CN109234653B - 一种消减大型复杂铝合金模锻件残余应力的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种消减大型复杂铝合金模锻件残余应力的方法，主要应用于多筋条铝合金模锻件，属于铝合金材料加工领域。所述方法是将固溶淬火后的模锻件进行冷压拉处理以消减锻件的残余应力。本发明通过设计制造精整冷拉压模具对模锻件施加2‑4％的压缩变形量，对锻件筋条进行压缩变形，同时使锻件向四周拉伸，已达到消减平衡锻件残余应力的效果。此方法需要根据锻件外形设计一套精整冷压拉模具，残余应力消减效果显著且不影响工件的力学性能和后续加工。

Description

一种消减大型复杂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，尤其涉及一种消减大型复杂铝合金模锻件残余应力的方法。
背景技术
高强度铝合金以其优异的力学性能在航天航空领域得到广泛的应用。7XXX系铝合金是目前航空航天领域中应用最为广泛的一类高强高韧铝合金，其构件通常需要经过固溶-淬火-时效热处理，以提高材料的强度、韧性、抗疲劳性能以及耐腐蚀性能。但是，固溶淬火处理会使得铝合金构件中产生较大的淬火残余应力，尤其对于大型、整体、结构复杂的构件，其淬火残余应力的大小接近材料的屈服强度。构件在后续机械加工过程中，由于外界条件的改变，构件内部淬火残余应力平衡状态被打破，造成残余应力地释放和重新分布，加工后的零部件在没有约束的条件下产生严重的弯曲、扭转等变形现象。除此之外，构件中淬火残余应力的存在还会降低材料耐腐蚀、抗疲劳性能，从而导致构件在服役期间出现应力腐蚀开裂等问题，这大大降低构件的的使用寿命和安全性能。因此，如何有效地控制、消减7XXX系铝合金构件中的淬火残余应力是目前航空航天等领域中极为重要的研究方向。
目前常用的残余应力消减方法主要分为热处理和机械法。其中，热处理消减淬火残余应力工艺主要有人工时效、深冷处理等。机械方法主要包括预拉伸法、冷压缩法和振动时效等。
(1)人工时效。人工时效是高强高韧铝合金获得优异力学性能的重要工艺之一。一般将淬火后的铝合金加热到120℃～180℃，保温一定的时间，然后进行冷却。当淬火构件中残余应力较大时，将其加热到一定的温度并保温一定时间过程中，合金材料以晶界扩散、位错运动等方式产生蠕变，从而使得构件内部淬火残余应力逐渐释放并趋于稳定，此方法消减残余应力效果仅在30％左右。人工时效处理时间过长或温度过高会导致铝合金的力学性能明显降低。
(2)深冷处理。深冷处理就是将构件放入低温介质(如液氮、干冰)中保温一定时间后，再快速转移至高温介质中保温，当温度到达平衡后，最后将其冷却至室温，从而达到降低构件中残余应力的一种方法。这种方法仅能消除30％的残余应力。在高温蒸汽中进行反淬火虽然可以降低铝合金残余应力，但是对于结构相当复杂的构件，温差变化过大将导致构件形状发生较大的变化，因此，在高温蒸汽中进行反淬火消减残余应力的方法更加适用形状较为简单的构件。
(3)振动时效。振动时效消减法的工作原理是利用便携式激振设备对构件施加一定的振动载荷，使金属构件产生一个或多个振动状态，在振动载荷与残余应力的共同作用下发生塑性变形，从而使工件内部残余应力幅值降低。振动时效对应力梯度较大的应力(喷丸、焊接、滚压等)具有更好的消减效果，且振动时效克服了热时效无法对大型构件残余应力进行消减的缺点，广泛应用于大型构件、焊接构件的应力消减。
(4)预拉伸法。预拉伸法消减淬火残余应力的原理是沿构件的某特定方向施加一定量的拉伸塑性变形，使产生的附加残余应力与原有的淬火残余应力相叠加，从而达到消减应力的目的。拉伸量在2％～3％之间为最佳拉伸效果，即内应力大幅降低，而机械性能牺牲最小。此方法只适合于形状简单的工件，对形状复杂的工件适应性差，生产中主要用于轧制板材的残余应力消减。
(5)冷压缩法。冷压缩是通过对工件施加一定的压缩外载，使其与构件内部残余应力共同作用使材料发生不均匀塑性变形，从而使淬火残余应力得以消减。冷压缩法中的模压法可以将结构复杂的构件中部分残余应力消减，但也会使得其他一些部分的残余应力加大。因此，模压法是调整结构件中的残余应力的分布而并非纯粹的消减工艺。对于大型工件，模压法所需的载荷很大，一般压力机无法满足要求。
