[發明專利]一種基于熱壓罐的可時效強化鋁合金整體壁板一次成型方法

有效

• 申請號: 201310711973.1
• 申請日: 2013-12-20
• 公開（公告）號: CN103691793A
• 公開（公告）日: 2014-04-02
• 發明（設計）人: 鄧運來;吳波;蔣裕;張勁;王洋;郭曉斌;李紅萍;張新明
• 申請（專利權）人: 中南大學;中國商用飛機有限責任公司上海飛機設計研究院
• 主分類號: B21D26/031
• 分類號: B21D26/031;C22F1/04
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所 43114
• 代理人: 歐陽迪奇

技術領域

本發明涉及有色金屬材料加工工程技術領域，特別涉及一種適用于制造具有大曲率外形或復雜的變曲率形面的可時效強化鋁合金壁板類構件的基于熱壓罐的可時效強化鋁合金整體壁板一次成型方法。

背景技術

整體結構壁板因其減輕重量、降低生產成本與裝配工作量等優勢而廣泛應用于航空航天與交通運輸等制造行業中。蠕變時效成形就是針對這種大型整體壁板而發展起來的一種制造方法，其結合了金屬蠕變和鋁合金時效強化特性，利用時效溫度進行蠕變變形，具有安全性和可重復性且能夠實現壁板零件的一次成型。蠕變時效成形因為成形應力低（彈性范圍），因而殘余應力水平低，可減小裂紋產生幾率、改善耐疲勞和抗應力腐蝕能力。但這種較低的成形應力同時也限制了這種方法的成形能力，在鋁合金常用的時效制度下其蠕變量一般低于1%。而實際的航空航天整體壁板構件，如機翼壁板、飛機艙門等整體壁板構件中往往具有復雜的變曲率形面或大曲率外形，這些構件很難用蠕變時效實現一次成型，削弱了蠕變時效技術在生產成本與周期方面的優勢。此外，目前已有不少文獻報道指出，不同的蠕變應力或模具形面會影響蠕變時效成形件的材料性能。這導致曲率變化較大的構件在蠕變時效成形后會出現性能不均勻，影響構件的使用壽命。可見，上述蠕變時效一次成型在構件形面與性能方面的缺點亟需改進，否則難以突破整體壁板蠕變成形制造的發展瓶頸。

發明內容

本發明的目的在于提供一種可用于具有大曲率外形或復雜的變曲率形面的可時效強化鋁合金整體壁板類構件的一次成型方法，在保證成形的同時獲得均勻的材料性能，并有效地控制成形件的殘余應力在50MPa以內。

本發明的目的通過以下方法實現：一種基于熱壓罐的可時效強化鋁合金整體壁板一次成型方法，包括以下步驟：首先將鋁合金板坯固定在成形模具上，然后真空封閉并置入熱壓罐內，成型模具的形面包括大曲率范圍形面、小曲率范圍形面和中間曲率范圍形面中的至少兩種，板坯在置入熱壓罐后，對板坯施加鋁合金時效所需溫度與構件貼模所需壓力，板坯發生塑性變形后，保持溫度不變，減小壓力至蠕變時效所需壓力然后保持直至時效結束。

所述的方法，板坯總厚度為1～50mm，板坯類型為無筋結構或帶筋結構。

所述的方法，成形模具的形面的曲率范圍由模具形面曲率相同部位的半徑R與相應位置的板材厚度t的比值R/t確定，0<R/t<kE_t/σ_st為大曲率范圍，R/t>kE_p/σ_sp為小曲率范圍，kE_t/σ_st<R/t<kE_p/σ_sp為中間曲率范圍，其中，k為與材料及板坯總厚度相關的常數，范圍為0.3～0.8，可通過等厚度的小樣件成形試驗確定；E_t為拉伸彈性模量，E_p為壓縮彈性模量，σ_st為材料固溶態拉伸屈服強度，σ_sp為材料固溶態壓縮屈服強度。

所述的方法，所述的大曲率范圍內的構件部位，材料成形為塑性變形，模具半徑范圍為0.8R^*～R^*，其中R^*為目標半徑。

所述的方法，所述的小曲率范圍內的構件部位，材料成形為蠕變成形，模具半徑范圍為0.2R^*～0.5R^*，其中R^*為目標半徑。

所述的方法，所述的小曲率范圍內的構件部位，材料成形為蠕變和塑性變形共同作用，模具半徑范圍為0.5R^*～0.8R^*，其中R^*為目標半徑。

所述的方法，熱壓罐內提供的時效溫度為100～200℃。

所述的方法，所述的構件貼模所需壓力為5～20Bar，保溫時間為0.5～2h。

所述的方法，所述的蠕變時效所需壓力為1～5Bar，保溫時間為5～30h。

本發明在結構設計中有以下考慮：對于復雜的變曲率形面構件，首先在大曲率部位發生塑性變形，從而釋放了該部位的內應力。為第二步蠕變成形階段提供了較均勻的內應力狀態，形成近似的等蠕變量成形，可消除內應力引起的性能差異，提高構件整體性能均勻性。對于簡單的大曲率形面構件，采用這種塑變與蠕變同時進行的方式，可以明顯降低回彈量，提高成形精度。