大型鋁合金模鍛件殘余應(yīng)力控制

門正興 陳曉雷 岳太文 馬亞鑫

(1.成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空制造工程系， 四川610021；2.河北德林機(jī)械有限公司，河北051130)

?

大型鋁合金模鍛件殘余應(yīng)力控制

門正興1陳曉雷2岳太文1馬亞鑫1

(1.成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空制造工程系， 四川610021；2.河北德林機(jī)械有限公司，河北051130)

殘余應(yīng)力直接影響大型鋁合金模鍛件尺寸穩(wěn)定性、使用安全性、疲勞強(qiáng)度等參數(shù)，是大型鋁合金模鍛件精密成形的主要瓶頸之一。本文根據(jù)大型鋁合金模鍛件成形特點(diǎn)，從殘余應(yīng)力對零件的主要影響、產(chǎn)生原因、測量及評價方法、消減方法等方面對大型鋁合金模鍛件殘余應(yīng)力控制技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了分析總結(jié)。

鋁合金模鍛件；殘余應(yīng)力；應(yīng)力消減

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件整體化使得飛機(jī)機(jī)體重量大幅下降，零件數(shù)量大大減少，生產(chǎn)和裝配周期縮短，機(jī)身壽命和可靠性提高，成為飛機(jī)結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)的重要發(fā)展趨勢[1]。大型鋁合金模鍛具有材料利用率高、內(nèi)部缺陷少、力學(xué)性能優(yōu)越等特點(diǎn)，是大型復(fù)雜飛機(jī)結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)的主要手段之一，但目前我國大型鋁合金精密模鍛成形的道路還任重道遠(yuǎn)，主要的原因有：1)大型鋁合金模鍛件淬火殘余應(yīng)力大，導(dǎo)致后續(xù)機(jī)械加工過程中發(fā)生大變形以及使用過程中的尺寸不穩(wěn)定，只有增大加工余量才能保證零件精加工要求；2)普通模鍛方法難以成形高筋薄壁類大型鍛件，必須加大鍛造工藝余量，使得成形載荷急劇增大。以上問題導(dǎo)致的最終結(jié)果是我國大型鋁合金模鍛件材料利用率低、成形載荷大、生產(chǎn)周期長。殘余應(yīng)力分析及其消減技術(shù)的研究對大型零件模鍛精密成形至關(guān)重要，是我國高端制造業(yè)發(fā)展必須攻克的難關(guān)，成為航空整體結(jié)構(gòu)件制造的一個重要研究課題。

1 大型鋁合金模鍛件殘余應(yīng)力影響

(1)在后續(xù)的冷加工過程中，較大的殘余應(yīng)力會導(dǎo)致大型鋁合金模鍛件由于去除部分的殘余應(yīng)力釋放而變形嚴(yán)重，因此不得不增大加工余量并不斷校形[2]。

(2)冷加工完畢后的大型鋁合金模鍛件如果內(nèi)部殘余應(yīng)力較大，在放置過程或使用過程中會由于材料蠕變現(xiàn)象發(fā)生較大尺寸變化。

(3)鋁合金鍛件內(nèi)部殘余應(yīng)力與使用過程應(yīng)力場疊加后使得零件實(shí)際應(yīng)力增大的情況下，材料的疲勞壽命縮短，抗腐蝕性能明顯下降，嚴(yán)重的會導(dǎo)致零件在許用應(yīng)力情況下發(fā)生應(yīng)力開裂，零件可靠性下降。

(4)鋁合金鍛件內(nèi)部殘余應(yīng)力與使用過程應(yīng)力場疊加后使得零件實(shí)際應(yīng)力減小的情況下，材料的疲勞壽命、抗腐蝕性能、零件可靠性等參數(shù)都明顯提高。

2 大型鋁合金模鍛件殘余應(yīng)力產(chǎn)生原因

普遍認(rèn)為，零件內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力的根本原因是材料在變形或熱處理過程中所產(chǎn)生的部分彈性應(yīng)變(稱為殘余彈性應(yīng)變)無法恢復(fù)[3]。對于鋁合金材料來說，產(chǎn)生殘余應(yīng)力的主要原因有：1)不均勻溫度場；2)不均勻塑性變形。大型鋁合金模鍛件一般成形工藝為：棒材或板料→下料→制坯→模鍛→固溶處理→人工時效→機(jī)加工，在此過程中可能產(chǎn)生內(nèi)部殘余應(yīng)力的過程有：