以上常用的铝合金残余应力消减方法均有各自的特点和不足，有一定的适用范围。由于现阶段航空铝合金模锻件多采用7XXX高强度铝合金整体设计和制造，尺寸规格大、结构复杂，需要在保持其优异力学性能的前提下，消减其残余应力，已达到使用标准。所以，针对大型复杂铝合金模锻件淬火残余应力的削减和控制要求日益急迫。
发明内容
本申请的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减大型复杂铝合金模锻件残余应力的方法。本方法结合模冷压法和预拉伸法的特点，对模锻件进行冷压的同时冷拉，以克服模冷压法所需的载荷大的缺点，同时又能有效减小残余应力。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种消减大型复杂铝合金模锻件残余应力的方法，包括如下步骤：
步骤一：将大型复杂铝合金模锻件进行固溶淬火处理；
步骤二：将固溶淬火处理后的模锻件进行模冷压带拉处理；
其中，模冷压带拉处理过程为：使用冷压模具对模锻件施加载荷，冷压模具型腔基本随模锻件外形，冷压模具仅对模锻件的筋板顶部进行模压，对模锻件的腹板不进行模压，冷压模具的凹槽宽度大于与其对应的筋板宽度；对于模锻件外圈筋板，使冷压模具的凸模嵌入模锻件外圈筋板的拔模斜度上，从而产生拉伸与压缩的组合变形，与模锻件外圈筋板所对应的模具凹槽预留有模锻件外扩的空隙。
进一步的，模锻件外圈筋板的宽度大于腹板的厚度。
进一步的，冷压模具的圆角大于等于模锻件对应的圆角。
进一步的，模锻件成型过程为：
将预锻坯加热到400-420℃，保温5-6小时后，出炉一次锻造成形，模锻温度为350-420℃，模具温度不低于380℃，预锻坯由轧制板坯预锻成形。
进一步的，固溶温度为470-480℃，保温时间为2-5h，淬火延迟时间小于等于15s，淬火介质为50℃-70℃的水，淬火过程伴有强烈搅拌。
进一步的，模冷压带拉处理在固溶处理后4小时内进行。
进一步的，模冷压带拉处理所用润滑剂为油基石墨，均匀涂抹在模锻件上。
进一步的，模冷压带拉处理的模压量为2％-4％，优选为3％。
原理与优势：
本发明与冷压法的不同之处在于施力方向和变形不同，冷压法沿锻造压缩方向压缩锻件，使其发生沿锻件侧面的微小变形而消减残余应力；本发明模冷拉压法沿锻件侧面施加压力，使锻件筋板侧面压缩的同时，腹板等产生拉伸变形的效果，而且施力大小远小于冷压法。与冷拉法的不同之处在于施力结构不同，冷拉法使用夹具夹住工件两端进行拉伸变形，而锻件结构复杂无法用夹具拉伸，而本发明模冷拉压法中冷压模具能使锻件产生向四周外扩的微小变形。
本发明通过对锻件筋条进行压缩变形，同时使锻件向四周拉伸，以达到消减平衡锻件残余应力的效果，载荷施加小，残余应力消减效果显著(残余应力平均应力值由216MPa降低至123MPa，消除率达到57％)且不影响工件的力学性能和后续加工，而且处理成本也比较低，具有冷拉法和冷压法的综合优点。
附图说明
图1为模冷压带拉处理示意图；
图2为实施例锻件模冷压带拉截面图；
图3为实施例锻件固溶后残余应力分布图；
图4为实施例锻件模冷带拉处理后残余应力分布图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
一种消减大型复杂铝合金模锻件残余应力的方法，包括如下步骤：
步骤一：将大型复杂铝合金模锻件进行固溶淬火处理；
优选的，模锻件成型过程为：
将预锻坯加热到400-420℃，保温5-6小时后，出炉一次锻造成形，模锻温度为350-420℃，模具温度不低于380℃，预锻坯由轧制板坯预锻成形，固溶温度为470-480℃，保温时间为2-5h，淬火延迟时间小于等于15s，淬火介质为50℃-70℃的水，淬火过程伴有强烈搅拌。
步骤二：将固溶淬火处理后的模锻件进行模冷压带拉处理；
其中，模冷压带拉处理过程为：使用冷压模具对模锻件施加载荷，冷压模具型腔基本随模锻件外形，冷压模具仅对模锻件的筋板顶部进行模压，对模锻件的腹板不进行模压，冷压模具的凹槽宽度大于与其对应的筋板宽度；对于模锻件外圈筋板，使冷压模具的凸模嵌入模锻件外圈筋板的拔模斜度上，从而产生拉伸与压缩的组合变形，与模锻件外圈筋板所对应的模具凹槽预留有模锻件外扩的空隙。
优选的，模冷压带拉处理在固溶处理后4小时内进行，模冷压带拉处理所用润滑剂为油基石墨，均匀涂抹在模锻件上，模冷压带拉处理的模压量为2％-4％。
