一种大规格铝锂合金椭球薄壁壳体残余应力消除方法与流程

本发明涉及一种大规格铝锂合金椭球薄壁壳体残余应力消除方法，该项目属于先进材料，具体涉及2195铝锂合金贮箱箱底制造。所述的大规格是指旋压壳体的内径不小于φ3000mm、旋压壳体的高度不小于h1000mm、旋压壳体的壁厚δ20～30mm，所述的旋压壳体是指通过旋压成形工艺制备的壳体。

背景技术：

1、2195铝锂合金因其具有密度低，强度、模量高，焊接性能与低温性能良好等特点，在航天领域具有广阔应用前景。目前，2195·铝锂合金成功地应用于航天飞机超轻贮箱、“星座计划”中的战神小火箭上面级液氢、液氧贮箱箱底的制造。随着航天技术的发展，采用整体旋压成形+热处理工艺制造贮箱箱底结构已是国外主要运载火箭的首选方案。

2、针对未来运载火箭燃料贮箱的研制需求，贮箱箱底采用整体旋压和热处理工艺制得大规格2195铝锂合金椭球形半球壳体，随后需对该壳体毛坯进行机械加工制备贮箱箱底。旋压壳体毛坯口部直径达到3米量级，高度接近1米，壁厚20～30-mm，属于大直径薄壁变壁厚椭球形半球结构。受材料特性及成形加工、热处理过程的影响，毛坯内部普遍存在残余应力且分布不均匀，同时在机械加工过程中由于残余应力的释放，容易产生很大的加工变形，从而使构件的尺寸精度及稳定性下降，甚至无法加工成形箱底构件导致报废。

3、目前，针对结构件消除残余应力的方法主要有振动时效法、恒温时效法、高低温循环处理法、脉冲磁处理等。高低温循环处理是目前稳定化处理广泛采用的方法，合金材料成分的差异以及工艺参数的差异，都会影响材料残余应力分布以及组织演变和性能变化。目前，国内外针对2195铝锂合金大规格构件冷热循环削减应力的相关研究尚不充分，无法针对大规格2195铝锂合金椭球形旋压壳体薄壁加工件的精密机械加工进行有效指导。综上，需要提出一种大规格铝锂合金椭球薄壁壳体残余应力消除方法，以克服上述问题。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种大规格铝锂合金椭球薄壁壳体残余应力消除方法，根据2195铝锂合金材料特性和大直径薄壁变壁厚椭球形半球结构尺寸特点，在保证壳体力学性能的条件下，在机械加工过程之间进行多次冷热循环去应力处理，设计相匹配的深冷处理工装以及冷热升温速率、保温温度、转移时间等工艺参数，最终降低旋压壳体薄壁加工件的残余应力，避免壳体轮廓型面塌陷变形，降低口部椭圆变形程度提高其尺寸精度和稳定性。本发明操作过程简单，具有较强的可操作性和实用性，从而完成本发明。

2、本发明的技术解决方案是：

3、一种大规格铝锂合金椭球薄壁壳体残余应力消除方法，包括：

4、s1:加工得到旋压壳体毛坯；

5、s2:对旋压壳体毛坯进行t6热处理；

6、s3:对热处理后的旋压壳体毛坯进行冷热循环去应力处理；

7、s4:粗加工步骤s3得到的旋压壳体毛坯；

8、s5:对粗加工后的旋压壳体毛坯进行冷热循环去应力处理；

9、s6:精加工步骤s5得到的旋压壳体毛坯，获得高精度的椭球形薄壁壳体构件。

10、进一步的，所述步骤s1中，旋压壳体毛坯顶部开设中心孔，口部加工直线段，顶部中心孔的直径为200～400mm，口部直线段长度50～100mm。

11、进一步的，所述步骤s3中，冷热循环去应力处理包括依次进行的深冷处理和高温处理；深冷处理从室温以5～10℃/min的降温速率，降温至-196℃，保温8～16h；高温处理从-196℃以5～10℃/min的升温速率，升温至80～120℃，保温2～8小时。

