鋁合金機翼整體壁板材料時效工藝研究

由于結構效率高、易于實現(xiàn)等強設計、良好的密封性能，大型飛機的整體壁板具有突出的優(yōu)點。目前國際上主要采用噴丸方法來成形大型機翼整體壁板件。但噴丸成形存在工藝參數(shù)難確定、工藝可重復性較差、成形能力受板厚限制、特殊的細長加強結構成形難度大等問題。因此,為滿足大型機翼整體壁板成形需求,國際航空制造領域除進一步研究噴丸成形自動化技術外,探索研究其他更為有效的成形工藝也是一個重要的研究方向。時效成形具有零件殘余應力小、工藝可重復性好、能夠提高可時效鋁合金的抗疲勞性能等優(yōu)點。目前波音公司、空中客車公司等世界著名航空制造企業(yè)紛紛開展大型機翼整體壁板時效成形方面的研究與應用。時效成形是利用材料蠕變與應力松弛特性,使待成形零件的彈性預應變在一定的溫度下,經(jīng)過一定時間部分地轉化為塑性應變,從而實現(xiàn)零件成形的一種工藝方法。對于解決大尺寸、變厚度、內(nèi)部結構復雜的大型機翼整體壁板成形制造問題,時效成形技術是一個重要的研究方向。中國發(fā)展大型飛機,需解決大型變厚度復雜結構機翼整體壁板成形問題,有必要對時效成形技術開展相關研究。目前,時效成形主要應用于上翼面壁板成形,如GulfstreamGIV,B-1B,A330/340,Hawk,A380。原因主要在于上翼面壁板所采用的7000系列鋁合金可進一步時效處理,可以在時效處理的同時成形。為擴大時效成形工藝的應用范圍,英國Southampton大學、Alcan鋁業(yè)公司與法國達索航空公司分別研制了Al-Cu-Mg時效成形鋁合金,這些合金都可以用做下翼面整體壁板并且具有良好的時效成形性。歐洲在“FP5計劃”中專門設置了時效成形的跨國聯(lián)合研究項目,主要開發(fā)時效成形在機翼(包括下機翼面板,整體剛性機翼構件,摩擦攪拌焊后構件)和機身(包括雙曲面板材以及采用摩擦攪拌焊焊接的整體機身構件)方面的應用,并研究開發(fā)相應的時效成形鋁合金。周賢賓等利用時效成形方法實現(xiàn)了火箭帶筋壁板、飛機蒙皮等薄壁鋁合金零件的校形。綜上,中國發(fā)展大型飛機有必要對大型機翼整體壁板時效成形技術進行研究。本文對單級時效、雙/多級時效、振動時效以及應力位向效應等因素對壁板成形的影響進行了分析探討,提出了大型機翼整體壁板時效成形的工藝流程,成形工裝的模塊化、標準化與柔性化設計以及解決壁板時效成形回彈問題的有限元方法,并對中國研究發(fā)展大型機翼整體壁板時效成形技術提出了建議。1壁板時效成形工藝過程的復雜性壁板時效成形過程主要可分為3個階段:加載、時效應力松弛、卸載回彈。其中,時效是一個復雜的熱物理化學過程,該過程對材料機械性能、結構組織的影響是復雜且形式多樣的,這就決定了壁板時效成形工藝過程的復雜性。實際的研究表明,采用不同的時效過程,如多級時效、振動時效,或者改變時效中的一些作用因素,如應力位向,將得到不同的時效成形效果。因此,為提高大型機翼整體壁板時效成形的效率和質量,有必要對可采用的各種時效成形工藝流程進行研究分析,并尋求最優(yōu)的工藝流程。1.1影響樹種微觀組織與性能的因素時間、溫度對時效處理的效果有重要影響。從時效處理的時間-溫度階段劃分上,可將時效分為單級時效、雙級時效和多級時效。文獻研究了不同時效制度對7475鋁合金擠壓型材的微觀組織與性能的影響。結果表明,單級峰值時效(T6)具有很高的強度,但抗應力腐蝕性能較差,主要是因為晶界析出物的性質所決定的;雙級時效(T76,T73)由于晶界析出物呈粗大和孤立狀分布,具有較好的擾應力腐蝕性能。而文獻對7150鋁合金的時效研究表明,雙級時效使合金保持高的強度,同時具有較高的電導率。文獻研究表明重固溶后再經(jīng)低溫-高溫-低溫(LHL)多級時效處理有利于提高7175鋁合金的綜合性能。