先進制造航空部件殘余應(yīng)力處理方法

1、航空部件中鋁合金殘余應(yīng)力去除方法1.應(yīng)用背景升降骷相方狗康乂曰45包也南由安建面豪廢料后條7U1卜2包血也面艷梁R抬.T7&包粘717Kd71福h7M1將保障給告布h4b-hV-2S6Al-6VU主植梁第41城擰:07+T跑鋁TPH-T6梧午七一足鼻后埠豉擺坪爭博更小N/中心假動機支架.6ANVU2D24-Uii；m24Mli超鉆,/賦厘后線關(guān)漓行舁將3千弭布條司”嚇邛二口真水平也硼體加強豫友加警.磷風(fēng)體常式嘉射門他柒也6APVT1機身拒買的汕TM5I,機號蒙支7（r?%i”工熊教肥厚的無帶房荒”劉：iT制同h4飛機機體材料使用情況生8相小金的軸傘金科其他B74713%4髓1/1%B7

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3、射線衍射法檢測原理：當(dāng)對構(gòu)成工件材料的各晶粒施加彈性應(yīng)力時，晶粒內(nèi)特定晶面之間的間距就會發(fā)生變化，對其進行測量。選用一定波長的X射線，使其入射工件，當(dāng)X射線入射到原子上時，即發(fā)生各向散射，而如果原子是三維規(guī)則排列，則在特定條件下，散射的X射線發(fā)生相互疊加增強的衍射現(xiàn)象，該現(xiàn)象被成為布拉格定律(Braggslaw),是由英國物理學(xué)家布拉格父子于1912年首先推導(dǎo)出來的。射線桁射X射線：目面間距晶面上的X射線衍射2 .中子衍射法中子衍射法同樣屬于無損檢測。其原理大致如下：利用中子衍射儀測量晶胞中的晶格之間的距離，從晶格之間距離的改變，求出彈性應(yīng)變，再根據(jù)應(yīng)變求應(yīng)力。通過平移工件的方式，使其穿過中子

4、束，由此測得不同位置的應(yīng)變，不同位置的應(yīng)力即可求出。a.H布拉格散射示意圖二.殘余應(yīng)力的消除工藝與方法若采用上述抑制與減少鋁合金件殘余應(yīng)力產(chǎn)生的措施后仍然無法滿足有關(guān)設(shè)計要求必須安排專門的消除殘余應(yīng)力工藝。下面分析各種消除鋁合金中殘余應(yīng)力的工藝方法特點、效果及適用場合。2. 1時效處理法時效處理法是降低淬火殘余應(yīng)力的傳統(tǒng)方法。由于鋁合金材料對溫度非常敏感，時效溫度的提高，必然明顯降低強度指標(biāo)，使MgZn2等強化相析出過多，產(chǎn)生過時效現(xiàn)象因此，淬火后時效處理通常在較低溫度（小于200250c）下進行，從而使得消除去應(yīng)力的效果僅為10%35%，非常有限。國際上有關(guān)學(xué)者正致力于研究逆向時效法與二次時

5、效法等先進工藝來改進其應(yīng)力消除效2.2機械拉伸法械拉伸法消除應(yīng)力的原理是將淬火后的鋁合金板材，沿軋制方向施加一定量的永久拉，使殘余應(yīng)力得以緩伸塑性變形，使拉伸應(yīng)力與原來的淬火殘余應(yīng)力疊加后發(fā)生塑性變形和與釋放。有關(guān)研究結(jié)果表明，機械拉伸法最高可消除90%以上的殘余應(yīng)力。圖1為拉伸變形量與殘余應(yīng)力消除效果的對應(yīng)關(guān)系，拉伸（壓縮）塑性變形量一般控制在1.5%3. 0%為宜1。但該種方法僅適合于形狀簡單的零件，且對拉伸前鋁合金板材的組織均勻性要求較高，多用于原材料生產(chǎn)廠家。LE之下二舞sgs總一mpsHStress白廣rang(第Tension|Ci.>ninsionlLongitiKliuu

6、lTransverse2014-16Sircich/%圖1拉伸變形量對2014-T6與7075-T6殘余應(yīng)力消除效果的影響（44.5mm）4Siirlace|2.3深冷處理法Quench）與冷熱循環(huán)法（CyclicTreatment）兩種。其中深冷急熱法是將含有殘余應(yīng)力的零件浸入-196C的液氮中深冷彳寺內(nèi)外溫度均勻后又迅速地用熱蒸汽噴射，通過急熱與急冷產(chǎn)生方向相反的熱應(yīng)力，借此抵消原來的殘余應(yīng)力場。有關(guān)研究表明，在選擇合適的工藝參數(shù)條件下，深冷急熱法可降低高達(dá)84%的殘余應(yīng)力。圖2表示不同深冷處理工藝對應(yīng)的2014-T6鋁合金淬火殘余應(yīng)力消除效果6。有關(guān)研究進一步證實，深冷處理時冷熱溫差愈大

