深冷處理在航空零件中的應(yīng)用

摘 要：深冷處理作為一種行之有效的熱處理工藝手段，能夠較明顯的改善材料的力學(xué)性能和較大幅度地提高工件使用壽命，在金屬材料領(lǐng)域獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。相對(duì)黑色金屬而言針對(duì)其機(jī)理和工藝研究得較為深入，但針對(duì)材料去除率高、強(qiáng)度高的航空零件而言研究還不夠系統(tǒng)和深入。結(jié)合國(guó)內(nèi)外鋁合金的深冷處理現(xiàn)狀以及相關(guān)機(jī)理研究，主要針對(duì)航空零件提出一種新型深冷處理應(yīng)用方法。

關(guān)鍵詞：航空零件 深冷處理 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TG156.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2013）011-056-02

1 深冷處理技術(shù)的發(fā)展

深冷處理法是將含有殘余應(yīng)力的工件浸入到低溫的液氮中進(jìn)行冷卻，使得工件與周邊介質(zhì)溫度均勻后又迅速對(duì)其加熱，經(jīng)過短時(shí)間內(nèi)冷-熱沖擊效應(yīng)產(chǎn)生與材料內(nèi)部初始應(yīng)力相反方向的熱應(yīng)力，以此將抵消原有的殘余應(yīng)力場(chǎng)。其最大的優(yōu)點(diǎn)在于能夠有效消除殘余應(yīng)力的同時(shí)，可改善工件的強(qiáng)度、硬度及組織穩(wěn)定性，從而提高工件綜合機(jī)械性能。

此項(xiàng)技術(shù)在金屬材料方面應(yīng)用最為廣泛，國(guó)內(nèi)外關(guān)于此研究領(lǐng)域的相關(guān)文獻(xiàn)資料較豐富，但主要集中在黑色金屬（即鋼鐵材料）的深冷處理方面研究上，對(duì)其機(jī)理研究得較為深入，而在有色金屬應(yīng)用方面研究則開展的較少，尤其針對(duì)鋁合金航空零件中應(yīng)用所開展的研究甚少。雖然國(guó)外早在上世紀(jì)七、八十年代就有通過利用深冷處理工藝解決鋁合金航空異構(gòu)件加工時(shí)精度保持性的問題，從而大幅度提高產(chǎn)品成活率，以及采用此工藝措施對(duì)航天飛行器外殼進(jìn)行處理來(lái)大幅度節(jié)約加工成本的研究報(bào)道，但其具體研究結(jié)果和工藝還處于保密階段。而國(guó)內(nèi)有關(guān)鋁合金的深冷處理研究工作較之國(guó)外起步較晚，雖取得些具有結(jié)論性的研究成果，但總體上還是處于研究的初期階段。

2 鋁合金航空零件的深冷處理及機(jī)理研究

深冷處理是將待處理工件浸入特定的、可控的低溫介質(zhì)中，按特定的工藝規(guī)程對(duì)材料進(jìn)行改性處理，使材料的微觀組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，從而達(dá)到提高或改善材料性能的一種新技術(shù)。常規(guī)是以液氮作為冷卻介質(zhì)，依據(jù)所采用冷卻介質(zhì)形態(tài)的異同又可將其分為“液態(tài)法”和“氣態(tài)法”兩種形式，液態(tài)法的弊端在于對(duì)于工件整體表面熱沖擊幅度大，從而導(dǎo)致低溫狀態(tài)下機(jī)械性能較差的工件產(chǎn)生變形和裂痕；而氣態(tài)法是將汽化后液氮注入到工件放置環(huán)境中，其具有冷卻均勻、易于控制的特點(diǎn)，目前應(yīng)用比較廣泛。

根據(jù)已有研究結(jié)果表明，深冷處理對(duì)鋁合金的影響主要有兩個(gè)方面：一方面，深冷處理對(duì)鋁合金有預(yù)時(shí)效的作用，可以提高鋁合金零件的力學(xué)性能；另一方面，深冷處理可消除鋁合金中的殘余應(yīng)力，有效地改善鋁合金零部件工藝尺寸穩(wěn)定性，減少加工變形?，F(xiàn)存的有關(guān)深冷處理對(duì)于鋁合金零件的機(jī)理研究有如下一些觀點(diǎn)：

（1）體積收縮效應(yīng)。

工件經(jīng)深冷處理后可大幅度減少內(nèi)部殘余應(yīng)力，是由于其在驟冷至急熱的過程中，因基材內(nèi)部組織相-相間、取向趨勢(shì)不同的各晶粒之間甚至晶粒內(nèi)部的膨脹系數(shù)不同，由此產(chǎn)生的微觀應(yīng)力與原有的殘余應(yīng)力相疊加。當(dāng)兩者應(yīng)力方向相悖時(shí)，則相互抵消；若彼此同向時(shí)，疊加后使得材料內(nèi)部產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，足以克服材料的屈服強(qiáng)度從而引起工件局部微觀塑性變形，使得內(nèi)部殘余應(yīng)力得以釋放；再者體積收縮導(dǎo)致材料內(nèi)能升高，還可促進(jìn)沉淀相的析出，提高材料的強(qiáng)度。

