CN114603029B - 一种高性能混杂层板热-固一体化成形工艺 - Google Patents

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Abstract

一种高性能混杂层板热‑固一体化成形工艺，是将铝合金柔性介质被动加载成形、铝合金固溶时效热处理与纤维增强复合材料铺层固化多物理场工艺过程相结合的复合成形工艺。首先，利用柔性介质被动加载工艺的优势获得大尺寸复杂形状的金属件；然后，进行可热处理强化铝合金的连续性固溶‑淬火‑时效热处理，通过强化相弥散析出提高其强度；最后，利用纤维增强复合材料的铺层固化工艺，同时完成混杂层板的固化制备以及金属件的双级时效，达到新型轻量化材料结构及功能的一次性整体成形，为推动航空航天、国防军工和汽车等领域质量更轻、综合性能更优良的产品中的实际应用，进一步实现轻量化，具有重要的国防战略意义。

Description

一种高性能混杂层板热-固一体化成形工艺
技术领域
本发明属于纤维/金属复合板材塑性成形技术领域，特别是涉及一种基于柔性介质被动加载的热处理与纤维增强复合材料固化叠加耦合的多物理场成形工艺。
背景技术
由于复合材料质量轻、具有较高的比强度、比模量以及较好的延展性、抗腐蚀、导热、隔热、隔音、减振、耐高(低)温、耐烧蚀、透电磁波,吸波隐蔽性、可设计性、制备的灵活性和易加工性等特点，未来在战斗机、大型军用运输机、无人机等平台上必将占有重要地位，必须在抗拉强度、蠕变阻力、低和高循环疲劳、耐高温腐蚀和耐冲击损伤等方面满足要求。然而，纤维增强复合材料不管是碳纤维/环氧树脂复合材料、硼/环氧树脂复合材料还是玻璃纤维/环氧树脂复合材料，因为材料本身的属性，在经受惯性冲击的严苛工作环境中其抗冲击损伤性能远不足金属件，如固体火箭发动机的壳体、飞机机头、翼根、发动机、飞行器整流罩、异型蒙皮件、框型件、直升机桨毂等，一旦发生安全事故，因为复合材料的不可修复性将造成严重后果。考虑纤维增强复合材料的维修成本高、可设计性差，金属构件重量增加飞行器及航天器的有效载荷，降低了发射效率和续航能力等因素。因此，如何寻求影响关键部位综合性能与整机使用性能的因素之间的平衡点，扩大复合材料在未来航空航天中军机、民机、特种飞行器、卫星、宇航器以及战略武器上的适用范围，对综合性能更加优良的复合材料结构设计及成形制造提出了迫切需求，在保证零件满足质量轻、强度高、复杂化、良好的抗应力腐蚀能力要求的同时，其大范围的应用可降低整机质量，提升机动性和续航能力。
由树脂基纤维增强复合材料和薄的铝合金板交替铺层的一种混杂型材料结构体系-玻璃纤维增强金属层板(Glare板材)，作为一种新型、高效、低成本复合结构材料，兼取了金属和先进复合材料的双重优势，与铝合金相比具有更好的损伤容限(特别是冲击和疲劳)、更好的抗腐蚀性、更好的防火性以及更低的密度，与复合材料相比具有更好的抗冲击性能，更好的导电性能、可回收利用性能以及很强的可设计性。纤维金属层板构件与等体积铝合金构件相比减质25％以上，而成本仅为等体积纤维增强复合材料构件的1/3左右，是新一代飞行器结构件中非常有前景的备选材料，在航天工业中具有巨大的应用潜力。纤维增强金属层板结构件的传统制造可以采取两种方案，一是对预先已经铺层固化的层叠板采用常温下的塑性成形，制造出零件，然后进行装配，该方法适用于制造曲率小、构型较简单的构件，如喷丸成形法、冲压成形、滚弯成形；二是运用复合材料的铺层技术，在模具上铺叠复合材料预浸料和铝锂合金板，并放入热压罐内固化，一次成型结构件，该方法可用于制造曲率较大、构型较复杂的构件，如真空袋-热压罐成形法、“3A”成形法。但是，利用现有成形工艺都无法满足未来航空航天产品对纤维增强金属层板的大型化、结构复杂化、尺寸精细化以及综合优良性能的迫切需求，严重制约了该材料的推广。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种高性能混杂层板热-固一体化成形工艺，将铝合金柔性介质被动加载成形、铝合金固溶时效热处理与纤维增强复合材料铺层固化多物理场工艺过程相结合，达到高性能轻质复杂结构航空航天零部件一体化成形制造的目的。
