CN112387968B - 一种制备高强铝合金多筋变截面复杂构件的工艺方法 - Google Patents

一种制备高强铝合金多筋变截面复杂构件的工艺方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种制备高强铝合金多筋变截面复杂构件的工艺方法，包括步骤：将喷射沉积态的锭坯经过挤压处理成挤压态坯料；根据多筋变截面复杂构件的多筋变截面不同，制作相应的多筋变截面预制坯料和成形模具；对成形模具和预制坯料进行预热处理并表面刷石墨处理；对成形模具和预制坯料进行加热，加热到设定温度后进行局部复合成形和整体复合成形；将热变后构件冷却至室温后进行整体冷变形；对冷变后构件进行热处理，获得高性能的多筋变截面复杂构件；本发明操作简单，实用性好，易于实现工业化应用，适用于喷射成形铝合金锭坯致密化，可获得具有细小晶粒组织、第二相均匀弥散分布、致密化程度高和力学性能良好的的喷射成形铝合金坯。

Description

一种制备高强铝合金多筋变截面复杂构件的工艺方法
技术领域
本发明涉及材料加工技术领域，具体涉及一种制备高强铝合金多筋变截面复杂构件的工艺方法。
背景技术
在高强铝合金制备上，喷射沉积态高强铝合金制备过程中难以避免的铸造缺陷严重限制了其在航空航天上进一步运用。喷射成形技术制备的沉积态坯料致密度相对较低，需要采用合理的后续致密化加工提高其致密度，以充分提高制品的各项性能。传统的喷射成形铝合金的致密化工艺(锻造、挤压、轧制、热等静压等)，对喷射成形锭坯致密化和晶粒细化起到积极作用，但存在一些局限性。累积大塑性变形技术是通过在材料中引入极大的塑性变形量，有效促进组织致密化和剪切细化，达到细化晶粒、提升材料性能的目的，因此大塑性变形是实现喷射成形锭坯致密化的理想工艺。
在成形工艺上，具有多筋变截面的特点，要求精确控形控性。现阶段成形工艺主要为机械加工。而机械加工方式不仅材料利用率低、成本高，而且会切断构件的合理金属流线、破坏机械强度。飞机结构件不仅对服役性能要求十分严苛，并且其对成形条件十分敏感、成形质量控制极为困难。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种制备高强铝合金多筋变截面复杂构件的工艺方法，包括步骤：
S1，将喷射沉积态的锭坯经过挤压处理成挤压态坯料；
S2，根据多筋变截面复杂构件的多筋变截面不同，制作相应的多筋变截面预制坯料和成形模具；
S3，对所述成形模具和所述预制坯料进行预热处理并表面刷石墨处理；
S4，将所述成形模具置于1000T液压成形设备上进行对模，对模完成后，对所述成形模具和所述预制坯料进行加热，加热到设定温度后进行局部复合成形和整体复合成形获得热变后构件；
S5，将所述热变后构件冷却至室温后进行整体冷变形获得冷变后构件；
S6，对所述冷变后构件进行热处理，获得高性能的多筋变截面复杂构件。
较佳的，所述步骤S1中，挤压之前除去喷射成形铸锭表面的氧化皮部分，获得圆柱体铝合金锭坯；圆柱体铝合金锭坯通过挤压比为9的挤压孔，挤压成挤压态的铝合金锭坯。
较佳的，所述步骤S2中，采用有限元软件对多筋变截面复杂构件成形过程进行有限元数值分析，确定对应坯料形状、局部加载种类以及对应的所述成形模具。
较佳的，在所述步骤S3中，将所述预制坯料、所述成形模具加热至150℃，表面刷石墨处理。
较佳的，所述步骤S4中，对所述成形模具和所述预制坯料进行加热处理，加热温度到达300℃。
较佳的，所述成形模具包括局部加载冲头、整体加载冲头、带多筋的凹模型腔和上盖板；所述局部加载冲头、所述整体加载冲头分别装置在所述上盖板上，所述上盖板和加载冲头组装在一起为上模，所述带多筋的凹模型腔为下模，所述上模和所述下模通过压力机接触。
较佳的，所述局部加载冲头包括对应大形变结构的第一加载冲头以及对应所述大形变结构周边平面结构的第二加载冲头，在所述步骤S4中，依次采用所述第一加载冲头和所述第二加载冲头进行所述局部复合成形，再采用所述整体加载冲头进行所述整体复合成形。
