一种高效的铝合金板成形方法与流程

本发明涉及蠕变时效成形技术领域，特别地，涉及一种高效的铝合金板成形方法。

背景技术：

蠕变时效成形技术(Creep age forming；简称CAF)，又称时效成形技术。蠕变时效成形技术利用金属的蠕变特性，将人工时效与成形同步进行，同时满足成形成性的要求。目前该技术已经成为国外先进大型飞机壁板制造的关键工艺技术之一，而在国内的大飞机项目中，该技术也得到了各方面的重视。1991年M.Sallah，J.Peddieson等首次将蠕变时效成形过程概念性地划分为3个阶段，如图1所示。

(1)加载阶段。在室温下，向构件上表面逐步施加适当的载荷，使构件发生变形，直至构件下表面与成形模具上表面紧密贴合，该变形量保持在材料弹性范围内。

(2)蠕变时效阶段。将构件与成形工装放入热压罐中，将温度升至时效温度，施加高温载荷并保持构件成形一定的时间。构件在此过程中发生蠕变、时效与应力松弛过程，三种机制交互作用，使得材料组织和性能发生较大变化，完成成形成性过程。

(3)卸载阶段。结束保温并去除施加在构件上的载荷，构件空冷至室温并自由回弹。由于蠕变时效与应力松弛的作用，构件中一部分弹性变形转变为永久塑性变形，使得卸载后构件保持一定形变。

回弹是所有成形技术的共同特点，对于蠕变时效成形技术来说，因为由弹性变形转变成为蠕变(塑性)变形有限，因此回弹量较大。不同的铝合金蠕变时效成形后的回弹量不同，有些在30％左右，有些则在60％甚至90％以上。对于回弹量大的铝合金来说，其设计模具时的型面深度就得增加，从而导致构件在加载阶段的变形过大，材料进入了塑性变形阶段，甚至会产生撕裂或屈曲，如图2所示。因此这些铝合金的蠕变时效成形只能用来做某种成形工艺的矫形或者成形曲率小的构件。

铝合金的蠕变过程根据蠕变变形速率(即成形速率)可分为三个阶段，即蠕变第一阶段、蠕变第二阶段及蠕变第三阶段，如图3所示。蠕变第一阶段蠕变速率较快，但随着时间逐渐降低，然后进入第二阶段，随着蠕变时间的延长，蠕变速率又开始增加，此时材料进入蠕变第三阶段，并最终发生蠕变断裂。另外，第二阶段的持续时间随着温度的升高而大幅降低，甚至消失。在传统的蠕变时效成形工艺中，材料的蠕变变形时间等于时效时间(一般为十个小时以上)，所以材料会经历蠕变第一、二阶段，但是根据蠕变的特点，蠕变变形速率(即成形速率)最高的为第一阶段，第二阶段不仅历时长，而且变形速率低，从而导致传统的蠕变时效成形工艺的平均蠕变速率较慢，成形大受限制。虽然延长时效时间和提高时效温度都能增加材料的蠕变量，但是蠕变时效时间的延长只是延长了第二阶段的时间，成形效率将进一步降低；而盲目提高时效温度都会导致性能变差。因此，不能简单地延长成形时间和提升成形温度以加快成形效率。

鉴于上述问题，本领域中已有不少技术人员开始对该技术进行研究，例如专利号为201710124448.8的发明专利公开了一种快速蠕变时效成形的方法，该方法中提到的短时高温长时低温的蠕变时效成形方法，虽然能在一定程度上提高蠕变总体的成形效率，并保证成形性能不弱化；但是构件在热压罐内的时效成形阶段仍未避开低变形效率的蠕变第二阶段，因此仍然浪费了热压罐的工作时间，使单件产品的生产周期仍偏长。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高效的铝合金板成形方法，以解决现有技术中构件成形过程中单件产品占用热压罐时间长、成形效率不够高的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种高效的铝合金板成形方法，包括以下步骤：

第一步、热压罐中的铝合金构件和模具在载荷作用下紧密贴合；

第二步、回归蠕变时效：将热压罐升温至回归时效温度T1，保温时长为t1；

第三步、将热压罐降温至室温，卸载即得蠕变成形到目标形状的铝合金构件产品；

第四步、再时效：在得到多个蠕变成形的铝合金构件产品后，将构件产品批量放入时效炉中在温度为T2的条件下进行再时效处理，再时效时长为t2，得到最终性能达到要求的铝合金构件产品；