因此,機翼整體壁板時效成形應采用雙/多級時效,以提高成形壁板的綜合性能。1.2壁板殘余應力的消除振動時效技術(VibratoryStressReliefMethod,VSR)的主要特點是對構件施加一交變應力。如果交變應力幅與構件上某點所存在的殘余應力之和達到材料的屈服極限,這些點將產(chǎn)生塑性變形。如果這種循環(huán)應力使某點產(chǎn)生晶格滑移,盡管宏觀上沒有達到屈服極限,但仍會產(chǎn)生微觀的塑性變形。這些塑性變形往往首先發(fā)生在殘余應力最大的點上,使這些受約束點的殘余應力得以釋放和降低,從而改善構件的抗斷裂韌性。因此,機翼整體壁板時效成形中應采用振動時效,以提高壁板局部區(qū)域的應力水平、加速應力松弛,降低殘余應力,提高壁板抵抗破壞的能力(提高疲勞強度),降低應力腐蝕。Andrew等在時效成形靜載荷的基礎上疊加周期性的小載荷振動(<10%靜載荷)促進壁板預應變向永久變形的轉變,并減小回彈,取得了很好的效果。1.3應力位向效應時效成形是在一定預應力下進行的,應力的存在對鋁合金的一些微觀組織特別是析出相的取向有顯著影響,這一現(xiàn)象被稱為應力位向效應。Zhu等研究了Al-xCu合金在一定壓應力下人工時效后的微觀組織結構,發(fā)現(xiàn)應力時效時片狀θ′相由無應力時效時的垂直排列轉變?yōu)槎ㄏ蚺帕?。Bakavos等在研究2XU鋁合金拉應力作用下的時效時同樣發(fā)現(xiàn)合金中片狀θ′相轉變成了定向排列。Zheng等在研究Al-3.88Cu(析出相為θ′)及Al-3.87Cu-0.56Mg-0.56Ag(析出相為Ω)合金拉應力時效微觀組織時也發(fā)現(xiàn)θ′及Ω呈擇優(yōu)取向析出。θ′及Ω等析出相的應力位向效應可能導致時效成形Al-Cu-Xi合金(Xi為1種或幾種合金元素)性能的各向異性。進一步的“雙級時效”研究表明,時效初期先進行短時間有應力時效,再施以長時間無應力時效,析出相θ′及Ω等呈擇優(yōu)取向析出;而先進行短時間無應力時效,再施以長時間應力時效,則未發(fā)現(xiàn)應力位向效應。因此可以斷定,外加應力導致θ′及Ω等的擇優(yōu)取向析出源于外加應力對形核階段的影響。而Bakavos等通過對6056,7475等鋁合金的應力位向效應研究發(fā)現(xiàn),應力對6056,7475鋁合金時效過程中晶相的析出取向影響很小。應力位向效應容易使鋁合金材料產(chǎn)生各向異性,Zhu等對Al-xCu的研究表明,時效處理中的應力位向效應使材料的屈服強度降低。因此,在飛機壁板時效成形中,應根據(jù)壁板材料的應力位向效應情況,設計合適的溫度時間曲線與加載曲線,以避免應力位向效應對材料的負面影響。1.4材料的應力時效處理材料時效應力松弛過程是復雜的,不同的工藝參數(shù)下的成形質量也存在很大差異。綜合以上分析,時效成形工藝流程應考慮采取以下措施:①采用雙/多級時效處理,以提高材料的綜合性能;②采用振動時效應力松弛,加速應力松弛,降低回彈;③雙級時效流程是先進行短時間的無應力時效,還是直接進行應力時效,應根據(jù)材料的應力位向效應確定。綜合考慮各種因素,提出了如圖1所示的壁板時效成形工藝流程,熱壓罐內(nèi)的溫度時間曲線與氣壓時間曲線如圖2所示。2壁板厚度對成形工裝設計的影響時效成形所需要的基本條件有兩個,一個是時效所需溫度場,由熱壓罐提供,另一個是產(chǎn)生預應力所需的成形工裝。成形工裝一方面控制壁板的成形形狀,另一方面與密封膜配合作用提供成形所需的預應力。成形工裝的選擇和設計需要與現(xiàn)代大型機翼整體壁板的特點相適應。概括起來,現(xiàn)代大型機翼整體壁板有如下明顯的結構特征:①翼展尺寸比較大,一般在10m以上;②弦向尺寸相對穩(wěn)定,一般保持在4m以內(nèi);③厚度變化比較大,厚度從2mm到30mm不等,加上加強筋的高度,一般不超過60mm;④曲率較小,曲率半徑一般在1m以上。