CN111940585A - 一种高强铝合金薄壳超低温成形过程性能调控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高强铝合金薄壳超低温成形过程性能调控方法，涉及金属板材成形技术领域。铝合金板材在超低温条件下成形性能大幅提高，通过超低温冷却介质将铝合金板材冷却至超低温成形，可利用超低温弥补因变形不足而导致的强化不足，避免增加变形容易引起开裂的问题；本发明根据曲面件变形规律分区冷却板坯，通过控制成形时板材温度分布，促进小变形区的亚结构形成，改善后续时效强化效果，提高组织性能一致性，可有效解决铝合金曲面件因变形不均导致组织性能一致性差的问题；本发明利用冷气直接冷却板坯，还避免了大尺寸和复杂型面模具冷却的问题。

Description

一种高强铝合金薄壳超低温成形过程性能调控方法
技术领域
本发明涉及金属板材成形技术领域，特别是涉及一种高强铝合金薄壳超低温成形过程性能调控方法。
背景技术
高强铝合金(2000系、7000系、Al-Li等热处理强化铝合金)因具有高比强度、刚度和优异的耐腐蚀性能，被广泛应用于航空、航天领域的主体结构。蒙皮类薄壳(如飞机舱体、火箭贮箱壳体等)是航空航天飞行器的关键结构，既是气动外形的重要部件，也是主要承力结构件。为满足新一代飞行器轻量化和高可靠发展需求，铝合金蒙皮类薄壳的力学性能要求也越来越高。
形状精度与力学性能难以兼顾是高强铝合金薄壳制造难题。热处理强化铝合金需要经过固溶和时效处理才能达到所要求的高强度，但是固溶时效态(硬态)，强度提高、而塑性大幅降低，易发生开裂缺陷，无法成形复杂薄壳件。如果在退火态(软态)下成形出复杂薄壳件，再固溶处理，会造成很大的形状畸变。因此，目前铝合金薄壳的制造技术路线为固溶处理(半硬态)-快速转移-成形-人工时效。现有的铝合金薄壳成形方法主要采用拉形和拉深成形两类工艺。以拉形为例，其工艺过程是通过夹钳施加拉力，使得板坯逐渐贴合模具，成形为所需形状构件，适用于航天航空领域的大尺寸、小曲率铝合金薄壳成形。但由于铝合金薄壳往往形状非对称，板坯逐渐贴靠模具过程中会发生不均匀变形，且尺寸较大区域变形大、尺寸较小区域变形相对较小，受摩擦和接触顺序影响，先贴模区域变形也会相对较小。
高强铝合金需要在时效前施加预变形来进一促进强化相弥散析出，以获得最高的强化效果。这个技术路线的关键是要控制变形量及分布。由于成形过程的变形不均匀，不可避免地会导致薄壳时效后组织性能一致性差的问题，即变形较小的区域强化不足、变形较大的区域强度相对较高。如果变形过大还容易导致过时效，造成变形较大区域性能降低。为了提高变形较小区域的强化程度，通常会通过优化坯料或改变加载路径来增加强化不足区域的变形程度，但会引起大变形区或传力区变形增大，甚至发生开裂缺陷。
综上所述，现有技术路线难以解决此类铝合金蒙皮类薄壳成形组织性能一致性差的难题。经研究发现，铝合金在超低温条件下的变形机制发生改变，因多系滑移开动，相同变形程度的低温变形比常温变形将在晶粒内部形成更多的位错组织，亚结构密度提高，有利于促进后续时效强化效果。因此，如何提供一种可以同时调控高强铝合金薄壳性能的技术路线，是本发明亟待解决的一个问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强铝合金薄壳超低温成形过程性能调控方法，利用铝合金在超低温条件下成形时亚结构密度增大的特性，通过控制成形时板材温度分布，促进小变形区的亚结构形成，改善后续时效强化效果，提高组织性能一致性，以解决铝合金薄壳因变形不均导致组织性能差的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种高强铝合金薄壳超低温成形过程性能调控方法，主要包括如下步骤：
