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CN115156287B - 高性能铝合金带筋壁板轧挤复合-蠕变时效成形制造方法 - Google Patents

高性能铝合金带筋壁板轧挤复合-蠕变时效成形制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了高性能铝合金带筋壁板轧挤复合‑蠕变时效成形制造方法，包括以下步骤：将铝合金进行固溶处理、水淬，得到淬火态的铝合金板材；将淬火态的铝合金板材在室温下沿原始轧制方向进行轧制，得到带筋壁板；其中，轧制是采用冷轧机进行的，冷轧机的上轧辊的外圆周面环设有凹槽；将带筋壁板放置在模具中进行蠕变时效成形处理，获得高性能整体式带筋壁板。本发明通过将上轧辊设计为带凹槽的轧辊结构，再将固溶淬火后的铝合金进行单道次或多道次的冷轧，获得高位错密度的整体式铝合金带筋壁板，再将冷轧获得的带筋壁板进行蠕变时效成形处理，从而实现高性能带筋壁板的一体化成形，且具有材料利用率高、能耗低和产品的综合性能大幅度提升的优点。

Description

高性能铝合金带筋壁板轧挤复合-蠕变时效成形制造方法
技术领域
本发明涉及有色金属材料加工工程技术领域，具体涉及一种高性能铝合金带筋壁板轧挤复合-蠕变时效成形制造方法。
背景技术
由于工业科技的高速发展，对于现代化的高端制造业的要求更高，在航天航空领域更是如此，为提高飞机的气动性能和整体性，以及高速、高机动性能，大部分零部件被设计成整体带筋结构，又由于铝合金具有密度小，比强度大，耐腐蚀性优良且易于加工成型的优点，所以高强铝合金大型加筋壁板构件在航空航天运输装备应用较多，其高品质制备技术是航空交通运载装备制造优先发展技术之一。
但是由于带筋壁板构件性能要求严格、成形精度要求高，结构较复杂，所以制造起来非常困难。目前带筋壁板的制造通常是将蒙皮和纵向、横向加强筋条靠铆接、胶接或点焊装配而成，但是这种装配式壁板的刚度、强度、密封性都较差。而整体带筋壁板构件就可以很好的克服这一系列的问题，并且整体式带筋壁板还可以减少构件所含零件及螺栓、铆钉等紧固件的数量，降低机体部件的重量，提高气动表面与外形的装配质量。但是现在整体带筋壁板的一体化成形工艺还有存在以下不足：
(1)厚板铣削制造工艺存在机械加工量大，材料利用率低，制造成本高的缺点，从而难以满足高效快速制造的要求；
(2)挤压成形相对来说成形精度较高，但是这种生产方式也存在挤压难度大，易失稳的缺点，并且加工大型带筋壁板构件较为困难，导致应用受限；
(3)传统轧制工艺尽管生产成本低，操作简单，但是轧制构件多为结构简单的平板构架，对于带筋薄壁板这种形状复杂的构件制造还需要进一步探索。
因此急需一种满足高性能、低成本等制造要求的高强铝合金带筋壁板的成形方法，以期获得优良的成形构件应用于航天航空装备。
发明内容
鉴于目前存在的上述不足，本发明提供一种高性能铝合金带筋壁板轧挤复合-蠕变时效成形制造方法，本发明通过将上轧辊设计为带凹槽的轧辊结构，然后将固溶淬火后的铝合金板材进行单道次或多道次的冷轧，获得高位错密度的整体式铝合金带筋壁板，然后将冷轧获得的带筋壁板进行蠕变时效成形处理，从而实现高性能带筋壁板的一体化成形，该方法利用冷轧和蠕变时效成形工艺获得高性能的铝合金整体式带筋壁板，材料利用率高，能耗低，产品的综合性能大幅度提升。
为了达到上述目的，本发明提供一种高性能铝合金带筋壁板轧挤复合-蠕变时效成形制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将铝合金板材进行固溶处理后，水淬，得到淬火态的铝合金板材；