2.1 大型鋁合金模鍛件毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力

大型鋁合金模鍛件毛坯一般為鋁合金厚板或大型自由鍛件，其成形及熱處理過程都會使鋁合金毛坯中存在較大的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力主要來源為在淬火過程中的表層與心部冷卻速度巨大差異，殘余應(yīng)力狀態(tài)一般為為外拉內(nèi)壓。鋁合金厚板一般采用大型張力拉伸機(jī)對其進(jìn)行小變形拉伸處理來消減殘余應(yīng)力。普遍認(rèn)為，鋁合金毛坯殘余應(yīng)力對大型鋁合金模鍛件最終殘余應(yīng)力分布影響較小，但較大的殘余應(yīng)力會導(dǎo)致厚板使用和成形性能出現(xiàn)較大波動[4]，因此在成形前應(yīng)對毛坯殘余應(yīng)力進(jìn)行測量，作為評價原材料性能的重要指標(biāo)。

2.2 鍛造成形過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力

鋁合金模鍛過程中的大變形及不均勻塑性變形都會導(dǎo)致鍛件內(nèi)產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力，其殘余應(yīng)力的分布比較復(fù)雜。不均勻變形還會導(dǎo)致材料力學(xué)性能和熱參數(shù)的變化，從而進(jìn)一步引起鍛件內(nèi)部的殘余應(yīng)力。但是，大型鋁合金鍛件成形一般在高溫下進(jìn)行，而每火次的加熱溫度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了材料的再結(jié)晶溫度，因此目前普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為，大型鍛件最終殘余應(yīng)力與大型鍛件的熱成形無關(guān)或影響非常小。此觀點(diǎn)沒有考慮鍛件組織不均勻、鍛件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等等問題。

2.3 熱處理過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力

大型鋁合金模鍛件的基本熱處理方法為固溶處理+時效，其中淬火過程對零件殘余應(yīng)力影響最大，是目前公認(rèn)的大型鋁合金模鍛件殘余應(yīng)力主要來源，而時效處理對鍛件內(nèi)殘余應(yīng)力有緩解作用。淬火過程殘余應(yīng)力確定較為困難，主要的原因有：

(1)淬火過程鍛件溫差大，時間短，過程參數(shù)較多；

(2)大型鋁合金鍛件多為框梁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同區(qū)域熱交換系數(shù)不同；

(3)淬火過程中，如果熱應(yīng)力超過材料屈服極限則發(fā)生淬火塑性變形，如果小于材料屈服極限則產(chǎn)生殘余應(yīng)力，因此淬火變形和淬火殘余應(yīng)力應(yīng)共同考慮；

(4)為防止鍛件在淬火過程中發(fā)生較大變形，復(fù)雜鍛件常常使用專用夾具，而夾具也會使得殘余應(yīng)力大小及分布產(chǎn)生影響，使得淬火殘余應(yīng)力更加復(fù)雜。

淬火后的大型鋁合金模鍛件，零件表面為殘余壓應(yīng)力，芯部為殘余拉應(yīng)力，殘余壓應(yīng)力主要集中在筋板表面，而殘余拉應(yīng)力集中于筋板與腹板交匯處[4]。因此，對于大型鋁合金模鍛件而言，消減筋板與腹板交匯處的殘余拉應(yīng)力是殘余應(yīng)力控制的主要目標(biāo)。

3 大型鋁合金模鍛件殘余應(yīng)力測試及評估

殘余應(yīng)力測試方法可分為有損檢測與無損檢測兩大類。無損檢測法主要有X射線衍射法、中子衍射法等，其原理是以多晶體材料內(nèi)部彈性變形引起的晶粒間距相對于無應(yīng)力狀態(tài)時的變化量進(jìn)行應(yīng)力測定[5]，該方法受測試零件尺寸限制，無法直接用于大型鋁合金模鍛件的殘余應(yīng)力檢測。有損檢測方法是利用機(jī)械加工將被測元件一部分去除，造成部分殘余應(yīng)力釋放，然后通過測定相應(yīng)的位移、應(yīng)變等推算原始的殘余應(yīng)力。有損檢測法主要有鉆孔法、環(huán)芯法、剝層法、裂紋柔度法等，目前應(yīng)用最多的是鉆孔法和環(huán)芯法。當(dāng)前，所有的殘余應(yīng)力測試方法都只能分析零件表面殘余應(yīng)力，沒有公認(rèn)的無損檢測方法對零件內(nèi)部殘余應(yīng)力進(jìn)行測定，使得對零件內(nèi)部殘余應(yīng)力分布以及各種殘余應(yīng)力消減方法的實(shí)際效果難以客觀評價，是殘余應(yīng)力研究領(lǐng)域的主要瓶頸之一。

