先进制造航空部件残余应力处理方法

1.应用背景

飞机机体材料使用情况

先进大飞机所用的结构材料的质量比重

现代飞机使用的主要材料有铝合金、钛合金、合金钢以及复合材料（碳纤维增强塑料、金属纤维板材等）。尽管钛合金和复合材料的使用比例逐年攀升，但铝合金自身的材料性能特点以及成熟的金属材料的机加工、塑性成形等技术优势，其在航空航天工业中仍将广泛应用，并且不可或缺。

一：残余应力的检测方法： 1.X 射线衍射法

检测原理：当对构成工件材料的各晶粒施加弹性应力时，晶粒内特定晶面之间的间距就会发生变化，对其进行测量。选用一定波长的 X 射线，使其入射工件，当 X 射线入射到原子上时，即发生各向散射，而如果原子是三维规则排列，则在特定条件下，散射的 X 射线发生相互叠加增强的衍射现象，该现象被成为布拉格定律（Braggs law），是由英国物理学家布拉格父子于 1912 年首先推导出来的。

晶面上的 X 射线衍射

2.中子衍射法

中子衍射法同样属于无损检测。其原理大致如下：利用中子衍射仪测量晶胞中的晶格之间的距离，从晶格之间距离的改变，求出弹性应变，再根据应变求应力。通过平移工件的方式，使其穿过中子束，由此测得不同位置的应变，不同位置的应力即可求出。

布拉格散射示意图

二．残余应力的消除工艺与方法

若采用上述抑制与减少铝合金件残余应力产生的措施后仍然无法满足有关设计要求 ,必须安排专门的消除残余应力工艺。 下面分析各种消除铝合金中残余应力的工艺方法特点、效果及适用场合。 2. 1 时效处理法

时效处理法是降低淬火残余应力的传统方法。由于铝合金材料对温度非常敏感 ,时效温度的提高 ,必然明显降低强度指标 ,使 Mg Zn2 等强化相析出过多 ,产生过时效现象 ,因此 ,淬火后时效处理通常在较低温度 (小于 200～ 250℃ )下进行 , 从而使得消除去应力的效果仅为 10% ～ 35% ,非常有限。 国际上有关学者正致力于研究逆向时效法与二次时效法等先进工艺来改进其应力消除效 2. 2 机械拉伸法

械拉伸法消除应力的原理是将淬火后的铝合金板材 ,沿轧制方向施加一定量的永久拉

伸塑性变形 ,使拉伸应力与原来的淬火残余应力叠加后发生塑性变形 ,使残余应力得以缓和与释放。有关研究结果表明 ,机械拉伸法最高可消除 90% 以上的残余应力。 图 1为拉伸变形量与残余应力消除效果的对应关系 ,拉伸 (压缩 )塑性变形量一般控制在 1. 5% ～ 3. 0% 为宜[ 1]。但该种方法仅适合于形状简单的零件 ,且对拉伸前铝合金板材的组织均匀性要求较高 ,多用于原材料生产厂家。

图1 拉伸变形量对 2014-T 6与 7075-T6

残余应力消除效果的影响 ( 44. 5mm )

2. 3 深冷处理法

Quench )与冷热循环法 ( Cy clic Treatm ent )两种。

其中深冷急热法是将含有残余应力的零件浸入-196℃的液氮中深冷 ,待内外温度均匀后又迅速地用热蒸汽喷射 ,通过急热与急冷产生方向相反的热应力 ,借此抵消原来的残余应力场。有关研究表明 ,在选择合适的工艺参数条件下 ,深冷急热法可降低高达 84% 的残余应力。图 2表示不同深冷处理工艺对应的 2014-T 6铝合金淬火残余应力消除效果[6 ]。有关研究进一步证实 ,深冷处理时冷热温差愈大 ,加热速率愈快 ,应力消除效果愈好。 相对而言 ,冷热循环法是指在慢速交换条件下在低温液氮与高温液体之间进行冷热交换 ,适合于内含线膨胀系数差别很大金相组织的铝合金。