（2）晶粒偏轉(zhuǎn)效應(yīng)。

通過研究表明：由于體積收縮效應(yīng)，鋁合金材料在深冷處理過程中不僅使得基材內(nèi)部產(chǎn)生了眾多的位錯(cuò)，且使其內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，并在此后的回復(fù)過程中出現(xiàn)了回復(fù)再結(jié)晶，導(dǎo)致晶粒發(fā)生偏轉(zhuǎn)，取向優(yōu)選而形成了再結(jié)晶結(jié)構(gòu)，當(dāng)這種晶粒取向趨勢(shì)利于阻礙位錯(cuò)移動(dòng)時(shí)，材料的強(qiáng)度性能得到改善，但晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)與參與應(yīng)力釋放是否存在關(guān)聯(lián)度尚未可知。

3 深冷處理在航空零件中的應(yīng)用

鋁合金航空零件材料去除量大且要求精度高、強(qiáng)度大，為更好地消除加工殘余應(yīng)力，使其精度保持性最佳。結(jié)合實(shí)際研究工作，從深冷處理主要原理入手尋求一種新型熱處理方式。筆者以7075-T651航空鋁合金構(gòu)件作為研究對(duì)象，主要運(yùn)用數(shù)值模擬手段，輔助于理論分析、實(shí)驗(yàn)研究等方法，采用大型通用非線性有限元軟件ABAQUS對(duì)其深冷處理降低殘余應(yīng)力的過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，深入研究了鋁合金深冷處理過程中溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律。

首先結(jié)合過往研究成果，采取兩種深冷急熱法降低鋁合金殘余應(yīng)力的方法進(jìn)行研究：第一種是首先將試驗(yàn)工件放置于液氮中，使工件驟冷與液氮溫度均勻穩(wěn)定后轉(zhuǎn)移至沸水中進(jìn)行急熱處理，通過“急冷→急熱”形式來(lái)降低航空鋁合金結(jié)構(gòu)件的殘余應(yīng)力，此種方法降溫速率較快，導(dǎo)致熱應(yīng)力過大，容易對(duì)工件組織造成損害且應(yīng)力降低效果不明顯大約僅下降20%左右；第二種是將被處理工件浸入液氮中待其內(nèi)外部溫度穩(wěn)定后移至高壓水蒸氣噴射，通過對(duì)流換熱方式來(lái)降低航空鋁合金零件的殘余應(yīng)力，此方法具有換熱效果好、溫升速率可控且溫度分布均勻特點(diǎn)，殘余應(yīng)力降低效果較理想可達(dá)80%左右。這種方法不足之處在于只適用于形貌結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、規(guī)則的零件，而針對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料去除率高的航空箱體和臺(tái)體類零件而言，就很難使其復(fù)雜表面均勻受到水蒸汽的噴射效果作用，以致容易引起工件局部變形。

影響急熱深冷處理消除應(yīng)力效果的輜重因素是盡量縮短淬火后到深冷處理的間歇時(shí)間，加熱與冷卻的溫差越大，應(yīng)力消除效果越好。筆者對(duì)現(xiàn)有的深冷處理工藝進(jìn)行了一些改進(jìn)，通過冷熱循環(huán)處理消除殘余應(yīng)力，同時(shí)研究了不同溫度、循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)力釋放效果的影響，循環(huán)處理的過程中產(chǎn)生大量的位錯(cuò)與亞晶，增強(qiáng)了組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，提高了強(qiáng)度與韌性，此種高低溫循環(huán)時(shí)效法可使復(fù)雜構(gòu)件能獲得更均勻的深冷急熱效應(yīng)，降低航空鋁合金的殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力可達(dá)到58%。關(guān)于循環(huán)次數(shù)的問題，一般認(rèn)為循環(huán)的次數(shù)越多效果越好，根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)采用多次脈沖方式可最大限度的改善材料的力學(xué)性能，并借鑒文獻(xiàn)資料研究發(fā)現(xiàn)采用3個(gè)循環(huán)高低溫時(shí)效處理獲得效果最佳。7075-T651航空零件一般在半精加工和精加工前安排高低溫循環(huán)時(shí)效工序，采用-60℃保溫3小時(shí)后+130℃保溫2小時(shí)為一個(gè)循環(huán)，一般一次時(shí)效過程為3個(gè)循環(huán)，所使用的設(shè)備為溫度沖擊箱，該種高低溫循環(huán)時(shí)效處理工藝方法在降低復(fù)雜形狀、高精度航空結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力的場(chǎng)合具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)和重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

深冷處理視為傳統(tǒng)熱處理延續(xù)出的一種有效的工藝技術(shù)手段，可通過科學(xué)合理配置工藝處理參數(shù)在不改變?cè)胁牧辖M織成分的基礎(chǔ)上大幅度提高鋁合金航空零件機(jī)械性能，在保證工件使用性能的同時(shí)有效提高材料的利用率，減少生產(chǎn)成本，較之傳統(tǒng)熱處理而言降低了其對(duì)環(huán)境所帶來(lái)的污染。毋庸置疑，深冷處理技術(shù)是一種能充分挖掘材料性能并且潛力巨大的新型材料強(qiáng)韌化工藝，因此有關(guān)深冷處理衍生出的工藝手段研究在有色金屬工業(yè)中的應(yīng)用將具有很廣闊的應(yīng)用前景。

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