CN114107651A - 一种大规格铝锂合金旋压壳体热处理残余应力消除方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大规格铝锂合金旋压壳体热处理残余应力消除方法，选择旋压壳体在接近时效温度的高温状态下进行振动时效处理，同时利用多台激振器和固定夹具，结合固定支撑体位置、激振点位置、激振频率、振动时间等工艺参数控制，有效提高的应力叠加效果，使得壳体整体产生共振并是其内部发生微观的塑性变形，从而使工件内部的残余应力得以消除和均化，能够解决迅速有效地消除口部直径超过3000mm的大规格铝锂合金旋压壳体热处理残余应力的技术问题。

Description

一种大规格铝锂合金旋压壳体热处理残余应力消除方法
技术领域
本发明属于先进材料技术领域，涉及一种大规格铝锂合金旋压壳体热处理残余应力消除方法
背景技术
采用新型高性能铝锂合金，比如2195铝锂合金替代常规的2A14、2219等铝合金，并结合先进的整体旋压精密成形工艺实现贮箱箱底的制造，是未来航天大型燃料贮箱制造重要的发展方向。经过旋压成形后的大规格铝锂合金壳体件，为了使其达到设计要求的力学性能，需要热处理工艺，比如采用固溶处理—淬火—时效处理的T6热处理工艺制度进行组织性能调控。经过固溶淬火后，构件内部存在较大残余应力。同时，这种口部直径达到3000mm量级的大直径椭球形半球壳体的结构特征加剧了应力分布不均匀性，在后续机械加工阶段容易产生加工误差，工件易变形，导致局部壁厚不均匀，进而对最终零件尺寸精度控制造成很大影响。
热时效和振动时效是两种常见的消除应力技术，而为了保证壳体强度不下降，需采用低于150℃的低温时效工艺去应力，但是此方法去应力效果差，而且时间周期长，过程中工件变形控制很难保证。振动时效是在激振器周期性外力作用下，使被处理的工件产生共振效应，在工件内部的残余应力和附加振动应力的矢量和，达到或超过零件材料的屈服强度后，使工件内部发生微观变形从而起到消除或均匀化残余应力的目的。同时，采用振动时效去应力可保证大规格铝锂合金壳体件热处理后的力学性能。目前，针对口部直径超过3000mm的大规格铝锂合金壳体件振动时效去应力相关研究较少，难点在于，大规格铝锂合金壳体的易出现激振不稳定现象，且激振过程中能量损失较大，难以得到良好的共振效果。
因此，有必要针对热处理后大规格铝锂合金旋压壳体的尺寸特点和材料特性，提出一种热处理残余应力消除方法，达到有效消除热处理后壳体内部残余应力的效果，并同时保持壳体力学性能。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种大规格铝锂合金旋压壳体热处理残余应力消除方法，选择旋压壳体在接近时效温度的高温状态下进行振动时效处理，同时利用多台激振器和固定夹具，结合固定支撑体位置、激振点位置、激振频率、振动时间等工艺参数控制，有效提高的应力叠加效果，使得壳体整体产生共振并是其内部发生微观的塑性变形，从而使工件内部的残余应力得以消除和均化，能够解决迅速有效地消除口部直径超过3000mm的大规格铝锂合金旋压壳体热处理残余应力的技术问题。
为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
一种大规格铝锂合金旋压壳体热处理残余应力消除方法，包括以下步骤：
S1将热处理完成后的铝锂合金旋压壳体出炉，并在40s内转移至固定支撑体上；所述固定支撑体≥3个且呈环形排布；所述热处理依次包括固溶，淬火和时效热处理；
S2在激振点安装激振器，并将铝锂合金旋压壳体与激振器紧固连接；所述激振点位于相邻两个固定支撑体之间且≥3个，所述每个激振点安装≥1台激振器；