A380機翼壁板如圖3所示,其長達33m,寬達2.8m,厚度從3mm到28mm。結合大型機翼整體壁板結構特點,為降低成形工裝的成本,并使成形工裝易于搬運安裝,使基礎支架系統(tǒng)可應用于不同壁板的成形,成形工裝應采用模塊化、標準化、柔性化的設計制造思想。目前,一般采用卡板式型面控制成形工裝,如圖4所示。卡板式型面控制成形工裝采用垂直于底座的線陣支撐結構的外形曲線構成所需要的模具外形;卡板式型面控制成形工裝的修整主要是通過調整各支撐結構的高度與外形曲線實現(xiàn)。型面控制成形工裝設計制造標準化、模塊化、柔性化具有如下重要優(yōu)點:①有利于成形模具的加工制造;②便于修整模具型面、控制回彈;③能夠及時根據(jù)零件大小調整成形模具尺寸;④有利于節(jié)約材料。然而,飛機壁板厚度變化比較大,厚度從幾毫米到幾十毫米不等,加載過程中較薄區(qū)域容易產(chǎn)生局部過載現(xiàn)象,影響成形質量。在成形過程中,可通過在壁板與成形工裝之間添加一特定厚度的較高強度的均勻墊板,如不銹鋼薄板來避免局部過載問題。3回彈預測技術應用時效成形過程中,壁板的彈性變形不斷向塑性變形轉變,但是,卸除載荷后,壁板仍有彈性變形存在,甚至回彈量達到60%～70%。因此,進行時效成形的回彈預測以調整工藝流程、優(yōu)化工藝參數(shù)、修整模具型面是成形出合格壁板的關鍵。由于壁板零件外形曲面復雜,而回彈是一個非線性力學過程,完全依靠試驗法預測回彈成本高昂,目前一般先采用有限元模擬的方法預測回彈,完成成形工裝型面的初步修正,以減少修正次數(shù)。有限元模擬的精度主要依賴于所提供的壁板材料的蠕變、應力松弛的本構方程。3.1應力松弛本構方程壁板時效成形是一應力動態(tài)平衡、應變不斷協(xié)調的過程。材料內(nèi)部的變形過程既不等同于蠕變,亦不與應力松弛相同,因此,單純的蠕變本構方程或應力松弛本構方程都不足以描述材料在時效成形中材料內(nèi)部的應力、應變關系。Narimetla等引入應力松弛因子,從理論上推導出一組簡單的蠕變、應力松弛統(tǒng)一本構關系;Ho等從試驗出發(fā),得到了7010鋁合金150℃下的蠕變、應力松弛統(tǒng)一本構關系。因此,統(tǒng)一的蠕變與應力松弛的本構方程是描述壁板零件時效成形過程中,材料內(nèi)部應力、應變、時間、溫度等關系的有效描述方法。3.2時效成形模型壁板時效成形有限元模擬主要分為加載、成形、卸載、回彈等階段。成形的工藝流程、主要工藝參數(shù)以及模具是否合格,主要通過比較成形模擬后壁板與設計壁板的外形。如果模擬后壁板與設計壁板外形誤差不符合設計要求,則可調整工藝流程、主要工藝參數(shù)以及修正模具型面繼續(xù)進行模擬,最終,模擬成形出合格的壁板零件。Sallah等首次提出熱壓罐時效成形的數(shù)學模型。Narimetla等建立了整體壁板時效成形的有限元模型。在加載、卸載階段,采用線彈性薄殼有限元模型;時效階段采用非線性的Maxwell黏彈性時效應力松弛模型,并就時效成形的3個階段建立了通用的數(shù)學模型。Ho等基于“統(tǒng)一理論”和時效動力學提出統(tǒng)一的時效-蠕變本構方程,并使用ABAQUS有限元分析軟件對鋁合金厚板蠕變時效成形進行回彈模擬。因此,時效成形有限元模擬的主要流程如圖5所示。4各種成形工藝和制造方法對壁板時效成形的影響(1)大型機翼整體壁板時效成形工藝應采用雙/多級時效、振動時效等措施,并考慮應力位向效應,以提高成形的效率,降低回彈,提高成形后壁板材料的綜合性能。(2)大型機翼整體壁板時效成形所用到的成形工裝,應采用模塊化、標準化、柔性化的設計和制造方法,以提高成形設備