一种大功率超声波应力松弛装置及利用其辅助钛合金箔材应力松弛的方法与流程

本发明涉及一种应力松弛装置及利用其辅助钛合金箔材应力松弛的方法。

背景技术：

应力松弛是指在材料总应变保持不变的情况下，由于材料内部的弹性应变逐渐转化为塑性应变，从而使其变形恢复力逐渐降低的现象。在成形过程中主要依靠应力的降低和塑性应变的增加达到永久变形的目的。应力松弛可以用来成形变形量较小的板材零件，如常见的浅弧面零件。由于曲率过小，材料的变形尚处在弹性范围内，卸载后形状无法保持，传统的塑性成形方法难以制造此类零件，因此应力松弛在材料弹性变形范围内的成形中应用广泛。应力松弛一般的步骤主要包括加载-升温-保温-卸载四个阶段。对变形起主要作用的是加载保温阶段，在这一阶段由于应力场和温度场的作用，材料中的可移动位错相互抵消或排成最低能量状态，降低内部残余应力，从而塑性变形被保留下来，使材料获得一定的形状。由于温度场的存在，应力松弛在高温下的氧化及组织长大难以避免，这在一定程度上会降低材料的力学性能。如果能开发可以对位错产生作用，但又避免升温的应力松弛方法，则可解决此类问题。

超声波在金属中的传播会产生“布拉哈”效应，将超声波应用到金属塑性变形领域可以提高金属塑性，改善金属组织性能。超声振动辅助成形的机理是体积效应、表面效应和旋锻效应综合作用的结果。体积效应是指超声波可以活化金属内部阻隔位错，使得金属滑移容易，且使金属内部发热，导致内摩擦减小，从而导致变形抗力减小。表面效应是指超声振动可以增加润滑剂的表面活化作用、在某些瞬间使接触面分离、促使表面发热、有利于润滑剂吸入和排出、净化表面及使摩擦力换向等。旋锻效应是指给金属作用一个高频的交变应力。

技术实现要素：

本发明的目的是要解决现有传统的塑性成形方法难以制造形变量较小的板材零件和升温的应力松弛会降低材料的力学性能的问题，而提供一种大功率超声波应力松弛装置及利用其辅助钛合金箔材应力松弛的方法。

一种大功率超声波应力松弛装置包括上平台、第一隔波材料、超声波发生器、变幅杆、钛合金工具头、应力松弛凸模、应力松弛凹模、第二隔波材料和下平台；

所述的上平台和超声波发生器之间设有第一隔波材料，超声波发生器的下端设有变幅杆，变幅杆的下端设有钛合金工具头，钛合金工具头的下端设有应力松弛凸模；

所述的下平台的上端设有第二隔波材料，第二隔波材料上端设有应力松弛凹模；应力松弛凹模与应力松弛凸模之间形成间隙。

一种大功率超声波应力松弛装置辅助钛合金箔材应力松弛的方法，是按以下步骤完成的：

一、将钛合金箔材置于应力松弛凸模和应力松弛凹模之间；

二、向上平台施加5MPa～10MPa压力，使钛合金箔材弯曲变形，与应力松弛凸模和应力松弛凹模紧密接触；

三、开启超声波发生器，再在压力为5MPa～10MPa、功率为3kW和振幅为60μm的条件下振动10min～30min；

四、卸载压力，将钛合金箔材取出，得到形状保持的钛合金箔材。

本发明的原理及优点：

一、本发明中上平台与超声波发生器通过螺栓相连接，中间夹持第一隔波材料，以防止振动无谓传播；钛合金工具头与变幅杆相连接，变幅杆与超声波发生器通过螺纹连接，保证声波的顺利向下传播；应力松弛凸模与钛合金工具头接触，可以使声波快速传递到应力松弛凸模上；钛合金箔材与应力松弛凸模在加载作用下紧密接触，保证超声波振动作用在钛合金箔材上；应力松弛凹模与钛合金箔材在加载作用下紧密接触，保证超声波在应力松弛凸模、钛合金箔材及应力松弛凹模中正常传播；第二隔波材料与应力松弛凹模接触，防止超声波泄露到下平台上；

二、本发明利用大功率超声波振动对材料内部位错滑移的作用，开发一种基于振动应力场的钛合金箔材超声波应力松弛方法；使用超声波振动对材料的内部组织作用代替传统的温度场作用，实现不用外部升温的材料应力松弛。

本发明可获得种大功率超声波应力松弛装置。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的一种大功率超声波应力松弛装置结构示意图，图1中1为上平台，2为第一隔波材料，3为超声波发生器，4为变幅杆，5为钛合金工具头，6为应力松弛凸模，7为钛合金箔材，8为应力松弛凹模，9为第二隔波材料，10为下平台；

