高強(qiáng)度鋁合金深冷處理技術(shù)的研究與應(yīng)用

■ 葉 茂，姜 楓，劉 杰

高強(qiáng)度鋁合金由于密度小、強(qiáng)度高、韌性和耐蝕性良好、可加工性及焊接性優(yōu)良等綜合性能，在航空航天、機(jī)械和汽車制造業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。多數(shù)高強(qiáng)度鋁合金材料需要通過熱處理獲得高強(qiáng)度與高韌性以滿足使用需求，而在熱處理強(qiáng)化過程中，快速的淬火冷卻使得材料內(nèi)部形成巨大溫差，冷卻結(jié)束后在構(gòu)件內(nèi)部形成較大的殘余應(yīng)力，在加工、儲存及長時間使用過程中會發(fā)生殘余應(yīng)力的釋放與松弛，從而帶來零件的精度超差或尺寸不穩(wěn)定等問題。目前降低與消除殘余應(yīng)力的方法主要有：時效處理、振動時效、深冷處理、機(jī)械拉伸（壓縮）法等。

深冷處理過程也被稱上坡淬火或反淬火，按工藝可劃分為深冷急熱法與冷熱循環(huán)法，可廣泛用于鋁合金構(gòu)件殘余應(yīng)力的減小與控制。本文對國內(nèi)外鋁合金深冷處理的研究與應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)分析，討論了不同類型鋁合金工件深冷處理的工藝選擇和適用場合。

1. 殘余應(yīng)力的產(chǎn)生

工件在沒有外力的作用下內(nèi)部存有的保持工件自身平衡的應(yīng)力被稱為殘余應(yīng)力。一般來講，鋁合金在淬火過程中不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，所以其構(gòu)件殘余應(yīng)力主要來自于淬火冷卻過程的熱應(yīng)力，應(yīng)力的演變過程如圖1所示。

熱應(yīng)力是由于材料不同部位存在溫度差別而導(dǎo)致熱脹和（或）冷縮的不一致所引起的應(yīng)力。對于2D內(nèi)外兩層簡化模型，在淬火冷卻開始前（見圖1a），在長時間高溫條件下，材料內(nèi)部溫度均勻，不存在熱應(yīng)力；在淬火冷卻初期（見圖1b），鋁合金工件進(jìn)入淬火冷卻介質(zhì)后，由于金屬表面與淬火冷卻介質(zhì)溫差很大，散熱很快，使得表層溫度下降很快，而內(nèi)部依靠熱傳導(dǎo)方式散熱，溫度下降較慢，在表層與心部形成巨大溫度差。在熱脹冷縮的作用下，工件因溫度下降而體積收縮，表面溫度下降較多因而體積收縮較多，心部溫度下降較少因而體積收縮較少。因內(nèi)外收縮量不同，相互發(fā)生作用力，此時表面因受到心部抵制收縮力而長大，所以此時外部受拉應(yīng)力，心部受壓應(yīng)力。在應(yīng)力的作用下，心部金屬由于溫度較高、屈服強(qiáng)度較低，發(fā)生塑性變形，從而釋放一部分應(yīng)力。

淬火冷卻第二階段（見圖1c），由于金屬表層溫度已經(jīng)較低，與淬火冷卻介質(zhì)熱交換較少，所以此時表層溫度下降速度放慢。而里層金屬與表層溫差較大，里層金屬溫度下降速度較表層快，使得表層收縮得少，心部收縮得多，內(nèi)外層相互脹縮的牽制力減小，使得內(nèi)應(yīng)力減少，出現(xiàn)表層溫度低于心部，但內(nèi)應(yīng)力為零的情況。

隨著工件繼續(xù)冷卻（見圖1d），當(dāng)金屬內(nèi)部的溫度也降至較低溫度時，構(gòu)件整體的抗變形能力提升，心部金屬溫度下降且產(chǎn)生相比表層金屬更大的收縮，而該收縮受到表層金屬的牽制，且整體無法產(chǎn)生塑性變形，內(nèi)應(yīng)力不會消減，此應(yīng)力留在工件內(nèi)部，最終造成工件表層受壓應(yīng)力，心部受拉應(yīng)力的殘余應(yīng)力狀態(tài)。

