一种铝合金成形方法与流程

本发明涉及蠕变时效成形技术，尤其是一种铝合金成形方法。

背景技术：

蠕变时效成形技术是将金属的蠕变行为与时效强化行为巧妙的结合起来的一种新型成形技术，蠕变时效成形技术利用金属材料在人工时效温度与弹性应力共同作用下发生的蠕变变形，得到具有一定形状的构件，具有损伤小，成形精度高，残余应力小，重复性好等多方面的优点。随着我国工业的不断进步，我国的航空航天技术得到飞速发展，蠕变时效成形技术不断的进步，成为航空航天产品制造领域中一项不可或缺的大型壁板成形技术。在蠕变时效成形过程中，成形量的大小一直是一个被重点关注的问题，它直接影响了构件可以形成的最大曲率，成形极限决定了所能得到的最大曲率，随着航空航天产品的规格与种类不断增加，所要得到的构件的最大曲率也越来越大，曲率越大(即产品越弯)，则构件越难成形，航空航天产品需求的规格尺寸在不断增大，对蠕变的最大成极限与成形效率的要求也在不断提高。

现有技术中，提高材料的成形量的方法主要有增加蠕变时效时间、提高蠕变时效温度、提高加载载荷与改变预变形这几种，过长的时间或过高的温度都会造成试件的强度减弱，影响服役性能，增加载荷会造成较大概率的屈曲或褶皱(一种失稳现像)，使成形失败，增加预变形则会造成试件的延伸率下降，对后续的焊接过程带来挑战，因为延伸不够的话会造成焊接开裂，因此，这些方法都有各自的局限性。目前，机翼壁板、火箭贮箱等大型壁板的材质多采用高强航空铝合金，在蠕变成形工艺中，先将铝合金板材在放置于成形模具上，再转至热压罐中利用蠕变时效成形工艺加工成曲面构件(如用于拼接成半球面的瓜瓣状曲面、用于拼接成圆柱面的弧形面)，再将若干成形后的曲面构件拼焊成整体的大构件(如半球面或圆筒构件)。铝合金板材多采用轧制工艺加工而来，目前铝合金板材在成形模具上的摆放方式均为保持铝合金板材的长度方向与铝合金板材的轧制方向重合，由于轧制方向并不一定是最容易蠕变成形的方向，所以这样的摆放方式并不能使蠕变生产达到最高效率，即铝合金板材的成形极限不够大，或成形速度不够快，这就会造成一个整体的大构件需要分拆成多个小块的曲面构件，或需要很长的成形加工时间。成形极限越小，所需分拆的数量越多或者所需成形加工时间越长，而现在的飞机、火箭等航空航天产品都在朝着大吨位、大体积方向发展，这就会使得在相同的成形极限条件下，单个整体的大构件越大，其所需分拆的小块曲面构件数量越多，这就会增加制造难度，降低生产效率，对产品的质量也不利，因此，现有技术中需要一种方案来解决这个问题。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种铝合金成形方法，以解决背景技术中提出的问题。

一种铝合金成形方法，包括对铝合金板材坯料进行切割，然后将切割后得到的铝合金板材放置到模具上，盖真空膜并抽真空后转至热压罐中进行蠕变时效成形，所述切割出的铝合金板材和蠕变时效成形时模具的配合使得蠕变时效成形时铝合金板材的轧制方向L与其主要成形方向M之间的夹角A大于0°且小于或等于90°，所述铝合金板材的主要成形方向M指与模具型面或最终所要成形的曲面构件上曲率最大的曲线所在平面平行的方向。

所述夹角A优选为10～90°，更优选为45～90°，所述热压罐中的时效温度为120～240℃。

进一步的，所述铝合金成形方法还包括在对铝合金板材坯料进行切割之前所进行的蠕变性能测试过程，具体包括以下步骤：

S1)在所需成形的的铝合金板材坯料上切取若干个尺寸与轮廓均相同的试样，各个试样的长度方向与铝合金板材坯料的轧制方向之间的夹角B均不同；

S2)将各试样加持到蠕变试验机中，准备对各个试样进行蠕变拉伸或压缩试验，试样的受拉或受压方向保持与试样的长度方向相同；

S3)在相同的载荷、温度及加载时间条件下，对各试样进行蠕变拉伸或压缩试验，在试验过程中，实时测量各试样沿长度方向的蠕变量；

S4)以蠕变量最大且蠕变速度最快的试样作为选定试样，所述夹角A的数值等于选定试样所对应的夹角B的数值，即以选定试样的长度方向作为所要切割出的用于蠕变时效成形的铝合金板材的主要成形方向M，据此对所述铝合金板材坯料进行切割；

所述曲面构件为双向弯曲的瓜瓣状壁板或单向弯曲的半圆柱状壁板。

所述若干个试样中，有一个试样的长度方向与铝合金板材坯料的轧制方向L之间的夹角B等于0°，还有一个试样的长度方向与铝合金板材坯料的轧制方向之间的夹角B等于90°，另外至少有一个试样的长度方向与铝合金板材坯料的轧制方向之间的夹角B大于0°且小于90°。