步骤二：将淬火态的铝合金板材在室温下沿原始轧制方向进行轧制，得到带筋壁板；其中，所述轧制是采用冷轧机进行的，所述冷轧机的上轧辊的外圆周面环设有凹槽；
步骤三：将带筋壁板放置在模具中进行蠕变时效成形处理，获得高性能整体式带筋壁板。
依照本发明的一个方面，所述上轧辊的凹槽通过机械加工制成，或通过轴承将多个分轧辊连接而成。
依照本发明的一个方面，所述分轧辊的轴向距离为5-20mm。
依照本发明的一个方面，所述凹槽的深度为5-30mm，所述凹槽的宽度为5-20mm。
依照本发明的一个方面，所述铝合金板材的厚度为10-30mm，所述带筋壁板包括壁板和筋条，所述壁板的下压量为铝合金板材厚度的60-80％。
依照本发明的一个方面，所述轧制为多道次轧制。
依照本发明的一个方面，所述步骤一中的固溶温度为400-600℃，固溶时间为0.5-3h。
依照本发明的一个方面，所述步骤三的蠕变时效成形处理的温度为100-200℃，处理时间为4-16h，蠕变应力为50-300Mpa。
依照本发明的一个方面，所述铝合金板材为时效硬化型铝合金。
依照本发明的一个方面，所述时效硬化型铝合金包括铝锂合金、2xxx系、6xxx系和7xxx系。
本发明的有益效果：
(1)本申请利用带凹槽的上轧辊进行轧制，使铝合金板材在轧辊的挤压状态下向凹槽进行流动填充，从而加工出筋条，实现高位错密度带筋壁板的一体式加工，在将铝合金板材减薄为壁板的同时加工出筋条，大大简化构件的加工流程，提高生产效率；
(2)本申请通过室温进行冷轧从而获得高位错密度的整体带筋壁板，不仅大大提高了壁板在后续蠕变时效成形处理中的蠕变量，减小蠕变时效成形卸载后的回弹，降低蠕变时效成形工艺中模具设计难度，并且相对热轧工艺，此工艺带筋壁板的性能有了明显的提升；
(3)本申请中带凹槽上轧辊设计有两种方案，其中分轧辊轧制可以根据实际生产的需求对轧辊进行组装，便于调节筋条的宽度等，大大提高生产效率；
(4)本申请利用轧挤复合-蠕变时效成形制造，利用冷轧工艺实现带筋壁板的一体式加工，并且结合蠕变时效成形处理，获得尺寸精度高、残余应力小的带筋壁板，缩短了整体式带筋壁板的生产周期。
相对于传统的铝合金板材轧制完进行筋条的铆接，以及厚板铣削出带筋壁板的工艺而言，铝合金带凹槽冷轧工艺材料利用率较高，成本较低，可以实现复杂带筋薄壁板的一次轧制成形且成形精度高，稳定性好，并且相比于热轧获得的壁板，冷轧工艺可以获得的更高位错密度的整体式带筋壁板，从而大大提高蠕变时效成形的蠕变量以及带筋壁板的综合性能，具有重要的应用价值。
附图说明
图1为实施例1-2、对比例1-4的带筋壁板的蠕变量的曲线对比图；
图2为本申请轧制过程的示意图；
图3为本申请的两种结构的上轧辊凹槽结构示意图；
图4为本申请将冷轧获得的高位错密度带筋壁板进行蠕变时效成形处理前后的示意图。
附图说明：1、淬火态的铝合金板材；2、上轧辊；3、下轧辊；4、带筋壁板；5、凹槽；6、模具；7、高性能整体式带筋壁板；8、筋条；21、轴承；22、分轧辊。
具体实施方式
为使本发明更加容易理解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另有定义，下文所用专业术语和本领域专业技术人员所理解的含义一致；除非特殊说明，本文所涉及的原料均可从市场购买，或通过公知的方法制得。