为了达到上述目的，本发明提供的一种高性能混杂层板热-固一体化成形工艺按顺序包括如下步骤：
1)首先，将金属板料放置在柔性介质被动加载成形模具中，通过设置液室压力加载路径、压边间隙和上模下行速度实现板料的塑性变形，成形模具由上模、下模和压边圈组成，上模为成形模，下模为带有液体压力的液室腔体。成形过程中因为柔性介质的“摩擦保持”、“流体润滑”以及面力加载的特点，使室温下铝合金的成形极限得到提高，回弹变形量减小，被动加载成形可以获得形状和尺寸精度较高的复杂结构金属件。
2)对步骤1)获得的金属件，开展固溶-淬火-时效连续热处理制度，目的是提高其强度。金属板料成形后从模具中取出，干燥表面后，转移至热处理炉中进行固溶处理。固溶处理使合金中强化相溶入铝基中形成过饱和固溶体，固溶体成分越均匀，经淬火时效后力学性能越高。其中固溶温度T1和保温时间t1是关键工艺参数，随着固溶温度的提高和固溶时间的延长，合金固溶体的过饱和程度会得到相应的提高。但温度过高易引起晶粒粗大，严重发生过烧；温度过低，会造成加热不足，强化相不能完全溶解，导致固溶体浓度大大降低，影响最终强度和硬度。
将固溶处理后的金属件迅速转移至带有冷却系统的模具中，模具合模，冷却系统运行，完成金属件的快速淬火处理。利用冷模具淬火是实现保压作用，因为温度场冷热交替的变化造成热应力释放，金属件发生回弹变形，因为模具的约束作用，避免了成形件在淬火过程中的变形。淬火速度v1是关键工艺参数，快速淬火使过饱和固溶体得以保留，其值较小则无法保证形成过饱和固溶体，影响人工时效处理时强化相的弥散析出，造成最终产品强度的下降。
经过固溶处理后的金属件转移至热时效炉内，通过优化、设置时效温度T2和时效时间t2，完成人工时效处理，保证强化相充分地弥散析出，增加位错阻力，提升材料的强化作用。
3)时效处理后的金属件转移至化学处理试验平台，进行表面化学处理，用丙酮除去铝合金表面的油污后进行碱洗、脱氧、磷酸阳极化、漂洗和烘干五道工序。金属件表面化学处理是为了增加纤维增强预浸料与金属层板之间的高可靠性连接，防止复合层板在使用过程中因为脱胶造成层间结合力不足导致缺陷的发生，最终影响复合层板整体的力学性能和使用性能。
4)纤维增强预浸料层板与表面处理后的金属件采用胶接的形式进行连接，有效阻止复合层板的疲劳断裂的产生和扩展。根据混杂层板热-固一体化工艺要求，纤维增强预浸料选择热固性玻璃纤维增强复合材料，分为单向玻璃纤维预浸料和玻璃纤维织物预浸料。根据零件使用强度极限不同情况的要求，采用人工手段，可将纤维增强预浸料按照铺层角度0°、45°和90°，铺层方式为单层和多层的形式铺叠在金属层板上，完成纤维增强预浸料层板与金属层板的连接。
5)将步骤4)制得的纤维增强金属混杂层板转移至热固化炉中进行整体固化成形，固化过程中的固化温度T3和固化时间t3是关键的两个工艺参数，固化温度T3较低，固化时间t3短，则纤维增强预浸料无法完全固化，影响纤维层板与金属层板的粘接质量以及复合层板结构的整体性；固化温度T3过高，则纤维预浸料发生分解。固化过程中，可热处理强化铝合金发生双级时效，优化工艺参数可提高抗应力腐蚀能力，同时抗拉强度值可下降在允许的范围内。制定最佳固化工艺路线，形成高强度、高致密性的综合性能优良的轻质复合材料零件。
本发明提供的一种高性能混杂层板热-固一体化成形工艺是将铝合金柔性介质被动加载成形、铝合金固溶时效热处理与纤维增强复合材料铺层固化多物理场工艺过程相结合的复合成形工艺，目的在于成形制造一种高性能轻质复杂结构航空航天零部件。
