鋁合金的時(shí)效成形技術(shù)

林 鵬，陳俊鋒，鄒林池，陳玉龍

(1.福州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，福建福州 350116;2.福建工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，福建福州 350116)

在當(dāng)代飛機(jī)制造工業(yè)中，整體壁板的廣泛運(yùn)用可以有效地減輕飛機(jī)的重量，還具有工裝效率高、型面靈活易于優(yōu)化設(shè)計(jì)、密封性好等突出優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)越來越受到當(dāng)代航空工業(yè)所青睞。但是大型整體壁板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不僅擁有厚的蒙皮、較高的加強(qiáng)筋，而且大型壁板呈現(xiàn)出整體集成度高、結(jié)構(gòu)網(wǎng)格化等特點(diǎn)導(dǎo)致了整體壁板難于制造。傳統(tǒng)的整體壁板制造技術(shù)主要是增量壓彎冷成形。該技術(shù)利用專用壓力機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)壓頭在整體壁板表面沿著一定的軌跡進(jìn)行局部塑性變形，通過逐次的變形累積使得整個(gè)壁板表面變形至所需要的曲率。由于該成形技術(shù)為局部塑性變形會(huì)導(dǎo)致工件表面殘余應(yīng)力高，局部萌生微裂紋，合金內(nèi)組織變化不均勻，此外該成形技術(shù)生產(chǎn)效率低下。為此，歐美等發(fā)達(dá)國家研發(fā)出一種先進(jìn)的整體壁板制造技術(shù)—時(shí)效成形技術(shù)［1－4］。該整體壁板成形技術(shù)將合金的塑性成形與人工時(shí)效相結(jié)合，利用鋁合金在應(yīng)力場和溫度場共同作用下的蠕變行為來獲得滿足形狀并保持良好的組織和性能。實(shí)踐證明，時(shí)效成形技術(shù)較傳統(tǒng)的壁板制造技術(shù)具有工裝模具簡單、成形精度高和成形質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，適用于尺寸大，曲率半徑大的壁板類零件的制造，又適用于鋁合金等薄板零件的校形制造。特別是對(duì)于橫截面不均勻的大尺度機(jī)翼壁板，時(shí)效成形是一種方便經(jīng)濟(jì)的制造方法。

由于時(shí)效成形對(duì)制造整體壁板的先進(jìn)性，西方航空工業(yè)發(fā)達(dá)國家很早就針對(duì)時(shí)效成形技術(shù)開展了相關(guān)研究，并已應(yīng)用于一些飛機(jī)的整體壁板的加工制造。如B-1B飛機(jī)的上下蒙皮、空中客車公司的AirbusA330/A340、Airbus A380等飛機(jī)的下翼面整體壁板的制造。甚至歐盟還特意設(shè)立了“時(shí)效成形”的跨國聯(lián)合研究項(xiàng)目，希望拓展該成形技術(shù)的運(yùn)用范圍并研發(fā)適合時(shí)效成形的鋁合金［4］。但是，目前我國對(duì)時(shí)效成形具體的變形機(jī)制尚未明確，也沒有掌握成形過程中應(yīng)力場和溫度場對(duì)合金組織和性能的影響關(guān)系，在基礎(chǔ)工藝試驗(yàn)方面也缺少系統(tǒng)的研究。

1 時(shí)效成形機(jī)理

時(shí)效成形是一個(gè)耦合了應(yīng)力松弛、蠕變和時(shí)效強(qiáng)化的復(fù)雜過程［1］。其中時(shí)效成形過程中主要發(fā)生的是由蠕變引起的應(yīng)力松弛，將零件內(nèi)的彈性應(yīng)變逐漸轉(zhuǎn)化為永久的塑性應(yīng)變。圖1描述了單曲率彎曲薄板時(shí)效成形過程中應(yīng)力和應(yīng)變的變化過程。圖1(a)顯示薄板時(shí)效成形過程中應(yīng)力分布情況，而圖1(b)、1(c)、1(d)則分別給出了時(shí)效成形過程中應(yīng)力松弛曲線、蠕變曲線和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。圖1清楚揭示了時(shí)效成形過程中應(yīng)力松弛現(xiàn)象，而蠕變是其應(yīng)力松弛的主要變形方式［5－6］。實(shí)際生產(chǎn)中工件加工成形后不可避免地會(huì)發(fā)生回彈。而由于時(shí)效成形是一種應(yīng)力松弛變形，其變形量小，那么時(shí)效成形加工結(jié)束后工件的回彈是制約工件成形精度的關(guān)鍵因素?；貜棳F(xiàn)象是由于工件的外加載荷被移除后，工件通過回復(fù)使得工件內(nèi)原先的彈性應(yīng)變消失，這將導(dǎo)致工件在卸載過程中發(fā)生附加變形?；貜椧彩遣牧蠈で髢?nèi)應(yīng)力相互平衡的過程。當(dāng)彈性恢復(fù)過程結(jié)束時(shí)，工件內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到相互平衡，此刻工件內(nèi)的剩余應(yīng)力即為殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力對(duì)工件的服役性能有著顯著的影響，主要表現(xiàn)在工件的疲勞和腐蝕性能上。

