CN111534767B - 一种铝合金构件室温循环施载高效形性一体化制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种铝合金构件室温循环施载高效形性一体化制造方法，所述方法通过采用振动和机械压力结合的方式在构件上施加循环交变载荷，使材料发生循环共振，在特定频率匹配下循环共振改变相变发生的条件，诱发铝合金在室温下动态析出均匀分布的细小析出相，同时循环振动载荷作用下成形力大幅降低且构件回弹显著降低，实现大型复杂构件组织性能的均匀和形状精度的提升。

Description

一种铝合金构件室温循环施载高效形性一体化制造方法
技术领域
本发明涉及有色金属材料加工工程技术领域，特别涉及一种铝合金构件室温循环施载高效形性一体化制造方法。
背景技术
大型飞机和重型火箭等国家重大战略装备运载能力的进一步提升以及汽车等交通工具的更新换代对其关键结构件的轻质化提出了更高的要求，轻质高强铝合金仍是轻质化结构件的首选结构材料之一；以大型整体薄壁构件为代表的复杂结构件对航空航天装备的结构效率、成本、制造周期和使用寿命等具有非常重要的影响，其制造水平已经成为体现此类高端装备核心竞争力的一个重要标志；复杂结构的大型整体铝合金薄壁件具有高筋厚比、高复杂曲率和高整体集成度等特点，需要历经塑性成形与热处理成性等复杂的工艺流程；一方面，高强铝合金需要在时效温度(120-200℃)长时间处理(>20h)才会达到最大时效强化效果，且大型构件温度差异大，性能不均匀突出；另一方面，高强铝合金(如7475、2060等铝合金)室温成形变形抗力大、塑性低、各向异性显著，易于失稳甚至开裂。传统成形方法精度较差、产品一致性低、效率低，在形性协同制造上存在突出的矛盾，高性能铝合金大型复杂薄壁件成形制造已经成为制约空天装备快速发展的“卡脖子”难题。
现有的薄壁构件成形技术在制造铝合金高性能大型复杂结构件上遇到的困难是由热/力作用下物质在宏微观尺度响应的物理原理决定的，很难从根本上克服。从“成性”的角度来讲，现有铝合金制造方法都是通过高温处理(热激活)形成强化相(析出硬化)实现构件的高性能，但同样带来了相关问题，包括：1.内部组织交互影响强烈，晶界、位错和第二相颗粒等组织在热扩散主导的析出相生长过程中引起溶质偏析，并在其周围形成软化区，造成析出相分布不均。这种组织不均匀性是难以获得高服役性能(如抗疲劳和抗腐蚀)铝合金构件的根本原因，也是铝合金组织调控的瓶颈问题；2.高温成性对于制备高性能大型复杂构件难度大，大型热处理炉热容大，构件温升慢，且铝合金强化相脱溶析出长大速率较慢，生产效率低，热处理时长需要十几小时以上，7xxx系铝合金RRA处理甚至需要几天。构件温度分布不均匀和时差效应进一步导致性能的不均匀性，复杂结构关键位置性能的保证难度很大，从“成形”的角度，现有成形方法通过沿某成形方向施加单向或多向塑性载荷使构件获得最终的形状，受材料自身弹塑性特性的影响，卸载后弹性回复难以避免，复杂薄壁构件的精确控形难度大，更严重的是复杂结构不均匀形变导致成形后构件残余应力大且分布不均，后续加工时易于变形，尺寸稳定性差，这对后续加工提出很大的挑战。综上可知，基于传统热力能场驱动大型薄壁构件形、性演变的成形方式难以实现铝合金构件性能的进一步提升和高效精确形性一体化制造，迫切需要开发新的高精度高性能铝合金构件制造技术以满足航空航天高端装备制造业发展的需求。
因此，有必要提供一种能降低构件回弹效果、实现大型复杂构件组织性能的均匀和形状精度的提升的铝合金成形制造方法。
发明内容
本发明提供了一种铝合金构件室温循环施载高效形性一体化制造方法，其目的是为了降低铝合金构件回弹效果、实现大型复杂构件组织性能的均匀和形状精度的提升。
为了达到上述目的，本发明提供了一种铝合金构件室温循环施载高效形性一体化制造方法，所述方法通过采用振动和机械压力结合的方式在构件上施加循环交变载荷，合适频率匹配下材料发生循环共振，实现大型复杂构件组织性能的均匀和形状精度的提升。
基于本发明原理，循环共振能改变相变发生的条件，并诱发铝合金在室温下动态析出均匀分布的细小析出相，同时循环振动载荷作用下成形力大幅降低且构件回弹显著降低。
作为优选，具体步骤如下：
