一种降低高强铝合金复杂模锻件残余应力的方法
【专利摘要】本发明涉及一种降低高强铝合金复杂模锻件残余应力的方法；属于铝合金材料加工技术领域。所述方法是将高强铝合金模锻件进行固溶淬火处理后进行保压时效处理后空冷。本发明通过模具对锻件施以一定的压应力，在保证模锻件尺寸不发生改变的同时可抵消锻件中的大部分拉应力，时效过程既消除了残余应力，又实现了时效强化的效果。在保证制品表面质量的同时既能达到几乎完全消除残余应力，又能提高工件强度和塑性等指标，有利于提高工件的综合力学性能，兼顾了获得较佳机械性能与减少残余应力的目的。本发明具有工艺简单，易于操作，易脱模，对设备要求低的特点。特别适于复杂形状的高强铝合金模锻件残余应力的消减，适合于工业化的推广和使用。
【专利说明】
一种降低高强铝合金复杂模锻件残余应力的方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种降低高强铝合金复杂模锻件残余应力的方法;属于铝合金材料加工技术领域。
【背景技术】
[0002]高强铝合金以其优异的综合力学性能，在航空航天领域材料中的应用比例越来越高，7XXX系高强铝合金构件一般需要通过时效热处理强化手段来提高其强度、韧性、抗疲劳性能等力学性能，但是对于复杂形状的模锻件而言，在锻造过程中各部位的变形情况不同，会导致其内部存在较大的残余应力，并且在随后的固溶淬火过程中，加剧了这种残余应力的产生。残余应力的存在会使工件在后续机加工过程中出现变形、翘曲、扭曲，甚至开裂等现象，严重影响零件的制备。并且，残余应力的存在还可能在使用过程中导致应力腐蚀开裂，从而明显缩短构件的使用寿命。许多意外破坏事故，除了材料本身的结构和强度因素导致之外，多数是由于残余应力直接或间接造成的，并且残余应力对材料疲劳强度的影响尤为明显。因此，在铝合金工件服役之前应该尽量消除或减少其内部残余应力，但是残余应力的消除目前已成为生产研究面临的重大难题之一。
[0003]目前工业上常用的残余应力消除方法主要有以下手段:
[0004](I)机械法。采用较大吨位设备或工具，对工件表面进行碾压、锤击等操作，这种处理可能会破坏工件的表面，造成工件的附加损伤，这种方法主要适合于形状简单的零件，对复杂形状的工件适用性较差，主要用于铸造锭坯的残余应力消除。这种方法对残余应力的消除程度约在60?80%之间，消除效果有限，目的主要是应力消除和调整分布。并且机械法过程中需要消耗大量的劳动力，增加了成本。
[0005](2)退火法。将工件加热到一定温度后保温处理，以消除残余应力，但是采取去应力退火工艺时，必须保证构件降温过程非常缓慢和均匀，否则，会在材料内部产生新的残余应力。退火法消除残余应力时，残余应力的消除效果随着加热温度的提高和保温时间的延长而提高，但却会使材料的力学性能发生变化。对于7XXX系铝合金而言，合金对温度非常敏感，时效温度的提高，会明显降低合金的强度及其它性能。
[0006](3)模冷压法。模冷压法是在一个特制的精整模具中，通过严格控制冷变形量来消除复杂形状铝合金模锻件中的残余应力。该种方法主要是调整，而不是消除零件的整体应力水平。该方法可能使铝合金模锻件上某些部位的残余应力得到释放的同时，其它部位的残余应力增大。并且模压变形量过大将可能引起冷变形加工硬化，从而导致裂纹或断裂。另一方面，模冷压法所需的模具制作成本很高，使用该方法消除残余应力经济效益较低。
[0007](4)深冷处理法。将淬火后的零件置于很低的温度下进行处理，这是目前大型复杂高强铝合金结构件消减淬火残余应力的主要方法，这种方法也仅能消减10 %?40 %的残余应力。
[0008](5)预拉伸法。该方法主要适用于厚度较大的铝合金板材，对于形状复杂的模锻零件则不适用。
[0009]由于现阶段航空用铝合金模锻件主要采用7XXX系高强合金，鉴于该系合金自身的特性，制造过程需要消除残余内应力，以获得优良的使用性能。因此，如何消除模锻件残余应力，是本领域技术人员函待解决的技术问题。
【发明内容】