S3同时启动各激振器对铝锂合金旋压壳体进行热态同频亚共振振动。
进一步的，所述步骤S1中，热处理为T6热处理；所述T6热处理的具体工艺为：将铝锂合金旋压壳体以480～520℃温度保温1～3h进行固溶，后放入40～70℃的淬火介质中，淬火转移15～40s，将淬火后的铝锂合金旋压壳体以150～200℃温度时效16～28h。
进一步的，所述铝锂合金旋压壳体的材质为2195铝锂合金。
进一步的，所述步骤S1中，所述固定支撑体为3个，呈环形均匀排布；
所述步骤S2中，所述激振点为3个，分别位于相邻两个固定支撑体之间圆弧的中点。
进一步的，所述步骤S1中，各固定支撑体采用弹性材料；
所述步骤S2中，每个激振点安装1或2台激振器，各台激振器的电机旋转方向相同。
进一步的，所述步骤S2中，通过固定夹具将铝锂合金旋压壳体与激振器紧固连接，所述固定夹具一端设有与铝锂合金旋压壳体口部配合的弧形凹槽，铝锂合金旋压壳体口部通过螺栓固定于所述凹槽中，固定夹具另一端通过螺栓与激振器固定连接。
进一步的，所述步骤S3中，所述各激振器对铝锂合金旋压壳体施加的振动频率处于铝锂合金旋压壳体的亚共振频率区间；
记所述步骤S1热处理中时效热处理温度为T，所述步骤S3中，铝锂合金旋压壳体的温度不低于T-20℃且不高于T。
进一步的，所述步骤S3中，铝锂合金旋压壳体的温度不低于130℃。
进一步的，所述步骤S3中，各激振器的激振频率为20～500Hz，振动加速度为10m/s2～80m/s2，振动时效处理时间为0.5～2小时。
进一步的，所述铝锂合金旋压壳体为口部直径不小于3000mm，高度不小于1000mm，壁厚不小于20mm的椭球形半球壳体；
进一步的，还包括步骤S4，将铝锂合金旋压壳体自然冷却至室温。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明一种大规格铝锂合金旋压壳体热处理残余应力消除方法，针对铝锂合金材料特性，使壳体选在接近时效温度的高温状态下进行振动时效处理，有效提高的应力叠加效果，从而提高残余应力消除的效果，并且在消除应力完成之后不影响其力学性能；
(2)本发明一种大规格铝锂合金旋压壳体热处理残余应力消除方法，通过固定支撑体、激振点的合理设置，结合激振频率、激振力、振动时间等参数的合理控制，达到有效使整体残余应力得以降低和匀化的目的，并且避免引起壳体的疲劳失效，甚至损坏；
(3)本发明一种大规格铝锂合金旋压壳体热处理残余应力消除方法，利用多台激振器，大幅提高激振力，并通过与壳体口部结构相匹配的固定夹具，对固定夹具进行实际激振设置，提高壳体整体共振效果，进一步保障振动时效去应力效果；
(4)本发明方法简单、可操作性强，有利于提高成产效率，能够迅速有效地消除大规格铝锂合金旋压壳体热处理残余应力，残余应力消除效率高，在一种优选的实施例中，采用本发明方法对T6热处理后的2195铝锂合金旋压壳体进行应力消除，经检测平均残余应力消除率约为34.5％；
(5)本发明在一种优选的实施方式中，利用3个固定支撑体支撑铝锂合金旋压壳体，在保证壳体稳定支撑的情况下，支撑点最少，不仅可提高铝锂合金旋压壳体振动效果，并且使得其振动过程更加稳定，同时可减少旋压壳体、支撑体和工作台面三者之间的刚性作用；
(6)本发明一种大规格铝锂合金旋压壳体热处理残余应力消除方法中，每个激振点可安装1台或多台电机旋转方向相同的激振器，大幅提高激振力的同时提高了壳体整体振动过程一致性。
附图说明
图1为本发明大规格铝锂合金旋压壳体结构示意图；
图2为本发明铝锂合金旋压壳体热处理残余应力时固定支撑体与支撑点的位置示意图；