步骤一、将铝合金板材进行固溶；
步骤二、将步骤一进行固溶后的铝合金板材进行水淬；
步骤三、将步骤二进行水淬后的铝合金板材进行循环交变荷载处理，具体操作为：在室温环境下，将板材固定于电磁振动器上；同时启动电磁振动器和超声发生器，调节超声发生器频率，板材内部组织发生循环往复运动，在施加循环载荷的同时，压力机对铝合金板材施加机械压力进行冲压，铝合金板材塑性成形。
作为优选，所述步骤三中超声发生器频率为板材固有频率的0.8-1.2倍。
铝合金固有频率在1000～3000Hz。
作为优选，所述步骤三中对铝合金板材施加的机械压力在铝合金板材上产生的最大应力小于0.5倍屈服强度。
即超声发生器和电磁振动器不作用时只能发生弹性变形，板材在循环反复高频振动下逐渐塑性成形并实现析出强化成性。
作为优选，所述步骤三中施加机械压力的频率为0.02-1Hz。
作为优选，所述步骤三中冲压时间为5-10min。
作为优选，所述步骤三中所述超声发生器通过固定架位于所述铝合金板材四周。
本发明在固溶-淬火后，通过振动频率匹配产生谐振的方式对板材施加循环交变载荷，使板材内位错在室温下发生往复运动，以此在板材中引入大量空位原子。这部分空位原子可以作为析出相的形核核心，使板材动态析出大量精细的纳米析出相，板材内引入大量空位且位错往复运动，诱发构件成形力降低和回弹等多重效应，并且提高板材的综合性能。
本发明的上述方案有如下的有益效果：
1、本发明摒弃传统的合金元素加热扩散动力学原理和过饱和固溶体高温分解热力学原理，通过恰当的循环施载诱发相变，调控位错的运动模式及其与合金元素的交互作用，改变相关的变形和析出微观机制，开发出了新的形变和相变协同制造模式和技术，新的制造模式破解了铝合金复杂构件组织不均匀问题，显著增强复杂构件的局部强度和综合服役性能。
2、发明采用振动和机械压力结合等方式诱发谐振在构件上施加循环交变载荷，实现其在复杂构件制造上的应用，该技术便于智能化的柔性控制。
3、本发明提供一种铝合金室温循环施载高效形性一体化制造的方法，在循环施载期间，材料的温度不会超过30℃，相较于传统制造工艺，不需要时效处理且效率大幅提升，工艺成形的材料的成形性和综合性能良好。
附图说明
图1为本发明的室温循环施载成形过程中成形力变化图。
图2室温循环施载成形方法工艺流程。
附图标记说明
1-压力机；2-超声发生器；3-电磁振动器；4-固定架。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
如图2所示，本发明针对现有的问题，提供了一种铝合金构件室温循环施载高效形性一体化制造方法，该方法的思路在于：通过采用振动和机械压力结合等方式在构件上施加循环交变载荷，使材料发生循环共振。循环共振能改变相变发生的条件，并诱发铝合金在室温下动态析出均匀分布的细小析出相，同时循环振动载荷和成形力共同作用下成形力大幅降低且构件回弹显著降低。
实施例1
6061铝合金在空气循环电阻炉中进行固溶处理水淬后，得铝合金板材，采用铝合金室温循环施载高效形性一体化制造方法制备弯曲件，同时开启施振器，其中超声发生器2振动频率为700Hz，电磁施振器3的振动频率为300Hz，压力机1施加的机械压力为18.3kN，压力机1运作频率为1Hz，循环载荷作用时长5分钟，成形后取试样进行拉伸实验。卸载前弯曲半径R0为50mm，测量卸载后弯曲半径Rf，计算板材的回弹量SP。
实施例2
7075铝合金在空气循环电阻炉中进行固溶处理水淬后，得铝合金板材，采用铝合金室温循环施载高效形性一体化制造方法制备弯曲件，同时开启施振器，其中超声发生器2振动频率为900Hz，电磁施振器3的振动频率为200Hz，压力机1施加的机械压力为30.3kN，压力机运作频率为0.8Hz，循环载荷作用时长8分钟，成形后取试样进行拉伸实验。卸载前弯曲半径R0为50mm，测量卸载后弯曲半径Rf，计算板材的回弹量SP。
对比例1
6061铝合金在空气循环电阻炉中进行固溶处理水淬后，得铝合金板材，采用传统成形制造流程制备弯曲件。时效温度选取180℃峰值时效，成形后取试样进行拉伸实验。卸载前弯曲半径R0为50mm，测量卸载后弯曲半径Rf，计算板材的回弹量SP。
对比例2