對殘余應(yīng)力的評價方法目前主要有以下兩種：

(1)殘余應(yīng)力幅度。零件中最大殘余應(yīng)力與最小殘余應(yīng)力的差值；

(2)殘余應(yīng)變能密度。零件單位面積內(nèi)貯存的彈性能，當(dāng)殘余應(yīng)變能密度小于1 kJ/m3時，零件在后續(xù)冷加工過程中基本不發(fā)生加工變形[6]。

4 大型鋁合金鍛件殘余應(yīng)力控制方法

目前，一般認(rèn)為大型鋁合金模鍛件中殘余應(yīng)力主要為淬火殘余應(yīng)力，消減殘余應(yīng)力的主要思路有：1)在沒有外力作用下，鍛件內(nèi)部部分殘余應(yīng)力因發(fā)生應(yīng)力松馳而逐步消減，主要方法為時效處理；2)引入外加應(yīng)力場與原有殘余應(yīng)力場疊加，使得部分殘余應(yīng)力轉(zhuǎn)化為塑性變形，主要方法有深冷處理、模壓法、振動法等。

4.1 時效處理

時效處理是將淬火后的鍛件置于一定溫度保溫一段時間，其部分殘余應(yīng)力因材料發(fā)生應(yīng)力松馳而消減[7]，從而使得零件內(nèi)殘余應(yīng)力值降低或者分布發(fā)生變化。目前主要時效方法包括自然時效、一級時效、兩級時效以及多級時效。

4.2 深冷處理

深冷處理是指將鍛件浸入液氮中深冷后，再用熱蒸汽快速噴射，通過這種急熱與急冷產(chǎn)生方向相反的熱應(yīng)力，從而抵消原來的殘余應(yīng)力場。在選擇合適的工藝參數(shù)條件下，深冷處理可降低20%～40%的殘余應(yīng)力[8]。深冷處理方法最大的問題是需要專門的設(shè)備和場地，最大的優(yōu)點(diǎn)是在消除殘余應(yīng)力的同時，材料的其他力學(xué)性能指標(biāo)也會有所提高。

4.3 模壓法

模壓法是對大型模鍛件筋板處進(jìn)行限量冷壓縮變形(1%～3%)，使變形應(yīng)力場與鍛件原有殘余應(yīng)力場疊加，部分殘余應(yīng)力因發(fā)生塑性變形而得以緩和或釋放，從而使得鍛件內(nèi)殘余應(yīng)力值降低或者分布發(fā)生變化，該方法的難點(diǎn)在于模壓變形量以及模壓精確控制[9]。

4.4 振動法

振動法的基本原理是采用強(qiáng)力激振器使零件內(nèi)部產(chǎn)生一個或多個振動狀態(tài)，當(dāng)零件內(nèi)某些部位的殘余應(yīng)力與振動載荷疊加后超過材料的屈服應(yīng)力則發(fā)生塑性應(yīng)變，從而引起內(nèi)應(yīng)力的降低和重新分布[10]。振動消除應(yīng)力技術(shù)具有高效節(jié)能、低成本、工藝簡單、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)，非常適合于鋁合金大型結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)。由于振動法消減殘余應(yīng)力的機(jī)理還不太明確，在實(shí)際操作中也有許多具休的技術(shù)問題只能依靠經(jīng)驗(yàn)，如工件支承、激振點(diǎn)位置、動應(yīng)力選擇、共振頻率等。

根據(jù)大型鋁合金模鍛件殘余應(yīng)力消減相關(guān)文獻(xiàn)可知，單一殘余應(yīng)力消減方法對大型鋁合金模鍛件殘余應(yīng)力控制能力有限，且都有很大的局限性，因此需要在準(zhǔn)確預(yù)測的基礎(chǔ)上綜合運(yùn)用。

