一种降低铝合金薄壁构件残余应力的方法与流程

1.本发明涉及铝合金材料技术领域，具体涉及一种降低铝合金薄壁构件残余应力的方法。


背景技术：

2.al-zn-mg-cu系铝合金具有密度小、强度高、韧性和耐腐蚀性能良好、加工性能及焊接性能优良等特点，是飞行器、车辆、工具等轻量化设计和综合性能提升的重要结构材料，广泛用于交通运输、电子、桥梁、装饰等行业，用途用量居有色金属材料之首。此外，由于铝合金在航空航天、船舶、核工业以及兵器工业都有着广阔的应用前景及不可替代的地位，因而高强度铝合金技术被列为国防科技关键技术以及重点发展的基础技术。al-zn-mg-cu系铝合金的抗拉强度普遍高于500mpa，其中7a04铝合金是al-zn-mg-cu系铝合金中相当成熟、使用较久和较广的一个合金，具有强度高、热处理强化效果好、退火和新淬火状态下塑性中等等优点。
3.随着航空、交通、仪器仪表等行业对结构件的损伤容限设计技术的发展，对高强度铝合金构件的要求越来越高，不仅要求材料的强度高，而且在很多场合要求构件的质量越小越好，因此高强度铝合金薄壁构件的应用越来越多。随着高强度铝合金构件的壁厚减薄，其结构刚性减弱，在构件制造过程中形成的残余加工应力对构件的形状、尺寸等特性的影响也越来越严重，因此，高强度铝合金构件残余应力的控制技术需求十分迫切。
4.al-zn-mg-cu系等高强铝合金通常需要固溶和时效处理，才能获得高强度与韧性。当材料从大约500℃的高温快速冷却到较低温度时，在冷却过程中引入了很大的热应力梯度，通常构件表面呈现压应力而内部呈现拉伸应力。有关研究结果表明，铝合金固溶处理时淬火产生的残余应力甚至会接近材料的屈服极限。其应力分布与构件的尺寸与几何形状有关，当形状复杂且厚度不均匀时，将导致复杂的应力分布状态。在有些高强铝合金构件制造过程中，为了进一步提高构件的强度，会在固溶处理后，再进行冷拉伸或其它冷加工变形，此时构件中进一步引入了位错，位错造成微观组织晶格畸变，并且，这种趋势随着冷加工变形量的增加，即位错密度的提高而逐渐加强，从而造成构件内部的残余应力大幅度提高。
5.目前降低高强铝合金构件残余应力的途径主要有热处理法和机械处理法两大类，具体有：时效处理法、机械拉伸法、深冷处理法、振动消除法和模压法等等。其中热处理法是降低淬火残余应力的传统方法，但消除残余应力的效果不理想。由于铝合金材料对温度非常敏感，热处理温度的提高，必然明显降低强度指标，改变了mgzn2等强化相的析出，产生不利影响。例如，淬火后时效处理，由于在较低温度(小于200～250℃)下进行，从而使得消除残余应力的效果仅为10～35％，非常有限。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是提供一种降低铝合金薄壁构件残余应力的方法。
7.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种降低铝合金薄壁构件残余应
力的方法，其特征在于：该铝合金的质量百分比组成为zn 5.0％～7.0％，mg 1.0％～5％，cu 1.0％～5.0％，余量为al和不可避免的杂质；该铝合金的制备工艺流程包括：固溶
→
挤压
→
时效
→
去应力退火，所述去应力退火的终了温度为t
终
，去应力退火的起始温度为t
始
，从起始温度到终了温度所需升温时间为t
升
，所需升温速度为v
升
，t
始
＝t
终-v
升
×
t
升
，其中，v
升
的单位为℃/h，t
升
的单位为h，所述t
终
为150℃～200℃，v
升
为20℃/h～50℃/h，t
升
为1～3h，从t
始
到达t
终
后进行保温，保温时间t
保
为1～10min，保温结束后，按照v
降
＝v
升
的降温速率降温到t
始
，从t
始
→
t
终
→
t
始
为去应力退火的一个周期，该周期可进行一次，也可循环两次或者多次，最后构件随炉空冷。