模冷压(拉)过程：需要使用特定的冷压模具，模具型腔基本随锻件外形，选择只压筋条不压腹板，冷压量为2％-4％；在腹板上预留空间，当筋条受压产生微变形时金属有空间流动；对于锻件外圈筋条拔模斜度上，冷压模要对它形成向外扩的效果，使凸模嵌入模锻件端面的加强筋条的拔模斜度上,产生拉伸与压缩的组合变形，从而消除铝合金模锻件中残余应力，达到精整模拉压法消残的目的。冷压拉过程所用润滑剂为油基石墨，均匀涂抹在锻件上。
模冷压(拉)法的特点：其与冷压法的不同之处在于施力方向不同，冷压法沿锻造压缩方向压缩锻件，使其发生沿锻件侧面的微小变形而消减残余应力；模冷压拉法沿锻件侧面施加压力，使锻件筋板侧面压缩的同时，腹板等产生拉伸变形的效果，而且施力大小远小于冷压法。其与冷拉法的不同之处在于施力结构不同，冷拉法使用夹具夹住工件两端进行拉伸变形，而锻件结构复杂无法用夹具拉伸；而模冷拉压法中特定的模具能使锻件产生向四周外扩的微小变形。
本发明要使锻件整体发生微小拉伸变形，则锻件受拉筋条宽度不小于腹板的厚度，如图1所示外筋条宽度比腹板厚度大，模具的圆角应不小于锻件对应的圆角，以保证受力尽量均匀。在模具上应预留锻件变形的空隙，即在需要压筋条顶部的模具处，凹槽宽度要大于此处筋条宽度，而在锻件外侧处所对应的模具凹槽也应该预留锻件外扩的空隙，将如图2所示。
下面将结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
将7050铝合金坯料加工成设计形状，在专用铝合金电阻炉中加热到425℃保温8h，在预锻模中锻造，预锻模温度在400-450℃之间。预锻完成后空冷至室温，机加工成设计的预锻件形状，加热到420℃保温8h，在终锻模中进行锻造，终锻模温度在400-450℃之间，模锻结束后空冷。接着将锻件重新加热到470℃保温5h后，用60℃温水淬火，并强烈搅拌，在冷压模具上进行模冷压带拉处理，压缩量为3％。锻件固溶淬火后残余应力分布和锻件模冷压拉后残余应力分布如图3和图4所示，从图中可以看出，经过模冷压带拉处理后的锻件的残余应力平均应力值由216MPa降低至123MPa，消除率达到57％。
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 (8)

1.一种消减大型复杂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：将大型复杂铝合金模锻件进行固溶淬火处理；
步骤二：将固溶淬火处理后的模锻件进行模冷压带拉处理；
其中，模冷压带拉处理过程为：使用冷压模具对模锻件施加载荷，冷压模具型腔基本随模锻件外形，冷压模具仅对模锻件的筋板顶部进行模压，对模锻件的腹板不进行模压，冷压模具的凹槽宽度大于与其对应的筋板宽度；对于模锻件外圈筋板，使冷压模具的凸模嵌入模锻件外圈筋板的拔模斜度上，从而产生拉伸与压缩的组合变形，与模锻件外圈筋板所对应的模具凹槽预留有模锻件外扩的空隙；
所述铝合金模锻件为7XXX系铝合金模锻件。
2.根据权利要求1所述的消减大型复杂铝合金模锻件残余应力的方法，其特征在于：模锻件外圈筋板的宽度大于腹板的厚度。
3.根据权利要求1或2所述的消减大型复杂铝合金模锻件残余应力的方法，其特征在于：冷压模具的圆角大于等于模锻件对应的圆角。
4.根据权利要求1或2所述的消减大型复杂铝合金模锻件残余应力的方法，其特征在于，模锻件成型过程为：
将预锻坯加热到400-420℃，保温5-6小时后，出炉一次锻造成形，模锻温度为350-420℃，模具温度不低于380℃，预锻坯由轧制板坯预锻成形。
5.根据权利要求1或2所述的消减大型复杂铝合金模锻件残余应力的方法，其特征在于：固溶温度为470-480℃，保温时间为2-5h，淬火延迟时间小于等于15s，淬火介质为50℃-70℃的水，淬火过程伴有强烈搅拌。
6.根据权利要求1或2所述的消减大型复杂铝合金模锻件残余应力的方法，其特征在于：模冷压带拉处理在固溶处理后4小时内进行。
7.根据权利要求1或2所述的消减大型复杂铝合金模锻件残余应力的方法，其特征在于：模冷压带拉处理所用润滑剂为油基石墨，均匀涂抹在模锻件上。
8.根据权利要求1或2所述的消减大型复杂铝合金模锻件残余应力的方法，其特征在于：模冷压带拉处理的模压量为2％-4％。
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