大型铝合金模锻件残余应力控制

门正兴 陈晓雷 岳太文 马亚鑫

(1.成都航空职业技术学院航空制造工程系， 四川610021；2.河北德林机械有限公司，河北051130)



大型铝合金模锻件残余应力控制

门正兴1陈晓雷2岳太文1马亚鑫1

(1.成都航空职业技术学院航空制造工程系， 四川610021；2.河北德林机械有限公司，河北051130)

残余应力直接影响大型铝合金模锻件尺寸稳定性、使用安全性、疲劳强度等参数，是大型铝合金模锻件精密成形的主要瓶颈之一。本文根据大型铝合金模锻件成形特点，从残余应力对零件的主要影响、产生原因、测量及评价方法、消减方法等方面对大型铝合金模锻件残余应力控制技术发展进行了分析总结。

铝合金模锻件；残余应力；应力消减

飞机结构件整体化使得飞机机体重量大幅下降，零件数量大大减少，生产和装配周期缩短，机身寿命和可靠性提高，成为飞机结构件设计的重要发展趋势[1]。大型铝合金模锻具有材料利用率高、内部缺陷少、力学性能优越等特点，是大型复杂飞机结构件生产的主要手段之一，但目前我国大型铝合金精密模锻成形的道路还任重道远，主要的原因有：1)大型铝合金模锻件淬火残余应力大，导致后续机械加工过程中发生大变形以及使用过程中的尺寸不稳定，只有增大加工余量才能保证零件精加工要求；2)普通模锻方法难以成形高筋薄壁类大型锻件，必须加大锻造工艺余量，使得成形载荷急剧增大。以上问题导致的最终结果是我国大型铝合金模锻件材料利用率低、成形载荷大、生产周期长。残余应力分析及其消减技术的研究对大型零件模锻精密成形至关重要，是我国高端制造业发展必须攻克的难关，成为航空整体结构件制造的一个重要研究课题。

1 大型铝合金模锻件残余应力影响

(1)在后续的冷加工过程中，较大的残余应力会导致大型铝合金模锻件由于去除部分的残余应力释放而变形严重，因此不得不增大加工余量并不断校形[2]。

(2)冷加工完毕后的大型铝合金模锻件如果内部残余应力较大，在放置过程或使用过程中会由于材料蠕变现象发生较大尺寸变化。

(3)铝合金锻件内部残余应力与使用过程应力场叠加后使得零件实际应力增大的情况下，材料的疲劳寿命缩短，抗腐蚀性能明显下降，严重的会导致零件在许用应力情况下发生应力开裂，零件可靠性下降。

(4)铝合金锻件内部残余应力与使用过程应力场叠加后使得零件实际应力减小的情况下，材料的疲劳寿命、抗腐蚀性能、零件可靠性等参数都明显提高。

2 大型铝合金模锻件残余应力产生原因

普遍认为，零件内部产生残余应力的根本原因是材料在变形或热处理过程中所产生的部分弹性应变(称为残余弹性应变)无法恢复[3]。对于铝合金材料来说，产生残余应力的主要原因有：1)不均匀温度场；2)不均匀塑性变形。大型铝合金模锻件一般成形工艺为：棒材或板料→下料→制坯→模锻→固溶处理→人工时效→机加工，在此过程中可能产生内部残余应力的过程有：

2.1 大型铝合金模锻件毛坯初始残余应力

大型铝合金模锻件毛坯一般为铝合金厚板或大型自由锻件，其成形及热处理过程都会使铝合金毛坯中存在较大的残余应力。残余应力主要来源为在淬火过程中的表层与心部冷却速度巨大差异，残余应力状态一般为为外拉内压。铝合金厚板一般采用大型张力拉伸机对其进行小变形拉伸处理来消减残余应力。普遍认为，铝合金毛坯残余应力对大型铝合金模锻件最终残余应力分布影响较小，但较大的残余应力会导致厚板使用和成形性能出现较大波动[4]，因此在成形前应对毛坯残余应力进行测量，作为评价原材料性能的重要指标。

