鋁合金的時效成形技術

林 鵬，陳俊鋒，鄒林池，陳玉龍

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

在當代飛機制造工業中，整體壁板的廣泛運用可以有效地減輕飛機的重量，還具有工裝效率高、型面靈活易于優化設計、密封性好等突出優點，已經越來越受到當代航空工業所青睞。但是大型整體壁板結構復雜，不僅擁有厚的蒙皮、較高的加強筋，而且大型壁板呈現出整體集成度高、結構網格化等特點導致了整體壁板難于制造。傳統的整體壁板制造技術主要是增量壓彎冷成形。該技術利用專用壓力機構驅動壓頭在整體壁板表面沿著一定的軌跡進行局部塑性變形，通過逐次的變形累積使得整個壁板表面變形至所需要的曲率。由于該成形技術為局部塑性變形會導致工件表面殘余應力高，局部萌生微裂紋，合金內組織變化不均勻，此外該成形技術生產效率低下。為此，歐美等發達國家研發出一種先進的整體壁板制造技術—時效成形技術［1－4］。該整體壁板成形技術將合金的塑性成形與人工時效相結合，利用鋁合金在應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。實踐證明，時效成形技術較傳統的壁板制造技術具有工裝模具簡單、成形精度高和成形質量穩定等優點，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。特別是對于橫截面不均勻的大尺度機翼壁板，時效成形是一種方便經濟的制造方法。

由于時效成形對制造整體壁板的先進性，西方航空工業發達國家很早就針對時效成形技術開展了相關研究，并已應用于一些飛機的整體壁板的加工制造。如B-1B飛機的上下蒙皮、空中客車公司的AirbusA330/A340、Airbus A380等飛機的下翼面整體壁板的制造。甚至歐盟還特意設立了“時效成形”的跨國聯合研究項目，希望拓展該成形技術的運用范圍并研發適合時效成形的鋁合金［4］。但是，目前我國對時效成形具體的變形機制尚未明確，也沒有掌握成形過程中應力場和溫度場對合金組織和性能的影響關系，在基礎工藝試驗方面也缺少系統的研究。

1 時效成形機理

時效成形是一個耦合了應力松弛、蠕變和時效強化的復雜過程［1］。其中時效成形過程中主要發生的是由蠕變引起的應力松弛，將零件內的彈性應變逐漸轉化為永久的塑性應變。圖1描述了單曲率彎曲薄板時效成形過程中應力和應變的變化過程。圖1(a)顯示薄板時效成形過程中應力分布情況，而圖1(b)、1(c)、1(d)則分別給出了時效成形過程中應力松弛曲線、蠕變曲線和應力-應變關系曲線。圖1清楚揭示了時效成形過程中應力松弛現象，而蠕變是其應力松弛的主要變形方式［5－6］。實際生產中工件加工成形后不可避免地會發生回彈。而由于時效成形是一種應力松弛變形，其變形量小，那么時效成形加工結束后工件的回彈是制約工件成形精度的關鍵因素。回彈現象是由于工件的外加載荷被移除后，工件通過回復使得工件內原先的彈性應變消失，這將導致工件在卸載過程中發生附加變形。回彈也是材料尋求內應力相互平衡的過程。當彈性恢復過程結束時，工件內部應力達到相互平衡，此刻工件內的剩余應力即為殘余應力。殘余應力對工件的服役性能有著顯著的影響，主要表現在工件的疲勞和腐蝕性能上。

時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發生的沉淀析出強化。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度。通過改變鋁合金的固溶淬火和時效制度的辦法，從而改變析出相的密度，大小和分布狀態，這樣就可以控制鋁合金的時效強化效果，獲得優異的綜合性能。

圖1 單曲率彎曲時效成形變形機理示意圖［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 時效成形工藝和設備

