一种铝合金电磁成形复合热处理方法及产品与流程

本发明属于金属材料塑性加工领域，更具体地，涉及一种铝合金电磁成形复合热处理方法及产品。

背景技术：

高性能轻质合金材料是现代航空航天装备实现轻量化的首选材料，其中铝材在航空航天器中的应用占到其自身重量的70％以上，构件的轻量化常通过大型、整体化制造来实现。大型构件成形后，往往要对局部特征进行加工，如翻边、胀形、冲裁、压印、缩颈和各类异形管件等局部成形，然而传统凹凸模结构复杂、工艺流程繁琐，装备的柔性化程度低，随着构件尺寸的增加，对设备吨位和装配过程也提出了更高的要求，且工件在成形过程中易产生起皱、开裂和回弹等缺陷，严重影响成形精度和成形质量。

电磁成形是一种利用瞬时电磁力使金属材料发生塑性变形的高速率成形方法，具有单模成形、成形柔性高、材料成形极限高、回弹小、抑制起皱、降低成本等优点，可有效解决传统成形方式所面临的问题，因此，电磁成形技术在航空航天领域具有广阔的应用前景。我国高端技术和国防建设的高速发展对各种装备的服役性能提出了更高的要求，如要求结构强度、服役寿命、运载能力等不断提高和结构重量不断降低。基于退火态铝合金材料，采用电磁成形工艺可获得成形质量优良、贴膜效果佳的高精度成形件，但难以满足航空航天用铝合金构件苛刻的服役条件，尤其是强度要求，因此还需采取一系列强化工艺以提升其强度。

金属材料常见的强化方法为热处理，但现有研究主要集中在钢材和轧制工艺，以中间形变热处理(itmt)为代表的铝合金热处理工艺过于复杂，实际应用极少。常规的形变热处理方法可提高材料的综合性能，但其只针对原始材料，未和最终成形件的性能统一起来，仍然无法获得满足强度要求的成型件。

技术实现要素：

针对现有技术的上述缺点和/或改进需求，本发明提供了一种铝合金电磁成形复合热处理方法及产品，其中依次进行固溶淬火、电磁成形和人工时效三个处理方式，并对其处理过程中的工艺条件进行设计，相应能够提高成形件的精度和力学性能，因而尤其适用于金属材料塑性加工之类的应用场合。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种铝合金电磁成形复合热处理方法，该方法包括如下步骤：

(a)固溶淬火

加热退火态铝合金工件并保温预设时间，然后采用水冷淬火的方式对其进行冷却，获得固溶淬火后的铝合金工件；

(b)电磁成形

将所述固溶淬火后的铝合金工件置于模具中，对局部待成形特征区域进行电磁成形处理，从而获得半成品；

(c)人工时效

加热所述半成品并保温预设时间，然后在空气中自然冷却，以此获得成形件。

作为进一步优选地，在所述步骤(a)中，所述退火态铝合金工件为厚度1mm～10mm的铝合金板管类工件。

作为进一步优选地，在所述步骤(a)中，所述退火态铝合金工件由2xxx系铝合金、6xxx系铝合金、7xxx系铝合金、铝-锂合金或铝-钪合金制成。

作为进一步优选地，所述步骤(a)中加热温度为515℃～545℃，所述步骤(c)中加热温度为160℃～190℃。

作为进一步优选地，所述步骤(a)中保温时间为20min～50min，所述步骤(c)中保温时间为4h～12h。

作为进一步优选地，在所述步骤(a)中，水冷淬火的转移时间不超过10秒。

作为进一步优选地，在所述步骤(b)中，进行电磁成形处理时电压为8kv～30kv。

作为进一步优选地，在所述步骤(b)中，进行电磁成形处理时使用的成形线圈为螺旋管线圈或平面螺旋线圈。

作为进一步优选地，在所述步骤(b)中，所述平面螺旋线圈的层数为1层～3层，同时单层匝数为7匝～15匝。

按照本发明的另一方面，提供了一种利用上述铝合金电磁成形复合热处理方法制备的产品。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明通过将铝合金电磁成形工艺与固溶淬火、时效处理强化相结合，以获得比单一电磁成形工艺强度更高的成形件，实现工件成形和使用性能的一体化调控，可有效解决现有铝合金大型结构件难以满足航空航天苛刻服役条件的问题，其中将固溶淬火工艺设计在电磁成形工艺之前，能够有效避免电磁成形后再淬火时工件发生淬火变形、淬火裂纹等严重影响成形件尺寸精度的现象，同时因热处理之后材料的强度将大幅提升，故出于设备能耗和成形难易程度的考虑，将人工时效安排在电磁成形工艺之后，可有效减少电磁成形设备的放电能量，降低电磁成形难度，从而在降低设备能耗和减小成形难度的同时，获得尺寸精度高、力学性能提升幅度大的成形件；

