CN112051144B - 一种硬料态高强铝合金的纯电致塑性辅助热成形工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硬料态高强铝合金的纯电致塑性辅助热成形工艺，包括：常规热单拉试验；电辅助单拉试验；对不同电辅助条件下变形后的试样进行室温单向拉伸试验，与硬料态高强铝合金的室温单向拉伸结果对比，分析不同电辅助条件下变形后材料的强度变化；综合考虑采用炉子加热方式传统热成形温度下的流动应力、电辅助加载条件下高强铝合金流动应力水平、电辅助加载条件下变形后高强铝合金的强度等因素，选择工艺参数，利用纯电致塑性辅助热成形工艺成形零件。本发明的技术方案能够直接对硬料态的高强铝合金成形，通过电流加载过程中的非热效应/纯电致塑性来弥补因成形温度降低而损失的塑性，提高其变形后高强铝合金的屈服强度。

Description

一种硬料态高强铝合金的纯电致塑性辅助热成形工艺

技术领域

本发明属于塑性成形技术领域，尤其涉及一种硬料态高强铝合金的纯电致塑性辅助热成形工艺，可用于直接成形硬料态高强铝合金型材、板材，并使材料保有初始的强度。

背景技术

高强铝合金以其轻质、高强等优良的性能被广泛应用于航空航天领域，是航空航天工业中重要的结构材料。但其硬料态下(通常为T4、T6、T7态等)的室温成形性能差(回弹大、延伸率低等)，成形窗口小，限制了其应用。

目前，为得到硬料态下的高强铝合金零件，通常采用冷成形和多道次热处理工序相结合的工艺成形，通过热处理的方式来保证其成形后的强度，但存在如下问题：(1)工艺路线长、制造周期长、成本高；(2)热处理变形大导致敲修量大、零件使用寿命和可靠性差；(3)室温成形抗力大，回弹量大，零件成形精度低；(4)由于人为因素的影响，成形的零件一致性差。有的学者提出了直接对硬料态下的高强铝合金进行加热成形(成形温度范围200℃～230℃)，这种方法避免了中间热处理和人工校形环节，显著降低了成形周期、提高了成形精度。但所需的成形温度会使成形后的零件屈服强度降低，影响其使用性能。如果降低成形温度，其塑性会降低，难以成形出符合要求的零件。因此，需要新的成形方式来解决这些问题。

研究发现，金属等材料在加载电流后其成形性能发生了显著变化，如塑性提高、变形抗力降低等，这种现象称为电致塑性效应。一方面电流通过焦耳热效应提高材料温度，使材料发生热软化(热致塑性/热效应)，另一方面电流可以直接降低材料的流动应力(纯电致塑性/非热效应)。纯电致塑性不同于加热产生的热致塑性，它是由于运动电子与位错发生交互作用，加速位错运动从而降低流动应力、提高材料塑性，同时也有电子对溶质原子、析出相、回归的影响，因此，它是一种利用电场直接改善金属塑性性能的非热现象。研究发现，只有当电流密度或者温度达到一定阈值时，纯电致塑性会更加明显。

发明内容

为了解决上述已有技术存在的不足，本发明提出一种将高强铝合金在电流辅助加载时塑性提高和变形抗力降低的纯电致塑性效应与传统热成形技术相结合而发展出的纯电致塑性辅助热成形工艺，本发明的具体技术方案如下：

一种硬料态高强铝合金的纯电致塑性辅助热成形工艺，其特征在于，包括以下步骤：

S1：对硬料态下高强铝合金在加热炉中进行热单拉试验，获取加热条件下固定温度以及对应的流动应力水平和延伸率情况；

S2：对硬料态下高强铝合金进行电辅助单拉试验，获取电辅助加热条件下固定电参数、温度以及对应的流动应力水平与延伸率情况；

S3：对比步骤S1和步骤S2的试验结果，记录电辅助单拉试验的流动应力与热单拉试验的流动应力相同时、电辅助单拉试验的延伸率大于热单拉试验的延伸率时电辅助单拉试验对应的温度；

S4：根据步骤S3获取的温度，在此温度下加载一系列电流密度对硬料态下高强铝合金进行电辅助单拉试验，再将经过电辅助单拉试验变形后的试样进行室温单向拉伸试验；

S5：对硬料态下高强铝合金进行室温单向拉伸试验；

S6：记录经过步骤S4中室温单向拉伸试验的硬料态下高强铝合金与经过步骤S5中室温单向拉伸试验的硬料态下高强铝合金两者屈服强度一致时，步骤S4中电辅助单拉试验对应的电流密度；

S7：根据步骤S3得到的温度、步骤S6得到的电流密度，利用纯电致塑性辅助热成形工艺成形所需的零件。

本发明的有益效果在于：

1.本发明可以用于研究纯电致塑性对硬料态下高强铝合金流动行为的影响规律；

2.本发明为硬料态下高强铝合金的直接成形提供一种方法；

3.本发明可以用于成形保有初始力学性能的零件；

4.简化成形过程，降低成本，提高效率。

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，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，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，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1为本发明一种硬料态高强铝合金的纯电致塑性辅助热成形工艺原理图；

