CN113000667A - 铝锂合金薄壁构件电辅助超塑成形与时效处理全流程制造方法 - Google Patents

Abstract

一种铝锂合金薄壁构件电辅助超塑成形与时效处理全流程制造方法，通过将脉冲电压施加于铝锂合金坯料上，利用脉冲电流的焦耳热效应将坯料快速加热后进行超塑成形；完成后断电并利用快速降温实现成形构件的固溶处理；最后再次施加脉冲电压将铝锂合金成形构件升温至时效温度，通过时效处理实现成形件的力学性能显著提升。本发明通过脉冲电流将极高能量在极短时间输入坯料，兼备电辅助成形能量高、时间短、工艺便捷高效的特点，对材料的组织产生影响，促使其微观组织及性能发生演变，对金属材料的疲劳恢复、金属内部的晶粒细化及微裂纹愈合等多方面产生积极作用，从而改善金属材料的塑性成形性能。

Description

铝锂合金薄壁构件电辅助超塑成形与时效处理全流程制造 方法

技术领域

本发明涉及的是一种超塑成形领域的技术，具体是一种铝锂合金薄壁构件电辅助超塑成形与时效处理全流程制造方法。

背景技术

超塑成形是一种热成形工艺，通常是将模具与坯料置于加热炉中，达到成形温度保温一定时间后通入气体直至板材完全贴模；但该技术能量利用效率低：坯料的体积质量远小于模具的体积质量，因此加热过程中能量大部分消耗在加热模具上，仅有小部分能量用于加热坯料；同时该工艺需要模具长时间处于高温环境，对模具损害较大且坯料升温速率慢：由于这种情况下热量传递的主要方式为热传导与热辐射，因而热量的传递速率慢；此外，超塑成形工艺生产周期长：坯料升温、冷却速率慢，坯料成形耗时长；构件表面质量、性能降低：超塑成形构件长时间处于高温环境下，表面氧化严重、晶粒长大粗化，组织性能劣化。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种铝锂合金薄壁构件电辅助超塑成形与时效处理全流程制造方法，通过脉冲电流将极高能量在极短时间输入坯料，兼备电辅助成形能量高、时间短、工艺便捷高效的特点；此外脉冲电流引入坯料后，可产生短时非平衡效应，对材料的组织产生影响，促使其微观组织及性能发生演变，对金属材料的疲劳恢复、金属内部的晶粒细化及微裂纹愈合等多方面产生积极作用，从而改善金属材料的塑性成形性能。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种铝锂合金薄壁构件电辅助超塑成形与时效处理全流程制造方法，通过将脉冲电压施加于铝锂合金坯料上，利用脉冲电流的焦耳热效应将坯料快速加热后进行超塑成形；完成后断电并利用快速降温实现成形构件的固溶处理；最后再次施加脉冲电压将铝锂合金成形构件升温至时效温度，通过时效处理实现成形件的力学性能显著提升。

所述的方法具体包括：

S1：将坯料放入凸模与凹模之间，脉冲电源的正极、负极分别与坯料的两端相连接，脉冲电源、正负极与坯料构成闭合回路。

所述的凸模、凹模由绝缘材料制成。

所述的凸模上开有通气孔，通气孔与通气管一端相连接，通气管另一端与气瓶连接。

所述的通气孔存在转角，转角的两个出口分别开在凸模的底面和侧面。

S2：凸模与凹模压紧坯料压边部分，由压机对坯料压边部分施加压边力。

所述的凹模压边部分设有封闭的一圈凹槽，压边力施加后使得部分坯料被挤入凹槽内，从而起到密封作用，在压机的压边力作用下以及坯料少部分流入凹槽，凸模与坯料、凹模与坯料之间构成了两个密闭的空间。

S3：打开脉冲电源，利用电流的焦耳热效应使坯料自身产生热量升温至超塑成形所需温度，利用连在坯料边缘的热电偶实时监控坯料温度并调节电流参数，维持坯料的成形温度。

S4：保温2分钟后，打开气瓶的放气阀，惰性气体从气瓶经通气管、通气孔进入凸模与坯料之间的空间中，单位体积空间内惰性气体的摩尔量不断增加使得气压增大，坯料在此气压作用下均匀变形并不断向凹模靠近，直至完全贴模。