图3为本发明大规格铝锂合金旋压壳体与激振器、固定夹具紧固连接示意图。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
如图1所示，本发明涉及的铝锂合金旋压壳体1为口部2直径不小于3000mm，高度不小于1000mm，壁厚不小于20mm的椭球形半球壳体。
本发明一种大规格铝锂合金旋压壳体热处理残余应力消除方法，包括以下步骤：
步骤1，将热处理完成后的大规格铝锂合金旋压壳体1整体进行振动时效处理：
步骤1.1，如图2，将铝锂合金旋压壳体1出炉后放置在固定支撑体3上，使铝锂合金旋压壳体1放置平稳；
本步骤中，转移时间不超过40s，以保证铝锂合金旋压壳体1温度不低于130℃；固定支撑体3≥3个且呈环形排布，优选的，固定支撑体3为3个，采用三点形均匀(120°)分布，并利用橡胶等弹性物体作为壳体振动的固定支撑体3，在保证壳体稳定支撑的情况下，支撑点最少，不仅可提高铝锂合金旋压壳体1振动效果，并且使得其振动过程更加稳定，同时可减少旋压壳体、支撑体和工作台面三者之间的刚性作用。
步骤1.2，将铝锂合金旋压壳体1与多台激振器4紧固连接；
如图2所示，激振点5设置在两固定支撑体3之间中间位置，采用三点形均匀(120°)分布，并且每个激振点5安装1～2台激振器4，每台激振器4的电机旋转方向均相同，大幅提高激振力的同时对其进行合理分布，提高壳体整体振动过程一致性。
优选的，如图3，根据旋压壳体口部2的结构设计了一种带弧形槽结构的固定夹具6，通过固定夹具6将铝锂合金旋压壳体1与多台激振器4紧固连接，具体为，首先将固定夹具6按照激振点5的位置进行放置，将固定夹具6一端通过螺栓与旋压壳体口部2进行紧固连接，另一端通过螺栓与激振器4紧固连接，激振器4安装在固定夹具6上端面，以解决无法直接将激振器4与旋压壳体进行有效固定，从而导致壳体振幅过小或者不均匀，甚至出现振不起来的问题。
步骤1.3，启动激振器4同时对铝锂合金旋压壳体1进行热态同频亚共振振动；
优选的，上述步骤中采用T6热处理大规格铝锂合金旋压壳体1；
T6热处理包括固溶—淬火—时效热处理，具体步骤为：将旋压壳体以480-520℃温度保温1-3h，将固溶处理后的旋压壳体放入40-70℃淬火介质中，淬火转移时间15-40s，将淬火后的大规格铝锂合金旋压壳体以150-200℃温度时效16-28h。
热态同频亚共振振动是指大规格铝锂合金旋压壳体1在接近热处理时效热处理温度条件下，控制每台激振器4，在铝锂合金旋压壳体1固有谐振频率接近的亚共振区同时对其施加振动。
例如，在步骤1中的热处理为T6热处理，铝锂合金旋压壳体材料采用2195铝锂合金时，在铝锂合金旋压壳体1接近T6时效热处理温度条件下，控制每台激振器，在与铝锂合金旋压壳体固有谐振频率接近的亚共振区同时对其施加振动。振动时效处理参数为：激振频率为20-500Hz，进行亚共振时效，避免壳体在固有共振频率下振动时出现激振不稳定的现象，有利于进行应力消除，振动加速度为10m/s2-80m/s2，振动时效处理时间为0.5-2小时。2195铝锂合金在热状态下材料强度有一定下降，有助于其共振时候产生的动应力与残余应力的叠加效果，达到有效使整体残余应力得以降低和匀化的目的，并且避免引起壳体的疲劳失效，甚至损坏。
