一种消减合金板件残余应力的方法与流程

本发明公开了一种消减合金板件残余应力的方法，特别是指一种消减合金板件残余应力的新型冷压方法，属于合金材料加工技术领域。

背景技术：

高强度铝合金结构件被广泛应用于航空航天、交通运输、精密仪器等行业。7xxx系超高强度铝合金具有优良的力学性能和加工性能，是当前轻质高强金属结构件应用最为广泛的一类高强高韧铝合金。为了获得高强度，7xxx系超高强度铝合金必须进行固溶淬火处理。在固溶淬火处理过程中，铝合金构件由于冷却不均匀，从而诱发很大的淬火残余应力，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。结构件在机加工过程中，由于加工层金属的去除，构件初始的残余应力自平衡状态被打破，残余应力发生重分布，去除层材料对剩余金属的初始约束消失，等同于剩余金属受到一个反向的附加力矩的影响。结构件在刚度变化以及附加力矩的双重作用下，加工后的零部件在自由状态下产生严重的弯曲、扭转等变形现象。除此之外，残余应力的分布和大小会对铝合金结构件的疲劳强度、尺寸稳定性、抗应力腐蚀性能有显著的影响，从而威胁结构件服役期间的使用寿命和安全性能。因此，如何有效地控制、消减7xxx系超高强度铝合金构件中的淬火残余应力是目前高强度铝合金应用领域中极为重要的研究方向。

目前淬火残余应力消减方法通常采用热处理和机械方法。其中，热处理工艺包括人工时效、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℃～190℃，保温一定的时间后进行冷却，通过改变时效工艺参数可以对残余应力水平产生很大的影响。当淬火残余应力较大时，人工时效条件下，材料以晶界扩散、位错运动等方式产生蠕变，残余应力逐步松弛。当松弛到一定程度时到达松弛极限，残余应力趋于稳定。当前广泛应用的t74工艺消减残余应力效果仅在25～30％左右。然而，长时间或过高温度的人工时效处理会导致铝合金的力学性能明显降低。

(2)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，转移冷却至室温，从而达到降低构件中残余应力的一种方法。高低温介质间温度梯度越大，残余应力消减效果越好，根据温度梯度大小残余应力消减效率在20％～85％之间，因此高速蒸汽中的反淬火能够达到更好的应力消减效果。

(3)振动时效。振动时效的工作原理是通过激振设备在构件上以振动的形式施加一定的激振力，使振动频率接近其固有频率，这样在应力集中区域，振动载荷和材料中原有的初始残余应力叠加达到材料的屈服状态发生微变形，残余应力随之下降，这种微变形在应力集中区域相继发生达到消减残余应力的目的。振动时效过程中晶粒发生偏转，小角晶界含量减小，大角晶界的量增加，位错密度降低。振动时效对较大应力梯度的区域(喷丸、焊接、滚压等)具有明显的消减效果，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，多应用于大型构件，尤其是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，受到拉伸机吨位与工艺条件等多方位因素的制约，拉伸板材的横截面积大小受到限制。

(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，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复杂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。运用冷压缩法可以使淬火态铝合金构件残余应力下降60％-90％，效果十分明显。但对于大型构件，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。现阶段7xxx超高强度铝合金结构件均需要采取相应的办法消减淬火残余应力，满足后续机加工及装配后尺寸稳定性和力学性能要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种工艺简单，操作方便，有效降低构件模冷压压力，大幅度消减合金板件残余应力的方法，本发明通过在板类结构件表面增加波纹曲面几何结构特征，采用平面结构压头对波纹曲面的波峰进行压制，大幅度消减残余应力并降低模冷压的压制载荷。

本发明一种消减合金板件残余应力的方法，是将至少一个表面设有波纹曲面结构的合金板件固溶淬火后进行冷压变形处理，冷压变形量小于等于波纹曲面的波纹高度。

本发明一种消减合金板件残余应力的方法，合金板件为锻件、轧制件、挤压件中的一种。

本发明一种消减合金板件残余应力的方法，所述合金选自固溶强化型合金，具体选自铝合金、高温合金中的一种。

本发明一种消减合金板件残余应力的方法，合金板件的上下表面均设置有波纹曲面。

本发明一种消减合金板件残余应力的方法，所述波纹曲面中，波纹为正弦波，波纹高度d为合金板厚度的1％-5％，波长h为板厚的1.5-3倍。

本发明一种消减合金板件残余应力的方法，冷压变形时采用平面结构压头对波纹曲面的波峰进行压制；波峰金属与模具接触产生变形时发生流动，波谷金属随波峰金属流动而发生变形，波峰和波谷的高度差使得冷压过程中波谷并未受到压制力的直接作用，从而在波峰和波谷之间发生不均匀的塑形变形。