2. 殘余應(yīng)力對構(gòu)件的影響

殘余應(yīng)力的存在嚴(yán)重影響工件的加工精度與尺寸穩(wěn)定性。

以2D簡化模型為例，淬火冷卻完成后，沿著中心線的殘余應(yīng)力分布如圖2a所示，在中心區(qū)域為拉應(yīng)力，外部為壓應(yīng)力。當(dāng)沿著中間線進(jìn)行加工時，表層金屬被切除，這時原始的應(yīng)力平衡受到破壞，在殘余應(yīng)力的作用下加工面發(fā)生微小凹陷，同時部分應(yīng)力被釋放，剩余的殘余應(yīng)力重新分配并創(chuàng)造了新的平衡（見圖2b），加工面的凹陷宏觀表現(xiàn)為尺寸精度的降低。

圖1 2D簡化模型淬火過程應(yīng)力演變示意

圖2 殘余應(yīng)力對加工精度的影響

同時殘余應(yīng)力的變化是導(dǎo)致構(gòu)件尺寸不穩(wěn)定的重要原因。尺寸穩(wěn)定性表示材料在熱處理與加工完畢后，在工作環(huán)境條件下，不受外力作用或在低于其彈性極限的應(yīng)力作用下抵抗永久變形的能力。構(gòu)件在儲存及長時間使用過程中會發(fā)生殘余應(yīng)力松弛，使構(gòu)件的尺寸形狀發(fā)生微小變化，從而導(dǎo)致尺寸不穩(wěn)定，而構(gòu)件形變量的大小取決于殘余應(yīng)力值的大小。

3. 鋁合金深冷處理技術(shù)的提出與發(fā)展

使用深冷處理進(jìn)行鋁合金殘余應(yīng)力的控制與消除可追溯到20世紀(jì)30年代，在早期使用中，通常將工件埋在干冰中，之后快速浸入100℃開水，由于當(dāng)時缺乏系統(tǒng)、基礎(chǔ)的研究未能廣泛應(yīng)用。直到20世紀(jì)50年代末，美國鋁業(yè)公司對鋁合金深冷處理技術(shù)開展了深入研究，應(yīng)用了液氮與蒸汽分別作為冷卻與升溫介質(zhì)并進(jìn)行了公開報道，深冷處理技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于航空航天，國防和高精度成像系統(tǒng)中關(guān)鍵部件的殘余應(yīng)力消除。同時，深冷處理技術(shù)經(jīng)常用于具有關(guān)鍵公差的鋁合金部件的生產(chǎn)過程，比如光學(xué)試驗臺等在高精度環(huán)境中工作的組件。在Bodycote熱處理威斯敏斯特加州工廠，采用液氮和沸水對多種鍛鋁進(jìn)行殘余應(yīng)力的消除，該過程作為商業(yè)與軍用、航空等產(chǎn)品的一個特殊的工藝過程。2013年發(fā)布了鋁合金產(chǎn)品的深冷處理標(biāo)準(zhǔn)AMS2767《Uphill quenching of aluminum alloy product》。

國內(nèi)有關(guān)鋁合金深冷處理的研究工作開始于20世紀(jì)90年代末期，開展了很多工藝性研究，已經(jīng)取得了比較重要的研究成果，并在鋁合金工件殘余應(yīng)力消除與尺寸穩(wěn)定化控制方面開展了應(yīng)用，同時對鋁合金深冷處理的微觀機(jī)理也進(jìn)行了一定的研究。

4. 鋁合金深冷處理技術(shù)研究進(jìn)展

從溫度變化與宏觀應(yīng)力的變化趨勢來看，由于深冷處理過程中構(gòu)件的狀態(tài)是從低溫快速升至高溫，與淬火過程相反，也被稱為反淬火，能夠產(chǎn)生與淬火相反的熱應(yīng)力，所以理論上能夠創(chuàng)建一個新的應(yīng)力狀態(tài)或分布，從而實現(xiàn)殘余應(yīng)力的控制與消除。低溫與高溫之間溫度差越大，升溫速度越快，得到的反淬火應(yīng)力越大，殘余應(yīng)力消除的效果越明顯。因此，為了得到更大的溫差，目前深冷處理均采用液氮作為冷卻介質(zhì)，而在升溫介質(zhì)、溫度與使用環(huán)節(jié)方面存在一定差異。

