CN114318182B - 一种大尺寸高强度铝合金航空薄壁件的热成形方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种大尺寸高强度铝合金航空薄壁件的热成形方法，首先对坯料进行固溶处理，溶解初始组织中的粗大第二相获得均一固溶体组织；然后将经过固溶处理的坯料转移至可控温的成形模具中，合模成形并加压，再保压保温一段时间；调整成形模具的温度至第二级时效温度，进行保温保压时效处理。在两级时效温度范围内，强化相快速析出，同时发生应力松弛，进而提高成形零件的强度和尺寸精度。本发明在保证成形零件质量的前提下，采用分级时效处理的方式，缩短了时效周期，减少了零件生产制造过程中的能耗。本发明还提供一种大尺寸高强度铝合金航空薄壁件的热成形装置，包括环境加热炉、成形模具、温控单元和加压控制单元，降低零件成形能耗。
Description
技术领域
本发明涉及金属钣金件成形技术领域，特别是涉及一种大尺寸高强度铝合金航空薄壁件的热成形方法及装置。
背景技术
大型铝合金薄壁整体构件是新一代大飞机实现轻量化与高可靠的关键结构，如发动机唇口、机罩与舱门等。该类构件具有尺寸大、薄壁弱刚度与精度-性能要求高的特点。同时航空铝合金具有高淬火敏感性，热处理制度要求高。其成形制造的挑战在于：1)尺寸大：新一代大尺寸高强铝合金整体薄壁件特征尺寸>3m(唇口)、壁厚超薄<2mm(舱门)、小特征<5mm(机罩)；2)2xxx等航空件铝合金高淬火敏感性：同时高强铝合金组织演变极其复杂。性能与精度需成形一次保证。目前现有的常规成形技术主要包括板-焊冷成形、充液拉深成形、超塑性成形与热冲压成形等，均无法用于成形复杂形状大尺寸高强铝合金薄壁件。
传统的冷瓣成形方法是先利用冷冲压成形工艺成形多块零件再焊接。该方法难以适用于高强铝合金，若采用T6态冷成形，材料塑性低，易开裂，同时成形后回弹大，分块焊接难，强制装配产生焊接残余应力，可靠性差。若采用退火态冷成形，成形焊接后需进行固溶-时效处理提高强度，对于钣金类零件，固溶淬火后发生形状畸变，无法满足使用要求。
传统充液拉深工艺采用液体介质代替刚性凹模，坯料在液体介质的压力作用下贴合模具，来实现零件的成形。采用室温充液拉深需保证材料在退火态成形，成形后需要后续热处理提高强度，后续热处理导致形状发生畸变，精度难以保证。采用温热充液拉深，成形温度取决于液体介质，难以保证材料在最佳变形温度下变形。同时充液拉深模具与装备复杂，生产效率低。
超塑性成形工艺利用金属材料的超塑性(金属在某种特定条件下呈现的异常好的延伸性)对板料进行加工以获得各种所需形状零件的一种成形工艺。但传统超塑成形存在减薄严重(>30％)与性能弱化(>10％)的双重弊端，且局限于细晶材料和装备尺寸，制造成本高、生产效率低，难以满足构件大型化需求。
热冲压工艺利用金属热塑性成形的原理，能够在成形的同时实现对板料的淬火热处理，获得过饱和固溶体，通过后续人工时效提高材料强度。该方法的主要缺点是：①铝合金T6时效时间超过10个小时，大尺寸构件能耗大，制造周期长，无法满足航空产业高效率低成本的迫切需求；②强传热非等温变形构件变形不均匀，时效后强度性能不均，且对于大位移深拉类构件因硬化不足易发生开裂，对模具摩擦性能要求严苛，难以保证批量生产的稳定性，废品率高。③大尺寸宏域下回弹严重，构件尺寸精度，成形构件无法满足后续机加与装备需求。
综上所述，现有成形方法无法满足航空领域复杂形状大尺寸高强铝合金薄壁件的成形要求。
因此，如何解决现有技术中，高强铝合金复杂薄壁构件复杂构型-精度-性能耦合的制造难题，成为了本领域技术人员亟待解决的挑战。
发明内容