所述长度方向与铝合金板材坯料的轧制方向之间的夹角B大于0°且小于90°的试样当中，有一个试样的长度方向与铝合金板材坯料的轧制方向之间的夹角B等于45°，另有两个试样，其长度方向与铝合金板材坯料的轧制方向之间的夹角B分别等于30°与60°。

所述的蠕变试验机中试样的蠕变试验温度等于实际热压罐中铝合金板材所要实施的蠕变时效温度，蠕变试验机中试样的蠕变试验时间大于或等于实际热压罐中铝合金板材所要实施的蠕变时效时间；蠕变试验机中试样的蠕变试验载荷与试样蠕变量的变化关系用于提供给有限元仿真系统作为仿真计算热压罐中所需施加的气压压力大小时的参数，从而将仿真计算得到的气压压力值用于实际热压罐中的铝合金板材的蠕变时效成形。

优选的，所述铝合金板材坯料为先进行固溶热处理，再经过轧制施加与原轧制方向相同且变形量为0～8％的预变形，再经自然时效或人工时效处理后的铝合金板材坯料，经预变形后的铝合金板材坯料厚度范围为2mm～30mm；之后对所述铝合金板材坯料进行切割和蠕变时效成形。

进一步优选的，所述铝合金板材坯料采用2195铝合金。

所述2195铝合金板材坯料的固溶热处理及预变形处理工艺具体包括：加热到510℃保温30分钟，水淬5分钟，移炉时间<15s，2195铝合金板材坯料的轧制预变形量为4％，2195铝合金板材坯料的时效方式采用自然时效。

本发明至少具有以下有益效果：

本发明提出了一种铝合金成形方法，在铝合金板材坯料切割之前，在坯料上切割出若干个轮廓与尺寸均相同的试样，且各个试样的长度方向与铝合金板材坯料的轧制方向之间的夹角均不同，将各试样加持到蠕变试验机中，对各个试样进行蠕变拉伸或压缩试验，实时测量各个试样沿长度方向的蠕变量，以蠕变量最大且蠕变速度最快的试样的长度方向作为所要切割出的用于蠕变时效成形的铝合金板材的主要成形方向，据此对铝合金板材坯料进行切割，再将切割后得到的铝合金板材置于热压罐中进行蠕变时效成形。本发明通过在蠕变试验机中先测试铝合金板材坯料沿各个方向的蠕变性能，确定出铝合金板材坯料的最佳成形方向，该方向以铝合金板材坯料的轧制方向为相对基准，再以此最佳成形方向对作为铝合金板材的主要成形方向对铝合金板材坯料进行切割，使得放置在模具上的铝合金板材的最佳成形方向即主要成形方向与模具型面上曲率最大的曲线所在平面平行或重合，从而提高铝合金板材的成形极限，使铝合金板材以较快的速度达到较大的曲率，进而可降低达到目标成形曲率所需要的载荷、时间、或温度，提高蠕变成形的成功率与效率。

另外，由于铝合金板材的极限成形量增加了，成形过程中的回弹量会相应减小，最终得到的构件相对于目标构件的形状及尺寸误差也会减小，即本发明的方法可以提高蠕变成形的成形精度。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的三个试样切割方向示意图；

图2是本发明优选实施例的三个试样在蠕变试验机中的蠕变量随着时间变化曲线图；

图3是以本发明优选实施例的试样三的方向作为主要成形方向时，铝合金板材在模具上的放置示意图；

图4是以本发明优选实施例的试样三的方向作为主要成形方向时，铝合金板材在模具上的加载成形过程示意图；

图5是以本发明优选实施例的试样三的方向作为主要成形方向时，铝合金板材在模具上成形且卸载后的示意图。

图中：1-试样一，2试样二，3-试样三，4-铝合金板材坯料，5-模具，6模具型面，7-铝合金板材。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

参见图1～图5的一种铝合金成形方法，包括先后进行的以下内容：

选取牌号为2195的铝合金为板材坯料，其化学成份如表1所示，对2195铝合金板材坯料进行固溶热处理，固溶热处理的参数具体为：加热到510℃保温30分钟，水淬5分钟，移炉时间<15s，2195铝合金板材坯料的轧制预变形量为4％，再经自然时效到基本稳定的状态。

表1

在经过固溶热处理的铝合金板材坯料上切取三个尺寸与轮廓均相同的试样，三个试样的尺寸及轮廓与标准板状试样相同，各个试样的长度方向与铝合金板材坯料的轧制方向L之间的夹角B均不同。

参见图1，本实施例的三个试样中，有一个试样的长度方向与铝合金板材坯料4的轧制方向L之间的夹角B等于0°，本实施例中定义为试样一1；有一个试样的长度方向与铝合金板材坯料的轧制方向之间的夹角B等于45°，本实施例中定义为试样二2；还有一个试样的长度方向与铝合金板材坯料的轧制方向之间的夹角B等于90°，本实施例中定义为试样三3。