在深冷處理環(huán)節(jié)方面主要分為以下兩種類型（見圖3）：I在淬火后立刻進(jìn)行深冷處理（見圖3a），處理次數(shù)1次或多次，之后進(jìn)行時效強(qiáng)化；II在時效強(qiáng)化后進(jìn)行深冷處理（見圖3b），處理次數(shù)1次或多次。

國內(nèi)外不同研究中所采用的升溫介質(zhì)或設(shè)備差異較大，所得到的殘余應(yīng)力消除效果也存在較大差異，如附表所示。其中采用高壓熱氣流進(jìn)行快速整體升溫時殘余應(yīng)力的消除率可達(dá)86%，但該方法需要設(shè)計制造專用供氣裝置與氣流噴射工裝（見圖4），且對于存在封閉內(nèi)腔等結(jié)構(gòu)產(chǎn)品并不適用。比較容易實現(xiàn)且投入較少的方式為采用開水和空氣爐進(jìn)行加熱，殘余應(yīng)力的消除率分別可達(dá)29%、40.7%；而采用高溫有機(jī)介質(zhì)，相關(guān)研究表明其殘余應(yīng)力的消除率可達(dá)58%，在實際使用過程中，為保證工件表面清潔，需增加清洗工序。

對于深冷處理消除淬火殘余應(yīng)力的效果，相關(guān)研究指出：針對本身殘余應(yīng)力較低的工件，如采用熱水或有機(jī)淬火液進(jìn)行淬火的產(chǎn)品，深冷處理的效果會不太明顯。另外，也有研究結(jié)果表明，在時效強(qiáng)化后進(jìn)行深冷處理（使用環(huán)節(jié)II），雖然殘余應(yīng)力消除率不高，但對于尺寸穩(wěn)定性依然有明顯的積極作用，可以在加工過程中進(jìn)行，用來保證產(chǎn)品尺寸精度。

圖3 深冷處理使用環(huán)節(jié)示意

不同深冷處理方式對不同材料殘余應(yīng)力消除文獻(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計

5. 深冷處理工藝的缺點與不足

（1）價格相對昂貴 與傳統(tǒng)的機(jī)械變形消除應(yīng)力的方法相比，深冷處理過程價格相對昂貴，冷卻過程需要消耗大量的液氮，同時升溫過程需要專用設(shè)備、工裝與介質(zhì)。

（2）產(chǎn)品對象受限 與其他消除殘余應(yīng)力的方法一樣，深冷處理的應(yīng)用同樣受限于產(chǎn)品對象的尺寸結(jié)構(gòu)等因素。比如為達(dá)到最佳應(yīng)力消除效果，需設(shè)計制造專用高壓熱氣流裝置，但對于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大的產(chǎn)品很難實現(xiàn)。

（3）應(yīng)力消除效果受限 前文提到為達(dá)到消除殘余應(yīng)力的最佳效果，應(yīng)在工件固溶后盡快進(jìn)行深冷處理。而實際生產(chǎn)過程中，為了保證工件的尺寸精度，往往需要在固溶后進(jìn)行人工或機(jī)械矯正、尺寸測量等工序，對于深冷處理的效果存在一定影響。

圖4 采用高壓熱氣流與液氮進(jìn)行深冷處理的設(shè)備與工裝

6. 結(jié)語

國內(nèi)外鋁合金深冷處理技術(shù)研究結(jié)果表明：

（1）深冷處理能夠有效減少鋁合金構(gòu)件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，提高尺寸穩(wěn)定性。

（2）在鋁合金構(gòu)件完成固溶處理后盡快進(jìn)行液氮深冷處理，之后快速轉(zhuǎn)移至高溫?zé)釟饬髟O(shè)備中進(jìn)行上坡淬火，在此條件下殘余應(yīng)力消除率最高，采用熱水或循環(huán)空氣電爐進(jìn)行加熱效果次之。

（3）多次冷熱循環(huán)處理的效果普遍優(yōu)于單次上坡淬火處理，一般推薦的次數(shù)為2~3次。

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