬度采用GB/T4340.4-2009规定的维氏显微硬度测试方法测定。电化学腐蚀性能按照GB/T24196-2009在电化学工作站上进行测试。
表1本发明所用的材料的合金成分(wt.％)
| Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Cr | Zn | Ti | 其他 | Al |
| 0.5 | 0.5 | 3.8～4.9 | 0.3～0.9 | 1.2～1.8 | 0.1 | 0.25 | 0.15 | 0.15 | 余量 |
实施例1
壁板材料为2024铝合金，壁板毛坯长度为1200mm，宽度为600mm，厚度为5mm。沿所述壁板长向单一曲率弯曲，弯曲半径为300mm，弯曲角度为45°。经计算壁板选区长度为600mm、宽度为140mm。利用硬度为500HV、直径为400μm的铸钢丸，以喷射速度为500m/s，喷嘴移动速度为300mm/min，按图3a所示的喷丸轨迹对选区进行喷丸处理。
将壁板放在半径为235mm的模具中，在热压罐中施加300MPa的成形压力，并在温度为175℃中保温12h。卸载取件。最后使用粒度为400、600的SiC砂纸打磨处理选区，然后利用帆布对选区进行机械抛光。
对比例1
壁板材料为2024铝合金，壁板毛坯长度为1200mm，宽度为600mm，厚度为5mm。沿所述壁板长向单一曲率弯曲，弯曲半径为300mm，弯曲角度为45°。
将壁板放在半径为215mm的模具中，在热压罐中施加350MPa的成形压力，然后在温度为210℃中保温18h。卸载取件。
实施例2
壁板材料为2024铝合金，壁板毛坯长度为1200mm，宽度为600mm，厚度为5mm。沿所述壁板长向多曲率弯曲，弯曲半径沿宽度方向分别为300mm、400mm、500mm，弯曲角度为45°。经计算壁板选区为顶边140mm、底边240mm、高度为600mm的梯形。利用硬度为500HV、直径为400μm的铸钢丸，以喷射速度为500m/s，喷嘴移动速度为300mm/min，按图3b所示的喷丸轨迹对选区进行喷丸处理。
将壁板放在半径为235mm、335mm、435mm的模具中，在热压罐中施加350MPa的成形压力，在温度为175℃中保温12h。卸载取件。最后使用PH＝2的硫酸对选区进行腐蚀抛光。
对比例2
壁板材料为2024铝合金，壁板毛坯长度为1200mm，宽度为600mm，厚度为5mm。沿所述壁板长向多曲率弯曲，弯曲半径沿宽度方向分别为300mm、400mm、500mm，弯曲角度为45°。
将壁板放在半径为215mm、315mm、415mm的模具中，在热压罐中施加350MPa的成形压力，在温度为210℃中保温18h。卸载取件。
表2实施例与对比例的成形时间、耐腐蚀性和硬度
实施例1和对比例1是使用本发明和传统方法成形单曲率壁板后的最大型面偏差、成形时间和成形区硬度，可知两种方法的成形偏差在±1mm内，均满足成形精度要求，但利用本发明的方法成形壁板的用时较传统方法明显减少，成形区的硬度增加，壁板的耐腐蚀性能显著提高。实施例2和对比例2是使用本发明和传统方法成形多曲率壁板后的最大型面偏差、成形时间和成形区硬度，可知两种方法的成形偏差在±1mm内，均满足成形精度要求，但利用本发明的方法成形多曲率壁板的用时较传统方法明显减少，成形区的硬度增加，壁板的耐腐蚀性能显著提高。以上数据表明，本发明的成形方法在保证成形精度，实现大曲率壁板蠕变时效成形的同时，可大幅提高壁板的生产效率，降低能耗，提高壁板件的耐腐蚀性能和抗疲劳性能。
Claims (7)
1.一种大曲率壁板的蠕变时效成形方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一、将铝合金壁板毛坯在420～520℃固溶1～3小时，然后以60～80℃/s的冷却速度淬火；
步骤二、利用保护带遮蔽除壁板选区外的区域，选区位于壁板弯曲时的拉伸变形一侧，选区的宽度使用公式w＝k·ρ·θ获得，式中k为选区系数，取值范围为1.1～1.5，ρ为弯曲半径，θ为弧度，壁板选区的长度等于弯曲线长度，然后启动喷丸设备控制硬度200～700HV的铸钢丸或不锈钢丸，弹丸直径为10～800μm，喷射速度为100～1000m/s，喷嘴移动速度为100～1000mm/min，沿对称式移动轨迹对壁板选区进行轰击；
步骤三、将壁板在模具中弯曲成形，然后在热压罐中进行蠕变时效成形；
步骤四、对壁板选区进行抛光处理。
2.根据权利要求1所述的一种大曲率壁板的蠕变时效成形方法，其特征在于：所述的壁板材料为2XXX系、6XXX系或7XXX系可时效铝合金。
3.根据权利要求1所述的一种大曲率壁板的蠕变时效成形方法，其特征在于：所述的壁板材料为厚度为1～10mm的不带筋板材。
4.根据权利要求1所述的一种大曲率壁板的蠕变时效成形方法，其特征在于：所述的大曲率壁板为单曲率壁板或多曲率壁板。
5.根据权利要求1所述的一种大曲率壁板的蠕变时效成形方法，其特征在于：步骤三中所述的壁板在模具中弯曲成形时，最大变形处的应变大于板材喷丸强化处理前的弹性极限。
6.根据权利要求1所述的一种大曲率壁板的蠕变时效成形方法，其特征在于：步骤三中所述的壁板蠕变时效成形为在温度140～220℃、压力100～500MPa下保温10～22h。
7.根据权利要求1所述的一种大曲率壁板的蠕变时效成形方法，其特征在于：步骤四中所述的对壁板选区进行抛光处理为首先使用粒度为340～1200的SiC砂纸对选区进行打磨处理，然后利用帆布或呢绒进行对选区进行机械抛光。
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