2.同时，本发明的适用范围广，可用于各种导电性好的材料，尤其是高性能轻质铝合金等电导率高的材料，而对于在室温准静态成形条件下成形性能较差的合金，也能够有效提高其制造能力，适用于1～10mm厚的大型复杂型面金属管材的局部特征成形；

3.尤其是，本发明通过对固溶淬火、电磁成形和人工时效过程中的工艺参数进行优化，如根据成形力学性能需求，匹配不同的热处理保温温度和时间，并根据板料厚度设计不同的成形线圈匝数和层数等，能够综合发挥铝合金材料在热处理强化和电磁成形塑性变形强化中的作用，在保证合理的塑性范围下，大幅度提升构件的强度。

附图说明

图1是本发明提供的铝合金电磁成形复合热处理方法的工艺流程图；

图2是本发明优选实施例中用于电磁翻边工艺的装置结构示意图；

图3是本发明优选实施例中电磁翻边成形后的示意图；

图4是电磁翻边的原理图；

图5是本发明优选实施例中铝合金翻边成形件周向翻边直径的分布图；

图6是本发明优选实施例中铝合金翻边成形件特征区硬度测试结果。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1为下模座，2为凹模，3为线圈固定座，4为系统电阻，5为系统电容，6为开关，7为三维数控移动平台，8为成形线圈，9为带预制孔钣金件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例提供了一种铝合金电磁成形复合热处理方法，该方法包括如下步骤：

(a)固溶淬火

将退火态铝合金工件加热至515℃～545℃并保温20min～50min，然后采用水冷淬火的方式对其进行冷却，获得固溶淬火后的铝合金工件，为保证快速冷却，使高温下固溶的组织最大程度保留，减少降温过程中相的析出，水冷淬火的转移时间不超过10秒；

(b)电磁成形

将固溶淬火后的铝合金工件置于模具中，对局部待成形特征区域进行电磁成形处理，其中电压为8kv～30kv，从而获得半成品，电磁成形作为一种高能率成形技术，能显著提高材料的成形性能，具有工件回弹小、成形精度高、单模具成形、无污染、易于柔性控制和有效降低成本等优点，可以充分发挥材料潜力，提高轻合金大型复杂结构件的制造能力；

(c)人工时效

将半成品加热至160℃～190℃，然后保温4h～12h，最后在空气中自然冷却，以此获得成形件。

进一步，在步骤(a)中，退火态铝合金工件为厚度1mm～10mm的铝合金板管类工件，此外退火态铝合金工件采用可热处理强化的2xxx系铝合金、6xxx系铝合金、7xxx系铝合金、铝-锂合金或铝-钪合金制成。

进一步，在步骤(b)中，进行电磁成形处理时使用的成形线圈为螺旋管线圈或平面螺旋线圈，成形线圈的截面为2mm×4mm，其中平面螺旋线圈的层数为1层～3层，同时单层匝数为7匝～15匝，线圈层数和单层匝数越多，工件承受的电磁力越大，加加工的工件越厚，但相应所需的能量也越多，因此可根据不同工件厚度选取合适的电压及线圈参数；

电磁成形工艺可用于大型构件局部翻边、肿形、冲裁、压印、缩颈和各类异性管件等局部特征成形。

进一步，在步骤(a)和步骤(c)的加热过程包括快速加热阶段和缓慢加热阶段，以防止快速加热时升温速率过快，使得炉内温度超过目标温度而导致结果不准确。

本发明还提供了一种利用上述铝合金电磁成形复合热处理方法制备的产品。

下面根据具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

在航天运载火箭的推进剂贮箱的成形制造中，其箱体材料为2219铝合金，为方便箱体与管路之间的连接，需要在箱体局部成形出翻边孔，将本发明提供的方法应用到该场景中。

用于电磁翻边工艺的装置如图2所示，采用同轴装配的方式将凹模2固定在下模座1上，将带预制孔钣金件9在凹模2上装配及定位，线圈固定座3与带预制孔钣金件9定位后紧固在三维数控移动平台7上，其中凹模2的内径为80mm，成形线圈8为3层7匝平面螺旋线圈。

利用上述装置对2219铝合金进行电磁成形复合热处理，包括如下步骤：

(a)固溶淬火，将原始退火态2219铝合金工件在加热炉中加热至535℃，并保温40min，然后采用水冷淬火，淬火转移时间不超过10秒；

(b)电磁成形，将固溶淬火后的铝合金工件装配在如图2所示的装置中进行电磁翻边，按下开关6后系统电容5与系统电阻4连接，系统电容5充电后放电，电磁翻边成形电压为12kv,放电电容为213μf，放电能量为15.34kj；