本发明是一种通过带凹槽5的上轧辊2对铝合金板材进行轧挤复合-蠕变时效成形制备高性能整体式带筋壁板的工艺方法，其轧制过程如图2所示，主要包括淬火态的铝合金板材1，带凹槽5的上轧辊2，下轧辊3，带筋板材4，将固溶淬火处理后的淬火态的铝合金板材1在室温下沿原始轧制方向进行轧制，得到筋条8与壁板一体连接的带筋壁板4；上轧辊2的凹槽5结构主要有两种设计方法，图3中的右图是在上轧辊2上机械加工出所需尺寸的凹槽5，图3中的左图是通过多个分轧辊22利用轴承21连接，从而产生凹槽5结构；然后将冷轧获得的高位错密度的带筋壁板4进行蠕变时效成形处理，具体如图4所示，其中，图4中的左图为冷轧后的带筋壁板4进行蠕变时效成形前的示意图；图4中的右图为冷轧后的带筋壁板4进行蠕变时效后的成形示意图。
本发明的实施例和对比例所用铝合金的尺寸均为300mm×300mm，厚度为10mm。轧制使用的轧机为冷轧机进行分轧辊轧制，轧制力为1800KN，轧制速度为7rpm/min，电机功率为185W，冷轧后带筋壁板中的壁板厚度的60-80％。厚度为2±0.5mm，然后将带筋壁板放置在模具中并固定，并且利用液压加载机加压，蠕变时效的温度选取100-200℃，处理时间为4-16h，蠕变应力为50-300MPa，并且同时在三思泰捷公司生产的RMT-D10型电子式高温蠕变持久强度试验机上进行实验，试验机的控温精度为±2℃，载荷精度为±3N，变形精度为±0.002mm。
实施例1
2219铝铜合金板材在空气循环电阻炉中进行535℃、45min固溶处理，立即水淬，得到淬火态的铝合金板材；然后在室温下沿原始轧制方向进行轧制，冷轧机的上轧辊由四个分轧辊和三个轴承组成，采用多道次冷轧工艺，每道次下压量为10％，轧制成壁板厚度为2mm的带筋壁板，之后将带筋壁板放置在模具中进行蠕变时效成形处理，获得高性能整体式带筋壁板，并取蠕变时效后的拉伸样品，进行性能测试，拉伸试验采用标准为：GB/T228-2002。
实施例2
2195铝锂合金板材在空气循环电阻炉中进行510℃、30min固溶处理，立即水淬，得到淬火态的铝锂合金板材；由于低温下淬火后的铝锂合金延伸率更优良，所以将板材利用液氮浸泡30min，然后在室温下沿原始轧制方向进行轧制，冷轧机的上轧辊由四个分轧辊和三个轴承组成，采用多道次冷轧工艺，每道次下压量为10％，轧制成壁板厚度为2mm的带筋壁板，之后将带筋壁板放置在模具中进行蠕变时效成形处理，获得高性能整体式带筋壁板，并取蠕变时效后的拉伸样品，进行性能测试，拉伸试验采用标准为：GB/T228-2002。
对比例1
用加工中心对2219-T4铝合金板材进行铣削加工，从而获得整体带筋壁板，然后将带筋壁板放置在模具中进行蠕变时效成形处理(同实施例1)，并取蠕变时效后的拉伸样品，进行性能测试，拉伸试验采用标准为：GB/T228-2002。
对比例2
利用加工中心对2219-T3铝合金板材进行铣削加工，从而获得整体带筋壁板，然后将带筋壁板放置在模具中进行蠕变时效成形处理(同实施例1)，并取蠕变时效后的拉伸样品，进行性能测试，拉伸试验采用标准为：GB/T228-2002。
对比例3
利用加工中心对2195-T4铝合金板材进行铣削加工，从而获得整体带筋壁板，然后将带筋壁板放置在模具中进行蠕变时效成形处理(同实施例2)，并取蠕变时效后的拉伸样品，进行性能测试，拉伸试验采用标准为：GB/T228-2002。
对比例4
利用加工中心对2195-T3铝合金板材进行铣削加工，从而获得整体带筋壁板，然后将带筋壁板放置在模具中进行蠕变时效成形处理(同实施例2)，并取蠕变时效后的拉伸样品，进行性能测试，拉伸试验采用标准为：GB/T228-2002。
性能检测