本发明的目的是提供一种大尺寸高强度铝合金航空薄壁件的热成形方法及装置，以解决上述现有技术存在的问题，降低零件成形能耗，提高零件成形精度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种大尺寸高强度铝合金航空薄壁件的热成形方法，包括如下步骤：
步骤一、对坯料进行固溶处理；
步骤二、经过固溶处理的所述坯料转移至温度为T1的成形模具中，合模过程中零件逐渐成形，合模后加压；
步骤三、零件成形后，在梯度温度的所述成形模具内保温一段时间，保温时间为t1，所述零件在所述成形模具中进行时效处理；
步骤四、所述成形模具的温度降至T2，继续进行时长为t2的时效处理。
优选地，步骤一中，所述坯料进行固溶处理的温度为500-550℃，固溶处理时间低于50min。
优选地，步骤二中，经过固溶处理的所述坯料转移至所述成形模具中所用时长为3-30s，温度T1的区间为180-270℃。
优选地，步骤三中，保温时间t1为0-30min。
优选地，步骤四中，所述成形模具的温度T2为150-180℃，时效时长t2为1-6h。
优选地，在进行步骤一之前，所述坯料为能够进行热处理的铝合金坯料，所述坯料为T态、H态或O态。
本发明还提供一种大尺寸高强度铝合金航空薄壁件的热成形装置，包括：
环境加热炉，所述环境加热炉能够对坯料进行固溶处理；
成形模具，所述成形模具包括上模、下模和压边圈，所述压边圈与所述下模相配合能够压紧所述坯料，所述上模与所述下模相配合能够成形所述坯料；
温控单元，所述温控单元与所述成形模具相连，所述温控单元能够控制所述成形模具的温度；
加压控制单元，所述加压控制单元与所述成形模具相连，所述加压控制单元能够控制所述上模与所述下模合模后的压力。
优选地，所述成形模具还包括滑块和平台，所述下模设置于所述平台的顶部，所述滑块可滑动地设置于所述平台的顶部，所述上模与所述滑块相连，所述滑块与所述上模之间以及所述下模与所述平台之间均分别设置隔热板。
优选地，所述温控单元包括加热元件和冷却通道，所述加热元件内置于所述上模以及所述下模内，所述冷却通道设置于所述平台内，所述冷却通道与外部冷却介质相连通；所述加压控制单元包括相连的气液增压缸和压力控制阀，所述气液增压缸与所述上模相连，所述气液增压缸能够对所述上模增压。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的大尺寸高强度铝合金航空薄壁件的热成形方法，首先对坯料进行固溶处理，溶解初始组织中的粗大第二相获得均一固溶体组织；然后将经过固溶处理的坯料转移至可控温的成形模具中，合模成形并加压，再保压保温一段时间；调整成形模具的温度至第二级时效温度，进行保温保压时效处理。在两级时效温度范围内，强化相快速析出，同时发生应力松弛，进而提高成形零件的强度和尺寸精度。本发明的大尺寸高强度铝合金航空薄壁件的热成形方法，模内保压使应力松弛的同时，提高了成形零件的尺寸精度；在保证成形零件质量的前提下，采用分级时效处理的方式，缩短了时效周期，减少了零件生产制造过程中的能耗。
本发明还提供一种大尺寸高强度铝合金航空薄壁件的热成形装置，包括环境加热炉、成形模具、温控单元和加压控制单元，环境加热炉能够对坯料进行固溶处理，温控单元和加压控制单元均分别与成形模具相连，以对坯料进行成形并进行分级时效处理，为零件成形提供便利，降低零件成形能耗。
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为本发明的大尺寸高强度铝合金航空薄壁件的热成形方法的实施例中的流程图；
图2为本发明的大尺寸高强度铝合金航空薄壁件的热成形装置的成形模具的结构示意图；