具体的说，激振频率为20-500Hz，进行亚共振时效，避免壳体在固有共振频率下振动时出现激振不稳定的现象，有利于进行应力消除；2195铝锂合金旋压壳体最小等效残余应力为σr＝200MPa，另外2195铝锂合金在热状态下材料强度有一定下降，在150℃的屈服强度为σs＝380MPa，所以振动时效的等效动应力σd应大于180MPa。在选择动应力大小时，应在疲劳极限以内，选择尽量大的动应力来消减残余应力。T6态2195铝锂合金在150℃的屈服强度为σs＝380MPa，在室温的屈服强度为σs＝460MPa，相比室温进行振动时效，加热状态下进行振动时效，等效动应力σd可降低80MPa，有利于动应力与残余应力叠加后超过材料的屈服极限，即σr+σd≥σs，从而能够达到有效消除残余应力的目的。振动加速度值对应振动产生的动应力，在10m/s2-80m/s2范围内，可获得适当的共振动应力，起到良好的降低残余应力效果，并且避免引起壳体的疲劳失效，甚至损坏。振动时效处理时间为0.5-2小时，由于构件尺寸较大，在这个时间范围内可有效地消除整体的残余应力。
步骤2，振动时效处理后，将铝锂合金旋压壳体1自然冷却至室温。
实施例1：
本实施例中，大规格2195铝锂合金旋压壳体的内径为Ф3300mm，高度为1000mm，壁厚20mm，以下为热处理残余应力消除方法的具体过程：
步骤1，将热处理的大规格2195铝锂合金旋压壳体整体进行振动时效处理；本实施例中采用T6热处理大规格2195铝锂合金旋压壳体，将旋压壳体以480℃温度保温3h，将固溶处理后的旋压壳体放入55℃淬火介质中，淬火转移时间40s，将淬火后的大规格2195铝锂合金旋压壳体以175℃温度时效28h；
步骤1.1，将大规格2195铝锂合金旋压壳体出炉后放置在固定支撑体上，转移时间35s；固定支撑体采用三点形均匀(120°)分布，利用橡胶作为壳体振动的固定支撑体，使大规格2195铝锂合金旋压壳体放置在支撑体上保持平稳；
步骤1.2，将大规格2195铝锂合金旋压壳体通过固定夹具与多台激振器紧固连接；
激振点设置在两支撑体之间中间位置；每个激振点安装1台激振器，每台激振器的电机旋转方向均相同；
根据旋压壳体口部结构设计了一种带弧形槽结构的固定夹具，夹具材质采用45号钢，首先将固定夹具按照激振点位置进行放置，将旋压壳体口部与固定夹具进行装配，激振器安装在固定夹具上端面。固定夹具一端通过螺栓与大规格2195铝锂合金旋压壳体口部紧固连接，另一端通过螺栓与激振器紧固连接。
步骤1.3，启动激振器同时对大规格2195铝锂合金旋压壳体进行热态同频亚共振振动；
本步骤中，大规格2195铝锂合金旋压壳体温度范围为：155～175℃，启动多台激振器，在与大规格2195铝锂合金旋压壳体固有谐振频率接近的亚共振区同时对壳体施加振动。振动时效处理参数为：激振频率为206Hz，振动加速度为40m/s2，振动时效处理时间为1小时。
步骤3，振动时效处理后，将大规格2195铝锂合金旋压壳体自然冷却至室温。
分别对经T6热处理后的大规格2195铝锂合金旋压壳体和消除应力处理后的大规格2195铝锂合金旋压壳体的整体进行残余应力检测，结果显示平均残余应力由206MPa降低到135MPa，下降率为34.5％。
经T6热处理后的大规格2195铝锂合金旋压壳体和消除应力处理后的大规格2195铝锂合金旋压壳体的力学性能如表1：
表1T6热处理后和消除应力处理后的铝锂合金旋压壳体的力学性能
状态 抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 延伸率/％
T6热处理 538 467 9.5
消除应力处理 533 462 9
由上可以看出，采用本发明方法消除应力处理后的大规格2195铝锂合金旋压壳体与进行T6处理后的大规格2195铝锂合金旋压壳体相比残余应力小；并且壳体的力学性能未受到影响，所得到大规格2195铝锂合金旋压壳体的力学性能，其抗拉强度≥520Mpa，屈服强度≥460Mpa，延伸率≥8％。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (11)