较佳的，对于对称结构的多筋变截面复杂构件，首先通过两所述第一加载冲头成形两对称的局部大形变结构，上模下压速度为1mm/s，变形量为40％；然后通过所述第二加载冲头成形两所述局部大形变结构之间的平整结构，变形量为40％；接着通过所述整体加载冲头进行整体成形，变形量为15％；前95％的变形采用300℃等温变形，剩余5％的变形采用冷成形。
较佳的，所述步骤S6中，热处理工艺为固溶：首先，升温速率为10℃/min，加热至455℃，455℃保温2h；然后升温速率0.5℃/min，加热至480℃，480℃保温2h；最后用50℃温水水淬，冷却至室温；时效：首先，升温速率1℃/min加热至80℃，80℃保温8h～10h；然后1℃/min，加热到120℃，120℃保温8h～10h，最后空冷至室温。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：本发明操作简单，实用性好，易于实现工业化应用，适用于喷射成形铝合金锭坯致密化，可获得具有细小晶粒组织、第二相均匀弥散分布、致密化程度高和力学性能良好的的喷射成形铝合金坯。
附图说明
图1为所述制备高强铝合金多筋变截面复杂构件的工艺方法的流程图；
图2为所述成形模具的结构视图；
图3为所述成型过程示意图；
图4为所述多筋变截面复杂构件的实物图；
图5为喷射沉积铝合金初始组织金相图；
图6为挤压处理后铝合金变形组织金相图；
图7为终成形双级固溶双极时效后的组织金相图。
图中数字表示：
1-整体加载冲头；2-带多筋的凹模型腔；3-第一加载冲头；4-第二加载冲头；5-预制坯料。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
如图1所示，图1为所述制备高强铝合金多筋变截面复杂构件的工艺方法的流程图；本发明所述制备高强铝合金多筋变截面复杂构件的工艺方法，包括以下步骤：
S1，将喷射沉积态的锭坯经过挤压处理成挤压态坯料；
S2，根据多筋变截面复杂构件的多筋变截面不同，制作相应的多筋变截面预制坯料和成形模具；
S3，对所述成形模具和所述预制坯料5进行预热处理并表面刷石墨处理；
具体的，将所述预制坯料5、所述成形模具加热至150℃，表面刷石墨处理。
S4，将所述成形模具置于1000T液压成形设备上进行对模，对模完成后，对所述成形模具和所述预制坯料5进行加热，加热到设定温度后进行局部复合成形和整体复合成形获得热变后构件；
S5，将所述热变后构件冷却至室温后进行整体冷变形获得冷变后构件；
S6，对所述冷变后构件进行热处理，获得高性能的多筋变截面复杂构件。
所述步骤S1中，挤压之前除去喷射成形铸锭表面的氧化皮部分，获得圆柱体铝合金锭坯。圆柱体铝合金锭坯通过挤压比为9的挤压孔，挤压成挤压态的铝合金锭坯。
所述步骤S2中，采用有限元软件对多筋变截面复杂构件成形过程进行有限元数值分析，确定对应坯料形状、局部加载种类以及对应的成形模具。
所述成形模具包括局部加载冲头、整体加载冲头1、带多筋的凹模型腔2和上盖板；所述局部加载冲头、所述整体加载冲头1分别装置在所述上盖板上，所述上盖板和加载冲头组装在一起即为上模，所述带多筋的凹模型腔2即为下模，所述上模和所述下模通过压力机接触，所述局部加载冲头和所述整体加载冲头1通过实际充填合理切换。所述局部加载冲头包括对应大形变结构的第一加载冲头3以及对应所述大形变结构周边平面结构的第二加载冲头4，一般的，所述第一加载冲头3对所述预制坯料5进行加压形成局部的大形变结构，如具有高拉伸深度的内凹结构，由于局部施压，所述大形变结构周边材料在局部压力下同时发生形变，在完成局部大形变结构的压制成型后通过所述第一加载冲头3对相邻所述大形变结构之间或所述大形变结构周边进行局部施压，从而改变所述大形变结构周边结构因所述第一加载冲头3压制而产生的形变，并将所述大形变结构周边结构压制成设计形态。最终再通过所述整体加载冲头1将所述预制坯料5整体压制成型为设计形态。