8.铝合金构件热处理的升温速度和降温速度对构件的残余应力有着重要影响作用，将升温速度和降温速度控制在20℃/h～50℃/h。升温速度/降温速度过低，有利于残余应力的缓慢释放，降低构件的变形程度，但会导致热处理时间过长，影响处理的效率；升温速度/降温速度过高，铝合金的析出相长大加快，对构件的力学性能产生不利于影响，而且也会导致铝合金构件残余应力释放过快，引起构件变形程度加重，升温速度/降温速度增加使得热处理的时间缩短，残余应力难以充分释放，影响处理效果。
9.作为优选，该铝合金薄壁构件的壁厚在0.01mm～10mm。
10.作为优选，所述去应力退火的循环周期为2～10次。由于在一个热处理周期内，铝合金薄壁构件的残余应力消除效果难以满足设计要求，因此可以进行多个热处理周期，以使残余应力消除效果满足设计要求。
11.作为优选，该铝合金薄壁构件的微观组织中含有η'相和η相的析出相，尺寸0.1μm以下的析出相面积占比为30～40％，大于0.1μm且小于等于1μm的析出相面积占比为50～60％，5μm以上的析出相面积占比小于1％。
12.作为优选，该铝合金薄壁构件的残余应力为拉应力，轴向残余应力在70mpa以下，径向残余应力在50mpa以下，维氏硬度在120hv以上。
13.与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明通过铝合金薄壁构件升温速度和降温速率的非等温热处理方法，在这过程中铝合金有析出行为，由于温度的有控升高或降低，铝合金析出相的热力学参数，如扩散系数、临界形核尺寸等都是一个动态变化的过程，铝合金析出相的竞争关系非常显著，而通过铝合金相的析出可以消耗合金内部的应变能，使得铝合金内部的残余应力获得有序松弛，从而大幅度降低铝合金薄壁构件的残余应力，不仅应力去除效果好，而且对铝合金构件的力学性能影响小，构件变形程度极低。
具体实施方式
14.以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
15.本发明提供4实施例、1个对比例，具体成分见表1。
16.实施例一：
17.本实施例的铝合金薄壁构件为圆筒形，长度为外径为内径为的变截面，圆筒底厚度为该构件毛坯为内径29.2mm、壁厚4.0mm、高度40.0mm的杯形件；制备工艺为：毛坯经固溶处理后，在380℃热旋压成形，120℃人工时效，然后去应力退火。
18.铝合金构件残余应力消除的步骤为：
19.(1)铝合金终了温度t
终
的确定，t
终
为180℃，t
升
为7000s。
20.(2)铝合金热处理保温时间t
保
的确定
21.铝合金构件的壁厚为0.9mm～2.3mm，保温时间确定为5min。
22.(3)铝合金热处理升温速度v
升
和降温速度v
降
的确定
23.铝合金构件热处理的升温速度和降温速度确定为50℃/h。
24.(4)铝合金热处理起始温度t
始
的确定
25.根据公式t
始
＝t
终-v
升
×
t
升
，可以计算获得t
始
：
26.t
始
＝180-(7000/3600)
×
50＝82.8℃≈83℃
27.(5)铝合金薄壁构件的去应力退火
28.依据以上热处理工艺参数，先将热处理炉升温到起始温度83℃，将铝合金构件放入炉内，开始按照规定的升温速度进行加热，直到终了温度180℃。保温5min后，按照规定的降温速度进行降温，直到起始温度83℃。至此，完成一个热处理周期。
29.本实施例在进行五个热处理周期后，测量了热处理前后铝合金薄壁构件的残余应力
30.(测量点为距底部70mm高度处的圆周外表面上)，结果如表2所示，测量热处理后铝合金构件的尺寸，都符合尺寸要求。
31.实施例二：
32.本实施例的铝合金薄壁构件为圆筒形，长度为外径为内径为的变截面，圆筒底厚度为该构件毛坯为内径29.2mm、壁厚4.0mm、高度40.0mm的杯形件；制备工艺为：毛坯经固溶处理后，在380℃热旋压成形，120℃人工时效，然后去应力退火。