[0010]本发明目的在于克服现有技术中的不足，提供一种降低高强铝合金复杂模锻件残余应力的方法。采用本方法处理的铝合金复杂模锻件残余应力较低，且处理成本很低。
[0011]—种降低高强铝合金复杂模锻件残余应力的方法，包括下述步骤:
[0012]步骤一:将高强铝合金模锻件进行固溶淬火处理后进行保压时效处理；
[0013]步骤二:将时效处理后的模锻件空冷。
[0014]本发明一种降低高强铝合金复杂模锻件残余应力的方法，保压时效处理时，将模锻件置于模具中保压。
[0015]本发明一种降低高强铝合金复杂模锻件残余应力的方法，按设计坯料尺寸从经过自由锻造的高强铝合金上切取坯料，并机加工成设计尺寸。
[0016]本发明一种降低高强铝合金复杂模锻件残余应力的方法，步骤一中所述模锻件由坯料经380?450°C，保温5?8小时后一次模锻成型，模锻温度为350?420°C。
[0017]本发明一种降低高强铝合金复杂模锻件残余应力的方法，固溶温度为450?480°C，保温时间为2?5h，淬火介质为室温水。
[0018]本发明一种降低高强铝合金复杂模锻件残余应力的方法，保压时效的保压压力为50?10MPa，时效温度为120?130 °C，时效时间为15?25小时。
[0019]本发明一种降低高强铝合金复杂模锻件残余应力的方法，模锻模具和锻件在保压状态下一起置于时效炉中时效处理。
[0020]本发明一种降低高强铝合金复杂模锻件残余应力的方法，热锻模具和保压时效处理用模具为同一套模具。
[0021]本发明一种降低高强铝合金复杂模锻件残余应力的方法，所述高强铝合金的质量百分比成分为:锌(211)6.0?6.5;镁(1%)2.0?2.5;铜(01)2.2?2.5;锆(200.1?0.13;锰(Mn)彡0.12;铬(Cr)彡0.05;钛(Ti)彡0.06;硅(Si)彡0.15;铁(Fe)彡0.15;余量为铝(Al)。
[0022]本发明一种降低高强铝合金复杂模锻件残余应力的方法，处理后模锻件的残余应力较淬火态模锻件残余应力下降80%以上。
[0023]原理及优势
[0024]7050铝合金模锻件经固溶处理后，可消除热锻过程由于金属流动不均导致的残余应力，在其后的淬火过程中，较快的冷却速度导致合金中重新产生较大的残余拉应力，将淬火后存在残余应力的零件置于模具中一起时效，模具对锻件施以一定的压应力，该压应力约为合金屈服强度的10%?15%，这种较小的压应力保证模锻件尺寸不发生改变同时可抵消锻件中的大部分拉应力，时效过程既消除了残余应力，又实现了时效强化的效果。相对于淬火态模锻件，采用该方法残余应力可降低80%以上。
[0025]本发明特别适用于复杂航空高强铝合金零件的残余应力消减，且消减效果好、对设备载荷能力要求低、易脱模。本发明方法工艺简单，易于操作，适合于工业化的推广和使用。采用本发明所述方法处理后的工件，在保证制品表面质量的同时既能达到几乎完全消除残余应力的目的，又能提尚工件的强度和塑性等指标，有利于提尚工件的综合力学性能，兼顾了获得较佳机械性能与减少残余应力的目的。
【具体实施方式】
[0026]本发明公开了一种降低高强铝合金复杂模锻件残余应力的方法，可以利用同一套模锻模具对模锻件实现热处理，不仅可以制备出满足材料使用要求的高质量低残余应力模锻件，而且成本很低。
[0027]下面给出的实施例拟对本发明作进一步说明，但不能理解为是对本发明的保护范围的限制，该领域的技术人员根据上述本
【发明内容】
做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
[0028]本发明实施例及对比例中，工件的残余应力采用残余应力超声检测仪测量。
[0029]对比例1:
[0030]从经过自由锻造的成分(质量百分比)为:锌(Zn)6.2;镁(1^)2.2;铜(01)2.3;锆(Zr)0.12;锰(Mn):0.10;铬(Cr)0.05;钛(Ti)0.05;硅(Si)0.13;铁(Fe)0.12;余量为铝(Al)的高强铝合金锻坯上切取尺寸为800 X 500 X 180mm的坯料，按照设计图纸经机加工加工出合适圆角斜面。将加工出的坯料置于420°C加热炉中保温7小时后进行模锻成型，其中模锻模具加热至200°C，模锻结束后空冷。将锻件重新加热至470°C后进行3小时固溶处理，固溶结束后室温水淬火。淬火后零件置于125 0C的时效炉中时效处理20小时后空冷。测量热处理后零件各位置的残余应力和力学性能，其中残余应力最大值为160MPa，最小值为80MPa，抗拉强度为540MPa，屈服强度为480MPa。
[0031]实施例1:
[0032]从经过自由锻造的成分(质量百分比)为:锌(Zn)6.2;镁(1^)2.2;铜(01)2.3;锆(Zr)0.12;锰(Mn):0.10;铬(Cr)0.05;钛(Ti)0.05;硅(Si)0.13;铁(Fe)0.12;余量为铝(Al)的高强铝合金锻坯上切取尺寸为800 X 500 X 180mm的坯料，按照设计图纸经机加工加工出合适圆角斜面。将加工出的坯料置于420°C加热炉中保温7小时后进行模锻成型，其中模锻模具加热至200°C，模锻结束后空冷。将锻件重新加热至470°C后进行3小时固溶处理，固溶结束后室温水淬火。淬火后零件置于模锻模具中，并施以SOMPa的压应力后一起置于125°C的时效炉中时效处理20小时后空冷，卸除压力，取出模锻零件。测量热处理后零件各位置的残余应力和力学性能，其中残余应力最大值为30MPa，最小值为lOMPa，抗拉强度为565MPa，屈服强度为495MPa。
[0033]对比例2:
[0034]从经过自由锻造的成分(质量百分比)为:锌(Zn)6.2;镁(1^)2.2;铜(01)2.3;锆(Zr)0.12;锰(Mn):0.10;铬(Cr)0.05;钛(Ti)0.05;硅(Si)0.13;铁(Fe)0.12;余量为铝(Al)的高强铝合金锻坯上切取尺寸为800 X 500 X 180mm的坯料，按照设计图纸经机加工加工出合适圆角斜面。将加工出的坯料置于440°C加热炉中保温5小时后进行模锻成型，其中模锻模具加热至200°C，模锻结束后空冷。将锻件重新加热至480°C后进行2小时固溶处理，固溶结束后室温水淬火。淬火后零件置于120 0C的时效炉中时效处理25小时后空冷。测量热处理后零件各位置的残余应力和力学性能，其中残余应力最大值为172MPa，最小值为86MPa，抗拉强度为547MPa，屈服强度为490MPa。
[0035]实施例2:
[0036]从经过自由锻造的成分(质量百分比)为锌(Zn)6.2;镁(Mg)2.2;铜(Cu)2.3;锆(Zr)0.12;锰(Mn):0.10;铬(Cr)0.05;钛(Ti)0.05;硅(Si)0.13;铁(Fe)0.12;余量为铝(Al)的高强铝合金锻坯上切取尺寸为800 X 500 X 180mm的坯料，按照设计图纸经机加工加工出合适圆角斜面。将加工出的坯料置于440°C加热炉中保温5小时后进行模锻成型，其中模锻模具加热至200°C，模锻结束后空冷。将锻件重新加热至480°C后进行2小时固溶处理，固溶结束后室温水淬火。淬火后零件置于模锻模具中，并施以10MPa的压应力后一起置于120°C的时效炉中时效处理25小时后空冷，卸除压力，取出模锻零件。测量热处理后零件各位置的残余应力和力学性能，其中残余应力最大值为20MPa，最小值为lOMPa，抗拉强度为560MPa，屈服强度为497MPa。
[0037]对比例3:
[0038]从经过自由锻造的成分(质量百分比)为:锌(Zn)6.2;镁(1^)2.2;铜(01)2.3;锆(Zr)0.12;锰(Mn):0.10;铬(Cr)0.05;钛(Ti)0.05;硅(Si)0.13;铁(Fe)0.12;余量为铝(Al)的高强铝合金锻坯上切取尺寸为800 X 500 X 180mm的坯料，按照设计图纸经机加工加工出合适圆角斜面。将加工出的坯料置于420°C加热炉中保温7小时后进行模锻成型，其中模锻模具加热至200°C，模锻结束后空冷。将锻件重新加热至460°C后进行4小时固溶处理，固溶结束后室温水淬火。淬火后零件置于130 0C的时效炉中时效处理16小时后空冷。测量热处理后零件各位置的残余应力和力学性能，其中残余应力最大值为162MPa，最小值为75MPa，抗拉强度为532MPa，屈服强度为475MPa。