利用可移动局部加载状态下，凹模有筋板的成形型腔，根据型腔类型设计合理的局部加载压头，无论局部加载还是整体均能够对坯料实施较好的接触，使成形效果更佳。
根据模拟优化结果对所述步骤S1中获得的坯料进行线切割制得所述预制坯料5。
所述步骤S3中，将所述预制坯料5和局部加载模具进行刷石墨处理，注意石墨浓度和模具、坯料加热温度，温度过低或者过高都刷不上石墨，石墨刷两层且均匀致密。
所述步骤S4中，对模具和坯料进行加热处理，加热温度到达300℃。
对于对称结构的多筋变截面复杂构件，首先通过两所述第一加载冲头3成形两对称的局部大形变结构，上模下压速度为1mm/s，变形量为40％；然后通过所述第二加载冲头4成形两所述局部大形变结构之间的平整结构，变形量为40％；接着通过所述整体加载冲头1进行整体成形，变形量为15％；前95％的变形采用300℃等温变形，剩余5％的变形采用冷成形。
所述步骤S6中，对成形后的复杂多筋面构件进行热处理，因为铝合金的热敏感性，故需要对热处理温度精确控制。
该热处理工艺为固溶：首先，升温速率为10℃/min，加热至455℃，455℃保温2h；然后升温速率0.5℃/min，加热至480℃，480℃保温2h；最后用50℃温水水淬，冷却至室温。
时效：首先，升温速率1℃/min加热至80℃，80℃保温8h～10h；然后1℃/min，加热到120℃，120℃保温8h～10h，最后空冷至室温。
热处理时间适中，操作简单易实施，热能耗低，降低了铝合金生产制造成本。使铝合金的耐腐蚀性能增强，所获得的复杂多筋板类构件尺寸稳定性好，并且具有一定的延展性和良好的力学性能。
本发明对复杂多筋变截面构件一体化精净局部加载成形装置和热处理工艺方法，降低成形载荷，提高材料利用率，提升材料性能。在局部加载成形过程中采用局部和整体复合的方法，以确保在多筋变截面成形过程中避免出现金属成形不均匀，金属流线紊乱及金属组织差的现象出现，同时采用双级固溶双级时效的热处理制度，可有效提高复杂多筋变截面构件的性能。
本发明采用局部加载的方式，有利于多筋变截面构件成形过程中的充填，减少折叠等缺陷，显著降低材料成形过程中的最终成形载荷和减少加工余量，同时可实现材料形性一体化控制。
实施例一
在本实施例中，采用的铝合金为7系铝合金。
本发明所述制备高强铝合金多筋变截面复杂构件的工艺方法过程如下：
S1，锭坯致密处理：将喷射沉积态铝合金除去喷射成形铸锭表面氧化皮和缺陷部分，获得圆柱体铝合金锭坯。圆柱体铝合金锭坯通过挤压比为9的挤压孔，挤压成挤压态的铝合金锭坯。
S2，工装准备：如图2所示，本实施例的高性能多筋变截面复杂构件局部加载装置包括局部加载左冲头、局部加载右冲头、局部加载中间冲头和整体加载冲头1；通过模拟设计如图2所示的局部加载装置，多筋变截面下模如图2(c)。所述局部加载左冲头和所述局部加载右冲头为所述第一加载冲头3，所述局部加载中间冲头为所述第二加载冲头4。
S3，成形试验：对模具和坯料进行加热处理，加热温度到达300℃。首先进行所述局部加载左冲头和所述局部加载右冲头的成形，上模下压速度为1mm/s，变形量为40％；然后所述局部加载中间冲头成形，变形量为40％；接着进行所述整体加载冲头1的整体成形，变形量为15％；前95％变形采用300℃等温变形，剩余5％采用冷成形。其中成形流程如图3(a)，金属流线如图3(b)，成形载荷如图3(c)，终成形实物构件如图4所示。
S5，对成形后的复杂多筋面构件进行热处理，因为铝合金的热敏感性，故需要对热处理温度精确控制。该热处理工艺为固溶：首先，升温速率为10℃/min，加热至455℃，455℃保温2h；然后升温速率0.5℃/min，加热至480℃，480℃保温2h；最后用50℃温水水淬，冷却至室温。时效：首先，升温速率1℃/min加热至80℃，80℃保温8h～10h；然后1℃/min，加热到120℃，120℃保温8h～10h，最后空冷至室温。复杂多筋面构件进行热处理后，其抗拉强度较喷射沉积态铝合金提升了123％。
