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7050铝合金H型截面长轴锻件成形工艺优化及淬火残余应力消除研究

【摘要】:随着航空航天工业向轻量化发展,带有纵横内筋结构的H型截面铝合金锻件得到广泛的应用。这类构件由于承载大部分载荷且所处工作环境极为恶劣,被要求具有较高的尺寸精度、较好的组织流线分布及优良的综合力学性能。因此,对这类铝合金构件的成形工艺、热处理工艺及后期淬火残余应力消除工艺的研究对提高该类合金锻件的性能至关重要。论文采用热模拟实验、热模锻生产试验、常温力学拉伸、断裂韧性实验、显微组织观察(OM、SEM)、残余应力检测实验、冷压实验及有限元数值模拟,研究了7050铝合金H型截面锻件热模锻成形工艺,研究了固溶温度、淬火介质以及淬火转移时间对7050铝合金试件中第二相粒子、晶粒结构、材料强度及断裂韧性的影响,研究了7050铝合金构件在不同淬火工艺下的残余应力大小、分布及规律,研究了不同模压工艺对7050铝合金构件淬火残余应力的影响。相关结论如下:(1)采用Gleeble试验机对7050铝合金在温度300-450℃,应变速率为0.01-10s-1条件下对7050铝合金进行热压缩试验,得到了合金不同变形情况下的真实应力-应变曲线。对热压缩实验数据进行回归分析,基于双曲正弦Arrhenius方程,建立了用Z参数表示的7050铝合金本构关系。该本构模型为后期的数值模拟分析奠定理论基础。(2)基于响应面优化算法,对7050铝合金H型截面锻件热模锻成形工艺参数进行优化,将优化后的工艺参数应用到实际生产,获得成形质量完好的模锻件。通过对锻件热模锻成形中出现的充填不满、流线穿流、变形不均匀等缺陷问题的形成机理进行分析,结合数值模拟与响应面法(RSM),对热模锻成形工艺参数进行优化,得到锻件成形最优工艺参数。(3)研究和揭示了不同固溶温度对7050铝合金组织和性能的影响。7050铝合金热处理过程中大部分的第二相粒子会随着固溶处理的进行逐渐的融入到基体中去,随着固溶温度的升高,第二相粒子逐渐减少而后趋于稳定。然而随着固溶温度的升高,晶粒发生再结晶的比例也会增大。因此,随着固溶温度升高,合金的强度以及断裂韧性先升高后降低,在固溶温度为470°C时达到峰值,此时合金的抗拉强度(σb)、屈服强度(σ0.2)以及断裂韧性(KIC)分别为567MPa、512MPa和37.2MPa·m1/2。(4)研究和揭示了不同淬火介质、淬火转移时间对7050铝合金组织和性能的影响。不同淬火介质、淬火转移时间对7050铝合金淬火过后第二相粒子体积分数有较为明显的影响,但对淬火过后的组织形态影响不大。四种淬火介质中盐浴淬火工艺下的淬火过后的铝合金中的第二相粒子体积分数最小,因而其时效过后的力学性能最好。其次是淬火介质为水时及淬火介质为20%PAG溶剂;空冷状态下的淬火过后的铝合金中的第二相粒子体积分数最大,因而其时效过后的力学性能最差。另外,水淬工艺下,随着淬火转移时间的增加,淬火过后合金中第二相粒子逐渐增多,时效后合金的力学性能逐渐下降。(5)研究和揭示了不同淬火介质、淬火转移时间对7050铝合金H型截面锻件淬火后残余应力的影响。锻件淬火后表层残余应力为拉应力,芯部为压应力。锻件淬火残余应力主要集中在过渡圆角区域,其随着锻件筋板的厚度增加而增大。另外,锻件表面淬火残余应力随着过渡圆角的增大而增大;芯部淬火残余应力随着过渡圆角的增大反而减小。四种淬火介质当中,淬火介质为空气时锻件淬火残余应力值最小,其次是20%PAG溶剂,水及NaCl溶液下的锻件淬火残余应力相对较高。随着淬火转移时间的增大,锻件截面过渡圆角区淬火残余应力值逐渐减小。(6)研究了不同冷压工艺对7050铝合金H型截面锻件淬火残余应力的影响。通过数值模拟确定先筋顶圆角同时下压,下压结束后再对锻件腹板部分进行冷压是最佳的冷压工艺。优化后的模具使得锻件整个截面淬火残余应力得到有效的控制,锻件残余应力消减到40 Mpa以下。随着模压量的增大,锻件截面过渡圆角区残余应力先减小后增大,在模压量为3%时达到最低值。模压后的试件表面残余应力实验结果与数值模拟结果比较吻合,实验测试值与数值模拟值误差在30MPa以内,说明采用数值模拟的方法测试试件淬火残余应力有着较高的精度。

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