一种降低高强铝合金大型框类模锻件淬火残余应力的方法与流程

本发明涉及一种降低高强铝合金大型框类模锻件淬火残余应力的简易方法，属于铝合金材料热处理技术领域。

背景技术：

随着现代大型客机对承载能力的要求不断提高，对减重的要求也越来越严，飞机的主承力结构件多采用整体制造，而且尺寸越来越大，如飞机的整体框，多采用大型整体模锻件机加工而成。7xxx系高强铝合金属于时效强化型铝合金，需通过固溶时效热处理来提高强度、韧性等性能。大型框类模锻件由于各位置入水顺序及冷却速度的不同内部存在高水平残余应力，而闭环型锻件设计不利于残余应力的释放，同时锻件尺寸的增大更加剧了残余应力的产生。残余应力的存在导致力学性能、腐蚀性能合格的锻件在机加工过程中发生严重翘曲，出现尺寸超差而报废的情况，而且残余应力会促进裂纹的萌生和扩展，缩短零件的服役期。因此，残余应力一直是困扰大型框类模锻件生产的难题。

目前工业上常用的残余应力消除方法有自然时效、热时效、震动时效法、退火法、冷压缩法、深冷处理法、预拉伸法等。其中，自然时效存在时效时间长且残余应力消除不明显等问题；热时效耗能多且存在污染，对构件的尺寸稳定性影响较大。关于热时效，目前有报道采用保压时效处理的方法，将模锻件放入模具并施加一定压力一起置于时效炉中进行时效处理，该方法适用于尺寸相对较小的模锻件，大型航空框类模锻件模具尺寸巨大，重量大，无法同锻件一同置于时效炉内进行时效处理；震动法对大截面锻件残余应力消除不明显；退火法需要长时间保温以减弱残余应力，会降低7xxx系铝合金的强度及腐蚀性能；冷压缩法是消除模锻件淬火残余应力的常用方法，该方法需要对冷压变形量进行精准控制，而且会降低锻件高向力学性能，冷压量大时还会造成晶粒粗大等缺陷；深冷处理方法对锻件残余应力的消减效果也较弱；预拉伸法主要用于铝合金轧制厚板的残余应力消除。

技术实现要素：

本发明是在借鉴冷压缩法和预拉伸法的基础上，结合冷变形模具的设计，采用冷压的方式使模锻件达到预拉伸的效果，从而降低模锻件的残余应力。

本发明的目的是：提出一种降低高强铝合金大型框类模锻件淬火残余应力的方法，采用该方法可以显著降低高强铝合金大型框类模锻件的淬火残余应力，减小后续机加工过程中锻件的变形量，提高零件成品率。

本发明的技术方案是：一种降低高强铝合金大型框类模锻件淬火残余应力的方法，设计制造冷拉伸模具，将固溶淬火后的模锻件放入冷拉伸模具进行冷拉，冷拉伸后将锻件放入时效炉进行时效处理。高强铝合金大型框类模锻件设计的结构特征为高强铝合金大型框类模锻件外围有高筋结构，高筋结构厚度不小于腹板厚度。主要包含以下步骤：

第一步：设计制造冷拉伸模具，根据高强铝合金大型框类模锻件筋条和腹板结构特征以及冷拉伸变形量设计冷拉伸模具，在冷拉伸模具压下过程中通过挤压高强铝合金大型框类模锻件筋条侧壁对整体锻件产生拉伸效果，通过冷拉伸模具设计控制冷拉伸变形量及对腹板的保压，最终降低残余应力水平。冷拉伸变形量1％～2％时，冷拉伸模具形腔尺寸是高强铝合金大型框类模锻件形腔尺寸的1.015～1.025倍；冷拉伸变形量＞2％～3％时，冷拉伸模具形腔尺寸是高强铝合金大型框类模锻件形腔尺寸的1.025～1.035倍。当高强铝合金大型框类模锻件筋条拔模斜度1°～3°、高度40mm～70mm时，冷拉伸模具侧壁斜度3°～5°；当高强铝合金大型框类模锻件筋条拔模斜度>3°～5°、高度70mm～100mm时，冷拉伸模具侧壁斜度>5°～7°；当高强铝合金大型框类模锻件筋条拔模斜度>5°～10°、高度>100mm时，冷拉伸模具侧壁斜度>10°～12°。

第二步：将铝合金大型框类模锻件放入空气循环炉中加热至475℃±5℃保温，保温时间根据锻件最大截面尺寸确定。保温结束后将所述锻件取出，并在15s内放入水中进行淬火处理，淬火水温60℃±5℃。为保证淬火效果，减小高强铝合金大型框类模锻件的淬火变形，铝合金大型框类模锻件入水方式应为：垂直入水，并使长度尺寸较大的一端首先入水，水中有搅拌以保持水温均匀性，淬火时长不小于20mins。