7、，加熱速率愈快，應(yīng)力消除效果愈好。相對而言，冷熱循環(huán)法是指在慢速交換條件下在低溫液氮與高溫液體之間進行冷熱交換，適合于內(nèi)含線膨脹系數(shù)差別很大金相組織的鋁合金。深冷處理的最大優(yōu)點是在有效消除殘余應(yīng)力的同時，可改善材料的強度、硬度、耐磨性與組織穩(wěn)定性。由于深冷處理對零件的尺寸與形狀沒有限制，因此適合于形狀復(fù)雜的模鍛件與鑄件。在切削加工前進行深冷處理還可明顯改善鋁合金加工時易產(chǎn)生的嚴(yán)重加工變形傾向，提高材料的組織穩(wěn)定性。然而，深冷處理的局限性也顯而易見，它只能消除熱處理溫度梯度產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，而不能有效消除機械加工、冷成形等不均勻塑性變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，對焊接殘余應(yīng)力的消除效果也不佳。A:wiled

8、lo-95T,thenuphillquenchedinsii'Ciiin.bhgLB：S6MPaeooletJ3-"JEhenuphiElquenchextinastreambhtC：BOMPiLcooledto-NSrPHicnuphillquenchedinboiling蝕aterD:lESMI&quchedafid曜edtoT6temperinconvermiunnlmniiner圖2不同深冷處理工藝消除殘余應(yīng)力的效果2.4振動消除法振動消除殘余應(yīng)力法的工作原理是用便攜式強力激振器，使金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個或多個振動狀態(tài)，從而產(chǎn)生如同機械加載時的彈性變形，使零件內(nèi)某些

9、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)力引起塑性應(yīng)變，從而引起內(nèi)應(yīng)力的降低和重新分布?，F(xiàn)有的相關(guān)研究指出，當(dāng)鋁合金在剛剛進行了淬火后的不穩(wěn)定狀態(tài)（02小時內(nèi)）進行振動消除效果最佳，殘余應(yīng)力最大可降低50%70%;若在淬火后放置360小時進行振動時效后測試,殘余應(yīng)力只能消除10%20%8。振動消除應(yīng)力（VSR）技術(shù)具有高效節(jié)能，工藝簡單方便，適用性強等特點，對零件沒有形狀與尺寸限制，尤其適合于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，是一種很有發(fā)展前途的工藝方法。另外經(jīng)過振動時效后的鋁合金構(gòu)件具有良好的尺寸穩(wěn)定性，在后續(xù)的機械加工中不易產(chǎn)生加工變形。但目前對振動時效工藝的機理還不充分，國內(nèi)外對它應(yīng)用于航空鋁合金

10、結(jié)構(gòu)件中的適宜性也存在爭議。2.5模冷壓法模冷壓法是在一個特制的精整模具中，通過嚴(yán)格控制的限量冷整形來消除復(fù)雜形狀鋁合金模鍛件中白殘余應(yīng)力5。事實上模壓”這種叫法不夠確切，因為其主要作用機理是使鋁合金模鍛件的局部材料受拉伸”或者壓縮”作用。當(dāng)精整模具壓下時，精整凸模嵌入到鋁合金模鍛件端面、緣（筋）條的拔模斜度上（如圖3），實際上使模鍛件的腹板部分產(chǎn)生拉伸'作用。因此，該種方法是調(diào)整而不是消除零件的整體應(yīng)力水平，它使鋁合金模鍛件上某些部位的殘余應(yīng)力得到釋放的同時，有可能使其他部位的殘余應(yīng)力增大。另外，鑒于鋁合金模鍛件本來就已存在很大的殘余應(yīng)力版壓變形量過大將可能引起冷作硬化、裂紋和斷裂；而變形過小則使應(yīng)力消除效果不佳，因此需要精確控制。圖3受模具冷壓作用的模鍛件剖面3結(jié)論本文中從抑制殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和釋放兩個方面，討論了消除鋁合金構(gòu)件殘余應(yīng)力的若干技術(shù)方法的特點、效果與適用場合。鋁合金淬火速度愈快，固溶強化效果愈好，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也愈大；采用熱水淬火或噴霧淬火，雖可有效減少鋁合金的殘余應(yīng)力，但同時也使其機械性能有所下降。而采用UCON-A,AQ251等有機介質(zhì)淬火，同時兼顧了獲得較佳機械性能與減少殘余應(yīng)力的目的。另外減小淬火前零件厚度也是抑制殘余應(yīng)力的