步骤一：将型面模具冷却至低于150K的超低温；
步骤二：将待成形的铝合金板材装夹于夹钳；
步骤三：将所述铝合金板材向下移动，与所述型面模具贴靠，待临近贴模区域所述铝合金板材冷却至低于150K，继续拉伸所述铝合金板材直至成形出所需形状曲面件；
步骤四：松开夹钳，取出曲面件后进行时效处理，完成铝合金曲面件组织性能调控。
可选的，步骤一中根据曲面件变形分布规律，对所述型面模具的变形较小区域进行局部冷却至低于150K的超低温。
可选的，步骤一中所述型面模具不冷却，利用冷气直接将变形较小区域的所述铝合金板材冷却至低于150K的超低温。
可选的，步骤一中根据曲面件变形分布规律，对所述型面模具进行均匀冷却。
可选的，所述铝合金板材为轧制板材，壁厚为0.1～20mm。
可选的，所述铝合金板材的形状根据变形规律优化设计，以降低变形不均匀程度。
可选的，所述铝合金板材的热处理状态为固溶态或T4态(T4态，即固溶处理和自然时效能达到充分稳定的状态)。
可选的，所述铝合金板材和所述型面模具的设定温度范围为4～150K。
可选的，步骤一中用于所述型面模具的超低温冷却介质为液氩、液氮或液氦中的一种；所述型面模具内置用于冷却介质流通的通路。
可选的，在步骤二将待成形的铝合金板材装夹于夹钳之后，在板材上方铺设保温层。
可选的，所述铝合金板材为Al-Cu合金、Al-Li合金、Al-Zn合金或新型高强铝合金中的一种。
可选的，所述型面模具安装于压力台上；所述型面模具为瓜瓣形曲面、圆锥曲面、双曲率曲面或复杂异形曲面中的一种。
本发明提供的高强铝合金薄壳超低温成形过程性能调控方法的有益效果具体如下：
(1)通过超低温变形促进铝合金内部亚结构大量形成，提高时效强化效果；
(2)根据曲面件变形规律分区冷却板坯，变形越小温度越低，通过超低温梯度分布来改善变形程度差异导致的强化效果不同，提高组织性能一致性；
(3)通过超低温弥补变形不足导致的强化不足，避免增加变形容易引起开裂的问题；
(4)利用冷气直接冷却板材，避免大尺寸和复杂型面模具冷却的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明超低温型面模具构成及冷却示意图；
图2为本发明板材成形中的模具构成及冷却示意图；
图3为本发明温度分布图；
图4为本发明瓜瓣类曲面件的结构示意图；
图5为本发明的等效应变分布图；
图6为本发明的分区冷却模具构成及冷却示意图；
图7为本发明超低温温度分区示意图；
图8为本发明冷气直接冷却板材示意图；
图9为本发明在板材上方铺设保温层的结构示意图；
其中，附图标记为：1-左夹钳；2-成形前的板材；3-瓜瓣型面均匀冷却模具；4-通路；5-超低温冷却介质；6-压力台；7-低温容器；8-低温加压器；9-右夹钳；10-成形后的板材；11-瓜瓣型面分区冷却模具；12-成形中的板材；13-左冷却喷头；14-右冷却喷头；15-保温层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一：
如图1和2所示，本实施例提供一种铝合金双曲率曲面件超低温成形过程性能调控方法，该方法利用铝合金板材在超低温条件下成形亚结构密度增大的特性，通过超低温冷却介质5冷却瓜瓣型面均匀冷却模具3，左夹钳1和右夹钳9同时向下相背运动，使成形前的板材2贴合模具型面，成形出瓜瓣形曲面件。其中，成形前的板材2优选为固溶态2195铝合金，其厚度为3mm、长度为800mm、宽度为400mm。如图1所示，瓜瓣型面均匀冷却模具3安装在压力台6上，其型面为椭球面，长半轴长为550mm、短半轴长为390mm；且瓜瓣型面均匀冷却模具3内均匀布置多根通路4，低温容器7内盛放液氮，液氮通过低温加压器8导入通路4内，对瓜瓣型面均匀冷却模具3的型面进行均匀冷却。具体步骤如下：