实施例1和实施例2分别为利用室温下分轧辊轧制获得的2219铝合金整体带筋壁板和2195铝锂合金整体带筋壁板，并对轧制完成后的带筋壁板进行蠕变时效成形处理；对比例1和对比例2分别对2219-T4铝合金板材和2219-T3铝合金板材进行铣削加工获得的带筋壁板，并对轧制完成后的带筋壁板进行蠕变时效成形处理；图1为将实施例1-2和对比例1-4制得的最终产品进行了蠕变量检测。如图1所示，与传统工艺(对比例1-4)相比，实施例1和实施例2在室温下进行分轧辊轧制制造的高位错密度带筋壁板的蠕变量有了大幅度的提升，更加满足铝合金带筋壁板蠕变时效成形过程中对成形精度上的要求；其中，图1中的1为实施例1对应的曲线；2为实施例2对应的曲线；3为对比例1对应的曲线；4为对比例2对应的曲线；5为对比例3对应的曲线；6为对比例4对应的曲线。
表1对比实施例和对比例在蠕变时效成形处理后的力学性能(强度单位：MPa延伸率单位：％)
实施例1 对比例1 对比例2 实施例2 对比例3 对比例4
屈服强度 467 276 368 595 552 442
抗拉强度 515 394 461 627 576 549
延伸率 8.2 13.1 7.2 5.0 8.3 7.1
表1为实施例1-2和对比例1-4制得的整体带筋壁板的力学性能，从数据看本发明提出的铝合金带筋壁板轧挤复合-蠕变时效成形制造工艺可以在获得整体式带筋壁板的同时，屈服强度和抗拉强度也有明显的提升，并且材料利用率高，能耗低。由此可以说明，本发明是一种可以实现轻质高强铝合金带筋壁板整体成形的轧挤复合-蠕变时效成形制造工艺。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域技术的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种高性能铝合金带筋壁板轧挤复合-蠕变时效成形制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将铝合金板材进行固溶处理后，水淬，得到淬火态的铝合金板材；
步骤二：将淬火态的铝合金板材在室温下沿原始轧制方向进行轧制，得到带筋壁板；其中，所述轧制是采用冷轧机进行的，所述冷轧机的上轧辊的外圆周面环设有凹槽；其中，所述凹槽的深度为5-30mm，所述凹槽的宽度为5-20mm；
步骤三：将带筋壁板放置在模具中进行蠕变时效成形处理，获得高性能整体式带筋壁板；
其中，所述铝合金板材的厚度为10-30mm，所述带筋壁板包括壁板和筋条，所述壁板的下压量为铝合金板材厚度的60-80%。
2.根据权利要求1所述的高性能铝合金带筋壁板轧挤复合-蠕变时效成形制造方法，其特征在于，所述上轧辊的凹槽通过机械加工制成，或通过轴承将多个分轧辊连接而成。
3.根据权利要求2所述的高性能铝合金带筋壁板轧挤复合-蠕变时效成形制造方法，其特征在于，所述分轧辊的轴向距离为5-20mm。
4.根据权利要求1所述的高性能铝合金带筋壁板轧挤复合-蠕变时效成形制造方法，其特征在于，所述轧制为多道次轧制。
5.根据权利要求1所述的高性能铝合金带筋壁板轧挤复合-蠕变时效成形制造方法，其特征在于，所述步骤一中的固溶温度为400-600℃，固溶时间为0.5-3h。
6.根据权利要求1所述的高性能铝合金带筋壁板轧挤复合-蠕变时效成形制造方法，其特征在于，所述步骤三的蠕变时效成形处理的温度为100-200℃，处理时间为4-16h，蠕变应力为50-300Mpa。
7.根据权利要求1所述的高性能铝合金带筋壁板轧挤复合-蠕变时效成形制造方法，其特征在于，所述铝合金板材为时效硬化型铝合金。
8.根据权利要求7所述的高性能铝合金带筋壁板轧挤复合-蠕变时效成形制造方法，其特征在于，所述时效硬化型铝合金包括铝锂合金、2xxx系、6xxx系和7xxx系。
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