1.一种大规格铝锂合金旋压壳体热处理残余应力消除方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1将热处理完成后的铝锂合金旋压壳体出炉，并在40s内转移至固定支撑体上；所述固定支撑体≥3个且呈环形排布；所述热处理依次包括固溶，淬火和时效热处理；
S2在激振点安装激振器，并将铝锂合金旋压壳体与激振器紧固连接；所述激振点位于相邻两个固定支撑体之间且≥3个，所述每个激振点安装≥1台激振器；
S3同时启动各激振器对铝锂合金旋压壳体进行热态同频亚共振振动。
2.根据权利要求1所述的一种大规格铝锂合金旋压壳体热处理残余应力消除方法，其特征在于，所述步骤S1中，热处理为T6热处理；所述T6热处理的具体工艺为：将铝锂合金旋压壳体以480～520℃温度保温1～3h进行固溶，后放入40～70℃的淬火介质中，淬火转移15～40s，将淬火后的铝锂合金旋压壳体以150～200℃温度时效16～28h。
3.根据权利要求2所述的一种大规格铝锂合金旋压壳体热处理残余应力消除方法，其特征在于，所述铝锂合金旋压壳体的材质为2195铝锂合金。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种大规格铝锂合金旋压壳体热处理残余应力消除方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述固定支撑体为3个，呈环形均匀排布；
所述步骤S2中，所述激振点为3个，分别位于相邻两个固定支撑体之间圆弧的中点。
5.根据权利要求1-3任一项所述的一种大规格铝锂合金旋压壳体热处理残余应力消除方法，其特征在于，所述步骤S1中，各固定支撑体采用弹性材料；
所述步骤S2中，每个激振点安装1或2台激振器，各台激振器的电机旋转方向相同。
6.根据权利要求1-3任一项所述的一种大规格铝锂合金旋压壳体热处理残余应力消除方法，其特征在于，所述步骤S2中，通过固定夹具将铝锂合金旋压壳体与激振器紧固连接，所述固定夹具一端设有与铝锂合金旋压壳体口部配合的弧形凹槽，铝锂合金旋压壳体口部通过螺栓固定于所述凹槽中，固定夹具另一端通过螺栓与激振器固定连接。
7.根据权利要求1-3任一项所述的一种大规格铝锂合金旋压壳体热处理残余应力消除方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述各激振器对铝锂合金旋压壳体施加的振动频率处于铝锂合金旋压壳体的亚共振频率区间；
记所述步骤S1热处理中时效热处理温度为T，所述步骤S3中，铝锂合金旋压壳体的温度不低于T-20℃且不高于T。
8.根据权利要求2或3所述的一种大规格铝锂合金旋压壳体热处理残余应力消除方法，其特征在于，所述步骤S3中，铝锂合金旋压壳体的温度不低于130℃。
9.根据权利要求3所述的一种大规格铝锂合金旋压壳体热处理残余应力消除方法，其特征在于，所述步骤S3中，各激振器的激振频率为20～500Hz，振动加速度为10m/s2～80m/s2，振动时效处理时间为0.5～2小时。
10.根据权利要求1-3任一项所述的一种大规格铝锂合金旋压壳体热处理残余应力消除方法，其特征在于，所述铝锂合金旋压壳体为口部直径不小于3000mm，高度不小于1000mm，壁厚不小于20mm的椭球形半球壳体。
11.根据权利要求1-3任一项所述的一种大规格铝锂合金旋压壳体热处理残余应力消除方法，其特征在于，还包括步骤S4，将铝锂合金旋压壳体自然冷却至室温。
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