2.1 時效成形工藝

時效成形過程主要可分為三個階段:1)工件加載貼模階段:即對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變(階段1);2)時效應力松弛階段: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間發生應力松弛，工件內的彈性變形逐漸轉變為塑性變形(階段2);3)卸載回彈階段:保溫結束后，工件冷卻至室溫，然后去除外加約束，讓完成時效成形的工件自由回彈(階段3)。

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

2.2 時效成形設備

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

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

但是現代航空航天工業需要的壁板類零件更加復雜，更加大型化，要求成形的精度也更高。現代大型機翼壁板有如下特征:翼展尺寸較大，弦向尺寸相對穩定，厚度變化較大，曲率較小等特點。使用傳統的機械工裝設備會導致設計制造模具成本高，模具重量化等缺點。隨著時效成形技術的發展，為了滿足現代大型飛機機翼整體壁板的特點而出現了時效成形工藝的專用設備。上世紀八十年代，美國Textron研究所研發出一種時效成形設備—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。在熱壓罐中進行時效成形，只需要一個下模，使得模具簡單化、輕量化。熱壓罐時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保溫一段時間，工件發生應力松弛，將初始彈性變形轉化為永久的塑性變形，與此同時合金在保溫過程中發生時效強化，提高合金的力學性能。保溫結束后，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。在熱壓罐中進行時效成形，能夠保證工件均勻受力，并且可以控制輸出的成形壓力。利用該設備生產出來的大尺寸壁板零件，成形精度高，尺寸穩定性好，表面光潔度高，殘余應力小。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 時效成形的研究現狀

3.1 時效成形的數值模擬

國內外對時效成形過程的數值模擬及成形后工件的回彈預測。傳統的薄板成形熱-機耦合模型或金屬高溫蠕變模型［7－8］都不能準確地模擬時效成形過程，因為它們都沒有考慮高溫下金屬的時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效成形技術，描述了大型鋁合金壁板時效成形過程中的應力松弛現象，研究結果表明時效成形過程合金的應力松弛速率和剩余應力的大小取決于時效溫度和初始應力水平，也受到原始材料組織的影響。1991年，美國Tennessee技術大學教授Sallah和Peddieson［10］第一次用非彈性應力松弛方程來建立熱壓罐中鋁合金時效成形過程應力-應變模型，并用有限元數學方法完整模擬了熱壓罐中的時效成形過程。Peddieson［11］于1992年則根據彈-粘塑性本構模型首次利用有限元法模擬了時效成形過程。模擬結果表明時效成形加工中，時效成形后壁板半徑與試樣厚度比值的對數(ln(Rp/D))和成形模具半徑與試樣厚度比值的對數(ln(Rt/D))是線性相關的。他們還認為熱壓罐中時效成形和機械時效成形的本質是相同的。Narimetla等人［12］于1998年利用薄殼單元更準確地模擬了整體壁板時效成形的過程。在模擬結果的基礎上通過理論推導發現在小應變或等應變的特殊條件下，模具的外形和成形壁板的外形之間存在幾何相似關系。發展到2000年時，Narimetla等人［13］則建立了一個通用的數學模型來模擬時效成形的三個連續階段。通用模型的模擬結果進一步證明了模具-工件之間的幾何相似性，這種相似性能夠適用于大多數的實際的壁板成形情況。Guines等人［14］于2008年在粘塑性方程基礎上結合蠕變的冪率方程利用ABAQUS有限元軟件預測了AA6056鋁合金在20～193℃，初始應變速率10－3/s到10－1/s范圍內時效成形處理后工件的回彈和工件內殘余應力分布，并研究不同邊界條件對回彈和殘余應力分布的影響。以上時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效成形過程中的蠕變或者應力松弛變形行為，而忽略了其中的析出強化，位錯強化現象等。此外以上的研究均未模擬鋁合金在時效成形過程中合金內析出相的形核和長大過程。