其中回归时效温度T1比再时效温度T2高40～120℃，且所述第一步的载荷和第二步中的载荷大小相差不超过10％。

进一步的，所述第一步具体是先将构件和模具贴真空袋后抽真空，再将构件和模具一同送入热压罐中，最后加压使得构件紧密贴合模具。

进一步的，所述第二步中的回归时效温度T1为160～200℃，保温时长t1为1～4小时；所述第四步中的再时效时长t2为12～24小时；所述回归时效温度T1比再时效温度T2高60～100℃。

进一步的，所述第二步中的回归时效温度T1为180℃，保温时长t1为2小时；所述℃第四步中的再时效温度T2为120℃，再时效时长t2为24小时。

进一步的，所述第二步中的升温速率不大于2℃/分钟，所述第三步中的降温速率不大于2℃/分钟。

进一步的，所述铝合金板为7XXX系列铝合金板，所得铝合金构件产品的抗拉强度为540～575MPa，屈服强度585～610MPa，延伸率为9.5％～10.6％。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)、本发明通过将回归时效工艺与蠕变成形技术结合，既能利用回归时效的短时高温对热压罐中的铝合金构件进行蠕变，使蠕变全程保持在第一、三阶段，大幅度加快蠕变成形效率，显著缩短单件产品在热压罐中的蠕变时效成形时间，极大的释放了热压罐的产能；也能获得比现有工艺综合性能更好的产品，大大扩展了蠕变时效成形技术在传统蠕变变形量较低的铝合金上的应用前景。

(2)、本发明第二步中应力下的回归时效处理提高了材料的抗应力腐蚀断裂性能以及电导率，使得材料的综合性能更好；且由于应力的引入加快了析出相演化进程，因此该步骤的工艺时间大大缩短，大幅提高铝合金板材的成形效率。

(3)、本发明将蠕变时效成形后的产品批量放入时效炉中进行再时效，大大缩短了生产周期。

(4)、对于某些铝合金材料(例如7B50铝合金)来说，采用现有的蠕变时效成形方法成形曲率大即曲率半径小的铝合金构件是无法实现的，而使用本发明所述方法则可以得到这样的铝合金构件产品。

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是现有技术中蠕变时效成形方法的技术工艺流程图；

图2是采用蠕变时效成形技术所成形产品回弹量的对比示意图；

图3是现有技术中蠕变过程三个阶段的示意图；

图4是采用实施例1与对比例1两种成形方法所制得构件产品的力学性能比较示意图；

图5是采用实施例1与对比例1两种成形方法所制得构件产品的蠕变量比较示意图；

图6是采用实施例1与对比例1两种成形方法所制得构件产品的示意图。

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，本发明的一种高效的铝合金板成形方法，包括以下步骤：

第一步、热压罐中的铝合金构件和模具在载荷作用下紧密贴合；

第二步、回归蠕变时效：将热压罐升温至回归时效温度T1，保温时长为t1；

第三步、将热压罐降温至室温，卸载即得蠕变成形到目标形状的铝合金构件产品；

第四步、再时效：在得到多个蠕变成形的铝合金构件产品后，将构件产品批量放入时效炉中在温度为T2的条件下进行再时效处理，再时效时长为t2，得到最终性能达到要求的铝合金构件产品；其中回归时效温度T1比再时效温度T2高40～120℃，且第一步的载荷和第二步中的载荷大小相差不超过10％。本发明中第二步既成形又成性，第四步开始前板材的成形过程基本已经结束，因而第四步基本是板材的成性过程。

实施例1

以7B50铝合金板为例，公开其蠕变时效成形的具体方法，具体包括以下步骤：

第一步、先将构件和模具贴真空袋后抽真空，再将构件和模具一同送入热压罐中，最后加压使得构件紧密贴合模具；

第二步、将热压罐升温至回归时效温度180℃，保温时长为2小时，此过程中热压罐的升温速率不大于2℃/分钟；

第三步、将热压罐降温至室温，卸载即得蠕变成形到目标形状的铝合金构件产品，此过程中的降温速率不大于2℃/分钟；

第四步、在得到多个蠕变成形的铝合金构件产品后，将构件产品批量放入时效炉中在温度为120℃的条件下进行再时效处理，再时效时长为24小时，得到最终性能达到要求的铝合金构件产品；其中，第一步中的载荷和第二步中的载荷相同。