定义为：首先，进行铝合金板材的柔性介质被动加载成形工艺，板料在上模向下方向的冲压力以及液体反向压力的双重作用下贴合模具，发生塑性变形。该工艺过程中冲压力速度、压边间隙、液体压力加载路线是关键工艺参数，直接决定了板料的变形极限、表面质量以及形状尺寸精度；然后，对成形金属件进行固溶-淬火-时效连续热处理制度，通过优化固溶温度、固溶时间、淬火速度、时效温度和时效时间五个关键工艺参数，形成成分均匀的过饱和固溶体，保证人工时效处理时合金中强化相完全弥散析出，达到材料强化的目的；然后，为了增大金属层板与纤维增强预浸料的连接强度，保证复合层板结构的整体性，热处理后的金属件需要进行表面化学处理。表面处理后，选择合适的纤维复合材料，利用纤维增强预浸料铺层技术，将纤维复合材料与金属板进行铺层和胶接，根据材料使用环境要求，纤维层板与铝合金层板组合形式有两种，第一种是两层金属板夹一层纤维增强预浸料，第二种是三层金属板夹两层纤维增强预浸料。最后，将胶接成整体的纤维增强金属混杂层板放置固化炉中进行固化处理，优化固化时间和固化温度，保证纤维增强预浸料发生固化使金属与纤维复合材料形成致密的整体。同时，可热处理强化铝合金发生双级时效，晶界上的η＇相和η相质点球化，打破了晶界析出相的连续性，使组织得到了改善。由于晶粒内的质点发生粗化，因此提高抗应力腐蚀的同时强度有所降低，优化固化工艺路线，使得金属强度下降至允许的适用范围内。
针对高性能变曲率复杂纤维增强金属混杂层板件无法成形以及成形精度低、刚性弱等问题，通过高性能混杂层板热-固一体化成形方法的研究，可突破纤维-金属层板高效高精度铺层、整体成形与热固化多场协同控制等关键技术，扩大高性能轻质材料在航空航天和国防军工领域的应用范围，具有重要的国防军事战略意义。
附图说明
图1为本发明提供的一种高性能混杂层板热-固一体化成形工艺原理示意图；
图2为本发明提供的柔性介质被动加载成形装置示意图；
图3为本发明提供的一种高性能混杂层板热-固一体化成形工艺固溶-淬火-时效连续热处理过程图；
图4为本发明提供的一种高性能混杂层板热-固一体化成形工艺铝合金层板表面化学处理方法示意图；
图5为本发明提供的一种高性能混杂层板热-固一体化成形工艺纤维增强预浸料与铝合金层板整体结构示意图。
图中：1-可热处理强化铝合金板料，2-柔性介质被动加载成形装置，3-固溶热处理炉，4-快速淬火模具，5-时效炉，6-表面化学处理过的铝合金层板，7-纤维增强预浸料，8-复合材料烘箱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种高性能混杂层板热-固一体化成形工艺过程进行详细说明。
如图1—图5所示，本发明提供的一种高性能混杂层板热-固一体化成形工艺包括按照顺序进行的下列步骤：
1)将铝合金板料(1)置于柔性介质被动加载成形装置(2)中，压边圈下行至优化的压边间隙位置，上模以一定的冲压速度下行，同时对下模液室内液体介质施加一定的压力，使铝合金板料(1)包裹在上模。因为流体介质的润滑作用，减小了铝合金板料(1)与柔性介质被动加载成形装置(2)之间的摩擦效应，可以成形形状复杂的金属零件。
2)将步骤1)获得的金属零件进行固溶-淬火-时效连续热处理。首先转移至固溶热处理炉(3)中，优化固溶温度T1和保温时间t1，获得成分均匀的过饱和固溶体，提高淬火时效后材料的力学性能，固溶处理后将金属零件快速转移至快速淬火模具(4)中，通过冷却管道内的冷却流场作用使得过饱和固溶体得以保留。因为模具的约束作用，减少了金属零件因为热应力释放造成的回弹变形，淬火后将金属零件转移至时效炉(5)中，设置时效温度T2和时效时间t2，使强化相全部弥散析出，达到强度增加的目的。
3)将时效处理后的金属零件进行表面化学处理。首先用丙酮除去铝合金板料表面的油污，然后碱洗、清洗、脱氧、清洗、磷酸阳极化、清洗，最后烘干即可，得到经过表面处理后的铝合金零件(6)，目的是增加纤维增强预浸料与金属层板之间的高可靠性连接，防止复合层板在使用过程中脱胶。
4)将铝合金零件(6)与纤维增强预浸料(7)进行连接制得混杂层板。根据柔性介质被动加载的高性能混杂层板热-固一体化成形工艺要求，纤维增强预浸料(7)选择热固性玻璃纤维预浸料，为了有效阻止复合层板的疲劳断裂的产生和扩展，纤维增强预浸料的层板与表面处理后的铝合金零件采用胶接的形式进行连接，形成混杂层板。
