CN109112449A - 一种消除铝合金模锻件残余应力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消除铝合金模锻件残余应力的方法，包括如下步骤：步骤一：将固溶淬火处理后的铝合金模锻件进行进行冷压；步骤二：将冷压后的模锻件进行深冷处理；步骤三：将深冷处理后的模锻件进行快速升温双级时效处理；步骤四：将快速升温双级时效处理后的模锻件空冷。本发明为减小残余应力，首先将模锻件用冷压精整模具进行冷压变形，然后将模锻件放入液氮中进行深冷处理；再将深冷后的模锻件快速升温进行双级时效处理。通过“固溶淬火+冷压+深冷+时效”复合工艺处理，可将铝合金模锻件的残余应力降低90％以上，本发明特别适用于复杂形状的大型高强度铝合金模锻件。

Description

一种消除铝合金模锻件残余应力的方法

技术领域

本发明属于铝合金材料加工技术领域，尤其涉及一种消除铝合金模锻件残余应力的方法。

背景技术

7050铝合金具有高强度、高韧性、耐腐蚀性等良好的综合性能，是一种航空领域大型锻件、厚板等广泛采用的Al-Zn-Mg-Cu系超高强度变形铝合金。该合金需要在470℃左右的高温下进行固溶处理，并在快速淬火冷却后进行人工时效，以获得优异的综合力学性能。但在淬火冷却过程中，由于冷却速度快，构件芯部与表层的温度梯度大，一般在表层形成压应力、芯部形成拉应力，最大应力值可以达到200MPa以上。在随后的时效过程中，由于加热温度较低，残余应力难以大幅度消除而残留在构件中，对锻件的断裂韧性、疲劳寿命、腐蚀抗力等产生严重影响。另外，锻件在后续的切削加工过程中，由于热处理残余应力重新分布及与机加工残余应力的相互作用，极易造成零件的变形，导致零件尺寸形状超差，需要增加额外的校形工序，制造成本增加，且校形后零件应力分布更加复杂。据报道，波音公司每年因残余应力导致的机加工后锻件变形而造成的损失在数百万美元之上。

为保证最终零件的形状和尺寸精度，提高材料的使用寿命，如何降低固溶淬火处理后的铝合金模锻件残余应力，是目前生产大型航空锻件生产和使用部门面临的重大难题之一。

目前工业上常用的消除铝合金淬火残余应力的方法主要有以下几种：

时效消除法：时效消除法是降低淬火残余应力的传统方法，一般将工件加热到一定温度保温处理后缓慢冷却，以消除残余应力。Al-Zn-Mg-Cu系超高强度铝合金对时效温度非常敏感，时效温度的提高，使得MgZn₂等强化相过多析出和长大，合金强度明显降低。因此，时效一般控制在200℃以下的较低温度进行，残余应力的消除效果不明显，一般仅为10％-35％。

深冷处理法：将淬火后的零件浸入温度很低的液体(一般是液氮)中进行处理，待内外温度均匀后，取出并迅速进行蒸汽喷射，通过急冷与急热方法产生方向相反的热应力，借此抵消原来的残余应力场。深冷处理法是目前大型复杂高强铝合金结构件消除残余应力的主要方法，但这种方法也仅能消除20-70％的残余应力。其最大优点是在消除残余应力的同时，可以改善材料的强度、硬度、耐磨性及组织稳定性。

拉伸法：对淬火后的铝合金板材，沿轧制方向施加1-5％的拉伸塑性变形，使拉应力与原来的淬火残余应力叠加后发生塑性变形，淬火残余应力得到缓解和释放。拉伸法最高可以消除90％以上的残余应力，但该方法仅适合于形状简单的零件，对于形状复杂的锻件无法实施，且对拉伸前铝合金板材的组织均匀性要求较高，复杂造成应力分布不均匀。

冷压法：在特制的冷压精整模具中，通过严格控制模锻件冷压变形来消除形状复杂的铝合金锻件中的残余应力。其作用机理是使铝合金模锻件通过压缩变形，以调整模锻件的整体应力水平，它使铝合金模锻件某些部位残余应力得到释放的同时，有可能使其他部位的残余应力增大。另外，由于大型锻件淬火后存在很大的残余应力，模压变形量过大将引起局部加工硬化，甚至断裂；变形量过小，应力消除效果不理想。因此，模冷压法在实际操作中难以通过精确控制模压变形量来消除残余应力，且冷压法需要制作专用模具，成本高，经济效益较低。

振动消除法：振动消除残余应力法的工作原理是使用便携式激振器使金属结构产生一个或多个振动状态，从而产生如同机械加载时的弹性变形，使零件内部某些部位的残余应力与振动载荷叠加后超过材料的屈服强度引起塑性变形，从而使构件内部残余应力降低或重新分布。铝合金在淬火后进行振动，残余应力的最大可以消除10-70％。但目前对振动时效消除残余应力的机理尚不充分，国内外对它应用于航空铝合金构件中的适宜性尚存在争议。