图3为本发明的大尺寸高强度铝合金航空薄壁件的热成形装置的实施例中的工作示意图；
图4为本发明的大尺寸高强度铝合金航空薄壁件的热成形方法的实施中成形过程中微观组织演变示意图；
图5为本发明的大尺寸高强度铝合金航空薄壁件的热成形方法的实施中成形件的强度结果示意图。
其中，1为环境加热炉，2为成形模具，201为上模，202为下模，203为压边圈，204为滑块，205为平台，206为隔热板，207为导柱，3为温控单元，301为加热元件，302为冷却通道，4为加压控制单元，401为气液增压缸，5为坯料。
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。
本发明的目的是提供一种大尺寸高强度铝合金航空薄壁件的热成形方法及装置，以解决上述现有技术存在的问题，降低零件成形能耗，提高零件成形精度。
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。
请参考图1-5，其中，图1为本发明的大尺寸高强度铝合金航空薄壁件的热成形方法的实施例中的流程图，图2为本发明的大尺寸高强度铝合金航空薄壁件的热成形装置的成形模具的结构示意图，图3为本发明的大尺寸高强度铝合金航空薄壁件的热成形装置的实施例中的工作示意图，图4为本发明的大尺寸高强度铝合金航空薄壁件的热成形方法的实施中成形过程中微观组织演变示意图，图5为本发明的大尺寸高强度铝合金航空薄壁件的热成形方法的实施中成形件的强度结果示意图。
本发明提供一种大尺寸高强度铝合金航空薄壁件的热成形方法，包括如下步骤：
步骤一、对坯料5进行固溶处理，消除粗大沉淀相，以获得均一且塑性良好的微观组织；
步骤二、经过固溶处理的坯料5转移至温度为T1的成形模具2中，合模过程中零件逐渐成形，合模后加压；
步骤三、零件成形后，在梯度温度的成形模具2内保温一段时间，保温时间为t1，零件在成形模具2中进行时效处理，成形件形成足够的GP区为后续第二步时效预构理想微观组织条件；
步骤四、成形模具2的温度降至T2，继续进行时长为t2的时效处理，在第二步模内时效的同时，成形件发生应力松弛，这样既消除构件内的残余应力，又将保证成形件强度与尺寸精度。
本发明的大尺寸高强度铝合金航空薄壁件的热成形方法，首先对坯料5进行固溶处理，溶解初始组织中的粗大第二相获得均一固溶体组织；然后将经过固溶处理的坯料5转移至可控温的成形模具2中，合模成形并加压，再保压保温一段时间；调整成形模具2的温度至第二级时效温度，进行保温保压时效处理。在两级时效温度范围内，强化相快速析出，同时发生应力松弛，进而提高成形零件的强度和尺寸精度。本发明的大尺寸高强度铝合金航空薄壁件的热成形方法，模内保压使应力松弛的同时，提高了成形零件的尺寸精度；在保证成形零件质量的前提下，采用分级时效处理的方式，缩短了时效周期，减少了零件生产制造过程中的能耗。
步骤一中，坯料5进行固溶处理的温度为500-550℃，固溶处理时间低于50min。
其中，步骤二中，经过固溶处理的坯料5转移至成形模具2中所用时长为3-30s，迅速转移坯料5为宜，温度T1的区间为180-270℃。
在步骤三中，保温时间t1为0-30min，具体保温时间可根据成形零件形状以及规格具体确定。
另外，步骤四中，成形模具2的温度T2为150-180℃，时效时长t2为1-6h。
还需要说明的是，在进行步骤一之前，坯料5为能够进行热处理的铝合金坯料，坯料5原始状态为O态。
进一步地，本发明还提供一种大尺寸高强度铝合金航空薄壁件的热成形装置，包括：
环境加热炉1，环境加热炉1能够对坯料5进行固溶处理；
成形模具2，成形模具2包括上模201、下模202和压边圈203，压边圈203与下模202相配合能够压紧坯料5，上模201与下模202相配合能够成形坯料5；