[0039]实施例3:
[0040]从经过自由锻造的成分(质量百分比)为锌(Zn)6.2;镁(Mg)2.2;铜(Cu)2.3;锆(Zr)0.12;锰(Mn):0.10;铬(Cr)0.05;钛(Ti)0.05;硅(Si)0.13;铁(Fe)0.12;余量为铝(Al)的高强铝合金锻坯上切取尺寸为800 X 500 X 180mm的坯料，按照设计图纸经机加工加工出合适圆角斜面。将加工出的坯料置于420°C加热炉中保温7小时后进行模锻成型，其中模锻模具加热至200°C，模锻结束后空冷。将锻件重新加热至460°C后进行4小时固溶处理，固溶结束后室温水淬火。淬火后零件置于模锻模具中，并施以50MPa的压应力后一起置于130°C的时效炉中时效处理16小时后空冷，卸除压力，取出模锻零件。测量热处理后零件各位置的残余应力和力学性能，其中残余应力最大值为23MPa，最小值为lOMPa，抗拉强度为568MPa，屈服强度为493MPa。
[0041]通过实施例1-3与对比例1-3得到的检测数据可知:采用本发明方法处理的铝合金，在保证模锻件尺寸不发生改变的同时可抵消锻件中的大部分拉应力，时效过程既消除了残余应力，又实现了时效强化的效果，对残余应力的消除最少可达80 %以上。
[0042]本
【发明内容】
及上述实施例中未具体叙述的技术内容同现有的技术。
[0043]本发明不限于上述实施例，本
【发明内容】
所述均可实施并具有所述良好效果。
【主权项】
1.一种降低高强铝合金复杂模锻件残余应力的方法，其特征在于:包括下述步骤: 步骤一:将高强铝合金模锻件进行固溶淬火处理后进行保压时效处理； 步骤二:将时效处理后的模锻件空冷。2.根据权利要求1所述的一种降低高强铝合金复杂模锻件残余应力的方法，其特征在于:保压时效处理时，将模锻件置于模具中保压。3.根据权利要求2所述的一种降低高强铝合金复杂模锻件残余应力的方法，其特征在于:热锻模具和保压时效处理用模具为同一套模具。4.根据权利要求1所述的一种降低高强铝合金复杂模锻件残余应力的方法，其特征在于:步骤一中所述模锻件由坯料经380?450°C，保温5?8小时后一次模锻成型，模锻温度为350 ?420°C。5.根据权利要求1所述的一种降低高强铝合金复杂模锻件残余应力的方法，其特征在于:固溶温度为450?480°C，保温时间为2?5h，淬火介质为室温水。6.根据权利要求1所述的一种降低高强铝合金复杂模锻件残余应力的方法，其特征在于:保压时效的保压压力为50?lOOMPa，时效温度为120?130°C，时效时间为15?25小时。7.根据权利要求6所述的一种降低高强铝合金复杂模锻件残余应力的方法，其特征在于:模锻模具和锻件在保压状态下一起置于时效炉中时效处理。8.根据权利要求1-7所述的一种降低高强铝合金复杂模锻件残余应力的方法，其特征在于:所述高强铝合金的质量百分比成分为:锌(Zn)6.0?6.5;镁(Mg)2.0?2.5;铜(Cu)2.2?2.5;锆(Zr)0.1?0.13;锰(Mn)彡0.12;铬(Cr)彡0.05;钛(Ti)彡0.06;硅(Si)彡0.15;铁(Fe)彡0.15;余量为铝(Al)。9.根据权利要求8所述的一种降低高强铝合金复杂模锻件残余应力的方法，其特征在于:处理后模锻件的残余应力较淬火态模锻件残余应力下降80%以上。
【文档编号】C22F1/053GK105908110SQ201610411185
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月14日
【发明人】程仁策, 吕正风, 廖茂, 方清万
【申请人】山东南山铝业股份有限公司