CN111940576A - 一种双向曲率的铝合金复杂构件产品的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种双向曲率的铝合金复杂构件产品的制备方法，包括如下步骤：步骤A、对铝合金平板进行固溶淬火；步骤B、对固溶淬火后产生弯曲的铝合金板进行预变形；步骤C、在时效炉中对预变形后的铝合金平板进行人工时效处理；步骤D、对人工时效处理后的铝合金平板进行单曲率预成型；步骤E、将步骤D所得的铝合金曲板放置在模具上进行双曲率的真空蠕变时效成形，即制备得到双向曲率的铝合金构件产品。本发明解决了现有技术成形铝合金构件产品蠕变时效成型的保温时间太长、成形铝合金构件产品的成功率不够高的缺陷。

Description

一种双向曲率的铝合金复杂构件产品的制备方法

技术领域

本发明涉及一种运载火箭箭体结构贮箱箱底双曲率瓜瓣成形制造方法，特别地，涉及一种双向曲率的铝合金复杂构件产品的制备方法，属于航空航天推进剂贮箱技术领域。

背景技术

推进剂贮箱属于运载火箭箭体结构的重要组成部分，为动力系统贮存和输送推进剂，同时作为主传力结构参与箭体传力，载荷环境复杂，轻质化要求高。瓜瓣构件是运载火箭贮箱箱底的重要组成部分，一般采用拉形、拉深等制造工艺，但由于是在室温下成形，因此成形后会出现回弹量大、成形精度低、性能分布不均匀等难题。蠕变时效成形是一种适合薄壁结构件同时高精度成形和高性能成性的技术，具有绿色无污染、重复性好等优点。目前该技术已成功应用于航空航天大型整体壁板类构件，但相对传统成形方法，蠕变时效成形技术存在成形效率低的问题，例如空客A380上机翼蒙皮在模具上和在热压罐高温高压下需要蠕变时效24小时才能成形，严重地限制了壁板的大批量快速生产。

目前还没有解决成形铝合金构件产品蠕变时效成型保温时间太长、成型铝合金构件产品成功率不够高的方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种双向曲率的铝合金复杂构件产品的制备方法，以解决现有技术成形铝合金构件产品蠕变时效成型的保温时间太长，成形铝合金构件产品的成功率不够高的缺陷。

本发明的技术解决方案是：

一种双向曲率的铝合金复杂构件产品的制备方法，包括如下步骤：

步骤A、对铝合金平板进行固溶淬火；

步骤B、对固溶淬火后产生弯曲的铝合金板进行变形量为8～10％的预变形，得到预变形后的铝合金平板；

步骤C、在时效炉中对预变形后的铝合金平板进行人工时效处理，所述人工时效处理的温度为120～200℃，人工时效处理的时间为5～20h，人工时效处理结束后，打开炉门，使铝合金平板自然冷却至室温；

步骤D、对人工时效处理后的铝合金平板进行单曲率预成型，所述单曲率预成型是使铝合金平板的长度或宽度方向单方向变弯曲；

步骤E、将步骤D所得的铝合金曲板放置在模具上进行双曲率的真空蠕变时效成形，即制备得到双向曲率的铝合金构件产品。

所述步骤A的实现方法如下：

在电热炉内对铝合金平板进行固溶处理，固溶处理的温度为480～560℃，固溶处理的时间为20～80min，然后用水喷淋淬火。

所述铝合金平板为2219铝合金板材。

所述步骤B中，采用拉和滚压相结合的冷成型步骤对固溶淬火后产生弯曲的铝合金板进行变形量为8～10％的预变形。

所述步骤D中，单曲率预成型为采用滚弯、拉形、喷丸中的一种或多种方法进行的冷成型。

单曲率预成型的时间为10～35min。

所述步骤E中，进行双曲率真空蠕变时效成形的方法如下：

将步骤D所得的铝合金曲板放到模具上，在铝合金曲板上铺一层密封袋，同时四周用高温胶将密封袋与模具表面粘接密封，然后将密封袋抽真空，再保持抽真空的状态把铝合金曲板和模具置入热压罐中，最后对热压罐升温升压，使铝合金曲板与模具贴膜，保温处理一段时间后，降温至室温，之后取出即得到成型好的铝合金构件产品。