12、进一步的，所述步骤s3中，冷热循环去应力处理为深冷处理和高温处理重复进行1～3次、然后进行空冷；步骤s5中，冷热循环去应力处理为深冷处理和高温处理重复进行1～2次、然后进行空冷。

13、进一步的，所述深冷处理时，将旋压壳体毛坯置于深冷处理工装内，深冷处理工装为带内腔结构的筒形箱体，深冷处理工装包括上顶盖、侧壁、下底，上顶盖与侧壁之间可拆卸连接，上顶盖上设置多个用于注入液氮的开孔，下底包括连接环段、直筒段、锥段，直筒段底部与侧壁底部之间通过连接环段连接，直筒段顶部连接锥段，锥段向上直径逐渐减小，锥段为锥台形且顶部封闭，下底与上顶盖和侧壁形成内腔结构。

14、进一步的，多个所述开孔包括位于上顶盖中心位置的一个开孔、以及位于上顶盖中心周向均布的多个开孔，上顶盖中心周向均布的开孔距离上顶盖中心的距离为1/r，r为上顶盖的半径。

15、进一步的，所述上顶盖的下表面连接有环形的引导部，引导部与上顶盖同轴设置，引导部环形引导区截面为带水平直线段的u型凹槽结构，位于上顶盖开孔下方，并距离顶盖一定距离。

16、进一步的，由所述开孔向深冷处理工装内加注液氮，液氮的加注速度根据降温速率确定，深冷处理结束后，吊装旋压壳体毛坯转移出深冷处理工装进入时效热处理炉中，进行高温处理；高温处理后吊装旋压壳体毛坯转移出时效热处理炉，放入深冷处理工装内。

17、进一步的，所述步骤s2中，t6热处理包括固溶—淬火—时效热处理，将旋压壳体毛坯以480-520℃温度保温1-3h进行固溶处理，将固溶处理后的旋压壳体毛坯放入30-50℃淬火介质中进行淬火，将淬火后的旋压壳体毛坯以150-200℃温度保温16-56h进行时效处理。

18、进一步的，所述步骤s4中，粗加工为：车加工方式对旋压壳体内外表面进行机加工，切削深度≤1.5mm，进刀量≤1mm/r，切削速度≤120r/min，单边加工余量≥5mm。

19、进一步的，步骤s6中，精加工为：采用车加工方式对旋压壳体内外表面进行机加工，切削深度≤0.5mm，进刀量≤0.5mm/r，切削速度≤120r/min。

20、综上所述，本申请至少包括以下有益技术效果：

21、(1)深冷处理处理工装采用了带内腔结构的筒形设计，有利于2195铝锂合金旋压壳体深冷处理时保证与液氮快速接触，提高降温速率，并且减少液氮的使用量和挥发程度，进一步提升去应力效果；

22、(2)2195铝锂合金旋压壳体顶端采用带中心孔的结构设计，并结合深冷处理工装的加注孔开孔设计和液氮加注方式的控制，有利于深冷处理时整个壳体均匀冷却，降低温度差异引起应力分布不均；

23、(3)通过冷热升温速率、保温温度、转移时间等工艺参数的合理控制，控制壳冷热处理中高低温差幅度，进一步提高残余应力消除的效果并提高生产效率，且不影响壳体力学性能；

24、(4)将大规格2195铝锂合金椭球形旋压壳体薄壁加工件的残余应力在加工全周期内分阶段进行消除，从而保证大规格2195铝锂合金薄壁构件加工精度和尺寸稳定性，经检测平均残余应力消除率约为55％；

25、(5)本发明方法简单，具有较强的可操作性和实用性。

技术特征：

1.一种大规格铝锂合金椭球薄壁壳体残余应力消除方法，其特征在于：包括s1:加工得到旋压壳体(1)毛坯；

2.根据权利要求1所述的一种大规格铝锂合金椭球薄壁壳体残余应力消除方法，其特征在于：所述步骤s1中，旋压壳体(1)顶部开设中心孔(11)，口部加工直线段(12)，顶部中心孔(11)的直径为200～400mm，口部直线段(12)长度50～100mm。