S1：用液氮作为超低温冷却介质5将瓜瓣型面均匀冷却模具3冷却至低于123K的超低温；
S2：将固溶处理后的室温板材，即成形前的板材2的两端分别装夹于左夹钳1和右夹钳9上；
S3：左夹钳1和右夹钳9同时向下相背运动，板材逐渐贴靠模具型面，板材变形区冷却到123K的超低温，拉形成模具型面的形状；
S4：松开夹钳，取出成形后的板材10，进行时效处理，完成铝合金曲面件组织性能超低温均匀调控成形。
本实施例中模具型面可以用圆锥曲面、双曲率面或复杂异形面替代。本实施例中液氮可以用液氩或液氦替代。
如图5所示，为等效应变分布图。
由此可见，本实施例的高强铝合金薄壳超低温成形过程性能调控方法，铝合金板材在超低温条件下成形性能大幅提高，通过超低温冷却介质将铝合金板材冷却至超低温成形，提高铝合金材料的亚结构密度，从而提高后续时效强化效果。
实施例二：
如图3、6和7所示，本实施例提供一种铝合金双曲率曲面件超低温成形过程性能调控方法，该方法利用铝合金板材在超低温条件下成形亚结构密度增大的特性，通过超低温冷却介质5冷却瓜瓣型面分区冷却模具11，左夹钳1和右夹钳9同时向下相背运动，使成形前的板材2贴合模具型面，成形出复杂曲面件。其中，成形前的板材2优选为固溶态2195铝合金，其厚度为15mm、长度为3300mm、宽度为1600mm。瓜瓣型面分区冷却模具11安装在压力台6上，其型面为椭球面，长半轴长为2200mm、短半轴长为1570mm。此型面成形时，右侧宽区域变形量最大，左侧窄区域变形和前、后区域变形量小，因此，如图7所示，设计温度分区为前、后区域直接冷却为T1，其他区域温度不冷却为T2，T1<T2，基于此，瓜瓣型面分区冷却模具11内的通路4弯曲设置，且分布如图6所示。具体步骤如下：
S1：用液氮作为超低温冷却介质5将瓜瓣型面分区冷却模具11冷却至低于123K的超低温，形成所述的温度分区；
S2：将固溶处理后的室温板材，即成形前的板材2的两端分别装夹于左夹钳1和右夹钳9上；
S3：左夹钳1和右夹钳9同时向下相背运动，板材逐渐贴靠模具型面，板材变形区中的前、后、左侧区域冷却到123K的超低温，其他区域随模具温度自然冷却，形成所述的温度分区，拉形成模具型面的形状；
S4：松开夹钳，取出成形后的板材10，进行时效处理，完成铝合金曲面件组织性能超低温均匀调控成形。
本实施例中模具型面可以用圆锥曲面、双曲率面和复杂异形面替代。；液氮可以用液氩或液氦替代。
由此可见，本实施例的铝合金曲面件超低温性能调控方法，根据型面的变形程度分布，分区冷却板坯，采用大变形区不冷却、小变形区冷却的分区方式，通过温度的不同，弥补小变形区亚结构密度不足的问题，改善成形件大变形区和小变形区的强化效果一致性。该曲面件超低温成形方法，通过温度调控亚结构密度，避免了采用调控变形方式时，大变形区变形量过大，甚至开裂的问题。
实施例三：
如图4和8所示，本实施例提供一种铝合金双曲率曲面件超低温成形过程性能调控方法，该方法利用铝合金板材在超低温条件下成形亚结构密度增大的特性，通过左冷却喷头13和右冷却喷头14喷出气态超低温冷却介质直接冷却成形中的板材12，左夹钳1和右夹钳9同时向下相背运动，使成形中的板材12贴合模具型面，成形出复杂曲面件。其中，成形中的板材12优选为固溶态2195铝合金，其厚度为20mm、长度为5000mm、宽度为2500mm；对应的型面模具安装在压力台6上，其型面为椭球面，长半轴长为3500mm、短半轴长为2400mm。左冷却喷头13和右冷却喷头14分别冷却即将贴模区域，随着拉形过程的进行，从中间向两侧运动，冷却即将发生变形的区域。具体步骤如下：
S1：将固溶处理后的室温板材的两端分别装夹于左夹钳1和右夹钳9上；