時(shí)效成形中另一部分主要行為就是鋁合金在變形過程中同時(shí)發(fā)生的沉淀析出強(qiáng)化。鋁合金沉淀析出是指合金的飽和固溶體在一定溫度下保溫一段時(shí)間后，合金中的固溶原子沉淀析出，改變了合金的顯微組織，因此可以提高合金的強(qiáng)度。通過改變鋁合金的固溶淬火和時(shí)效制度的辦法，從而改變析出相的密度，大小和分布狀態(tài)，這樣就可以控制鋁合金的時(shí)效強(qiáng)化效果，獲得優(yōu)異的綜合性能。

圖1 單曲率彎曲時(shí)效成形變形機(jī)理示意圖［1］(a)age forming under simple bending;(b)stress relaxation;(c)creep deformation;(d)stress relaxation during age formingFig.1 Schematic diagram of deformation mechanism of age forming under simple bending［1］

2 時(shí)效成形工藝和設(shè)備

2.1 時(shí)效成形工藝

時(shí)效成形過程主要可分為三個(gè)階段:1)工件加載貼模階段:即對(duì)合金平板施加初始載荷，保證合金平板在模具中貼模，獲得一定量的初始彈性應(yīng)變(階段1);2)時(shí)效應(yīng)力松弛階段:即保持工件在模具中的形狀不變，在一定溫度和壓力條件下靜置一段時(shí)間發(fā)生應(yīng)力松弛，工件內(nèi)的彈性變形逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?階段2);3)卸載回彈階段:保溫結(jié)束后，工件冷卻至室溫，然后去除外加約束，讓完成時(shí)效成形的工件自由回彈(階段3)。

圖2 時(shí)效成形過程示意圖［1］Fig.2 Schematic diagram of age forming process［1］

2.2 時(shí)效成形設(shè)備

從時(shí)效成形的工藝來看，時(shí)效成形對(duì)設(shè)備的要求不是很高。時(shí)效成形設(shè)備所需要的基本條件有兩個(gè):一是促進(jìn)蠕變變形所需要的應(yīng)力場;二是促進(jìn)合金時(shí)效強(qiáng)化所需要的溫度場。過去，時(shí)效成形常常使用簡單的機(jī)械工裝或者通過相互配合的凸模和凹模來夾緊工件，這種成形設(shè)備只能制造截面尺寸均勻的薄板類工件。機(jī)械裝夾結(jié)構(gòu)都是由上模和下模兩部分組成。采用機(jī)械裝夾結(jié)構(gòu)的工裝模具主要有三種，分別為卡板型模具、離散點(diǎn)陣型模具、點(diǎn)陣與卡板的混合型模具，如圖3所示。

圖3 時(shí)效成形機(jī)械工裝示意圖［4］(a)lattice nailed die-set;(b)rib-boards clamping die Fig.3 Sketch of tooling for age forming machine［4］