由于時效成形是結合了應力松弛和時效強化的熱加工技術，英國伯明翰大學Ho等研究人員［15－16］利用“統一理論”將時效成形過程中的鋁合金蠕變變形和沉淀析出動力學相結合，推導出了一個統一的鋁合金時效-蠕變本構方程，并對鋁合金厚板時效成形進行有限元模擬，準確地預測了時效成形后壁板的回彈量。模擬結果還發現時效成形后壁板的回彈量取決于時效成形過程中工件截面的蠕變密集區域與蠕變稀少區域的比值，推論得到時效成形加工后薄板的回彈率高于厚板的回彈率。利用統一的時效-蠕變本構方程還模擬了時效成形過程中析出相的演變如圖5所示。國內北京航空航天大學的萬敏等人［17］也利用該統一的本構方程對時效成形過程進行了模擬。模擬的結果均顯示回彈量隨著工件曲率變化線性減少，回彈量與時效時間的對數呈線性關系，隨著時效時間延長回彈量減少，殘余應力與板厚無關。

圖5 基于統一理論模擬的鋁合金球面時效成形過程［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 鋁合金時效成形過程組織和性能研究

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

Zhu等人［20－22］用實驗和模擬兩種方法系統地研究了Al-xCu合金單方向應力時效后的微觀組織結構，發現無應力時效后片狀的θ'相多表現為垂直分布，但是應力時效后θ'相出現了定向分布，如圖6所示。他們對Al-xCu合金的研究表明，應力時效的應力位向效應容易使鋁合金材料產生各向異性。因此，壁板時效成形時應根據應力位向效應情況，優化時效成形工藝以避免應力位向效應降低材料的性能。

圖6 不同壓應力狀態下Al-4Cu合金經180℃ ×31 h時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］

國內中南大學陳大欽和鄭子樵等人［23－24］也開展了一些針對時效成形過程中應力時效的研究，但只局限在Al-Cu系合金。他們報道了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)合金在拉應力條件下時效后，合金內的θ'和Ω相均出現了定向分布。利用雙級時效進一步研究應力時效對析出相分布的影響，結果表明:如果雙級時效初期為短時間的應力時效，之后是長時間無應力時效，這種雙級時效不會導致θ'及Ω等析出相定向分布;反之如果雙級時效是先進行短時間無應力時效，再施以長時間應力時效，則產生了析出相定向分布。因此，時效成形過程析出相的定向分布歸因于外加應力對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。由于應力時效會產生應力位向效應，因此許多學者報道了時效成形對合金強度的影響。Bakavos等人［25］也發現時效成形2022合金的強度低于無應力時效后的鋁合金，如圖7所示。時效成形后鋁合金屈服強度顯著降低，主要是由于應力引發的析出相擇優取向及析出相總體積分數降低。

Zhu等人［20］還報道與傳統無應力時效后Al-Cu合金硬度相比，相同溫度下時效成形后Al-Cu合金的硬度較低，最大差值達到14%。Zhu等人認為時效成形后片狀θ'相的定向分布、析出相體積分數的減少和析出相形狀的變化降低了合金的強度。

圖7 2022和7475合金經時效成形和無應力時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 時效成形的未來發展

時效成形技術是一種很有工程應用價值的新技術，已經開始在工業生產中進行應用和推廣。但是在時效成形過程中具體的時效成形機理還沒有統一的認識，應力松弛的回彈不能精確控制。此外，該技術過程中各個實驗因素如時效溫度、保溫時間等對時效過程的影響，成形質量不穩定等問題都制約著該技術的發展。未來鋁合金的時效成形更加注重工件的成形精度和合金性能。這就對時效成形工藝提出更高的要求，真正達到控形和控性的要求。綜上所述，鋁合金時效成形未來發展需要突破的關鍵技術主要集中在以下幾點:

1)時效成形形變曲率柔性模具設計;

2)時效成形過程的數學模擬，精確預測回彈，實現鋁合金工件的精確成形;

3)非等溫時效成形工藝，實現成形后鋁合金組織的控制和性能的提高;

4)開發新型的適合時效成形的鋁合金。

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