先進(jìn)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(zhēng)博更小N/中心假動(dòng)機(jī)支架.6ANVU2D24-Uii；m24Mli超鉆,/賦厘后線(xiàn)關(guān)漓行舁將3千弭布條司”嚇邛二口真水平也硼體加強(qiáng)豫友加警.磷風(fēng)體常式嘉射門(mén)他柒也6APVT1機(jī)身拒買(mǎi)的汕TM5I,機(jī)號(hào)蒙支7（r?%i”工熊教肥厚的無(wú)帶房荒”劉：iT制同h4飛機(jī)機(jī)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

2、5778y12R6怩3/1GB76711%4%3嗯張R7777(1%11%7愣110【吼RTg771511%與徵A3001中£4%¥/!2UA¥?U7fi.3%LN貨心啜5，干*3加75%瞰6%笠3%A1SO6671。*2。寸2%A40GM“-40嘴先進(jìn)大飛機(jī)所用的結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量比重現(xiàn)代飛機(jī)使用的主要材料有鋁合金、鈦合金、合金鋼以及復(fù)合材料（碳纖維增強(qiáng)塑料、金屬纖維板材等）。盡管鈦合金和復(fù)合材料的使用比例逐年攀升，但鋁合金自身的材料性能特點(diǎn)以及成熟的金屬材料的機(jī)加工、塑性成形等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其在航空航天工業(yè)中仍將廣泛應(yīng)用，并且不可或缺。一：殘余應(yīng)力的檢測(cè)方法：1 .X

3、射線(xiàn)衍射法檢測(cè)原理：當(dāng)對(duì)構(gòu)成工件材料的各晶粒施加彈性應(yīng)力時(shí)，晶粒內(nèi)特定晶面之間的間距就會(huì)發(fā)生變化，對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。選用一定波長(zhǎng)的X射線(xiàn)，使其入射工件，當(dāng)X射線(xiàn)入射到原子上時(shí)，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(xiàn)發(fā)生相互疊加增強(qiáng)的衍射現(xiàn)象，該現(xiàn)象被成為布拉格定律(Braggslaw),是由英國(guó)物理學(xué)家布拉格父子于1912年首先推導(dǎo)出來(lái)的。射線(xiàn)桁射X射線(xiàn)：目面間距晶面上的X射線(xiàn)衍射2 .中子衍射法中子衍射法同樣屬于無(wú)損檢測(cè)。其原理大致如下：利用中子衍射儀測(cè)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(guò)平移工件的方式，使其穿過(guò)中子

4、束，由此測(cè)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(wú)法滿(mǎn)足有關(guān)設(shè)計(jì)要求必須安排專(zhuān)門(mén)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(diǎn)、效果及適用場(chǎng)合。2. 1時(shí)效處理法時(shí)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(duì)溫度非常敏感，時(shí)效溫度的提高，必然明顯降低強(qiáng)度指標(biāo)，使MgZn2等強(qiáng)化相析出過(guò)多，產(chǎn)生過(guò)時(shí)效現(xiàn)象因此，淬火后時(shí)效處理通常在較低溫度（小于200250c）下進(jìn)行，從而使得消除去應(yīng)力的效果僅為10%35%，非常有限。國(guó)際上有關(guān)學(xué)者正致力于研究逆向時(shí)效法與二次時(shí)

5、效法等先進(jìn)工藝來(lái)改進(jìn)其應(yīng)力消除效2.2機(jī)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(lái)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(jī)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(duì)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(jiǎn)單的零件，且對(duì)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(chǎng)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(duì)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(guò)急熱與急冷產(chǎn)生方向相反的熱應(yīng)力，借此抵消原來(lái)的殘余應(yīng)力場(chǎng)。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(duì)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(jìn)一步證實(shí)，深冷處理時(shí)冷熱溫差愈大

7、，加熱速率愈快，應(yīng)力消除效果愈好。相對(duì)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(jìn)行冷熱交換，適合于內(nèi)含線(xiàn)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(diǎn)是在有效消除殘余應(yīng)力的同時(shí)，可改善材料的強(qiáng)度、硬度、耐磨性與組織穩(wěn)定性。由于深冷處理對(duì)零件的尺寸與形狀沒(méi)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(jìn)行深冷處理還可明顯改善鋁合金加工時(shí)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(jiàn)，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(jī)械加工、冷成形等不均勻塑性變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，對(duì)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(dòng)消除法振動(dòng)消除殘余應(yīng)力法的工作原理是用便攜式強(qiáng)力激振器，使金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)振動(dòng)狀態(tài)，從而產(chǎn)生如同機(jī)械加載時(shí)的彈性變形，使零件內(nèi)某些

9、部位的殘余應(yīng)力與振動(dòng)載荷疊加后，超過(guò)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(jìn)行了淬火后的不穩(wěn)定狀態(tài)（02小時(shí)內(nèi)）進(jìn)行振動(dòng)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(shí)進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效后測(cè)試,殘余應(yīng)力只能消除10%20%8。振動(dòng)消除應(yīng)力（VSR）技術(shù)具有高效節(jié)能，工藝簡(jiǎn)單方便，適用性強(qiáng)等特點(diǎn)，對(duì)零件沒(méi)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(guò)振動(dòng)時(shí)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(jī)械加工中不易產(chǎn)生加工變形。但目前對(duì)振動(dòng)時(shí)效工藝的機(jī)理還不充分，國(guó)內(nèi)外對(duì)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(zhēng)議。2.5模冷壓法模冷壓法是在一個(gè)特制的精整模具中，通過(guò)嚴(yán)格控制的限量冷整形來(lái)消除復(fù)雜形狀鋁合金模鍛件中白殘余應(yīng)力5。事實(shí)上模壓”這種叫法不夠確切，因?yàn)槠渲饕饔脵C(jī)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(shí)，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(shí)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(shí)，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(lái)就已存在很大的殘余應(yīng)力版壓變形量過(guò)大將可能引起冷作硬化、裂紋和斷裂；而變形過(guò)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(gè)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(diǎn)、效果與適用場(chǎng)合。鋁合金淬火速度愈快，固溶強(qiáng)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(shí)也使其機(jī)械性能有所下降。而采用UCON-A,AQ251等有機(jī)介質(zhì)淬火，同時(shí)兼顧了獲得較佳機(jī)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