但是現(xiàn)代航空航天工業(yè)需要的壁板類零件更加復(fù)雜，更加大型化，要求成形的精度也更高?，F(xiàn)代大型機(jī)翼壁板有如下特征:翼展尺寸較大，弦向尺寸相對(duì)穩(wěn)定，厚度變化較大，曲率較小等特點(diǎn)。使用傳統(tǒng)的機(jī)械工裝設(shè)備會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)制造模具成本高，模具重量化等缺點(diǎn)。隨著時(shí)效成形技術(shù)的發(fā)展，為了滿足現(xiàn)代大型飛機(jī)機(jī)翼整體壁板的特點(diǎn)而出現(xiàn)了時(shí)效成形工藝的專用設(shè)備。上世紀(jì)八十年代，美國Textron研究所研發(fā)出一種時(shí)效成形設(shè)備—熱壓罐，熱壓罐可以在鋁合金表面施加足夠大且均勻分布的壓力。在熱壓罐中進(jìn)行時(shí)效成形，只需要一個(gè)下模，使得模具簡單化、輕量化。熱壓罐時(shí)效成形采用有過彎量的下模，先將平板坯料放在模具上，用硅膠密封四周，然后放入熱壓罐中。將工件和模具之間抽真空，對(duì)工件上表面施加足夠的蒸汽壓力使工件完全貼合模具表面后保持壓力不變。在適合的溫度范圍內(nèi)保溫一段時(shí)間，工件發(fā)生應(yīng)力松弛，將初始彈性變形轉(zhuǎn)化為永久的塑性變形，與此同時(shí)合金在保溫過程中發(fā)生時(shí)效強(qiáng)化，提高合金的力學(xué)性能。保溫結(jié)束后，工件迅速冷卻至常溫，去除外加壓力，讓工件自由回彈。在熱壓罐中能制造截面不均勻的，大尺寸的整體壁板類零件。在熱壓罐中進(jìn)行時(shí)效成形，能夠保證工件均勻受力，并且可以控制輸出的成形壓力。利用該設(shè)備生產(chǎn)出來的大尺寸壁板零件，成形精度高，尺寸穩(wěn)定性好，表面光潔度高，殘余應(yīng)力小。2003年空客公司自行研制了世界上最大的熱壓罐，該熱壓罐長42 m、直徑6 m、能提供300 t壓力，如圖4所示。

圖4 熱壓罐時(shí)效成形原理圖［1］(a)schematic of autoclave for age forming;(b)real autoclave;(c)schematic of sealing process of age forming;(d)age forming toolFig.4 Schematic diagram of age forming by autoclave［1］

3 時(shí)效成形的研究現(xiàn)狀

3.1 時(shí)效成形的數(shù)值模擬

國內(nèi)外對(duì)時(shí)效成形過程的數(shù)值模擬及成形后工件的回彈預(yù)測。傳統(tǒng)的薄板成形熱-機(jī)耦合模型或金屬高溫蠕變模型［7－8］都不能準(zhǔn)確地模擬時(shí)效成形過程，因?yàn)樗鼈兌紱]有考慮高溫下金屬的時(shí)效析出行為及其和蠕變的交互作用。1989年Holman［9］首次全面地介紹了鋁合金利用熱壓罐制造壁板的時(shí)效成形技術(shù)，描述了大型鋁合金壁板時(shí)效成形過程中的應(yīng)力松弛現(xiàn)象，研究結(jié)果表明時(shí)效成形過程合金的應(yīng)力松弛速率和剩余應(yīng)力的大小取決于時(shí)效溫度和初始應(yīng)力水平，也受到原始材料組織的影響。1991年，美國Tennessee技術(shù)大學(xué)教授Sallah和Peddieson［10］第一次用非彈性應(yīng)力松弛方程來建立熱壓罐中鋁合金時(shí)效成形過程應(yīng)力-應(yīng)變模型，并用有限元數(shù)學(xué)方法完整模擬了熱壓罐中的時(shí)效成形過程。Peddieson［11］于1992年則根據(jù)彈-粘塑性本構(gòu)模型首次利用有限元法模擬了時(shí)效成形過程。模擬結(jié)果表明時(shí)效成形加工中，時(shí)效成形后壁板半徑與試樣厚度比值的對(duì)數(shù)(ln(Rp/D))和成形模具半徑與試樣厚度比值的對(duì)數(shù)(ln(Rt/D))是線性相關(guān)的。他們還認(rèn)為熱壓罐中時(shí)效成形和機(jī)械時(shí)效成形的本質(zhì)是相同的。Narimetla等人［12］于1998年利用薄殼單元更準(zhǔn)確地模擬了整體壁板時(shí)效成形的過程。在模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上通過理論推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)在小應(yīng)變或等應(yīng)變的特殊條件下，模具的外形和成形壁板的外形之間存在幾何相似關(guān)系。發(fā)展到2000年時(shí)，Narimetla等人［13］則建立了一個(gè)通用的數(shù)學(xué)模型來模擬時(shí)效成形的三個(gè)連續(xù)階段。通用模型的模擬結(jié)果進(jìn)一步證明了模具-工件之間的幾何相似性，這種相似性能夠適用于大多數(shù)的實(shí)際的壁板成形情況。Guines等人［14］于2008年在粘塑性方程基礎(chǔ)上結(jié)合蠕變的冪率方程利用ABAQUS有限元軟件預(yù)測了AA6056鋁合金在20～193℃，初始應(yīng)變速率10－3/s到10－1/s范圍內(nèi)時(shí)效成形處理后工件的回彈和工件內(nèi)殘余應(yīng)力分布，并研究不同邊界條件對(duì)回彈和殘余應(yīng)力分布的影響。以上時(shí)效成形的模擬研究概括起來都只是單純考慮了一定溫度條件下的時(shí)效成形過程中的蠕變或者應(yīng)力松弛變形行為，而忽略了其中的析出強(qiáng)化，位錯(cuò)強(qiáng)化現(xiàn)象等。此外以上的研究均未模擬鋁合金在時(shí)效成形過程中合金內(nèi)析出相的形核和長大過程。