7075铝合金在空气循环电阻炉中进行固溶处理水淬后，得铝合金板材，采用传统成形制造流程制备弯曲件。时效温度选取120℃峰值时效，成形后取试样进行拉伸实验。卸载前弯曲半径R0为50mm，测量卸载后弯曲半径Rf，计算板材的回弹量SP。
表1对比实施例1和2和实施例1和2相应工艺处理后力学性能(强度单位MPa)
对比例1 对比例2 实施例1 实施例2
屈服强度 257 413 268 442
抗拉强度 324 527 337 562
延伸率 14.1％ 12.4％ 13.8％ 15.0％
表2对比实施例1和2和实施例1和2成形工艺参数
对比例1 对比例2 实施例1 实施例2
成形力(kN) 25.5 48.5 18.3 30.3
R<sub>f</sub>(mm) 39.8 34.1 47.3 46.5
回弹量(％) 20.4 31.8 5.4 7.0
表一是使用传统处理方法与使用本发明方法后6061和7075铝合金的屈服强度、抗拉强度和断后延伸率，将材料进行固溶淬火处理，然后转移至冲压模具上进行冲压，最后再进行后续时效，以此提高材料的性能；时效处理也可以放置在冲压前，使材料先获得优异的力学性能，后进行冲压。然而由于构件尺寸较大，在热处理过程中很难保证受热均匀，造成析出相分布不均；这种组织不均匀性使大型构件难以获得高服役性能，同时复杂结构不均匀形变导致成形后构件残余应力大且分布不均，后续加工时易于变形，造成构建尺寸稳定性差，成形精度低。表二是使用传统成形方法与使用本发明方法后6061和7075铝合金的成形力和回弹量，使用本发明专利方法与传统的相比可以在延伸率保持的同时屈服强度提升20-50MPa。从表2中可以明显得知，使用本发明专利方法与传统的相比可以减小20-50％的成形力，同时回弹量减少了10-25％，传统成形，成形后构建的回弹量为15-50％，本发明专利方法由于在成形过程中，压力机施压速度是随着循环载荷的变化而变化，当材料向下运动时，压力会瞬间施加载荷，使板材向下成形，材料向上运动时，压力机会保载，这个过程使材料发生渐进成形，如图1和2所示；由于超声发生器和电磁振动器对材料产生成形力，因此在成形过程中可以降低压力机20-50％成形力，同时降低构建成形后的回弹量，本发明的构建成形后的回弹量为3-8％，屈服强度提升20-50MPa。同时发明的成形方法不需要对材料进行高温时效强化处理，避免材料受热不均造成成形性下降或时效温度过高对成形后性能有不利影响。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种铝合金构件室温循环施载高效形性一体化制造方法，其特征在于，所述方法通过采用振动和机械压力结合的方式在构件上施加循环交变载荷，使材料发生循环共振，实现大型复杂构件组织性能的均匀和形状精度的提升，具体步骤如下：
步骤一、将铝合金板材进行固溶；
步骤二、将步骤一进行固溶后的铝合金板材进行水淬；
步骤三、将步骤二进行水淬后的铝合金板材进行循环交变荷载处理，具体操作为：在室温环境下，将板材固定于电磁振动器上；同时启动电磁振动器和超声发生器，调节超声发生器频率，板材内部组织发生循环往复运动，在施加循环载荷的同时，压力机对铝合金板材施加机械压力进行冲压，铝合金板材塑性成形；
其中，所述步骤三中超声发生器频率为板材固有频率的0.8-1.2倍。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金构件室温循环施载高效形性一体化制造方法，其特征在于，所述步骤三中对铝合金板材施加的机械压力在铝合金板材上产生的最大应力小于0.5倍屈服强度。
3.根据权利要求1所述的一种铝合金构件室温循环施载高效形性一体化制造方法，其特征在于，所述步骤三中施加机械压力的频率为0.02-1Hz。
4.根据权利要求1所述的一种铝合金构件室温循环施载高效形性一体化制造方法，其特征在于，所述步骤三中冲压时间为5-10min。
5.根据权利要求1所述的一种铝合金构件室温循环施载高效形性一体化制造方法，其特征在于，所述步骤三中所述超声发生器通过固定架位于所述铝合金板材四周。
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