图2为本发明一种硬料态高强铝合金的纯电致塑性辅助热成形工艺流程图；

图3为本发明一个实施例的传统炉子加热的常规热单拉试样图；

图4为本发明一个实施例的常规热单拉加载条件下不同温度对应的应力-应变曲线；

图5为本发明一个实施例的电辅助单拉试样图；

图6为本发明一个实施例的电辅助加载条件下不同温度、电流密度对应的应力-应变曲线；

图7为本发明一个实施例的型材示意图；

图8为本发明一个实施例的电辅助拉弯变形前的示意图；

图9为本发明一个实施例的电辅助拉弯变形后的示意图；

附图标号说明：

1-T型截面型材；2-隔热模具；3-左拉弯夹钳；4-左铜导线；5-电源控制柜；6-右铜导线；7-右拉弯夹钳。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明提出一种将高强铝合金在电流辅助加载时塑性提高和变形抗力降低的纯电致塑性效应与传统热成形技术相结合而发展出的纯电致塑性辅助热成形工艺。通过精确计算和一系列试验，探究与传统热成形温度下的流动应力处于同一水平的电参数，同时保证试样经电辅助变形后力学性能不下降，大幅提高材料成形极限和成形质量，是实现难变形材料难成形结构精确成形制造的极具前景的技术。相比于室温，通过提高温度可以有效降低材料的流动应力，同时利用通电加热过程中的纯电致塑性也可以进一步降低材料的流动应力。因此，为了得到保有初始材料力学性能的零件，降低成形温度，同时利用纯电致塑性来弥补因温度降低而损失的塑性是一种有效的方法。

图1为本发明一种硬料态高强铝合金的纯电致塑性辅助热成形工艺原理图。在电辅助加载作用下焦耳热效应(升温到X℃)和纯电致塑性(非热效应)的耦合作用使得材料的流动应力与传统炉子加热(加热到Y℃，其中X<Y)下的流动应力处于同一水平，通过温度的降低(降到X℃)来保证成形后材料保有初始的强度，用纯电致塑性来弥补因温度降低而损失的塑性。因此，对于纯电致塑性辅助热成形工艺，需要先通过一些基础试验研究纯电致塑性对高强铝合金流动行为的影响规律，然后优化确定纯电致塑性辅助热成形工艺参数。

图2为本发明一种硬料态高强铝合金的纯电致塑性辅助热成形工艺应用流程图。如图2所示，一种硬料态高强铝合金的纯电致塑性辅助热成形工艺，包括：

S1：对硬料态下高强铝合金在加热炉中进行热单拉试验，获取加热条件下固定温度以及对应的流动应力水平和延伸率情况；

S2：对硬料态下高强铝合金进行电辅助单拉试验，获取电辅助加热条件下固定电参数、温度以及对应的流动应力水平与延伸率情况；

S3：对比步骤S1和步骤S2的试验结果，记录电辅助单拉试验的流动应力与热单拉试验的流动应力相同时、电辅助单拉试验的延伸率大于热单拉试验的延伸率时电辅助单拉试验对应的温度；

S4：根据步骤S3获取的温度，选择在此温度下加载一系列的电流密度对硬料态下高强铝合金进行电辅助单拉试验，再将经过电辅助单拉试验变形后的试样进行室温单向拉伸试验；

S5：对硬料态下高强铝合金进行室温单向拉伸试验；

S6：记录经过步骤S4中室温单向拉伸试验的硬料态下高强铝合金与经过步骤S5中室温单向拉伸试验的硬料态下高强铝合金两者屈服强度一致时，步骤S4中电辅助单拉试验对应的电流密度；

S7：根据步骤S3得到的温度、步骤S6得到的电流密度，利用纯电致塑性辅助热成形工艺成形所需的零件。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体实施例对本发明的上述技术方案进行详细说明。

实施例1

本实施例中采用的材料为7075T6态高强铝合金，其中步骤S1和步骤S2中的材料厚度为1mm。

S1：硬料态高强铝合金传统炉子加热的常规热单拉试验，包括以下步骤：

S1-1：安装高温单拉试验夹具，将用于常规热单拉试验的7075T6试样装夹于夹具上，试样尺寸如图3所示；

S1-2：调整加热炉和高温引伸计位置，设置加热炉参数进行加热；

S1-3：温度稳定后，设置单拉试验机的参数，开始常规热单拉试验；

S1-4：处理试验数据，得到应力-应变曲线，如图4所示，分析材料在不同温度下的流动应力水平和延伸率，记录7075T6试样在零件的热成形温度200℃下的流动应力水平(400MPa)和延伸率(15％)。