所述步骤E中热压罐升温温度与步骤C中人工时效处理温度的温差不超过±10℃

热压罐中的温度升至150～200℃，压力升至0.5～2MPa，保温处理时间为2～10小时。

单曲率是指单向曲率，即铝合金平板只在X轴方向或Y轴方向上具备一定的曲率；双曲率是指双向曲率，即铝合金平板在X轴方向和Y轴方向上均具备一定的曲率。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)、本发明首先对铝合金平板(构件初始坯料)依次进行固溶淬火、预变形和人工时效处理，经过人工时效处理后铝合金板的力学性能大幅提升，减小了后续真空蠕变时效性能达到目标性能的时间；再对人工时效后的铝合金板进行单曲率预成型，减小了构件短轴方向需要的贴膜载荷；最后对铝合金曲板进行双曲率的真空蠕变时效成形，只利用蠕变初始阶段的快速蠕变来实现铝合金构件产品双曲率终成形，大幅缩短铝合金板材在热压罐中的蠕变时效成型时长。采用本发明方法制备双向曲率铝合金构件产品的真空蠕变时效成形效率较现有方法提高了3～5倍。

(2)、本发明中，虽然步骤C的人工时效也需要处理5～20h，但铝合金板材在时效炉中进行人工时效处理的过程不需抽真空、不需加压蠕变，因而时效炉中处理的耗能低，操作简便，铝合金板材处理容易。而在热压罐中铝合金板材的蠕变时效时间越长，则故障率越高，例如真空袋破裂等；热压罐中的蠕变时效时间越短则产品成型的成功率越高，本发明在热压罐保温2～10小时，保温时间较现有方法明显降低，提高了产品成型的成功率。

(3)、本发明成形效率提高的同时，产品性能也得到了升高。步骤B预变形和步骤D的预成形会使材料微观组织发生变化，有利于应力降低，从而残余应力更低，因此采用本发明方法制备的铝合金构件产品的厚薄分布更均匀，进一步提高了成型铝合金构件产品的成功率。

附图说明

图1是本发明流程图；

图2是本发明中铝合金板材测量位置图；

图3是本发明实施例1与对比例1中铝合金板材成形前后的厚度偏差曲线；

图4是本发明实施例1与对比例1成形后的铝合金构件产品的残余应力曲线；

图5是本发明实施例1与对比例1成形后的铝合金构件产品的力学性能曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1所示，本发明的一种双向曲率的铝合金构件产品的制备方法，包括如下步骤：

步骤A、在电热炉内对铝合金平板进行固溶处理，固溶处理的温度为480～560℃，固溶处理的时间为20～80min，然后用水喷淋淬火；铝合金平板为2219铝合金板材；

步骤B、采用拉和滚压相结合的冷成型步骤对固溶淬火后产生弯曲的铝合金板材进行变形量为8～10％的预变形；

步骤B使得固溶淬火后变得有些弧度的铝合金板重归平整。该步骤对铝合金板材进行预变形的目的一个是使固溶淬火后变形的铝合金板材平整并减小残余应力，另一个是有利于后续材料性能的提高和变形量的提高。

步骤C、在时效炉中对预变形后的铝合金平板进行人工时效处理，人工时效处理过程中的铝合金平板以变性为主，而其变形可忽略，人工时效处理的温度与后续步骤E中蠕变时效的温度相近，二者的温差不超过±10℃；人工时效处理结束后，打开炉门，让铝合金板材自然冷却至室温后进行下一步骤的处理。具体地，人工时效处理的温度为120～200℃，人工时效处理的时间为5～20h；优选的，步骤C中人工时效处理的温度为150℃～180℃，人工时效处理的时间为6～12h。本步中不需要对铝合金平板加压，也不需要抽真空。

步骤D、对人工时效处理后的铝合金板材进行单曲率预成型，单曲率预成型过程中的铝合金板材以变形为主，而其变性可忽略；该单曲率预成型为采用滚弯、拉形、喷丸中的一种或多种方法进行的冷成型；单曲率预成型是使铝合金板材的长度或宽度方向先单方向变弯曲，单曲率预成型的时间为10～35min。

步骤E、对步骤D所得的铝合金曲板放置在模具上进行双曲率的真空蠕变时效成形，即制备得到双向曲率的铝合金构件产品。

进行双曲率真空蠕变时效成形的方法如下：

将步骤D所得的铝合金曲板放到模具上，在铝合金曲板上铺一层密封袋，同时四周用高温胶将密封袋与模具表面粘接密封，然后将密封袋抽真空，，再保持抽真空的状态把铝合金曲板和模具置入热压罐中，最后对热压罐升温升压，使铝合金曲板与模具贴膜，保温处理一段时间后，降温至室温，之后取出即得到成型好的铝合金构件产品。