由于時(shí)效成形是結(jié)合了應(yīng)力松弛和時(shí)效強(qiáng)化的熱加工技術(shù)，英國伯明翰大學(xué)Ho等研究人員［15－16］利用“統(tǒng)一理論”將時(shí)效成形過程中的鋁合金蠕變變形和沉淀析出動(dòng)力學(xué)相結(jié)合，推導(dǎo)出了一個(gè)統(tǒng)一的鋁合金時(shí)效-蠕變本構(gòu)方程，并對(duì)鋁合金厚板時(shí)效成形進(jìn)行有限元模擬，準(zhǔn)確地預(yù)測了時(shí)效成形后壁板的回彈量。模擬結(jié)果還發(fā)現(xiàn)時(shí)效成形后壁板的回彈量取決于時(shí)效成形過程中工件截面的蠕變密集區(qū)域與蠕變稀少區(qū)域的比值，推論得到時(shí)效成形加工后薄板的回彈率高于厚板的回彈率。利用統(tǒng)一的時(shí)效-蠕變本構(gòu)方程還模擬了時(shí)效成形過程中析出相的演變?nèi)鐖D5所示。國內(nèi)北京航空航天大學(xué)的萬敏等人［17］也利用該統(tǒng)一的本構(gòu)方程對(duì)時(shí)效成形過程進(jìn)行了模擬。模擬的結(jié)果均顯示回彈量隨著工件曲率變化線性減少，回彈量與時(shí)效時(shí)間的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系，隨著時(shí)效時(shí)間延長回彈量減少，殘余應(yīng)力與板厚無關(guān)。

圖5 基于統(tǒng)一理論模擬的鋁合金球面時(shí)效成形過程［16］(a)FE model with spherical surface;(b)distribution of precipitate phase at different ageing time;(c)distribution of yield strength at different ageing timeFig.5 The forming process of aluminium alloy with spherical aging based on the unified theory simulation［16］

3.2 鋁合金時(shí)效成形過程組織和性能研究

時(shí)效成形過程中材料在溫度場和應(yīng)力場同時(shí)存在的環(huán)境下，合金的塑性變形與組織演變將同時(shí)發(fā)生。與傳統(tǒng)的冷加工和傳統(tǒng)時(shí)效比較，應(yīng)力場和溫度場的共同作用是時(shí)效成形所擁有的最大特色。大量的研究［18－19］表明合金在時(shí)效的過程中應(yīng)力場的存在必將影響時(shí)效析出行為。在合金的沉淀析出過程中，外加應(yīng)力會(huì)促進(jìn)或抑制幾個(gè)等效的易析出的特定晶面和取向上產(chǎn)生析出物，使得析出相沿著某個(gè)方向定向排列，稱作應(yīng)力位向效應(yīng)。對(duì)于不同成分的鋁合金其應(yīng)力位向效應(yīng)也顯著不同。研究表明時(shí)效中應(yīng)力場不只是產(chǎn)生取向效應(yīng)，它還有助于析出相均勻成核，產(chǎn)生高密度析出相。

Zhu等人［20－22］用實(shí)驗(yàn)和模擬兩種方法系統(tǒng)地研究了Al-xCu合金單方向應(yīng)力時(shí)效后的微觀組織結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)無應(yīng)力時(shí)效后片狀的θ'相多表現(xiàn)為垂直分布，但是應(yīng)力時(shí)效后θ'相出現(xiàn)了定向分布，如圖6所示。他們對(duì)Al-xCu合金的研究表明，應(yīng)力時(shí)效的應(yīng)力位向效應(yīng)容易使鋁合金材料產(chǎn)生各向異性。因此，壁板時(shí)效成形時(shí)應(yīng)根據(jù)應(yīng)力位向效應(yīng)情況，優(yōu)化時(shí)效成形工藝以避免應(yīng)力位向效應(yīng)降低材料的性能。