S2)将三个试样装夹到蠕变试验机中，准备对各个试样进行蠕变拉伸试验，试样的受拉方向保持与试样的长度方向相同；

S3)在相同的载荷、温度及加载时间条件下，本实施例中，蠕变试验机对三个试样施加的拉伸载荷均为160MPa，三个试样均在180℃的蠕变温度下保持20小时，对各试样进行蠕变拉伸试验，在试验过程中，实时测量各试样沿长度方向的蠕变量；

S4)以蠕变量最大且蠕变速度最快的试样的长度方向作为所要切割出的用于蠕变时效成形的铝合金板材的主要成形方向M，据此对所述铝合金板材坯料进行切割，所述铝合金板材的主要成形方向指与成形后的曲面构件即模具型面上曲率最大的曲线所在平面平行的方向。所述曲面构件为双向弯曲的瓜瓣状壁板或单向弯曲的半圆柱状壁板，若曲面构件是单向弯曲的半圆柱状壁板，铝合金板材的主要成形方向为半圆柱状壁板的径向方向。

参见图2三个试样在应力与时效温度作用下发生缓慢的蠕变变形，试样长度随着时间不断增加。过溶在铝基体中的溶质原子如铜、锂等在时效温度下会在位错或晶界等空位产生析出，生成T1、δ′、θ′等析出相，从而使材料强度增加，由图2可以看出，本实施例选取的2195铝合金板材坯料有较强的蠕变各向异性，各试样随着长度方向与轧制方向之间的夹角不同，其蠕变量与蠕变速度也不同，其中试样一的蠕变量及蠕变速度最小，试样三的蠕变量及蠕变速度最大。从图2可以看出，如果选择试样三的长度方向为主要成形方向，只需要90分钟就可以达到试样一的长度方向为主要成形方向时20小时才能达到的成形量。二者在20小时的相同蠕变时间下，试样三的蠕变量为0.17％，而试样一的蠕变量仅为0.08％，试样三的蠕变量是试样一的两倍多。

所以，本实施例中，我们以试样三为选定试样，以试样三的长度方向为最佳成形方向即主要成形方向M，即90°方向是本实施例中的铝合金板材坯料的最佳成形方向，参见图3～图5，在切割铝合金板材坯料时，以模具型面或曲面构件上最大曲率的曲线在平直的铝合金板材坯料上所对应的直线的长度方向与轧制方向呈90°这一原则，对铝合金板材坯料进行切割，可使切割得到的铝合金板材在蠕变时效成形过程中发挥最优的蠕变性能，即选择这个方向为主要成形方向可以降低达到目标成形曲率所需要的载荷、时间、或温度，降低载荷与温度可以降低真空袋破损或发生屈曲失稳的可能，从而提高蠕变成形的成功率，降低蠕变时间可以提高蠕变成形效率，经实际验证，本实施例使用试样三的长度方向为最佳成形方向时，在相同时间、温度与载荷条件下，其蠕变量相对于现有的试样一为代表的铝合金板材的放置方式的蠕变量可提高80％。

参见图3～5，以试样三的方向作为主要成形方向时，铝合金板材坯料4经切割后得到的铝合金板材7在模具5上的放置方式，图3～5所示的模具5用于加工半圆柱状壁面构件，模具型面6的直径为4m，轴向长度等于2m，半圆柱状壁面为单向弯曲构件，模具型面的径向方向为主要成形方向，铝合金板材7的长度方向(即图3～5中的左右方向)沿模具型面的径向方向放置，且该方向与铝合金板材坯料的轧制方向垂直。参见图3，放置好铝合金板材后再在铝合金板材上铺覆真空膜，并用高温胶条密封，再用真空泵抽真空，将铝合金板材连同模具一同转至热压罐中进行实际的蠕变时效成形；参见图4，铝合金板材在气压载荷下发生弯曲并与模具型面6贴合，然后加热并保温，试件在时效温度下发生蠕变变形和应力松弛，弹性变形逐渐转化为永久塑性变形，铝合金板材在这个过程中成形为曲面构件；参见图5，卸掉载荷，使曲面构件自然冷却，曲面构件由于残余弹性变形发生一定程度回弹，回弹后的形状即为目标形状。

本实施例中，热压罐中的时效温度为180℃，与蠕变试验机中的蠕变试验温度相同，保压时间为4小时，小于蠕变试验机中试样的蠕变试验时间，本实施例中，对热压罐中的铝合金板材施加的气压压力为1MPa，该1MPa的压力值由仿真软件计算得到，具体为先将蠕变试验机试验得到的试样的载荷与蠕变量的关系导入到有限元仿真软件(如MARC有限元仿真软件)中，仿真软件再根据目标构件的尺寸与结构结合一系列蠕变本构方程计算所需热压罐中所需施加的气压压力，进而在热压罐中进行实际的蠕变时效成形。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。