第三步：将高强铝合金大型框类模锻件置于冷拉伸下模中，调整高强铝合金大型框类模锻件位置，使其各位置毛边与下模间隙一致；压机上横梁下行，从冷拉伸上模接触高强铝合金大型框类模锻件至总行程的70％，上模的下行速度控制在0.3mm/s～0.5mm/s；从总行程的70％至上模下行至接触腹板，上模的下行速度控制在0.1mm/s～0.3mm/s；冷拉伸结束前模具压靠腹板，并保压60s～120s；冷拉伸后测量锻件伸长量，控制范围1.0％～3.0％；冷拉伸需在淬火出水后4小时内完成。

第四步：冷压伸后，采用专用出模工装转移高强铝合金大型框类模锻件，高强铝合金大型框类模锻件在出模停放过程和放入时效炉进行时效处理时，都应采用专用工装进行支撑，保证模锻件各部位均匀受力。

第五步：将铝合金大型框类模锻件放入时效炉进行时效处理，当冷拉伸变形量1.0％～2.0％时，人工时效采用二级时效工艺，一级时效温度120±3℃，保温6～8小时，二级时效温度177±3℃，保温6～8小时；当冷拉伸变形量＞2.0％～3.0％时，人工时效采用二级时效工艺，一级时效温度120±3℃，保温3～6小时，二级时效温度177±3℃，保温6～8小时。

本发明的优点是：

本发明的冷拉伸方法针对高强铝合金大型框类模锻件。当投影面积超过4m²的锻件进行整体冷压变形时，需要最小的压缩力为1200mn～1400mn，而目前世界最大的压机能力为800mn。因此大型锻件无法通过整体冷压缩方式降低合金的残余应力。而分区域冷压通常会降低锻件的高向性能和整体性能的均匀性。采用本发明的冷拉伸方法只需200mn即可将大型铝合金锻件的残余应力降低80％以上，对设备能力要求低，为研究更大尺寸铝合金整体锻件提供可能性。在本发明的工艺参数控制下，冷拉伸方法不会影响锻件组织结构及力学性能，且残余应力消除效果好，可以有效减小锻件机加工过程中的变形量，提高成品率。

附图说明

图1为本发明冷拉伸模具与高强铝合金大型框类模锻件冷压时的装配示意图。

其中：1、上模座；2、冷拉伸模具上模；3、高强铝合金大型框类模锻件；4、冷拉伸模具下模；5、下模座。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。本发明适用于7050、7085、7150、7055等合金制成的高强铝合金大型框类模锻件。高强铝合金大型框类模锻件由铸锭经锻造开坯、预锻、终锻而成。高强铝合金大型框类模锻件冷拉伸前需要进行固溶淬火处理，固溶温度475℃±5℃，到温入炉，保温时间根据锻件最大截面尺寸确定，淬火水温60℃±5℃。为保证淬火效果，减小高强铝合金大型框类模锻件的淬火变形，模锻件入水方式应为：垂直入水，并使长度尺寸较大的一端首先入水，水中有搅拌以保持水温均匀性，淬火时长不小于20mins。淬火后将锻件置于冷拉伸下模中，调整锻件位置，使锻件各位置毛边与下模间隙一致。开始冷拉伸，从上模接触锻件至总行程的70％，上模的下行速度控制在0.3mm/s～0.5mm/s。从总行程的70％至上模下行至接触腹板，上模的下行速度控制在0.1mm/s～0.3mm/s。冷拉伸结束前模具压靠腹板，并保压60s～120s。冷拉伸后测量锻件伸长量，控制范围1.0％～3.0％，冷拉伸需在淬火出水后4小时内完成。冷拉伸后对锻件进行人工时效处理，高强铝合金大型框类模锻件在出模停放过程和放入时效炉进行时效处理时，都应采用专用工装进行支撑，保证模锻件各部位均匀受力。根据变形量测定结果选择人工时效工艺：当冷拉伸变形量1.0％～2.0％时，人工时效采用二级时效工艺，一级时效温度120±3℃，保温6～8小时，二级时效温度177±3℃，保温6～8小时；当冷拉伸变形量＞2.0％～3.0％时，人工时效采用二级时效工艺，一级时效温度120±3℃，保温3～6小时，二级时效温度177±3℃，保温6～8小时。

实施例1

将相同锻造工艺制备的7050高强铝合金大型框类模锻件进行固溶处理，其筋条拔模斜度3°、高度50mm。冷拉伸模具形腔尺寸是高强铝合金大型框类模锻件形腔尺寸的1.015～1.025倍，侧壁斜度4°。固溶温度475℃±5℃，垂直入水，并使长度尺寸较大的一端首先入水，淬火水温60℃±5℃，淬火转移时间小于15s。锻件在水中保持20mins后完成淬火。淬火后将锻件置于冷拉伸下模中，调整锻件位置，使锻件各位置毛边与下模间隙一致。开始冷拉伸，上模初始速度0.5mm/s，行程超过70％后速度0.15mm/s。冷拉伸后锻件伸长量1.0％。人工时效采用二级时效工艺，一级时效温度120±3℃，保温6小时，二级时效温度177±3℃，保温6小时出炉空冷。测量热处理后锻件各位置残余应力与力学性能，其中残余应力最大值为46mpa，最小值8mpa，抗拉强度为522mpa，屈服强度为462mpa。锻件机加工变形量最大值为1.1mm。