本实施例1与对比例1两种成形方法所制得构件产品的力学性能和蠕变量分别如图4和图5所示，且图5中的时间都不包括热压罐的升温时间(例如由室温升温至180℃大概需要2小时40分)。由图可知，为达到屈服强度555MPa，抗拉强度599MPa，延伸率10.09％的要求，实施例1的蠕变时效成形工艺需要16h以上，但却根本无法得到蠕变量为0.35％的铝合金构件，只能得到小曲率的铝合金构件。而利用本发明提出的方案，不仅能够制得蠕变量为0.35％的铝合金构件，而且在热压罐罐中的阶段仅需不到4h。因此，本发明显著缩短铝合金板材在热压罐中的蠕变时效成形时间，因而释放热压罐的产能，大幅提高铝合金板材的成形效率。

图6中有明显曲率的试件是使用改进的方法完成的，而无明显曲率的是使用经典的方法完成的。经试验证明，本发明回归蠕变时效与再时效相结合的成形方法，能够实现成形曲率大即曲率半径小的铝合金构件的发明目的，满足生产需求。

本发明第二步中将回归时效的温度与热压罐中的蠕变时效相结合，利用前者的高温和后者的真空和载荷环境，使得第二步中铝合金构件得到快速成形，后续再在时效炉中进行第四步再时效成性，即可得到成形又成性的铝合金构件产品。第二步中回归蠕变时效的保温时长t1一般为1～4小时，第四步中再时效的时间t2一般为12～24小时，但时效炉中一次可以时效十几至二十几块(例如12～15块)铝合金构件。而热压罐中蠕变时效或回归蠕变时效的铝合金构件却只能一次成形一块。

本发明中，回归蠕变时效成形方法结合了传统RRA制度中的第二级时效处理，即回归阶段的高温短时处理和材料在高温下的第一阶段变形速率大，但持续时间不长的特征，既可以大大提高材料在热压罐内成形时的平均变形效率，减少单件产品占用热压罐的时间，提高设备使用效率；又能利用材料在应力的作用下析出相演化进程加快，可缩短热处理时间的现象，进一步降低热压罐内的成形时间。因此，本发明中回归蠕变时效成形与再时效成形两种工艺的结合不是简单的叠加，是有互相促进的作用的，具体描述如下：

(1)回归时效处理对材料蠕变行为的影响：回归处理的时间要求较短，一般仅为1-4小时，材料在此期间可以保持在蠕变第一阶段；而回归处理的温度一般较高，在高温下材料蠕变速率大幅提高，甚至会使材料跳过蠕变第二阶段，使其全程保持一、三阶段的高蠕变速率下，不会在低蠕变速率的第二阶段浪费时间。

(2)应力(蠕变)对材料回归时效处理的影响：已有研究表明，在应力进行时效处理可以使材料的微观演化进程加快，在一定程度下减少回归时效的时间，甚至适当降低回归时效的温度，使得回归蠕变时效在工业上更容易实现；而且应力下的时效处理还能一定程度地提高材料的抗腐蚀性能，断裂韧性等服役性能。

本发明中，构件在回归蠕变时效成形后，虽然其形状达到了要求，但是其性能是未达标的(与传统回归时效的原因一致)，因此后续还需在较低的温度下进行再时效处理，使其力学性能提高，综合性能加强。

本发明中，在热压罐中已成形的构件后续的再时效处理可以批量地在时效炉中进行，大大提高单件产品的效率。一件产品的生产周期主要是由其中耗时最长的工序决定的，回归蠕变时效处理的单件产品工序时长为1～4小时，而后续再时效处理时的单件产品工序时长为24小时处理产品件数，显然比前者耗时短，因此本发明的实际工序时效由回归蠕变时效处理的时间决定，这个时间比传统的蠕变时效成形工艺都要短得多，对该工艺下产品的生产周期的缩短极为显著。

对比例1

对比例1为现有技术中经典的120℃的蠕变时效成形方法，具体步骤如下：

第一步、先将构件和模具贴真空袋后抽真空，再将构件和模具一同送入热压罐中，最后加压使得构件紧密贴合模具；

第二步、将热压罐升温至蠕变时效温度120℃，蠕变时间为16小时；

第三步、将热压罐降温至室温，卸载即得蠕变时效成形后的产品。

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。