优选的，热压罐中的温度升至150～200℃，压力升至0.5～2MPa，并对热压罐保温2～10小时。

本发明中，单曲率是指单向曲率，如铝合金板材只在X轴方向或Y方向上具备一定的曲率；双曲率是指双向曲率，如铝合金板材在X轴方向上和Y轴方向上均具备一定的曲率。

本发明中，铝合金构件产品(例如瓜瓣构件)初始坯料采用2219铝合金板材，并对板材坯料依次进行固溶淬火、8-10％预变形、人工时效、单曲率预成形和双曲率真空蠕变时效成形，即本发明为多级蠕变成形，采用的板材坯料依次经过固溶淬火、8-10％预变形和人工时效处理。板材坯料经过人工时效处理后则力学性能大幅提升，减小了后续蠕变时效性能达到目标性能的时间。

本发明中，超大型宽幅复杂曲率铝合金构件产品呈椭球形，其长轴和短轴比相差很大，导致产品两个轴向贴膜所需要的外界载荷相差很大，基本上短轴方向需要的贴膜载荷会超过目前热压罐最大的压力。为此，提出先对产品进行单曲率预成形，也减小了该方向需要的贴膜载荷。

本发明中，对单曲率预成形后的铝合金曲板进行双曲率蠕变终成形。利用2219铝合金板在蠕变初期，也就是蠕变第一阶段变形量大、稳态蠕变阶段变形量小的特点，提出只利用蠕变初始阶段的快速蠕变来实现铝合金构件双曲率终成形；而且铝合金曲板单曲率预成形是在室温下的冷成形，材料内部会产生大量可动位错，会进一步促进蠕变变形。相比现有技术的单级蠕变成形，本发明的多级蠕变成形技术成形效率提高3～5倍。

本发明中，瓜瓣构件单曲率预成形后再进行蠕变双曲率终成形仍然保持较高的力学性能。2219铝合金基体内由于人工时效析出相已经长大，在后续短时蠕变时效双曲率终成形过程中析出相不会出现明显的粗化现象，因此力学性能不会降低。总体来说，本发明增加步骤C和D后的方法得到的铝合金构件产品的力学性能不会比现有技术中蠕变时效保温长达24小时的构件产品的力学性能低。

本发明中，经过单曲率预成形后再进行蠕变双曲率终成形时，铝合金构件产品的应力分布更加均匀、更有利于变形和性能的均匀性；同时由于预成形产生大量位错因此内应力降低的更快，从而构件最终的残余应力也更小，构件成形后尺寸长期保持不变且切除构件边沿余量后尺寸变化很小，例如在1mm以内。

本发明中，多级蠕变时效减小了瓜瓣中间和边缘部位的厚度差异，提高了瓜瓣整体厚度的均匀性，克服了传统的单级蠕变成形构件会出现较为严重的中间减薄两侧增厚情况的缺陷。

实施例1

采用本发明方法制备双向曲率的铝合金构件产品。

将2219铝合金平板在电热炉内进行固溶处理，固溶处理的温度为535℃，固溶45min，然后用水喷淋淬火；对固溶淬火后的铝合金板材进行变形量为8％的预变形；将铝合金平板放在时效炉中进行人工时效，人工时效的温度175℃下处理8h；对铝合金平板进行单曲率预成型，单曲率预成型的时间为20min左右；对预成型后的铝合金曲板进行双曲率的真空蠕变时效成形，热压罐中的温度升至180℃以及压力加到0.6MPa，并保温保压3小时左右，降温后取出即得到成型好的铝合金构件。

对比例1

采用传统方法制备双向曲率的铝合金构件产品。

将2219铝合金平板在电热炉内进行固溶处理，固溶处理的温度为535℃，固溶45min，然后用水喷淋淬火；对固溶淬火后的铝合金板材进行变形量为8％的预变形；对预变形后的铝合金板材进行双曲率的真空蠕变时效成形，热压罐中的温度升至180℃以及压力加到1.2MPa，并保温保压24小时左右，降温后取出即得到成型好的铝合金构件。

图2为测量位置图，由图3、图4和图5可知，本发明实施例1与对比例1相比，采用本发明方法的铝合金板材成形前后的厚度偏差以及制备的双向曲率的铝合金构件产品残余应力更小，而采用本发明方法制备的双向曲率的铝合金构件产品的力学性能较对比例1也有所增强。

此外，本发明中步骤C人工时效设置在步骤D单曲率预成型之前。如果步骤C和步骤D的顺序调换，即步骤D单曲率预成型在步骤C人工时效之前，则步骤D成形产生的板材微观结构位错和残余应力在后续步骤C人工时效中会降低，尤其是位错数量降低，不利于步骤E的双曲率变形，而且步骤D成形后的成形效果在后续步骤C人工时效中可能会有变形。

