[发明专利]一种高强铝合金薄壳超低温成形过程性能调控方法

说明书

本发明公开一种高强铝合金薄壳超低温成形过程性能调控方法，涉及金属板材成形技术领域。铝合金板材在超低温条件下成形性能大幅提高，通过超低温冷却介质将铝合金板材冷却至超低温成形，可利用超低温弥补因变形不足而导致的强化不足，避免增加变形容易引起开裂的问题；本发明根据曲面件变形规律分区冷却板坯，通过控制成形时板材温度分布，促进小变形区的亚结构形成，改善后续时效强化效果，提高组织性能一致性，可有效解决铝合金曲面件因变形不均导致组织性能一致性差的问题；本发明利用冷气直接冷却板坯，还避免了大尺寸和复杂型面模具冷却的问题。

技术领域

本发明涉及金属板材成形技术领域，特别是涉及一种高强铝合金薄壳超低温成形过程性能调控方法。

背景技术

高强铝合金(2000系、7000系、Al-Li等热处理强化铝合金)因具有高比强度、刚度和优异的耐腐蚀性能，被广泛应用于航空、航天领域的主体结构。蒙皮类薄壳(如飞机舱体、火箭贮箱壳体等)是航空航天飞行器的关键结构，既是气动外形的重要部件，也是主要承力结构件。为满足新一代飞行器轻量化和高可靠发展需求，铝合金蒙皮类薄壳的力学性能要求也越来越高。

形状精度与力学性能难以兼顾是高强铝合金薄壳制造难题。热处理强化铝合金需要经过固溶和时效处理才能达到所要求的高强度，但是固溶时效态(硬态)，强度提高、而塑性大幅降低，易发生开裂缺陷，无法成形复杂薄壳件。如果在退火态(软态)下成形出复杂薄壳件，再固溶处理，会造成很大的形状畸变。因此，目前铝合金薄壳的制造技术路线为固溶处理(半硬态)-快速转移-成形-人工时效。现有的铝合金薄壳成形方法主要采用拉形和拉深成形两类工艺。以拉形为例，其工艺过程是通过夹钳施加拉力，使得板坯逐渐贴合模具，成形为所需形状构件，适用于航天航空领域的大尺寸、小曲率铝合金薄壳成形。但由于铝合金薄壳往往形状非对称，板坯逐渐贴靠模具过程中会发生不均匀变形，且尺寸较大区域变形大、尺寸较小区域变形相对较小，受摩擦和接触顺序影响，先贴模区域变形也会相对较小。

高强铝合金需要在时效前施加预变形来进一促进强化相弥散析出，以获得最高的强化效果。这个技术路线的关键是要控制变形量及分布。由于成形过程的变形不均匀，不可避免地会导致薄壳时效后组织性能一致性差的问题，即变形较小的区域强化不足、变形较大的区域强度相对较高。如果变形过大还容易导致过时效，造成变形较大区域性能降低。为了提高变形较小区域的强化程度，通常会通过优化坯料或改变加载路径来增加强化不足区域的变形程度，但会引起大变形区或传力区变形增大，甚至发生开裂缺陷。

综上所述，现有技术路线难以解决此类铝合金蒙皮类薄壳成形组织性能一致性差的难题。经研究发现，铝合金在超低温条件下的变形机制发生改变，因多系滑移开动，相同变形程度的低温变形比常温变形将在晶粒内部形成更多的位错组织，亚结构密度提高，有利于促进后续时效强化效果。因此，如何提供一种可以同时调控高强铝合金薄壳性能的技术路线，是本发明亟待解决的一个问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种高强铝合金薄壳超低温成形过程性能调控方法，利用铝合金在超低温条件下成形时亚结构密度增大的特性，通过控制成形时板材温度分布，促进小变形区的亚结构形成，改善后续时效强化效果，提高组织性能一致性，以解决铝合金薄壳因变形不均导致组织性能差的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种高强铝合金薄壳超低温成形过程性能调控方法，主要包括如下步骤：

步骤一：将型面模具冷却至低于150K的超低温；

步骤二：将待成形的铝合金板材装夹于夹钳；

步骤三：将所述铝合金板材向下移动，与所述型面模具贴靠，待临近贴模区域所述铝合金板材冷却至低于150K，继续拉伸所述铝合金板材直至成形出所需形状曲面件；

步骤四：松开夹钳，取出曲面件后进行时效处理，完成铝合金曲面件组织性能调控。