7075、7050、2024與6061等變形鋁合金由于比強度高,廣泛地用于航空航天工業(yè)中。航空鋁合金結構件毛坯在成形與熱處理過程中常常產(chǎn)生很大的殘余應力,造成后續(xù)的機械加工過程中,隨著材料的不斷去除,殘余應力將重新分布直至達到內力平衡,此時往往產(chǎn)生很大的加工變形。殘余拉應力還使航空鋁合金結構件增加產(chǎn)生應力腐蝕開裂的敏感性,導致早期疲勞失效。因此,必須設法抑制鋁合金毛坯殘余應力的產(chǎn)生,并加以消除與釋放。本文從殘余應力的產(chǎn)生和消除兩個方面,分別討論了抑制與消除鋁合金中殘余應力的若干技術方法的特點、效果和適用場合。1、殘余應力的產(chǎn)生與抑制1.1淬火殘余應力的產(chǎn)生原因為了獲得足夠的強度與韌性,各種航空鋁合金毛坯必須進行固溶處理。當材料從大約500℃的高溫快速冷卻到較低溫度(取決于鋁合金類型)時,在冷卻過程中引入了很大的熱應力梯度,通常構件表面呈現(xiàn)壓應力而內部呈現(xiàn)拉伸應力。有關研究結果表明,鋁合金固溶處理時淬火產(chǎn)生的殘余應力甚至會接近材料的屈服極限。其應力分布與構件的尺寸與幾何形狀有關,當形狀復雜且厚度不均勻時,將導致復雜的應力分布狀態(tài)。淬火速度愈快,一方面使銅、鎂、硅、鋅等硬化溶質最大限度地溶入鋁等固溶體中得到強化,另一方面使冷卻過程中材料內部的熱梯度愈大,從而產(chǎn)生的殘余應力也愈大。1.2淬火殘余應力與變形的抑制影響淬火工藝效果的主要參數(shù)包括加熱溫度、轉移時間、冷卻速度與淬火介質等。鋁合金通常都采用冷水(10～32℃)淬火,由于冷水淬火易引起很大的淬火變形等難題,在有些場合,尤其對于形狀復雜的模鍛件與鑄件,采用熱水(60～71℃)淬火、沸水淬火或噴霧淬火,可有效地降低冷卻速度,相應地減少了鋁合金淬火殘余應力與變形,但同時也使鋁合金的機械性能有所下降。為了同時兼顧獲得最佳性能與減少變形的目的,國內外現(xiàn)推廣采用有機合成溶液作為淬火介質,這些有機淬火介質具有逆溶性,即在冷水中溶解而在大于75℃的熱水中反而不溶解。利用這一特性,當高溫鋁合金件淬入有機淬火介質時,迅速在鋁合金件表層沉淀了一層起隔熱作用的均勻有機介質薄膜,降低了鋁合金件的冷卻速度,隨著工件的冷卻,有機介質薄膜逐漸溶解,變成均勻水溶液,從而獲得均勻的淬火冷卻效果,減小了淬火應力及變形。表1為7075鋁合金在冷水與若干種有機淬火介質中淬火時引起的最大變形與拉伸試驗的測試結果。其中19%～22%濃度的UCON-A、19-22%濃度的AQ251及30%～45%濃度的CL-1等有機淬火介質可大幅度減少淬火變形量與殘余應力,而抗拉強度與相對延伸率等機械性能指標與冷水淬火時相當,有的還有所提高。1.3減小淬火前零件壁厚淬火殘余應力與零件厚度有關,隨著零件壁厚增加,淬火殘余應力也隨之增加,直到厚度大于10毫米以上才趨于平緩。對于加工余量較大的鍛件或鑄件毛坯,在安排加工工藝路線時,可先在退火狀態(tài)進行粗加工來減少壁厚,再進行固溶處理,從而減少淬火殘余應力數(shù)值,然后再進行精加工。2、殘余應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力產(chǎn)生的措施后仍然無法滿足有關設計要求,必須安排專門的消除殘余應力工藝。下面分析各種消除鋁合金中殘余應力的工藝方法特點、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,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200～250℃)下進行,從而使得消除去應力的效果僅為10%～35%,非常有限。國際上有關學者正致力于研究逆向時效法與二次時效法等先進工藝來改進其應力消除效果。

2.2機械拉伸法械拉伸法消除應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伸塑性變形,使拉伸應力與原來的淬火殘余應力疊加后發(fā)生塑性變形,使殘余應力得以緩和與釋放。有關研究結果表明,機械拉伸法最高可消除90%以上的殘余應力。圖1為拉伸變形量與殘余應力消除效果的對應關系,拉伸(壓縮)塑性變形量一般控制在1.5%～3.0%為宜。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。2.3深冷處理法深冷處理法也稱冷穩(wěn)定處理(ColdStabiliza-tion)法,按工藝可劃分為深冷急熱法(UphillQuench)與冷熱循環(huán)法(CyclicTreatment)兩種。其中深冷急熱法是將含有殘余應力的零件浸入-196℃的液氮中深冷,待內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)生方向相反的熱應力,借此抵消原來的殘余應力場。有關研究表明,在選擇合適的工藝參數(shù)條件下,深冷急熱法可降低高達84%的殘余應力。圖2表示不同深冷處理工藝對應的2014-T6鋁合金淬火殘余應力消除效果。有關研究進一步證實,深冷處理時冷熱溫差愈大,加熱速率愈快,應力消除效果愈好。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)生的殘余應力,對焊接殘余應力的消除效果也不佳。2.4振動消除法振動消除殘余應力法的工作原理是用便攜式強力激振器,使金屬結構產(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,使零件內某些部位的殘余應力與振動載荷疊加后,超過材料的屈服應力引起塑性應變,從而引起內應力的降低和重新分布?，F(xiàn)有的相關研究指出,當鋁合金在剛剛進行了淬火后的不穩(wěn)定狀態(tài)(0～2小時內)進行振動消除,效果最佳,殘余應力最大可降低50%～70%;若在淬火后放置360小時進行振動時效后測試,殘余應力消除率有所降低。振動消除應力(VSR)技術具有高效節(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,尤其適合于大型復雜結構件,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。2.5模冷壓法模冷壓法是在一個特制的精整模具中,通過嚴格控制的限量冷整形來消除復雜形狀鋁合金模鍛件中的殘余應力。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,該種方法是調整而不是消除零件的整體應力水平,它使鋁合金模鍛件上某些部位的殘余應力得到釋放的同時,有可能使其他部位的殘余應力增大。另外,鑒于鋁合金模鍛件本來就已存在很大的殘余應力,模壓變形量過大將可能引起冷作硬化、裂紋和斷裂;而變形過小則使應力消除效果不佳,因此需要精確控制。3、結束語鋁合金淬火速度愈快,固溶強化效果愈好,產(chǎn)生的殘余應力也愈大;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等有機介質淬火,同時兼顧了獲得較佳機械性能與減少殘余應力的目的。另外減小淬火前零件厚度也是抑制殘余應力的有效手段。在現(xiàn)