2.2 锻造成形过程中产生的残余应力

铝合金模锻过程中的大变形及不均匀塑性变形都会导致锻件内产生较大残余应力，其残余应力的分布比较复杂。不均匀变形还会导致材料力学性能和热参数的变化，从而进一步引起锻件内部的残余应力。但是，大型铝合金锻件成形一般在高温下进行，而每火次的加热温度都远远超过了材料的再结晶温度，因此目前普遍的观点认为，大型锻件最终残余应力与大型锻件的热成形无关或影响非常小。此观点没有考虑锻件组织不均匀、锻件结构设计等等问题。

2.3 热处理过程中产生的残余应力

大型铝合金模锻件的基本热处理方法为固溶处理+时效，其中淬火过程对零件残余应力影响最大，是目前公认的大型铝合金模锻件残余应力主要来源，而时效处理对锻件内残余应力有缓解作用。淬火过程残余应力确定较为困难，主要的原因有：

(1)淬火过程锻件温差大，时间短，过程参数较多；

(2)大型铝合金锻件多为框梁结构，结构复杂，不同区域热交换系数不同；

(3)淬火过程中，如果热应力超过材料屈服极限则发生淬火塑性变形，如果小于材料屈服极限则产生残余应力，因此淬火变形和淬火残余应力应共同考虑；

(4)为防止锻件在淬火过程中发生较大变形，复杂锻件常常使用专用夹具，而夹具也会使得残余应力大小及分布产生影响，使得淬火残余应力更加复杂。

淬火后的大型铝合金模锻件，零件表面为残余压应力，芯部为残余拉应力，残余压应力主要集中在筋板表面，而残余拉应力集中于筋板与腹板交汇处[4]。因此，对于大型铝合金模锻件而言，消减筋板与腹板交汇处的残余拉应力是残余应力控制的主要目标。

3 大型铝合金模锻件残余应力测试及评估

残余应力测试方法可分为有损检测与无损检测两大类。无损检测法主要有X射线衍射法、中子衍射法等，其原理是以多晶体材料内部弹性变形引起的晶粒间距相对于无应力状态时的变化量进行应力测定[5]，该方法受测试零件尺寸限制，无法直接用于大型铝合金模锻件的残余应力检测。有损检测方法是利用机械加工将被测元件一部分去除，造成部分残余应力释放，然后通过测定相应的位移、应变等推算原始的残余应力。有损检测法主要有钻孔法、环芯法、剥层法、裂纹柔度法等，目前应用最多的是钻孔法和环芯法。当前，所有的残余应力测试方法都只能分析零件表面残余应力，没有公认的无损检测方法对零件内部残余应力进行测定，使得对零件内部残余应力分布以及各种残余应力消减方法的实际效果难以客观评价，是残余应力研究领域的主要瓶颈之一。

对残余应力的评价方法目前主要有以下两种：

(1)残余应力幅度。零件中最大残余应力与最小残余应力的差值；

(2)残余应变能密度。零件单位面积内贮存的弹性能，当残余应变能密度小于1 kJ/m3时，零件在后续冷加工过程中基本不发生加工变形[6]。

4 大型铝合金锻件残余应力控制方法

目前，一般认为大型铝合金模锻件中残余应力主要为淬火残余应力，消减残余应力的主要思路有：1)在没有外力作用下，锻件内部部分残余应力因发生应力松驰而逐步消减，主要方法为时效处理；2)引入外加应力场与原有残余应力场叠加，使得部分残余应力转化为塑性变形，主要方法有深冷处理、模压法、振动法等。

4.1 时效处理

时效处理是将淬火后的锻件置于一定温度保温一段时间，其部分残余应力因材料发生应力松驰而消减[7]，从而使得零件内残余应力值降低或者分布发生变化。目前主要时效方法包括自然时效、一级时效、两级时效以及多级时效。

4.2 深冷处理

深冷处理是指将锻件浸入液氮中深冷后，再用热蒸汽快速喷射，通过这种急热与急冷产生方向相反的热应力，从而抵消原来的残余应力场。在选择合适的工艺参数条件下，深冷处理可降低20%～40%的残余应力[8]。深冷处理方法最大的问题是需要专门的设备和场地，最大的优点是在消除残余应力的同时，材料的其他力学性能指标也会有所提高。