本发明一种消减合金板件残余应力的方法，合金板件固溶淬火后1-5小时内进行冷压变形处理；冷压过程在压头与板件之间涂抹润滑剂；所述润滑剂均匀涂抹在板件表面。

本发明一种消减合金板件残余应力的方法，冷压变形量为波纹高度的60-90％。

本发明一种消减合金板件残余应力的方法，表面波纹曲面结构可通过模锻模具设计直接锻造成形获得，也可通过表面机加工方式完成；

固溶温度为470-480℃，保温时间为3-8h，淬火介质为水，淬火过程伴随强烈搅拌。

通过平面模对波纹曲面构件进行冷压。冷压处理为：带有波纹曲面结构特征的构件表面通过冷压模具施加载荷，模具为平面结构，变形过程中仅与波峰位置直接接触，整个过程并不对波谷位置进行直接冷压，波纹高度应大于冷压实际变形量以达到降低压制载荷的目的，即波峰高度为板厚的1％-5％；波纹长度应保证冷压过程中波峰位置的金属流动能较好的传递到波谷并达到消减残余应力的目的，即波长约为板厚的1.5-3倍。冷压处理在固溶处理后2-3小时内进行，冷压实际变形量为波纹高度的60-90％。

优选的，波峰高度为板厚的3％，波长为板厚的2倍，冷压处理在固溶处理后2小时内进行，冷压实际变形量为波峰高度的60％-90％。

冷压工艺特点：模具和结构件的接触面积大大减小，从而显著降低压制所需载荷。同时由于波峰和波谷的变形不一致性，试样表面波峰处的残余应力值减小，而波谷处的残余压应力值逐渐减小并转化为较小的拉应力，从而产生一个波峰为压应力，波谷为拉应力的拉压交替应力分布状态。

本发明要降低冷压过程模具和锻件间的接触面积，同时使锻件整体发生拉伸变形。则锻件在冷压时波纹曲面上应预留锻件变形的空隙，即表面波纹高度d应大于冷压实际变形量，以减少锻件与模具接触面积降低压制载荷。这样在冷压变形完成后，试样波谷位置仍不与冷压模具直接接触。

原理与优势：

波纹曲面结构特点：要使得冷压后获得较好残余应力分布状态，需要合理设计波纹结构参数，使得在一定压下量后，表面波峰与波谷位置间不会因为过大的不均匀塑性变形而产生大的残余应力。其中波纹样式主要取决于结构件上下表面几何结构特征，波纹高度和波长主要取决于试样厚度。

波纹曲面结构冷压过程：上下模具为简单的平面结构，整个压制过程中模具仅与波纹曲面结构的波峰发生接触，冷压变形量约为波纹高度的60-90％；波峰和波谷的高度差使得冷压过程中波谷并未受到压制力的直接作用，从而在波峰和波谷之间发生不均匀的塑形变形；

波纹曲面结构冷压工艺特点：模具和结构件的接触面积大大减小从而显著降低压制所需载荷。波峰和波谷的变形不同步，波峰金属在外加载荷的直接作用下发生变形并逐步传递到波谷，使得试样表面波峰处的残余应力值逐步减小，而波谷处的残余压应力值先减小然后转变为拉应力，最终产生一个波峰区域为压应力，波谷区域为拉应力的拉压交替应力分布状态。

本方法提供了一种新的冷压消减大型板类结构件残余应力的思路，大大降低了铝合金冷压处理时所需的高载荷要求，经过此方法处理后效果显著，淬火试样残余应力值下降约60％-70％，冷压压力降低40％-60％。

波纹曲面结构对应面的冷压模具为大平面结构，通过冷压模具对锻件波纹曲面的波峰进行压制，波峰金属与模具接触产生变形时发生流动；波谷金属随波峰金属流动而发生变形。

冷压过程采用润滑剂均匀涂抹在锻件上。冷压下压量约为3％，使得残余应力得到释放，同时由于锻件波峰与波谷位置金属塑性变形流动差异，产生一种波峰区域为压应力、波谷区域为拉应力的拉压交替应力状态，这就是波纹曲面结构消减残余应力的方法。

附图说明

附图1为本发明波纹试样冷压示意图。

附图2(a)为实施例1所用试样的主视图；

附图2(b)为附图2(a)的俯视图；

附图2(c)为实施例1正弦波纹曲面试样淬火后残余应力曲线及冷压处理后的应力曲线与平板试样的淬火后残余应力曲线及冷压处理后的应力曲线图。

附图3为实施例2不同波纹高度试样经冷压后1/2宽度截面所对应的残余应力曲线。

附图4为实施例3不同波纹长度试样经冷压后1/2宽度截面所对应的残余应力曲线。

图中：

附图1中，d为波纹高度，h为波纹长度；

附图2(a)中，a为试样的1/4宽度截面位置；b为试样的1/2宽度截面位置；p1、p3、p5是对应于附图2(b)中的波峰，p2、p4、p6是对应于附图2(b)中的波谷。