深冷处理的最大优点是在有效消除残余应力的同时 ,可改善材料的强度、硬度、耐磨性与组织稳定性。 由于深冷处理对零件的尺寸与形状没有限制 ,因此适合于形状复杂的模锻件与铸件。在切削加工前进行深冷处理还可明显改善铝合金加工时易产生的严重加工变形倾向 ,提高材料的组织稳定性。 然而 ,深冷处理的局限性也显而易见 ,它只能消除热处理温度梯度产生的残余应力 ,而不能有效消除机械加工、冷成形等不均匀塑性变形产生的残余应力 ,对焊接残余应力的消除效果也不佳。

图 2 不同深冷处理工艺消除残余应力的效果

2. 4 振动消除法

振动消除残余应力法的工作原理是用便携式强力激振器 ,使金属结构产生一个或多个振动状态 ,从而产生如同机械加载时的弹性变形 ,使零件内某些部位的残余应力与振动载荷叠加后 ,超过材料的屈服应力引起塑性应变 ,从而引起内应力的降低和重新分布。现有的相关研究指出 ,当铝合金在刚刚进行了淬火后的不稳定状态 ( 0～ 2小时内 )进行振动消除 ,效果最佳 ,残余应力最大可降低 50% ～ 70% ; 若在淬火后放置 360小时进行振动时效后测试 , 残余应力只能消除 10% ～ 20% [8 ]。

振动消除应力 ( V SR)技术具有高效节能 ,工艺简单方便 ,适用性强等特点 ,对零件没有形状与尺寸限制 ,尤其适合于大型复杂结构件 ,是一种很有发展前途的工艺方法。另外 ,经过振动时效后的铝合金构件具有良好的尺寸稳定性 ,在后续的机械加工中不易产生加工变形。 但目前对振动时效工艺的机理还不充分 ,国内外对它应用于航空铝合金结构件中的适宜性也存在争议。 2. 5 模冷压法

模冷压法是在一个特制的精整模具中 ,通过严格控制的限量冷整形来消除复杂形状铝合金模锻件中的残余应力 [5 ]。 事实上“模压”这种叫法不够确切 ,因为其主要作用机理是使铝合金模锻件的局部材料受“拉伸”或者“压缩”作用。 当精整模具压下时 ,精整凸模嵌入到铝合金模锻件端面、缘(筋 )条的拔模斜度上 (如图 3) ,实际上使模锻件的腹板部分产生“拉伸”作用。因此 ,该种方法是调整而不是消除零件的整体应力水平 ,它使铝合金模锻件上某些部位的残余应力得到释放的同时 , 有可能使其他部位的残余应力增大。另外 ,鉴于铝合金模锻件本来就已存在很大的残余应力 ,模压变形量过大将可能引起冷作硬化、裂纹和断裂 ;而变形过小则使应力消除效果不佳 ,因此需要精确控制。

图 3 受模具冷压作用的模锻件剖面

3 结论

本文中从抑制残余应力的产生和释放两个方面 ,讨论了消除铝合金构件残余应力的若干技术方法的特点、效果与适用场合。

铝合金淬火速度愈快 ,固溶强化效果愈好 ,产生的残余应力也愈大; 采用热水淬火或喷雾淬火 , 虽可有效减少铝合金的残余应力 ,但同时也使其机械性能有所下降。而采用 U CON-A, AQ251等

有机介质淬火 ,同时兼顾了获得较佳机械性能与减少残余应力的目的。 另外减小淬火前零件厚度也是抑制残余应力的有效手段。

在现有残余应力消除工艺与方法中 ,无论哪一种工艺方法均不能完全消除残余应力 ,因此抑制淬火残余应力的产生是解决问题的上策。 其中拉伸法、深冷法和振动法效果较理想 ,低温退火法与模冷压法效果相对较差。 但拉伸法仅适合于形状简单的航空结构件 ,而深冷法和振动法可适合于形状复杂的零件。 上述各种应力消除工艺在固溶处理后的不稳定状态进行处理效果最好。