温控单元3，温控单元3与成形模具2相连，温控单元3能够控制成形模具2的温度；
加压控制单元4，加压控制单元4与成形模具2相连，加压控制单元4能够控制上模201与下模202合模后的压力。
本发明的大尺寸高强度铝合金航空薄壁件的热成形装置，包括环境加热炉1、成形模具2、温控单元3和加压控制单元4，环境加热炉1能够对坯料5进行固溶处理，温控单元3和加压控制单元4均分别与成形模具2相连，以对坯料5进行成形并进行分级时效处理，为零件成形提供便利，降低零件成形能耗。
具体地，成形模具2还包括滑块204和平台205，下模202设置于平台205的顶部，滑块204可滑动地设置于平台205的顶部，上模201与滑块204相连，滑块204能够带动上模201往复运动以完成合模开模操作，滑块204连接有驱动元件，驱动元件带动滑块204运动从而顺利实现带动上模201往复运动，驱动元件可选择电机；滑块204与上模201之间以及下模202与平台205之间均分别设置隔热板206，用于减少热量散失，同时防止温度对其它部件的影响，延长成形模具2的使用寿命。
更具体地，温控单元3包括加热元件301和冷却通道302，加热元件301内置于上模201以及下模202内，方便对成形模具2进行加温，冷却通道302设置于平台205内，冷却通道302与外部冷却介质相连通，利用冷却通道302向成形模具2内输送冷却介质，冷却介质循环过程中与成形模具2产生热量交换，以控制成形模具2的温度，冷却介质可以常温水。另外，加压控制单元4包括相连的气液增压缸401和压力控制阀，气液增压缸401与上模201相连，气液增压缸401能够对上模201增压，在合模后，气液增压缸401对上模201增压，由接触压力的控制进而控制坯料5在成形模具2内的淬火速度。
在本具体实施方式中，环境加热炉1与成形模具2之间的间距为2-4m，既避免了两热源之间的相互干扰，又防止距离过远使转移时间过长。在本发明的其他具体实施方式中，可单独设置第二级时效用模具；除此之外，随模降温的时间较长，应从开始降温的时候作为第二级时效的温度记录起点。
下面通过具体的实施例，对本发明的大尺寸高强度铝合金航空薄壁件的热成形方法及装置，作进一步地解释说明。
实施例一
图1为本实施例的大尺寸高强度铝合金航空薄壁件的热成形方法流程图，包括：
步骤101：在高温加热炉中对坯料5进行固溶处理，先将环境加热炉1温度升至固溶温度，保温一定时间，使合金元素均匀的分布在铝基体中。坯料5可为2xxx系铝合金，固溶温度应在525-550℃，固溶时间应在25-50min；坯料5可为6xxx系铝合金，固溶温度应在500-580℃，固溶时间应在30-45min；坯料5可为7xxx系铝合金，固溶温度应在450-500℃，固溶时间应在40-60min，避免应温度过高，组织出现过烧现象。
步骤102：固溶完，利用转移工具快速转移坯料5至开模的成形模具2中，成形模具2保温为T1，合模，对成形模具2加压(压力为0.33-10MPa)，使其在成形的同时进行模内淬火，成形完，保温一段时间t1。
步骤103：利用温控单元3，控制加热元件301加热功率，将成形模具2温度由T1降至T2，成形零件不移出成形模具2，保证合模压力，进行模内时效处理。
可选的，第二段时效有以下几条工艺路线：①拿出成形件，快速水冷，然后放入时效炉中进行第二步时效处理。②拿出成形件，水冷，转移至已经设定好温度的第二套模具中，在矫形的同时进行时效处理。③不必取出成形件，直接利用温控单元3，设定至第二步时效温度，使成形模具2慢慢降温至第二步时效温度，以此方法进行时效。图1的流程示意图中，虚线框中为可选的工艺路线。
实施例二