4.3 模压法

模压法是对大型模锻件筋板处进行限量冷压缩变形(1%～3%)，使变形应力场与锻件原有残余应力场叠加，部分残余应力因发生塑性变形而得以缓和或释放，从而使得锻件内残余应力值降低或者分布发生变化，该方法的难点在于模压变形量以及模压精确控制[9]。

4.4 振动法

振动法的基本原理是采用强力激振器使零件内部产生一个或多个振动状态，当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则发生塑性应变，从而引起内应力的降低和重新分布[10]。振动消除应力技术具有高效节能、低成本、工艺简单、适用性强等特点，非常适合于铝合金大型结构件生产。由于振动法消减残余应力的机理还不太明确，在实际操作中也有许多具休的技术问题只能依靠经验，如工件支承、激振点位置、动应力选择、共振频率等。

根据大型铝合金模锻件残余应力消减相关文献可知，单一残余应力消减方法对大型铝合金模锻件残余应力控制能力有限，且都有很大的局限性，因此需要在准确预测的基础上综合运用。

5 结论

残余应力控制作为铝合金大型模锻件精密成形的重要步骤越来越受到重视，通过对铝合金大型模锻件成形过程中残余应力产生、检测以及消减方法进行分析，主要结论如下：

(1)铝合金大型模锻件中较大的残余应力会引起后续冷机加工过程变形，材料的疲劳寿命缩短，抗腐蚀性能明显下降，零件可靠性下降等问题。

(2)铝合金大型模锻件残余应力主要由淬火过程产生，消减筋板与腹板交汇处的残余拉应力是残余应力控制的主要目标。

(3)当前，没有公认的无损检测方法对零件内部残余应力进行测定，使得对零件内部残余应力分布以及各种残余应力消减方法的实际效果难以客观评价。

(4)时效处理、深冷处理、模压法、振动法等残余应力消减方法在大型铝合金模锻件领域都有应用，单一方法控制能力有限，应在准确掌握锻件内部残余应力分布的前提下综合运用。

[1] 刘兵，彭超群，王日初，等.大飞机用铝合金的研究现状及展望[J].中国有色金属学报，2010，20(9)：1705-1715.

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[3] 曹江. 2 A 0 2高强度铝合金热加工残余应力研究及其数值模拟[D].成都：西南石油大学，2014.

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[5] 李达. 2024 铝合金板材弯曲镦厚热冲锻过程残余应力的研究[D].武汉：华中科技大学，2013.

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[7] 王岩，彭桃，张麦仓.时效热处理消减 2A02 铝合金淬火残余应力的微观机理[J]. 材料热处理学报，2015(6):65-70.

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[9] 代伟,易幼平,崔金栋.冷压缩法消减 7A85 铝合金锻件淬火残余应力研究[J].中南大学学报(自然科学版)，2015，46(5)：1609-1614.

[10] 李亚非，狄欧.振动时效去除铝合金锻件残余应力效果的研究[J].热加工工艺，2015，44(24)：222-225.

编辑 杜青泉

Controlling of Residual Stress for Heavy Aluminum Alloy Die Forging

Men Zhengxing, Chen Xiaolei, Yue Taiwen, Ma Yaxin

The residual stress, which could directly influence the parameters of heavy aluminum alloy die forging, such as the dimensional stability, the use security and the fatigue strength etc., is one of the main problems for precision forming of heavy aluminum alloy die forgings. Based on the forming characteristics of heavy aluminum alloy die forgings, the development of residual stress controlling technology for heavy aluminum alloy die forging has been analyzed and summarized in the aspects of the main influence on workpieces, the causes, the measuring and evaluating method and the relief method etc.

aluminum alloy die forging; residual stress; stress relief

2016—03—15

门正兴(1980—)，男，副教授，高级工程师，博士，主要研究方向：大型锻件成形工艺优化及内部组织预测、大型环件轧制工艺研究、成形及热处理过程残余应力分析及预测。

TG316

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