本发明实施例1与对比例1相比，增加了步骤C和步骤D，这两个步骤的增加缺一不可。如果只增加步骤C的人工时效，则板材性能提高，但因没有预成型，则最终还是需要在步骤E中花费长时间去成形。如果只增加步骤D的单曲率预成型，则步骤E中也需要花长时间去增加板材的性能。因此，本发明只有同时增加步骤C和步骤D，使得板材的性能和形变都得到预先增加，最后实施步骤E使得利用蠕变时效成形的前期快速蠕变实现最终成形，同时板材性能也达到产品的目标值，才能解决现有技术中蠕变时效成型的保温时间太长且成型铝合金构件产品的成功率不够高的技术问题。

本发明首先对铝合金平板依次进行固溶淬火、预变形和人工时效处理，提升了铝合金板的力学性能，减小了后续蠕变时效时间；再对铝合金板进行单曲率预成型，减小了构件的贴膜载荷；最后对铝合金曲板进行双曲率的真空蠕变时效成形，只利用蠕变初始阶段的快速蠕变来实现构件产品双曲率终成形，大幅缩短铝合金板材在热压罐中的蠕变时效成型时长。本发明的制备方法成型效率提高的同时，产品性能也升高。

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。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种双向曲率的铝合金复杂构件产品的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A、对铝合金平板进行固溶淬火；

步骤B、对固溶淬火后产生弯曲的铝合金板进行变形量为8～10％的预变形，得到预变形后的铝合金平板；

步骤C、在时效炉中对预变形后的铝合金平板进行人工时效处理，所述人工时效处理的温度为120～200℃，人工时效处理的时间为5～20h，人工时效处理结束后，打开炉门，使铝合金平板自然冷却至室温；

步骤D、对人工时效处理后的铝合金平板进行单曲率预成型，所述单曲率预成型是使铝合金平板的长度或宽度方向单方向变弯曲；

步骤E、将步骤D所得的铝合金曲板放置在模具上进行双曲率的真空蠕变时效成形，即制备得到双向曲率的铝合金构件产品。

2.根据权利要求1所述的一种双向曲率的铝合金复杂构件产品的制备方法，其特征在于，所述步骤A的实现方法如下：

在电热炉内对铝合金平板进行固溶处理，固溶处理的温度为480～560℃，固溶处理的时间为20～80min，然后用水喷淋淬火。

3.根据权利要求1所述的一种双向曲率的铝合金复杂构件产品的制备方法，其特征在于，所述铝合金平板为2219铝合金板材。

4.根据权利要求1所述的一种双向曲率的铝合金复杂构件产品的制备方法，其特征在于，所述步骤B中，采用拉和滚压相结合的冷成型步骤对固溶淬火后产生弯曲的铝合金板进行变形量为8～10％的预变形。

5.根据权利要求1所述的一种双向曲率的铝合金复杂构件产品的制备方法，其特征在于，所述步骤D中，单曲率预成型为采用滚弯、拉形、喷丸中的一种或多种方法进行的冷成型。

6.根据权利要求5所述的一种双向曲率的铝合金复杂构件产品的制备方法，其特征在于，单曲率预成型的时间为10～35min。

7.根据权利要求1所述的一种双向曲率的铝合金复杂构件产品的制备方法，其特征在于，所述步骤E中，进行双曲率真空蠕变时效成形的方法如下：

将步骤D所得的铝合金曲板放到模具上，在铝合金曲板上铺一层密封袋，同时四周用高温胶将密封袋与模具表面粘接密封，然后将密封袋抽真空，再保持抽真空的状态把铝合金曲板和模具置入热压罐中，最后对热压罐升温升压，使铝合金曲板与模具贴膜，保温处理一段时间后，降温至室温，之后取出即得到成型好的铝合金构件产品。

8.根据权利要求7所述的一种双向曲率的铝合金复杂构件产品的制备方法，其特征在于，所述步骤E中热压罐升温温度与步骤C中人工时效处理温度的温差不超过±10℃。

9.根据权利要求8所述的一种双向曲率的铝合金复杂构件产品的制备方法，其特征在于，热压罐中的温度升至150～200℃，压力升至0.5～2MPa，保温处理时间为2～10小时。

10.根据权利要求1所述的一种双向曲率的铝合金复杂构件产品的制备方法，其特征在于，单曲率是指单向曲率，即铝合金平板只在X轴方向或Y轴方向上具备一定的曲率；双曲率是指双向曲率，即铝合金平板在X轴方向和Y轴方向上均具备一定的曲率。

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