附图2(c)中，由三角形串接的曲线是实施例1中正弦波纹曲面试样淬火并经冷压处理后的残余应力曲线，由倒三角形串接的曲线是实施例1中平面试样淬火并经冷压处理后的残余应力曲线，由正方形串接的曲线是实施例1中正弦波纹曲面试样淬火后的残余应力曲线，由圆形串接的曲线是实施例1中平面试样淬火后的残余应力曲线。比较附图2(c)中的四根曲线可知：波纹试样经过冷压工艺后能够很好的消除试样表面残余应力，残余应力大小可以减小到30mpa以内，残余应力降低70％以上，其中，波峰p1、p3、p5处表现为压应力(-30mpa)，波谷p2、p4、p6处表现为拉应力(30mpa)，试样表面拉压交替应力状态。而平板试样同变形量冷压后的残余应力为-30mpa～-60mpa。可见波纹试样冷压后不仅残余应力削减效果较好，且冷压压力大幅度降低。

从附图3中可以看出，经冷压处理后的波纹板，随着波纹高度的变化，试样波峰区域的压应力先减小后增大，波谷位置由最初的压应力转变为拉应力并逐步增大。残余应力消减效果在波峰高度为板厚的5％时出现最佳值。

附图4中，h为波纹长度，d为板厚；从附图4中可以看出：淬火后经冷压处理，随着波纹长度的增大，波峰波谷区域的金属间不均匀塑性变形增大，试样淬火压应力逐步减小，并逐步转变为波峰为压应力、波谷为拉应力的拉压交替应力状态，在波长为板厚的2倍左右时，应力值较小，约为-40～+30mpa以内，应力消减效果较好；与淬火态100～140mpa的应力值相比，本发明方法处理后，试样表面的应力值大小下降70％以上。

具体实施方法：

下面将结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

在7050铝合金锻件上取方块试样，通过线切割方式加工成尺寸为60mm×60mm×10mm的平板试样，及尺寸为60mm×60mm×10mm、上下表面带有高度为试样厚度的5％、波长为试样厚度两倍的正弦波纹曲面试样。试样在热处理炉中经过470℃固溶保温3h后，迅速放入20℃的水介质中进行淬火，淬火完成后对波纹试样及平板试样表面残余应力进行测试，见附图2(c)；残余应力测试完成后，对波纹试样及平板试样进行冷压工艺处理，且淬火与冷压工艺之间的转运间隔时间≤2h，冷压变形量为3％。冷压完成后记录压制载荷，并对压后试样残余应力进行测试。

结果表明：波纹试样冷压所需压制载荷为95t，这与平板试样冷压时所需压力172t相比，压制载荷降低45％。同时波纹试样淬火残余应力与冷压后残余应力对比情况如附图2(c)，从附图2(c)中可以看出，淬火后试样1/2宽度(b)和1/4宽度(a)沿长度方向的表面残余应力均为压应力(负值为压应力)，残余压应力在-100～-140mpa之间，其中波峰p1、p3、p5处比波谷p2、p4、p6处的残余压应力略大。波纹试样经过冷压工艺后能够很好的消除试样表面残余应力，残余应力大小可以减小到30mpa以内，残余应力降低70％以上，其中，波峰p1、p3、p5处表现为压应力(-30mpa)，波谷p2、p4、p6处表现为拉应力(30mpa)，试样表面拉压交替应力状态。而平板试样同变形量冷压后的残余应力为-30mpa～-60mpa。可见波纹试样冷压后不仅残余应力削减效果较好，且冷压压力大幅度降低。

实施例2：

在7050铝合金锻件上取三个方块试样，通过线切割方式分别加工成尺寸为60mm×60mm×10mm，上下表面带有对称式正弦波纹曲面结构的试样，其中波纹波峰高度分别为试样厚度的3％、5％、7％，波纹长度为试样厚度的两倍。试样在热处理炉中经过470℃固溶保温3h后，迅速放入20℃的水水介质中进行淬火；将淬火完成后的试样进行冷压，其中淬火与冷压工艺之间的转运间隔时间≤2h，冷压变形量为3％。不同波纹高度所对应的残余应力消减效果如附图3(横坐标1、3、5为波峰处，2、4、6为波谷处)，可以看出，随着波纹高度的变化，试样波峰区域的压应力先减小后增大，波谷位置由最初的压应力转变为拉应力并逐步增大，残余应力消减效果在波峰高度为板厚的5％时出现最佳值。

实施例3：

在7050铝合金锻件上取三个方块试样，通过线切割方式分别加工成尺寸为60mm×60mm×10mm，表面带有对称式正弦波纹曲面结构的试样，其中波纹高度为试样厚度的5％，波纹长度分别为试样厚度的1、2、3倍。试样在热处理炉中经过470℃固溶保温3h后，迅速放入20℃的水介质中进行淬火；将淬火完成后的试样进行冷压，其中淬火与冷压工艺之间的转运间隔时间≤2h，冷压变形量为3％。不同波纹长度冷压后所对应的残余应力消减效果如附图4所示：从图中可以看出，随着波纹长度的增大，波峰波谷区域的金属间不均匀塑性变形增大，试样淬火压应力逐步减小，并逐步转变为波峰为压应力、波谷为拉应力的拉压交替应力状态，在波长为板厚的2倍左右时，应力值较小，约为-40～+30mpa以内(应力值<40mpa)，应力消减效果较好，与淬火态100～140mpa的应力值相比，应力值大小下降70％以上。