除上述方法外，近年来国内外还报告了脉冲磁处理法、高温短时热冲击法等，但相关工艺尚不成熟。

总之，以上几种方法在使用过程中均存在一些缺陷和局限性，对残余应力的消除效果有效。由于目前航空航天模锻件中7050铝合金的使用非常普遍，如何消除复杂模锻件中的残余应力，是大型复杂铝合金结构件生产和应用面临的一大难题。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种消除铝合金模锻件残余应力的方法。该方法对淬火残余应力的消除率可达90％以上。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种消除铝合金模锻件残余应力的方法，包括如下步骤：

步骤一：将固溶淬火处理后的铝合金模锻件进行冷压处理；

步骤二：将冷压处理后的模锻件进行深冷处理；

步骤三：将深冷处理后的模锻件进行快速升温双级时效处理；

步骤四：将快速升温双级时效处理后的模锻件空冷。

进一步的，固溶温度为460-480℃，固溶时间为1-3小时，淬火介质为20-80℃的水，淬火保温时间为10-60分钟。

进一步的，冷压处理的冷压变形量为1-5％。

进一步的，所述深冷处理的深冷保温时间为10-120分钟，冷却介质为液氮。

进一步的，所述快速升温双级时效处理包括如下步骤：

第一级时效：将深冷处理后的模锻件放至120℃热处理炉中，保温5-7h；

第二级时效：将模锻件从120℃升温至170-180℃，升温速率为2.5-3.5℃/min，保温10-14h。

进一步的，模锻件在各道次工序中的间隔时间小于等于2小时。

进一步的，所述铝合金模锻件为7050铝合金模锻件。

7050铝合金模锻件合金材料成分如下：Si含0.04％、Fe含0.077％、Cu含2.1％、Mn含0.01％、Mg含2.16％、Cr含0.031％、Zn含6.1％、Ti含0.029％、Zr含0.11％、余量为Al，其他含0.15％

原理与优势：

该合金需要在470℃左右的高温下进行固溶处理，并在快速淬火冷却后进行人工时效，以获得优异的综合力学性能。但在淬火冷却过程中，由于冷却速率快，构件芯部与表层的温度梯度大，一般在表层形成压应力、芯部形成拉应力，最大应力值可以达到200MPa以上。在随后的时效过程中，由于加热温度较低，残余应力难以大幅度消除而残留在构件中，对锻件的断裂韧性、疲劳寿命、腐蚀抗力、机加工变形等产生严重影响。为消除淬火产生的残余应力，在淬火后采用冷压、深冷处理等方式进行残余应力的消减，最后再进行双级时效处理。冷压法使铝合金模锻件通过压缩变形作用，以达到调整或局部消减模锻件残余应力的目的，变形量在1％～5％之间为最佳压缩效果，即内应力大幅降低，而机械性能牺牲最小；而深冷处理通过急冷与急热方法产生方向相反的热应力，借此抵消原来的残余应力场，达到消减淬火残余应力的目的。

时效工艺其本质是通过加热到一定温度并保温一定时长的过程中，合金材料以晶界扩散、位错运动等方式产生蠕变，从而使构件内部淬火残余应力逐渐释放并趋于稳定。本发明采用分级时效的目的是先通过低温时效以保证在较短时间内形成G.P区，然后采用高温二级时效促使G.P区向中间相转变，从而获得较高强度和其他良好的性能等。

本发明通过冷压、深冷处理以及快速升温双级时效处理的协同，对铝合金构件的残余应力进行消减，且深冷处理法可以提高构件的尺寸稳定性，以减少后续的加工变形，提高构件使用寿命。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式对本发明作进一步说明。

实施例1

在7050铝合金锻件上取样，切成80mm×40mm×10mm的7050铝合金板材试样。试样经480℃固溶1h后，迅速放入20℃的水中进行淬火，淬火保温时间40min；将淬火完成后的试样进行冷压，冷压变形量为3％；冷压完成后将试样放入-196℃液氮中进行深冷处理，深冷保温时间为10min；然后取出放入120℃热处理炉中进行快速升温双级时效处理，时效温度和保温时间分别为120℃×6h+170℃×12h，将模锻件从120℃升温至170℃的升温速率为3℃/min。各道次之间的转运间隔时间小于2小时。不同热处理阶段的残余应力变化如表1所示。经固溶+20℃水温淬火+冷压+深冷+时效方法处理后，试样表面的等效残余应力值由淬火后的165.8MPa，下降至11.4MPa，残余应力消除93％以上。在20℃水温淬火的试样强度由未进行深冷处理的491MPa，提升为518MPa，延伸率由12.9％变化为13.6％。