对比例1

将相同锻造工艺制备的7050高强铝合金大型框类模锻件进行固溶处理，其筋条拔模斜度3°、高度50mm。冷拉伸模具形腔尺寸是高强铝合金大型框类模锻件形腔尺寸的1.015～1.025倍，侧壁斜度4°。固溶温度475℃±5℃，垂直入水，并使长度尺寸较大的一端首先入水，淬火水温60℃±5℃，淬火转移时间小于15s。锻件在水中保持20mins后完成淬火。人工时效采用二级时效工艺，一级时效温度120±3℃，保温6小时，二级时效温度177±3℃，保温6小时出炉空冷。测量热处理后锻件各位置残余应力与力学性能，其中残余应力最大值为272mpa，最小值146mpa，抗拉强度为518mpa，屈服强度为455mpa。锻件机加工变形量最大值为5.1mm。

实施例2

将相同锻造工艺制备的7085高强铝合金大型框类模锻件进行固溶处理，其筋条拔模斜度5°、高度80mm。冷拉伸模具形腔尺寸是高强铝合金大型框类模锻件形腔尺寸的1.015～1.025倍，侧壁斜度6°。固溶温度475℃±5℃，垂直入水，并使长度尺寸较大的一端首先入水，淬火水温60℃±5℃，淬火转移时间小于15s。锻件在水中保持20mins后完成淬火。淬火后将锻件置于冷拉伸下模中，调整锻件位置，使锻件各位置毛边与下模间隙一致。开始冷拉伸，上模初始速度0.5mm/s，行程超过70％后速度0.20mm/s。冷拉伸后锻件伸长量2.0％。人工时效采用二级时效工艺，一级时效温度120±3℃，保温6小时，二级时效温度177±3℃，保温6小时出炉空冷。测量热处理后锻件各位置残余应力与力学性能，其中残余应力最大值为41mpa，最小值19mpa，抗拉强度为525mpa，屈服强度为460mpa。锻件机加工变形量最大值为0.8mm。

对比例2

将相同锻造工艺制备的7085高强铝合金大型框类模锻件进行固溶处理，其筋条拔模斜度5°、高度80mm。冷拉伸模具形腔尺寸是高强铝合金大型框类模锻件形腔尺寸的1.015～1.025倍，侧壁斜度6°。固溶温度475℃±5℃，垂直入水，并使长度尺寸较大的一端首先入水，淬火水温60℃±5℃，淬火转移时间小于15s。锻件在水中保持20mins后完成淬火。人工时效采用二级时效工艺，一级时效温度120±3℃，保温6小时，二级时效温度177±3℃，保温7小时出炉空冷。测量热处理后锻件各位置残余应力与力学性能，其中残余应力最大值为243mpa，最小值72mpa，抗拉强度为510mpa，屈服强度为445mpa。锻件机加工变形量最大值为6.2mm。

实施例3

将相同锻造工艺制备的7150高强铝合金大型框类模锻件进行固溶处理，其筋条拔模斜度7°、高度120mm。冷拉伸模具形腔尺寸是高强铝合金大型框类模锻件形腔尺寸的1.025～1.035倍，侧壁斜度11°。固溶温度475℃±5℃，垂直入水，并使长度尺寸较大的一端首先入水，淬火水温60℃±5℃，淬火转移时间小于15s。锻件在水中保持20mins后完成淬火。淬火后将锻件置于冷拉伸下模中，调整锻件位置，使锻件各位置毛边与下模间隙一致。开始冷拉伸，上模初始速度0.4mm/s，行程超过70％后速度0.25mm/s。冷拉伸后锻件伸长量2.7％。人工时效采用二级时效工艺，一级时效温度120±3℃，保温5小时，二级时效温度177±3℃，保温8小时出炉空冷。测量热处理后锻件各位置残余应力与力学性能，其中残余应力最大值为47mpa，最小值12mpa，抗拉强度为516mpa，屈服强度为451mpa。锻件机加工变形量最大值为1.2mm。

对比例3

将相同锻造工艺制备的7150高强铝合金大型框类模锻件进行固溶处理，其筋条拔模斜度7°、高度120mm。冷拉伸模具形腔尺寸是高强铝合金大型框类模锻件形腔尺寸的1.025～1.035倍，侧壁斜度11°。固溶温度475℃±5℃，垂直入水，并使长度尺寸较大的一端首先入水，淬火水温60℃±5℃，淬火转移时间小于15s。锻件在水中保持20mins后完成淬火。人工时效采用二级时效工艺，一级时效温度120±3℃，保温5小时，二级时效温度177±3℃，保温8小时出炉空冷。测量热处理后锻件各位置残余应力与力学性能，其中残余应力最大值为185mpa，最小值76mpa，抗拉强度为511mpa，屈服强度为448mpa。锻件机加工变形量最大值为5.7mm。