33.铝合金构件残余应力消除的步骤参照实施例1，此处不再赘述。
34.t
终
为180℃，t
升
为7000s，保温时间t
保
确定为5min，升温速度v
升
和降温速度v
降
确定为20℃/h，根据公式t
始
＝t
终-v
升
×
t
升
，可以计算获得t
始
＝180-(7000/3600)
×
20＝141.1℃≈141℃
35.依据以上热处理工艺参数去应力退火，先将热处理炉升温到起始温度141℃，将铝合金构件放入炉内，开始按照规定的升温速度进行加热，直到终了温度180℃。保温5min后，按照规定的降温速度进行降温，直到起始温度141℃。至此，完成一个热处理周期。
36.本实施例设计了二个热处理周期，热处理前后铝合金薄壁构件的残余应力(测量点为距底部70mm高度处的圆周外表面上)如表2所示，测量热处理后铝合金构件的尺寸，都符合尺寸要求。
37.实施例三：
38.本实施例的铝合金薄壁构件为圆筒形，长度为外径为内径为的变截面，圆筒底厚度为该构件毛坯为内径29.2mm、壁厚4.0mm、高度40.0mm的杯形件；制备工艺为：毛坯经固溶处理后，在380℃热旋压成形，125℃人工时效，然后去应力退火。
39.铝合金构件残余应力消除的步骤参照实施例1，此处不再赘述。
40.t
终
为180℃，t
升
为7200s，保温时间t
保
确定为5min，升温速度v
升
和降温速度v
降
确定为40℃/h，根据公式t
始
＝t
终-v
升
×
t
升
，可以计算获得t
始
＝180-(7200/3600)
×
40＝100℃
41.依据以上热处理工艺参数去应力退火，先将热处理炉升温到起始温度100℃，将铝合金构件放入炉内，开始按照规定的升温速度进行加热，直到终了温度180℃。保温5min后，按照规定的降温速度进行降温，直到起始温度100℃。至此，完成一个热处理周期。
42.本实施例设计了三个热处理周期，热处理前后铝合金薄壁构件的残余应力(测量点为距底部70mm高度处的圆周外表面上)如表2所示，测量热处理后铝合金构件的尺寸，都符合尺寸要求。
43.实施例四：
44.本实施例的铝合金薄壁构件为圆筒形，长度为外径为内径为的变截面，圆筒底厚度为该构件毛坯为内径29.2mm、壁厚4mm、高度40mm的杯形件；制备工艺为：毛坯经固溶处理后，在380℃热旋压成形，125℃人工时效，然后去应力退火。
45.铝合金构件残余应力消除的步骤参照实施例1，此处不再赘述。
46.t
终
为182℃，t
升
为7500s，保温时间t
保
确定为5min，升温速度v
升
和降温速度v
降
确定为30℃/h，根据公式t
始
＝t
终-v
升
×
t
升
，可以计算获得t
始
＝182-(7500/3600)
×
30＝119.5℃≈120℃。
47.依据以上热处理工艺参数去应力退火，先将热处理炉升温到起始温度120℃，将铝合金构件放入炉内，开始按照规定的升温速度进行加热，直到终了温度182℃。保温5min后，按照规定的降温速度进行降温，直到起始温度120℃。至此，完成一个热处理周期。
48.本实施例设计了三个热处理周期，热处理前后铝合金薄壁构件的残余应力(测量点为距底部70mm高度处的圆周外表面上)如表2所示，测量热处理后铝合金构件的尺寸，都符合尺寸要求。
49.对比例1：与实施例1的工艺不同之处在没有后续的人工时效和去应力退火。
50.对比例2：与实施例1的工艺不同之处在没有后续的去应力退火。
51.对于上述实施例一～实施例四以及对比例所得到的铝合金构件残余压应力测试值，如表2所示，其中正值代表残余拉应力，负值代表残余压应力。
52.表1本发明实施例和对比例的化学成分以及微观组织
[0053][0054]
表2本发明实施例和对比例的力学性能
[0055]