电磁翻边成形原理如图4所示，当成形线圈8中通过瞬时脉冲电流a时，在脉冲电流a周围的空间会产生感应磁场b，处于感应磁场b内的带预制孔钣金件9由于电磁感应而产生与成形线圈8内脉冲电流a方向相反的感应电流c，感应电流c与感应磁场b相互作用产生电磁力d，未受凹模2限制的板料悬空区在电磁力d作用下以变化的速度背离成形线圈8运动，朝凹模2内壁贴模，形成直壁翻边特征，电磁翻边后的板料如图3所示，与明显的直壁特征。

(c)将半成品加热至175℃然后保温6h，最后在空气中自然冷却，以此获得成形件，成形件的周向翻边直径分布测试结果如图5所示，成形件圆周各方向的直径均大于79.5mm，并且数值波动范围较小，成形误差控制在80±0.5mm范围以内，保持了较好的周向均匀度，贴膜性好具有较高的精度，并且其直壁高度为4.68mm，边缘厚度为2.5mm，减薄率为14％，所有尺寸均满足成形精度要求。

对成形件特征区域进行力学性能硬度测试，试样测试位置的硬度分布如图6所示，其中(a)曲线为本发明制备的成形件，(b)曲线为原始退火态成形件，(c)为原始退火态板料，(d)为时效态板料，①～⑦为直壁区，为圆角区，为法兰区，采用本发明制备的成形件与未复合热处理的成形件相比，各特征区域硬度均大幅提升，直壁区①处硬度从68hv左右提升至110hv左右，未变形区域处硬度从49hv左右提升至95hv左右，即直壁区①经本发明全流程工艺后硬度提升62％，未变形区域经本发明全流程工艺后硬度提升94％。

综上分析可知，铝合金材料经过固溶淬火、电磁成形、人工时效的电磁成形复合热处理方法得到的成形件尺寸误差在±0.5mm以内，尺寸精度高，硬度提升62％以上，力学性能得到大幅提升，说明本发明提供的简单且高效的全流程工艺，实现了材料成形成性的一体化，提高了装备的生产效率，在航空航天用铝合金结构件制造领域具有实际应用意义。

实施例2

(a)固溶淬火

将退火态铝合金工件加热至515℃并保温20min，然后采用水冷淬火的方式对其进行冷却，获得固溶淬火后的铝合金工件；

(b)电磁成形

将固溶淬火后的铝合金工件置于模具中，对局部待成形特征区域进行电磁成形处理，其中电压为8kv，平面螺旋线圈的层数为1层，同时单层匝数为11匝，从而获得半成品；

(c)人工时效

将半成品加热至160℃，然后保温4h，最后在空气中自然冷却，以此获得成形件。

实施例3

(a)固溶淬火

将退火态铝合金工件加热至520℃并保温30min，然后采用水冷淬火的方式对其进行冷却，获得固溶淬火后的铝合金工件；

(b)电磁成形

将固溶淬火后的铝合金工件置于模具中，对局部待成形特征区域进行电磁成形处理，其中电压为18kv，平面螺旋线圈的层数为2层，同时单层匝数为15匝，从而获得半成品；

(c)人工时效

将半成品加热至180℃，然后保温8h，最后在空气中自然冷却，以此获得成形件。

实施例4

(a)固溶淬火

将退火态铝合金工件加热至530℃并保温50min，然后采用水冷淬火的方式对其进行冷却，获得固溶淬火后的铝合金工件；

(b)电磁成形

将固溶淬火后的铝合金工件置于模具中，对局部待成形特征区域进行电磁成形处理，其中电压为25kv，平面螺旋线圈的层数为3层，同时单层匝数为11匝，从而获得半成品；

(c)人工时效

将半成品加热至185℃，然后保温12h，最后在空气中自然冷却，以此获得成形件。

实施例5

(a)固溶淬火

将退火态铝合金工件加热至545℃并保温40min，然后采用水冷淬火的方式对其进行冷却，获得固溶淬火后的铝合金工件；

(b)电磁成形

将固溶淬火后的铝合金工件置于模具中，对局部待成形特征区域进行电磁成形处理，其中电压为30kv，平面螺旋线圈的层数为3层，同时单层匝数为15匝，从而获得半成品；

(c)人工时效

将半成品加热至190℃，然后保温10h，最后在空气中自然冷却，以此获得成形件。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。