S2：硬料态下高强铝合金的电辅助单拉试验，具体实施过程包括以下步骤：

S2-1：在用于电辅助单拉试验的7075T6试样的一侧喷涂散斑，在其另一侧喷涂黑漆，试样尺寸如图5所示；

S2-2：安装绝缘夹具，将喷涂散斑与黑漆后的7075T6试样装夹于夹具上；

S2-3：用两根铜导线将试样的两端与电源控制柜的正负极相连接，形成电回路，用于电辅助加热；

S2-4：将陶瓷加热片分别粘贴于试样的两端，减小试样上的温度梯度；

S2-5：打开热像仪、DIC、电源、吹风机，通过调节电源电流与吹风机吹风强度使温度达到设计的温度和电流密度；

S2-6：温度稳定后，设置单拉试验机的参数，开始电辅助热单拉试验；

S2-7：处理试验数据，得到应力-应变曲线，如图6所示，分析材料在不同温度和电流密度耦合作用下的流动应力水平和延伸率。

对比步骤S1和步骤S2的结果，发现在电辅助单拉试验条件150℃的流动应力与常规热单拉试验条件200℃的流动应力处于同一水平，且电辅助单拉试验条件150℃的延伸率大于常规热单拉试验条件200℃的延伸率。

S3：根据步骤S1和步骤S2的对比结果，对电辅助条件150℃及不同电流密度下变形后的试样进行室温单向拉伸试验，与硬料态下高强铝合金的室温单向拉伸结果进行对比，分析电辅助加载条件下变形后试样的强度变化：

S3-1：从电辅助条件150℃及不同电流密度加载下变形后的试样上切取单拉试样；

S3-2：安装室温夹具，将切取的单拉试样装夹于夹具上；

S3-3：安装常温引伸计，设置单拉参数，进行单拉试验；

S3-4：分析不同变形条件下试样变形后屈服强度的变化。电辅助条件150℃、电流密度15A/mm²加载变形后进行室温单向拉伸试验，试样的屈服强度与硬料态下高强铝合金直接进行室温单向拉伸试验的屈服强度处于同一水平，因此选择150℃、电流密度15A/mm²为7075T6铝合金后续成形工艺参数。

基于步骤S1、步骤S2和步骤S3确定的工艺参数，用于后续的工艺成形试验。

S4：基于选择的工艺参数，对硬料态高强铝合金利用纯电致塑性辅助热成形工艺(包括拉弯、冲压、渐进成形等)成形所需的零件。以7075T6铝合金T型截面型材1的纯电致塑性辅助热拉弯工艺为例，如图7-图9所示。

S4-1：T型截面型材1的安装与装夹：将T型截面型材1插入到拉弯机的左拉弯夹钳3和右拉弯夹钳7中，拉弯机的液压系统通过对左拉弯夹钳3和右拉弯夹钳7实施压力进而夹紧T型截面型材1，夹紧后状态如图8所示；

S4-2：通电加热：用左铜导线4和右铜导线6将电源控制柜5与拉弯机的左拉弯夹钳3和右拉弯夹钳7分别进行连接，打开电源控制柜5，调节电参数，通电加热，将T型截面型材1加热到150℃、电流密度15A/mm²；

S4-3：拉弯成形：保持电流的加载，控制拉弯机的左拉弯夹钳3和右拉弯夹钳7，使左拉弯夹钳3和右拉弯夹钳7按照既定的轨迹路线进行运动，最后使得T型截面型材1包覆到隔热模具2上；

S4-4：切断电源，停止对成形坯料供电，待冷却后取下成形零件，成形结束。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

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。

Claims (1)

1.一种硬料态高强铝合金的纯电致塑性辅助热成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：对硬料态下高强铝合金在加热炉中进行热单拉试验，获取加热条件下固定温度以及对应的流动应力水平和延伸率情况；

S2：对硬料态下高强铝合金进行电辅助单拉试验，获取电辅助加热条件下固定电参数、温度以及对应的流动应力水平与延伸率情况；

S3：对比步骤S1和步骤S2的试验结果，记录电辅助单拉试验的流动应力与热单拉试验的流动应力相同时、电辅助单拉试验的延伸率大于热单拉试验的延伸率时电辅助单拉试验对应的温度；

S4：根据步骤S3获取的温度，在此温度下加载一系列电流密度对硬料态下高强铝合金进行电辅助单拉试验，再将经过电辅助单拉试验变形后的试样进行室温单向拉伸试验；

S5：对硬料态下高强铝合金进行室温单向拉伸试验；

S6：对比步骤S4和步骤S5的试验结果，记录经过步骤S4中室温单向拉伸试验的硬料态下高强铝合金与经过步骤S5中室温单向拉伸试验的硬料态下高强铝合金两者屈服强度一致时，步骤S4中电辅助单拉试验对应的电流密度；

S7：根据步骤S3得到的温度、步骤S6得到的电流密度，利用纯电致塑性辅助热成形工艺成形所需的零件。

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