3.根据权利要求1所述的一种大规格铝锂合金椭球薄壁壳体残余应力消除方法，其特征在于：所述步骤s3中，冷热循环去应力处理包括依次进行的深冷处理和高温处理；

4.根据权利要求3所述的一种大规格铝锂合金椭球薄壁壳体残余应力消除方法，其特征在于：所述步骤s3中，冷热循环去应力处理为深冷处理和高温处理重复进行1～3次、然后进行空冷；步骤s5中，冷热循环去应力处理为深冷处理和高温处理重复进行1～2次、然后进行空冷。

5.根据权利要求3所述的一种大规格铝锂合金椭球薄壁壳体残余应力消除方法，其特征在于：所述深冷处理时，将旋压壳体(1)毛坯置于深冷处理工装内，深冷处理工装为带内腔(24)结构的筒形箱体，深冷处理工装包括上顶盖(21)、侧壁(22)、下底(23)，上顶盖(21)与侧壁(22)之间可拆卸连接，上顶盖(21)上设置多个用于注入液氮的开孔(211)，下底(23)包括连接环(231)段、直筒段(232)、锥段(233)，直筒段(232)底部与侧壁(22)底部之间通过连接环(231)段连接，直筒段(232)顶部连接锥段(233)，锥段(233)向上直径逐渐减小，锥段(233)为锥台形且顶部封闭，下底(23)与上顶盖(21)和侧壁(22)形成内腔(24)结构。

6.根据权利要求5所述的一种大规格铝锂合金椭球薄壁壳体残余应力消除方法，其特征在于：多个所述开孔(211)包括位于上顶盖(21)中心位置的一个开孔(211)、以及位于上顶盖(21)中心周向均布的多个开孔(211)，上顶盖(21)中心周向均布的开孔(211)距离上顶盖(21)中心的距离为1/r，r为上顶盖(21)的半径。

7.根据权利要求5所述的一种大规格铝锂合金椭球薄壁壳体残余应力消除方法，其特征在于：所述上顶盖(21)的下表面连接有环形的引导部(3)，引导部(3)与上顶盖(21)同轴设置，引导部(3)包括环形引导区截面为带水平延伸段的u型凹槽结构，位于上顶盖开孔下方。

8.根据权利要求4所述的一种大规格铝锂合金椭球薄壁壳体残余应力消除方法，其特征在于：由所述开孔(211)向深冷处理工装内加注液氮，液氮的加注速度根据降温速率确定，深冷处理结束后，吊装旋压壳体(1)毛坯转移出深冷处理工装进入时效热处理炉中，进行高温处理；

9.根据权利要求1所述的一种大规格铝锂合金椭球薄壁壳体残余应力消除方法，其特征在于：所述步骤s2中，t6热处理包括固溶—淬火—时效热处理，将旋压壳体(1)毛坯以480-520℃温度保温1-3h进行固溶处理，将固溶处理后的旋压壳体(1)毛坯放入30-50℃淬火介质中进行淬火，将淬火后的旋压壳体(1)毛坯以150-200℃温度保温16-56h进行时效处理。

10.根据权利要求1所述的一种大规格铝锂合金椭球薄壁壳体残余应力消除方法，其特征在于：所述步骤s4中，粗加工为：车加工方式对旋压壳体(1)内外表面进行机加工，切削深度≤1.5mm，进刀量≤1mm/r，切削速度≤120r/min，单边加工余量≥5mm；

技术总结
本发明提供了一种大规格铝锂合金椭球薄壁壳体残余应力消除方法。该方法具体包括：1、对2195铝锂合金旋压壳体结构进行设计和制备；2、旋压壳体毛坯T6热处理；3、对热处理后的毛坯进行冷热循环去应力处理；4、旋压壳体毛坯粗加工；5、对粗加工后的毛坯进行冷热循环去应力处理；6、旋压壳体毛坯精加工，获得高精度的椭球形薄壁壳体构件。本发明可以有效消除2195旋压壳体薄壁加工件的残余应力，提高其尺寸精度和稳定性。

技术研发人员：杜玥,沈正章,尹嘉明,马鹏程,杨建辉,姚草根,耿琼,杨焕晨
受保护的技术使用者：航天材料及工艺研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13