所述的惰性气体的气压-时间曲线由数值模拟结果给出，具体为5分钟升至1MPa，13分钟升至2MPa，

S5：保温保压17分钟得到成形后的构件，切断脉冲电源，卸去压机的压边力，使得构件快速降温冷却，实现了对其的固溶处理。

S6：重新打开脉冲电源，将构件升温至100℃保温1小时和180℃保温8小时以进行分级时效处理。

技术效果

与现有超塑成形方法相比，本发明加热与降温速度快，无需加热成形模具，大幅降低了能耗，显著缩短了超塑成形的制造周期；利用脉冲电流加热的快速降温进行成形件的固溶处理，与脉冲电流的保温时效处理相结合，提升超塑成形构件力学性能，可实现现有超塑成形无法进行的构件成形与性能调控的全流程制造。

附图说明

图1为本实施例成形装置的结构示意图；

图2为本实施例成形方法的流程图；

图3为本实施例成形方法的气压-时间曲线示意图；

图4为本实施例控性方法时效热处理的温度-时间曲线示意图；

图5为本实施例凹模的形状。

图中：1下模座、2导柱、3凹模、4凸模、5压机压头、6导套、7上模座、8通气管、9铝锂合金板料、10排气孔、11电极、12气瓶、13低压脉冲电源。

具体实施方式

本实施例使用加工的模具和第三代铝锂合金板材作为坯料进行实验，如图1和图2所示，为本实施例涉及的一种电辅助超塑成形装置，包括：带有压机压头5的上模座7、相对设置的下模座1、由下而上依次设置于下模座1上的带有排气孔10的凹模3、带有通气管8的凸模4，其中：上模座7和下模座1通过导柱2相连，合模时对位于凸模4和凹模3之间的铝锂合金板料9进行成形，通气管8通过惰性气源12通入惰性气体，铝锂合金板料9通过电极11与低压脉冲电源13相连。

所述的电辅助超塑成形装置中进一步设有用于对板料进行测温的测温装置，该测温装置具体为设置于铝锂合金板9边缘的热电偶。

所述的电极11具体设置于铝锂合金板9的两端。

所述的铝锂合金板9的宽度和长度大于凹模3。

如图3所示，所述的成形装置进行铝锂合金板电辅助超塑成形的方法，具体包括：

S1：蒙皮件的外轮廓尺寸为280mm*164mm，铝锂合金板的下料尺寸为300mm*180mm；

S2：将电辅助超塑成形装置安装于压力机上；

S3：将低压大电流直流电源13的两端铜电极11分别与铝锂合金板9两端连接，将铝锂合金板9置于凸模4与凹模3上，控制压力机使压机压头5下行至与铝锂合金板9接触的位置；

S4：打开低压脉冲电源13，设定输出电流2000A和频率200Hz，坯料预设定升温至500℃；

S5：利用热电偶测量铝锂合金板9的温度，实时调整电流大小至2500A和频率200Hz；

S6：打开低压脉冲电源13，使铝锂合金板9与铜电极11、低压脉冲电源13构成的闭合回路通电，对板料加热2分钟；

S7：依据图4所示的气压-时间曲线，施行分阶段施压，5分钟升至1MPa，13分钟升至2MPa，手动调节气瓶12的输出气压进行铝锂合金板9的超塑成形，整个过程中始终保持板料通电，一次超塑成形过程完成后得到蒙皮件，对其保温保压17分钟使其变形充分；