圖6 不同壓應(yīng)力狀態(tài)下Al-4Cu合金經(jīng)180℃ ×31 h時(shí)效后析出相的形貌和尺寸(La表示邊的平均長度)［20－22］Fig.6 Morphology and size of precipitated phases for Al-4Cu alloys aged at 180℃ for 31 h under different compressive stress of(La denotes the average length of the"edges")［20 －22］

國內(nèi)中南大學(xué)陳大欽和鄭子樵等人［23－24］也開展了一些針對(duì)時(shí)效成形過程中應(yīng)力時(shí)效的研究，但只局限在Al-Cu系合金。他們報(bào)道了Al-3.88Cu(析出相為 θ'相)合金和 Al-3.87Cu-0.56Mg-0.56Ag(析出相為Ω相)合金在拉應(yīng)力條件下時(shí)效后，合金內(nèi)的θ'和Ω相均出現(xiàn)了定向分布。利用雙級(jí)時(shí)效進(jìn)一步研究應(yīng)力時(shí)效對(duì)析出相分布的影響，結(jié)果表明:如果雙級(jí)時(shí)效初期為短時(shí)間的應(yīng)力時(shí)效，之后是長時(shí)間無應(yīng)力時(shí)效，這種雙級(jí)時(shí)效不會(huì)導(dǎo)致θ'及Ω等析出相定向分布;反之如果雙級(jí)時(shí)效是先進(jìn)行短時(shí)間無應(yīng)力時(shí)效，再施以長時(shí)間應(yīng)力時(shí)效，則產(chǎn)生了析出相定向分布。因此，時(shí)效成形過程析出相的定向分布?xì)w因于外加應(yīng)力對(duì)析出相形核階段的影響。

材料的微觀組織決定了材料的性能。由于應(yīng)力時(shí)效會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力位向效應(yīng)，因此許多學(xué)者報(bào)道了時(shí)效成形對(duì)合金強(qiáng)度的影響。Bakavos等人［25］也發(fā)現(xiàn)時(shí)效成形2022合金的強(qiáng)度低于無應(yīng)力時(shí)效后的鋁合金，如圖7所示。時(shí)效成形后鋁合金屈服強(qiáng)度顯著降低，主要是由于應(yīng)力引發(fā)的析出相擇優(yōu)取向及析出相總體積分?jǐn)?shù)降低。

Zhu等人［20］還報(bào)道與傳統(tǒng)無應(yīng)力時(shí)效后Al-Cu合金硬度相比，相同溫度下時(shí)效成形后Al-Cu合金的硬度較低，最大差值達(dá)到14%。Zhu等人認(rèn)為時(shí)效成形后片狀θ'相的定向分布、析出相體積分?jǐn)?shù)的減少和析出相形狀的變化降低了合金的強(qiáng)度。

圖7 2022和7475合金經(jīng)時(shí)效成形和無應(yīng)力時(shí)效后硬度隨深度的分布［25］Fig.7 The hardness distribution with depth for 2022 and 7475 alloy coupons after age forming and age with stress free［25］

4 時(shí)效成形的未來發(fā)展

時(shí)效成形技術(shù)是一種很有工程應(yīng)用價(jià)值的新技術(shù)，已經(jīng)開始在工業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行應(yīng)用和推廣。但是在時(shí)效成形過程中具體的時(shí)效成形機(jī)理還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，應(yīng)力松弛的回彈不能精確控制。此外，該技術(shù)過程中各個(gè)實(shí)驗(yàn)因素如時(shí)效溫度、保溫時(shí)間等對(duì)時(shí)效過程的影響，成形質(zhì)量不穩(wěn)定等問題都制約著該技術(shù)的發(fā)展。未來鋁合金的時(shí)效成形更加注重工件的成形精度和合金性能。這就對(duì)時(shí)效成形工藝提出更高的要求，真正達(dá)到控形和控性的要求。綜上所述，鋁合金時(shí)效成形未來發(fā)展需要突破的關(guān)鍵技術(shù)主要集中在以下幾點(diǎn):

1)時(shí)效成形形變曲率柔性模具設(shè)計(jì);

2)時(shí)效成形過程的數(shù)學(xué)模擬，精確預(yù)測回彈，實(shí)現(xiàn)鋁合金工件的精確成形;

3)非等溫時(shí)效成形工藝，實(shí)現(xiàn)成形后鋁合金組織的控制和性能的提高;

4)開發(fā)新型的適合時(shí)效成形的鋁合金。

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