5)将步骤4)制得的混杂层板放置于复合材料烘箱(8)中，设置固化温度T3和固化时间t3，完成复合层板的热固化过程，优化热固化路径，使纤维增强预浸料(7)完全固化，保证纤维层板与铝合金零件的胶接均匀性与结构整体性。同时，铝合金零件(6)发生双级时效，晶界上的η＇相和η相质点球化，打破了晶界析出相的连续性，抗应力腐蚀能力提升。

Claims (5)

1.一种高性能混杂层板热-固一体化成形工艺，包括如下步骤：
1)将铝合金板料(1)置于柔性介质被动加载成形装置(2)中，压边圈下行至优化的压边间隙位置，上模以一定的冲压速度下行，同时对下模液室内液体介质施加一定的压力，使铝合金板料(1)包裹在上模，因为流体介质的润滑作用，减小了铝合金板料(1)与柔性介质被动加载成形装置(2)之间的摩擦效应，可以成形形状复杂的金属零件；
2)将步骤1)获得的金属零件进行固溶-淬火-时效连续热处理，首先转移至固溶热处理炉(3)中，优化固溶温度T1和保温时间t1，获得成分均匀的过饱和固溶体，提高淬火时效后材料的力学性能，固溶处理后将金属零件快速转移至快速淬火模具(4)中，通过冷却管道内的冷却流场作用使得过饱和固溶体得以保留，因为模具的约束作用，减少了金属零件因为热应力释放造成的回弹变形，淬火后将金属零件转移至时效炉(5)中，设置时效温度T2和时效时间t2，使强化相全部弥散析出，达到强度增加的目的；
3)将时效处理后的金属零件进行表面化学处理，首先用丙酮除去铝合金板料表面的油污，然后碱洗、清洗、脱氧、清洗、磷酸阳极化、清洗，最后烘干即可，得到经过表面处理后的铝合金零件(6)，目的是增加纤维增强预浸料与金属层板之间的高可靠性连接，防止复合层板在使用过程中脱胶；
4)将铝合金零件(6)与纤维增强预浸料(7)进行连接制得混杂层板，根据柔性介质被动加载的高性能混杂层板热-固一体化成形工艺要求，纤维增强预浸料(7)选择热固性玻璃纤维预浸料，为了有效阻止复合层板的疲劳断裂的产生和扩展，纤维增强预浸料的层板与表面处理后的铝合金零件采用胶接的形式进行连接，形成混杂层板；
5)将步骤4)制得的混杂层板放置于复合材料烘箱(8)中，设置固化温度T3和固化时间t3，完成复合层板的热固化过程，优化热固化路径，使纤维增强预浸料(7)完全固化，保证纤维层板与铝合金零件的胶接均匀性与结构整体性，同时，铝合金零件(6)发生双级时效，晶界上的η＇相和η相质点球化，打破了晶界析出相的连续性，抗应力腐蚀能力提升。
2.根据权利要求1所述的一种高性能混杂层板热-固一体化成形工艺，其特征在于：利用柔性介质被动加载成形工艺过程的“流体润滑”、“摩擦保持”和面力加载的特点，可以提高可热处理强化铝合金板材的成形极限，实现变曲率复杂结构零件的精确成形，表面质量优于传统冷模成形。
3.根据权利要求1所述的一种高性能混杂层板热-固一体化成形工艺，其特征在于：利用柔性介质被动加载成形工艺得到的铝合金零件，因为其材质的可热处理特性，经过固溶处理、快速保压淬火和人工时效连续性热处理后，过饱和固溶体里面的强化相弥散析出，达到强化的效果，同时模具的保压作用，也减少了铝合金零件的回弹变形量，保证了产品的尺寸精度和形状精度。
4.根据权利要求1所述的一种高性能混杂层板热-固一体化成形工艺，其特征在于：在纤维增强金属混杂层板最后的热固化过程中，通过合理设置固化温度和时间，不仅可以保证纤维增强预浸料的完全固化，增强复合层板的结构整体性，同时可热处理强化铝合金发生双级时效，抗应力腐蚀能力提升，得到综合性能更加优越的复杂结构纤维增强金属混杂层板产品。
5.根据权利要求1所述的一种高性能混杂层板热-固一体化成形工艺，其特征在于：将铝合金柔性介质被动加载成形、铝合金热处理强化与纤维增强复合材料铺层固化多工序结合起来，涉及塑性变形、微观组织演变与材料制备技术的叠加耦合，克服纤维增强金属混杂层板利用传统成形工艺无法成形大变形复杂结构零件的缺陷。
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