S2：左夹钳1和右夹钳9同时向下相背运动，板材逐渐贴靠模具型面，同时，左冷却喷头13和右冷却喷头14从中间向两侧运动，冷却即将发生变形的区域，提高此区域的亚结构密度，拉形成模具型面的形状；
S3：松开夹钳，取出成形后的板材10，进行时效处理，完成铝合金曲面件组织性能超低温均匀调控成形。
本实施例中模具型面可以用圆锥曲面、双曲率面和复杂异形面替代；液氮可以用液氩或液氦替代。
实施例四：
如图9所示，在待成形板材为薄壳件，比如板材厚度低于5mm，或待成形板材所需温度较低时，比如将待成形板材冷却到100K以下的超低温时，可在待成形的铝合金板材装夹于左夹钳1和右夹钳9时，在板材上方铺设保温层15，以防止薄板在变形过程中温度变化，达到保冷效果，有利于板件成形。上述保温层15为一种现有的保温棉结构，在此不再赘述。
由此可见，本实施例的高强铝合金薄壳超低温成形过程性能调控方法，根据型面的变形程度分布，分区冷却板坯，大变形区不冷却，小变形区冷却，通过温度的不同，弥补小变形区亚结构密度不足的问题，改善成形件大变形区和小变形区的强化效果一致性。该曲面件超低温成形方法，通过温度调控亚结构密度，避免了采用调控变形方式时，大变形区变形量过大，甚至开裂的问题；同时，该曲面件超低温成形方法，小尺寸曲面件通过冷却模具进而冷却板坯，大尺寸曲面件直接冷却板坯，避免了大尺寸模具冷却困难的问题。
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种高强铝合金薄壳超低温成形过程性能调控方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：将型面模具冷却至低于150K的超低温；
步骤二：将待成形的铝合金板材装夹于夹钳；
步骤三：将所述铝合金板材向下移动，与所述型面模具贴靠，待所述铝合金板材冷却至低于150K，继续拉伸所述铝合金板材直至成形出所需形状曲面件；
步骤四：松开夹钳，取出曲面件后进行时效处理，完成铝合金曲面件组织性能调控。
2.根据权利要求1所述的高强铝合金薄壳超低温成形过程性能调控方法，其特征在于：步骤一中根据曲面件变形分布规律，对所述型面模具的变形较小区域进行局部冷却至低于150K的超低温。
3.根据权利要求1所述的高强铝合金薄壳超低温成形过程性能调控方法，其特征在于：步骤一中所述型面模具不冷却，利用冷气直接将变形较小区域的所述铝合金板材冷却至低于150K的超低温。
4.根据权利要求1所述的高强铝合金薄壳超低温成形过程性能调控方法，其特征在于：步骤一中根据曲面件变形分布规律，对所述型面模具进行均匀冷却。
5.根据权利要求1所述的高强铝合金薄壳超低温成形过程性能调控方法，其特征在于：所述铝合金板材为轧制板材，壁厚为0.1～20mm。
6.根据权利要求1所述的高强铝合金薄壳超低温成形过程性能调控方法，其特征在于：所述铝合金板材的热处理状态为固溶态或T4态。
7.根据权利要求1所述的高强铝合金薄壳超低温成形过程性能调控方法，其特征在于：所述铝合金板材和所述型面模具的设定温度范围为4～150K。
8.根据权利要求1所述的高强铝合金薄壳超低温成形过程性能调控方法，其特征在于：步骤一中用于所述型面模具的超低温冷却介质为液氩、液氮或液氦中的一种；所述型面模具内置用于冷却介质流通的通路。
9.根据权利要求1所述的高强铝合金薄壳超低温成形过程性能调控方法，其特征在于：在步骤二将待成形的铝合金板材装夹于夹钳之后，在板材上方铺设保温层。
10.根据权利要求1所述的高强铝合金薄壳超低温成形过程性能调控方法，其特征在于：所述型面模具安装于压力台上；所述型面模具为瓜瓣形曲面、圆锥曲面、双曲率曲面或复杂异形曲面中的一种。
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