图2为不同情况下钛合金箔材角度变化情况，图2中①为钛合金箔材直接弯曲后的回弹件，②为实施例一中钛合金箔材超声波辅助应力松弛10min的回弹件；③为实施例二中钛合金箔材超声波辅助应力松弛20min后的回弹件；④为钛合金箔材直接弯曲后再放入600℃下应力松弛30min后的回弹件；

图3为钛合金箔材直接弯曲后再放入600℃下应力松弛30min后的回弹件的金相图；

图4为实施例二中钛合金箔材超声波辅助应力松弛20min后的回弹件的金相图；

图5为钛合金箔材直接弯曲后的回弹件的TEM图；

图6为实施例二中钛合金箔材超声波辅助应力松弛20min后的回弹件的TEM图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式是一种大功率超声波应力松弛装置包括上平台1、第一隔波材料2、超声波发生器3、变幅杆4、钛合金工具头5、应力松弛凸模6、应力松弛凹模8、第二隔波材料9和下平台10；

所述的上平台1和超声波发生器3之间设有第一隔波材料2，超声波发生器3的下端设有变幅杆4，变幅杆4的下端设有钛合金工具头5，钛合金工具头5的下端设有应力松弛凸模6；

所述的下平台10的上端设有第二隔波材料9，第二隔波材料9上端设有应力松弛凹模8；应力松弛凹模8与应力松弛凸模6之间形成间隙。

图1为具体实施方式一所述的一种大功率超声波应力松弛装置结构示意图，图1中1为上平台，2为第一隔波材料，3为超声波发生器，4为变幅杆，5为钛合金工具头，6为应力松弛凸模，7为钛合金箔材，8为应力松弛凹模，9为第二隔波材料，10为下平台。

本实施方式可获得种大功率超声波应力松弛装置。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：所述的上平台1、第一隔波材料2、超声波发生器3、变幅杆4、钛合金工具头5、应力松弛凸模6、应力松弛凹模8、第二隔波材料9和下平台10的轴线相重合。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二的不同点是：所述的第一隔波材料2的材质为聚氨酯。其他与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三的不同点是：所述的第二隔波材料9的材质为聚氨酯。他与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式是一种大功率超声波应力松弛装置辅助钛合金箔材应力松弛的方法，是按以下步骤完成的：

一、将钛合金箔材置于应力松弛凸模6和应力松弛凹模8之间；

二、向上平台1施加5MPa～10MPa压力，使钛合金箔材弯曲变形，与应力松弛凸模6和应力松弛凹模8紧密接触；

三、开启超声波发生器3，再在压力为5MPa～10MPa、功率为3kW和振幅为60μm的条件下振动10min～30min；

四、卸载压力，将钛合金箔材取出，得到形状保持的钛合金箔材。

本实施方式的原理及优点：

一、本实施方式中上平台1与超声波发生器3通过螺栓相连接，中间夹持第一隔波材料2，以防止振动无谓传播；钛合金工具头5与变幅杆4相连接，变幅杆4与超声波发生器3通过螺纹连接，保证声波的顺利向下传播；应力松弛凸模6与钛合金工具头5接触，可以使声波快速传递到应力松弛凸模6上；钛合金箔材与应力松弛凸模6在加载作用下紧密接触，保证超声波振动作用在钛合金箔材上；应力松弛凹模8与钛合金箔材在加载作用下紧密接触，保证超声波在应力松弛凸模6、钛合金箔材及应力松弛凹模8中正常传播；第二隔波材料9与应力松弛凹模8接触，防止超声波泄露到下平台上；

二、本实施方式利用大功率超声波振动对材料内部位错滑移的作用，开发一种基于振动应力场的钛合金箔材超声波应力松弛方法；使用超声波振动对材料的内部组织作用代替传统的温度场作用，实现不用外部升温的材料应力松弛。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五的不同点是：步骤一中所述的钛合金箔材的厚度为0.1mm～0.2mm。其他与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五或六的不同点是：步骤二中向上平台1施加5MPa压力，使钛合金箔材弯曲变形，与应力松弛凸模6和应力松弛凹模8紧密接触。其他与具体实施方式五或六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式五至七的不同点是：步骤三中开启超声波发生器3，再在压力为5MPa～8MPa、功率为3kW和振幅为60μm的条件下振动10min～20min。其他与具体实施方式五至七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式五至八的不同点是：步骤三中开启超声波发生器3，再在压力为8MPa～10MPa、功率为3kW和振幅为60μm的条件下振动20min～30min。其他与具体实施方式五至八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式五至九的不同点是：步骤三中开启超声波发生器3，再在压力为5MPa、功率为3kW和振幅为60μm的条件下振动20min。其他与具体实施方式五至九相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：利用一种大功率超声波应力松弛装置辅助钛合金箔材应力松弛的方法，其特征在于该方法具体是按以下步骤完成的：