图2为本实施例的大尺寸高强度铝合金航空薄壁件的热成形装置的成形模具2的结构示意图，成形模具2，环境加热炉1(650℃高温炉)，转移工具，模具加热棒，温控单元3。
成形模具2分上模201、下模202和压边圈203，沿导柱207导套上下移动，通过螺栓将上下模202以及隔热板206固定在模架上面，材质为热作模具钢的H13，而模架材料为45号钢。上模201和下模202各有贯穿的加热孔，加热棒插入加热孔中，然后一端和温控单元3相连。再利用上模201和下模202的测温孔，通过与控温箱相连的热电偶将温度信息反馈给控温箱，再通过温控箱，将成形模具2加热至所设定的第一步时效温度，以此来实现成形模具2的温度调控。在上模201、下模202和模架之间的隔热板206，其耐火极限为1000℃，可以有效的减少热量的散失。
固溶与转移工装，650℃高温炉主要用于固溶处理，坯料5选择2xxx系铝合金，坯料5厚度为2mm。在650℃高温炉使用之前，先对其温度进行标定，即用热电偶固定于坯料5上，通过测温仪，记录坯料5达到固溶温度所需时间以及实际的温度，以高精度测温仪所测温度为准。然后制定出固溶阶段的工艺方法。关于加热元件301，加热棒外层为不锈钢管，内部为镍铬丝，镁粉作为填充。加热极限为500℃，对于第一步时效温度区间200-265℃，完全能够适用。其加热棒功率为2.4kW，小于控温箱功率。
控温箱作为温控单元3的核心构件，既要控制加热棒进行热量输出，又要接受热电偶反馈输入的温度信息，进而防止温度超出设定温度。
实施例三
步骤301：将坯料5(2219铝合金板)放入环境加热炉1在535℃进行固溶处理40min，同时通过温控单元3和加热元件301对成形模具2进行加热，使其达到第一步时效温度。
步骤302：固溶完成后，利用转移设施对固溶件进行转移，应尽量将转移时间控制在10s以内，避免散热过多，保证在成形模具2内成形时的温度高于450℃。
步骤303：转移至成形模具2后，迅速合模，在成形模具2的第一步时效温度240℃下，进行成形及模内淬火。待薄壁件和模具贴合后，由于热传导作用，成形件温度会迅速降至接近模具的第一步时效温度，合模后增压至5MPa，再保温保压5min，以此作为第一步时效。
步骤304：在成形模具2中第一步时效完成后，利用温控单元3调节成形模具2温度，使成形模具2温度缓缓降至设定的第二步时效温度175℃。
步骤305：接下来成形模具2内会进行时长为2h或4h的第二步时效，在时效强化的同时，移出成形模具2后的弹性回复也会慢慢减小，这样同时确保了零件的尺寸精度。时效完成后，薄壁件空冷即可。
图5a)为实施例三实验的强度结果，可以知道，在220℃，230℃，240℃三个温度梯度下进行实验，其抗拉强度能达到380MPa以上，而其中以第一步温度220℃，时效5min，第二步175℃下时效4h强度最高，同时还具有不错的延伸率。
实施例四
图3为本实施例的大尺寸高强度铝合金航空薄壁件的热成形装置的工作示意图，本实例提供了一种大尺寸高强度铝合金航空薄壁件的热成形方法，包括：
步骤401：将坯料5(2219-O)放入环境加热炉1进行固溶处理，同时通过温控单元3和加热元件301对分别对两套模具(本实施例中成形模具2包括两套模具)进行加热，使其分别达到时效温度T1＝240℃，T2＝175℃。
步骤402：固溶完成后，利用转移设施对固溶件进行转移，应尽量将转移时间控制在10s以内，避免散热过多，保证在第一套模具内成形时的温度高于450℃。
步骤403：转移至第一套模具后，迅速合模，在设定的模具温度下，进行成形及模内淬火。在薄壁件和模具贴合后，增压至1.8Mpa，温度会迅速降至接近第一套模具的时效温度，合模后保温一段时间，以此作为第一步时效。