S8：切断低压脉冲电源13，闭合回路断电，蒙皮件快速降温完成固溶处理过程。

S9：重新打开低压脉冲电源13开关，将铝锂合金成形构件升温至时效温度进行时效处理，时效处理的温度-时间曲线如图5所示。

S10：时效处理完成后，移开凸模4，取出蒙皮构件。

本发明相比现有技术的改进包括：能量利用效率高：脉冲电流直接给坯料加热，无需加热整套模具，相比于现有加热炉加热更节约能源并且能量的利用效率也高；有利于延长模具的服役寿命：由于模具绝缘，模具本身不会被加热，且无需长时间处于高温环境下，因而降低了对模具的损害，延长了模具服役寿命；坯料升温速率快：现有加热炉升温，热量传递的主要方式为热传导与热辐射，因而热量的传递速率慢，加热效率低；利用脉冲电流加热的快速降温进行成形件的固溶处理，与脉冲电流的保温时效处理相结合，提升超塑成形构件力学性能；可实现现有超塑成形无法进行的成形与构件性能调控的全流程制造。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (10)

1.一种铝锂合金薄壁构件电辅助超塑成形与时效处理全流程制造方法，其特征在于，通过将脉冲电压施加于铝锂合金坯料上，利用脉冲电流的焦耳热效应将坯料快速加热后进行超塑成形；完成后断电并利用快速降温实现成形构件的固溶处理；最后再次施加脉冲电压将铝锂合金成形构件升温至时效温度，通过时效处理实现成形件的力学性能显著提升。

2.一种实现权利要求1所述方法的电辅助超塑成形装置，其特征在于，包括：带有压机压头的上模座、相对设置的下模座、由下而上依次设置于下模座上的带有排气孔的凹模、带有通气管的凸模，其中：上模座和下模座通过导柱相连，合模时对位于凸模和凹模之间的铝锂合金板料进行成形，通气管通过惰性气源通入惰性气体，铝锂合金板料通过电极与低压脉冲电源相连。

3.根据权利要求2所述的电辅助超塑成形装置，其特征是，所述的电辅助超塑成形装置中进一步设有用于对板料进行测温的测温装置，该测温装置具体为设置于铝锂合金板边缘的热电偶。

4.根据权利要求2所述的电辅助超塑成形装置，其特征是，所述的电极具体设置于铝锂合金板的两端。

5.根据权利要求2所述的电辅助超塑成形装置，其特征是，所述的铝锂合金板的宽度和长度大于凹模。

6.根据权利要求2所述的电辅助超塑成形装置，其特征是，所述的凸模、凹模由绝缘材料制成。

7.根据权利要求2所述的电辅助超塑成形装置，其特征是，所述的凸模上开有通气孔，通气孔与通气管一端相连接，通气管另一端与气瓶连接。

8.根据权利要求2所述的电辅助超塑成形装置，其特征是，所述的通气孔存在转角，转角的两个出口分别开在凸模的底面和侧面。

9.根据权利要求2所述的电辅助超塑成形装置，其特征是，所述的凹模压边部分设有封闭的一圈凹槽，压边力施加后使得部分坯料被挤入凹槽内，从而起到密封作用，在压机的压边力作用下以及坯料少部分流入凹槽，凸模与坯料、凹模与坯料之间构成了两个密闭的空间。

10.一种根据权利要求2～9中任一所述装置的电辅助超塑成形方法，具体包括：

S1：将坯料放入凸模与凹模之间，脉冲电源的正极、负极分别与坯料的两端相连接，脉冲电源、正负极与坯料构成闭合回路；

S2：凸模与凹模压紧坯料压边部分，由压机对坯料压边部分施加压边力；

S3：打开脉冲电源，利用电流的焦耳热效应使坯料自身产生热量升温至超塑成形所需温度，利用连在坯料边缘的热电偶实时监控坯料温度并调节电流参数，维持坯料的成形温度；

S4：保温2分钟后，打开气瓶的放气阀，惰性气体从气瓶经通气管、通气孔进入凸模与坯料之间的空间中，单位体积空间内惰性气体的摩尔量不断增加使得气压增大，坯料在此气压作用下均匀变形并不断向凹模靠近，直至完全贴模；

所述的惰性气体的气压-时间曲线由数值模拟结果给出，具体为5分钟升至1MPa，13分钟升至2MPa；

S5：保温保压17分钟得到成形后的构件，切断脉冲电源，卸去压机的压边力，使得构件快速降温冷却，实现了对其的固溶处理；

S6：重新打开脉冲电源，将构件升温至100℃保温1小时和180℃保温8小时以进行分级时效处理。

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