实施例一：一种大功率超声波应力松弛装置辅助钛合金箔材应力松弛的方法，是按以下步骤完成的：

一、将钛合金箔材置于应力松弛凸模6和应力松弛凹模8之间；

步骤一中所述的钛合金箔材的厚度为0.2mm；

二、向上平台1施加5MPa压力，使钛合金箔材弯曲变形，与应力松弛凸模6和应力松弛凹模8紧密接触；

三、开启超声波发生器3，再在压力为5MPa、功率为3kW和振幅为60μm的条件下振动10min；

四、卸载压力，将钛合金箔材取出，得到形状保持的钛合金箔材；

所述的上平台1和超声波发生器3之间设有第一隔波材料2，超声波发生器3的下端设有变幅杆4，变幅杆4的下端设有钛合金工具头5，钛合金工具头5的下端设有应力松弛凸模6；

所述的下平台10的上端设有第二隔波材料9，第二隔波材料9上端设有应力松弛凹模8；应力松弛凹模8与应力松弛凸模6之间形成间隙；

所述的上平台1、第一隔波材料2、超声波发生器3、变幅杆4、钛合金工具头5、应力松弛凸模6、应力松弛凹模8、第二隔波材料9和下平台10的轴线相重合；

所述的第一隔波材料2的材质为聚氨酯；

所述的第二隔波材料9的材质为聚氨酯。

实施例二：一种大功率超声波应力松弛装置辅助钛合金箔材应力松弛的方法，是按以下步骤完成的：

一、将钛合金箔材置于应力松弛凸模6和应力松弛凹模8之间；

步骤一中所述的钛合金箔材的厚度为0.2mm；

二、向上平台1施加5MPa压力，使钛合金箔材弯曲变形，与应力松弛凸模6和应力松弛凹模8紧密接触；

三、开启超声波发生器3，再在压力为5MPa、功率为3kW和振幅为60μm的条件下振动20min；

四、卸载压力，将钛合金箔材取出，得到形状保持的钛合金箔材；

所述的上平台1和超声波发生器3之间设有第一隔波材料2，超声波发生器3的下端设有变幅杆4，变幅杆4的下端设有钛合金工具头5，钛合金工具头5的下端设有应力松弛凸模6；

所述的下平台10的上端设有第二隔波材料9，第二隔波材料9上端设有应力松弛凹模8；应力松弛凹模8与应力松弛凸模6之间形成间隙；

所述的上平台1、第一隔波材料2、超声波发生器3、变幅杆4、钛合金工具头5、应力松弛凸模6、应力松弛凹模8、第二隔波材料9和下平台10的轴线相重合；

所述的第一隔波材料2的材质为聚氨酯；

所述的第二隔波材料9的材质为聚氨酯。

使用应力松弛凸模和应力松弛凹模对钛合金箔材直接弯曲，钛合金箔材角度变化情况如图2中①所示；

使用应力松弛凸模和应力松弛凹模对钛合金箔材直接弯曲，再放入600℃下应力松弛30min，再放入600℃下应力松弛30min，钛合金箔材角度变化情况如图2中④所示；

钛合金箔材经过实施例一处理后，钛合金箔材角度变化情况如图2中②所示；

钛合金箔材经过实施例二处理后，钛合金箔材角度变化情况如图2中③所示；

图2为不同情况下钛合金箔材角度变化情况，图2中①为钛合金箔材直接弯曲后的回弹件，②为实施例一中钛合金箔材超声波辅助应力松弛10min的回弹件；③为实施例二中钛合金箔材超声波辅助应力松弛20min后的回弹件；④为钛合金箔材直接弯曲后再放入600℃下应力松弛30min后的回弹件；

从图2可知，超声波振动对回弹的抑制作用明显，实施例二中超声波振动时间为20min，回弹已经接近传统的钛合金箔材直接弯曲后再放入600℃下应力松弛30min后的回弹件的效果，与传统高温应力松弛相比较，超声波辅助应力松弛的表面质量更好，使用光学显微镜进行观察，如图3和图4所示；

图3为钛合金箔材直接弯曲后再放入600℃下应力松弛30min后的回弹件的金相图；

图4为实施例二中钛合金箔材超声波辅助应力松弛20min后的回弹件的金相图。

使用TEM对钛合金箔材直接弯曲后的回弹件和实施例二中钛合金箔材超声波辅助应力松弛20min后的回弹件进行测试，如图5和图6所示；

图5为钛合金箔材直接弯曲后的回弹件的TEM图；

图6为实施例二中钛合金箔材超声波辅助应力松弛20min后的回弹件的TEM图。

从图5和图6可知，钛合金箔材直接弯曲后的回弹件，无超声波振动时，钛合金箔材直接弯曲后的回弹件位错塞积明显，表明材料内部应力较大，导致回弹严重。实施例二中钛合金箔材超声波辅助应力松弛20min后的回弹件内部位错密度降低，导致残余应力降低，使更多的塑性变形保留下来。