如图5、图6、图7所示，图5为喷射沉积铝合金初始组织金相图；图6为挤压处理后铝合金变形组织金相图；图7为终成形双级固溶双极时效后的组织金相图；对挤压前后的组织结构进行比对，可以明显得看出，经过本实施例挤压处理后，金相组织结构更加细密，组织缺陷减少。对比挤压和终成形前后组织发现本发明能够制备得到组织致密的铝合金产品。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种制备高强铝合金多筋变截面复杂构件的工艺方法，其特征在于，包括步骤：
S1，将喷射沉积态的锭坯经过挤压处理成挤压态坯料；
S2，根据多筋变截面复杂构件的多筋变截面不同，制作相应的多筋变截面预制坯料和成形模具；
S3，对所述成形模具和所述预制坯料进行预热处理并表面刷石墨处理；
S4，将所述成形模具置于成形设备上进行对模，对模完成后，对所述成形模具和所述预制坯料进行加热，加热到设定温度后进行局部复合成形和整体复合成形获得热变后构件；
S5，将所述热变后构件冷却至室温后进行整体冷变形获得冷变后构件；
S6，对所述冷变后构件进行热处理，获得高性能的多筋变截面复杂构件；
所述成形模具包括局部加载冲头、整体加载冲头、带多筋的凹模型腔和上盖板；所述局部加载冲头、所述整体加载冲头分别装置在所述上盖板上，所述上盖板和加载冲头组装在一起为上模，所述带多筋的凹模型腔为下模，所述上模和所述下模通过压力机接触；
所述局部加载冲头包括对应大形变结构的第一加载冲头以及对应所述大形变结构周边平面结构的第二加载冲头，在所述步骤S4中，依次采用所述第一加载冲头和所述第二加载冲头进行所述局部复合成形，再采用所述整体加载冲头进行所述整体复合成形。
2.如权利要求1所述的制备高强铝合金多筋变截面复杂构件的工艺方法，其特征在于，所述步骤S1中，挤压之前除去喷射成形铸锭表面的氧化皮部分，获得圆柱体铝合金锭坯；圆柱体铝合金锭坯通过挤压比为9的挤压孔，挤压成挤压态的铝合金锭坯。
3.如权利要求1所述的制备高强铝合金多筋变截面复杂构件的工艺方法，其特征在于，所述步骤S2中，采用有限元软件对多筋变截面复杂构件成形过程进行有限元数值分析，确定对应坯料形状、局部加载种类以及对应的所述成形模具。
4.如权利要求1所述的制备高强铝合金多筋变截面复杂构件的工艺方法，其特征在于，在所述步骤S3中，将所述预制坯料、所述成形模具加热至150℃，表面刷石墨处理。
5.如权利要求1所述的制备高强铝合金多筋变截面复杂构件的工艺方法，其特征在于，所述步骤S4中，对所述成形模具和所述预制坯料进行加热处理，加热温度到达300℃。
6.如权利要求1所述的制备高强铝合金多筋变截面复杂构件的工艺方法，其特征在于，对于对称结构的多筋变截面复杂构件，首先通过两所述第一加载冲头成形两对称的局部大形变结构，上模下压速度为1mm/s，变形量为40％；然后通过所述第二加载冲头成形两所述局部大形变结构之间的平整结构，变形量为40％；接着通过所述整体加载冲头进行整体成形，变形量为15％；前95％的变形采用300℃等温变形，剩余5％的变形采用冷成形。
7.如权利要求1所述的制备高强铝合金多筋变截面复杂构件的工艺方法，其特征在于，所述步骤S6中，热处理工艺为固溶：首先，升温速率为10℃/min，加热至455℃，455℃保温2h；然后升温速率0.5℃/min，加热至480℃，480℃保温2h；最后用50℃温水水淬，冷却至室温；时效：首先，升温速率1℃/min加热至80℃，80℃保温8h～10h；然后1℃/min，加热到120℃，120℃保温8h～10h，最后空冷至室温。
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