5 結(jié)論

殘余應(yīng)力控制作為鋁合金大型模鍛件精密成形的重要步驟越來越受到重視，通過對鋁合金大型模鍛件成形過程中殘余應(yīng)力產(chǎn)生、檢測以及消減方法進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下：

(1)鋁合金大型模鍛件中較大的殘余應(yīng)力會引起后續(xù)冷機(jī)加工過程變形，材料的疲勞壽命縮短，抗腐蝕性能明顯下降，零件可靠性下降等問題。

(2)鋁合金大型模鍛件殘余應(yīng)力主要由淬火過程產(chǎn)生，消減筋板與腹板交匯處的殘余拉應(yīng)力是殘余應(yīng)力控制的主要目標(biāo)。

(3)當(dāng)前，沒有公認(rèn)的無損檢測方法對零件內(nèi)部殘余應(yīng)力進(jìn)行測定，使得對零件內(nèi)部殘余應(yīng)力分布以及各種殘余應(yīng)力消減方法的實(shí)際效果難以客觀評價。

(4)時效處理、深冷處理、模壓法、振動法等殘余應(yīng)力消減方法在大型鋁合金模鍛件領(lǐng)域都有應(yīng)用，單一方法控制能力有限，應(yīng)在準(zhǔn)確掌握鍛件內(nèi)部殘余應(yīng)力分布的前提下綜合運(yùn)用。

[1] 劉兵，彭超群，王日初，等.大飛機(jī)用鋁合金的研究現(xiàn)狀及展望[J].中國有色金屬學(xué)報(bào)，2010，20(9)：1705-1715.

[2] 王秋成.航空鋁合金殘余應(yīng)力消除及評估技術(shù)研究[D]. 杭州：浙江大學(xué), 2003.

[3] 曹江. 2 A 0 2高強(qiáng)度鋁合金熱加工殘余應(yīng)力研究及其數(shù)值模擬[D].成都：西南石油大學(xué)，2014.

[4] 胡少虬.7075鋁合金厚板淬火殘余應(yīng)力的數(shù)值分析[D]. 長沙：中南大學(xué)，2004.

[5] 李達(dá). 2024 鋁合金板材彎曲鐓厚熱沖鍛過程殘余應(yīng)力的研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2013.

[6] 王少輝，易幼平，黃始全，等.大型鋁合金框梁結(jié)構(gòu)航空模鍛件淬火殘余應(yīng)力分析[J]. 宇航材料工藝， 2011(4): 85-88.

[7] 王巖，彭桃，張麥倉.時效熱處理消減 2A02 鋁合金淬火殘余應(yīng)力的微觀機(jī)理[J]. 材料熱處理學(xué)報(bào)，2015(6):65-70.

[8] 王秋成，柯映林.深冷處理消除7050鋁合金殘余應(yīng)力的研究[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2003，37(6)：748-751.

[9] 代偉,易幼平,崔金棟.冷壓縮法消減 7A85 鋁合金鍛件淬火殘余應(yīng)力研究[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，46(5)：1609-1614.

[10] 李亞非，狄歐.振動時效去除鋁合金鍛件殘余應(yīng)力效果的研究[J].熱加工工藝，2015，44(24)：222-225.

編輯 杜青泉

Controlling of Residual Stress for Heavy Aluminum Alloy Die Forging

Men Zhengxing, Chen Xiaolei, Yue Taiwen, Ma Yaxin

The residual stress, which could directly influence the parameters of heavy aluminum alloy die forging, such as the dimensional stability, the use security and the fatigue strength etc., is one of the main problems for precision forming of heavy aluminum alloy die forgings. Based on the forming characteristics of heavy aluminum alloy die forgings, the development of residual stress controlling technology for heavy aluminum alloy die forging has been analyzed and summarized in the aspects of the main influence on workpieces, the causes, the measuring and evaluating method and the relief method etc.

aluminum alloy die forging; residual stress; stress relief

2016—03—15

門正興(1980—)，男，副教授，高級工程師，博士，主要研究方向：大型鍛件成形工藝優(yōu)化及內(nèi)部組織預(yù)測、大型環(huán)件軋制工藝研究、成形及熱處理過程殘余應(yīng)力分析及預(yù)測。

TG316

A