步骤404：在第一套模具中第一步时效完成后，转移出工件，快速对工件进行水冷，水冷完成后，进行干燥，然后转移至第二套模具。
步骤405：在第二套模具内进行时长4h的第二步时效，在时效强化的同时对薄壁件进行矫形，消除回弹，确保零件的尺寸精度。时效完成后，薄壁件空冷即可。
图5b)中，在不同的模具中进行分级时效强度结果，其强度先随第一步时效时长的增加而增加，其中第一步时效以5min为最佳，可达T6(抗拉415MPa，屈服强度290MPa)强度以上。
综上，本发明的大尺寸高强度铝合金航空薄壁件的热成形方法及装置，通过模内淬火及时效，来缩短铝合金的强化周期，其中的变温成形模具2更可以简化工艺路线，减少工艺设备。在成形结束后的随模时效，由于合模压力的存在，装置会对时效件进行蠕变较形。在合模后，还可以根据上模201和坯料5接触压力的不同，来控制坯料5的冷却速度，以此来避免坯料5的冷却曲线与淬火敏感性的TTT曲线相遇，减少最终成形件强度的损失。在此工艺过程中，可以有效地减小传统冷冲压带来的回弹，缩短工艺周期，提高尺寸精度。
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 (5)
1.一种大尺寸高强度铝合金航空薄壁件的热成形方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、对坯料进行固溶处理，所述坯料进行固溶处理的温度为500-550℃，固溶处理时间低于50min；
步骤二、经过固溶处理的所述坯料转移至温度为T1的成形模具中，合模过程中零件逐渐成形，合模后加压；经过固溶处理的所述坯料转移至所述成形模具中所用时长为3-30s，温度T1的区间为180-270℃；
步骤三、零件成形后，在梯度温度的所述成形模具内保温一段时间，保温时间为t1，t1为0-30min，所述零件在所述成形模具中进行时效处理；
步骤四、所述成形模具的温度降至T2，继续进行时长为t2的时效处理，所述成形模具的温度T2为150-180℃，时效时长t2为1-6h。
2.根据权利要求1所述的大尺寸高强度铝合金航空薄壁件的热成形方法，其特征在于：在进行步骤一之前，所述坯料为能够进行热处理的铝合金坯料，所述坯料为T态、H态或O态。
3.一种用于实现权利要求1或2所述的大尺寸高强度铝合金航空薄壁件的热成形方法的装置，其特征在于，包括：
环境加热炉，所述环境加热炉能够对坯料进行固溶处理；
成形模具，所述成形模具包括上模、下模和压边圈，所述压边圈与所述下模相配合能够压紧所述坯料，所述上模与所述下模相配合能够成形所述坯料；
温控单元，所述温控单元与所述成形模具相连，所述温控单元能够控制所述成形模具的温度；
加压控制单元，所述加压控制单元与所述成形模具相连，所述加压控制单元能够控制所述上模与所述下模合模后的压力。
4.根据权利要求3所述的大尺寸高强度铝合金航空薄壁件的热成形装置，其特征在于：所述成形模具还包括滑块和平台，所述下模设置于所述平台的顶部，所述滑块滑动地设置于所述平台的顶部，所述上模与所述滑块相连，所述滑块与所述上模之间以及所述下模与所述平台之间均分别设置隔热板。
5.根据权利要求4所述的大尺寸高强度铝合金航空薄壁件的热成形装置，其特征在于：所述温控单元包括加热元件和冷却通道，所述加热元件内置于所述上模以及所述下模内，所述冷却通道设置于所述平台内，所述冷却通道与外部冷却介质相连通；所述加压控制单元包括相连的气液增压缸和压力控制阀，所述气液增压缸与所述上模相连，所述气液增压缸能够对所述上模增压。
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