对比例1

在7050铝合金锻件上取样，切成80mm×40mm×10mm的7050铝合金板材试样。试样经480℃固溶1h后，迅速放入20℃的水中进行淬火，淬火保温时间40min；将淬火完成后的试样进行冷压，冷压变形量为3％；冷压完成后将试样放入120℃热处理炉中进行双级时效处理，时效温度和保温时间分别为120℃×6h+170℃×12h双级时效处理，将模锻件从120℃升温至170℃的升温速率为3℃/min。不同热处理阶段的残余应力变化如表1所示。经固溶+20℃水温淬火+冷压+时效方法处理后，试样表面的等效残余应力值由淬火后的165.8MPa，下降至35.5MPa，残余应力消除78％左右。

实施例2

在7050铝合金锻件上取样，切成80mm×40mm×10mm的7050铝合金板材试样。试样经460℃固溶1h后，迅速放入40℃的水中进行淬火，淬火保温时间20min；将淬火完成后的试样进行冷压，冷压变形量为4％；冷压完成后将试样放入196℃液氮中进行深冷，深冷保温时间为40min；然后放入热处理炉中进行快速升温双级时效处理，时效温度和保温时间分别为120℃×6h+180℃×13h双级时效处理，将模锻件从120℃升温至180℃的升温速率为3.5℃/min。不同热处理阶段的残余应力变化如表1所示。试样表面的等效残余应力值由淬火后的160.8MPa，下降至12.5MPa，残余应力消除92％以上。在40℃水温淬火的试样强度由未进行深冷处理的491MPa，提升为495MPa，延伸率由9.4％变化为11.0％。

对比例2

在7050铝合金锻件上取样，切成80mm×40mm×10mm的7050铝合金板材试样。试样经460℃固溶1h后，迅速放入40℃的水中进行淬火，淬火保温时间20min；将淬火完成后的试样进行冷压，冷压变形量为4％；冷压完成后将试样放入120℃热处理炉中进行双级时效处理，时效温度和保温时间分别为120℃×6h+180℃×13h双级时效处理，将模锻件从120℃升温至170℃的升温速率为3.5℃/min。不同热处理阶段的残余应力变化如表1所示。经固溶+40℃水温淬火+冷压+时效方法处理后，试样表面的等效残余应力值由淬火后的160.8MPa，下降至35.8MPa，残余应力消除77％左右。

实施例3

与实施例1所不同的是，冷压变形量为6％，试样表面的等效残余应力值由淬火后的165.8MPa，下降至24.6MPa，残余应力消除为85％，深冷处理后试样的强度为505MPa。

实施例4

与实施例1所不同的是，冷压变形量为0.5％，时效温度和保温时间分别为120℃×5h+190℃×13h双级时效处理，试样表面的等效残余应力值由淬火后的165.8MPa，下降至49.9MPa，残余应力消除70％左右，深冷处理后试样的强度为503MPa。

实施例5

与实施例1所不同的是，将模锻件从120℃升温至170℃的升温速率为1.5℃/min，保温时间为15h，深冷时间为5分钟，试样表面的等效残余应力值由淬火后的165.8MPa，下降至20.4MPa，残余应力消除88％左右，深冷处理后试样的强度为498MPa。

实施例6

与实施例1所不同的是，时效处理时，试样从室温升温至120℃，而不是直接在120℃进行保温时效处理，试样表面的等效残余应力值由淬火后的165.8MPa，下降至22MPa，残余应力消除87％左右，深冷处理后试样的强度为495MPa。

表1热处理工艺对7050合金残余应力的影响

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种消除铝合金模锻件残余应力的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：将固溶淬火处理后的铝合金模锻件进行冷压处理；

步骤二：将冷压后的模锻件进行深冷处理；

步骤三：将深冷后的模锻件进行快速升温双级时效处理；

步骤四：将快速升温双级时效处理后的模锻件空冷。

2.根据权利要求1所述的消除铝合金模锻件残余应力的方法，其特征在于：冷压处理的冷压变形量为1-5％。

3.根据权利要求1所述的消除铝合金模锻件残余应力的方法，其特征在于：所述深冷处理的深冷时间为10-120分钟，冷却介质为液氮。

4.根据权利要求1所述的消除铝合金模锻件残余应力的方法，其特征在于：所述快速升温双级时效处理包括如下步骤：

第一级时效：将深冷处理后的模锻件放至120℃热处理炉中，保温5-7h；

第二级时效：将模锻件从120℃升温至170-180℃，升温速率为2.5-3.5℃/min，保温10-14h。

5.根据权利要求1所述的消除铝合金模锻件残余应力的方法，其特征在于：固溶温度为460-480℃，固溶时间为1-3小时，淬火介质为20-80℃的水，淬火保温时间为10-60分钟。

6.根据权利要求1所述的消除铝合金模锻件残余应力的方法，其特征在于：模锻件在各道次工序中的间隔时间小于等于2小时。

7.根据权利要求1-6任一项所述的消除铝合金模锻件残余应力的方法，其特征在于：所述铝合金模锻件为7050铝合金模锻件。