蠕变时效成形综述

控制变形理论与应用
姓名：李承波
学号：113111133
指导老师：叶凌英
日期：2011、12
蠕变时效成形技术综述
摘要：蠕变时效成形技术是利用金属的蠕变特性，将成形与时效热处理同步进行的一种成形方法。

蠕变时效成形是实现大型蒙皮和壁板件成形的有效方法。

文章从蠕变时效成形基本原理以及成形特点出发，重点阐述了基于零件回弹补偿的工装外型面的优化技术、成形工装、蠕变时效成形过程对零件材料微观组织性能的影响和新型可时效成形铝合金的开发及应用等关键技术的研究进展及发展趋势。

分析了蠕变时效成形的原理。

结合试验分析了蠕变时效成形的实际效果。

详细论述了栽荷施加方式和型面确定方法等关键技术。

并阐述了蠕变时效成形可能的应用领域和应用前景。

并针对我国大飞机的研制需求，结合国内现有研究基础和水平，提出了我国开展蠕变时效成形技术研究的建议。

关键词：蠕变时效成形；整体壁板；铝合金；有限元
ABSTRACT：Creep age forming(CAF)is acombined forming and ageing heat treatment process. Starting from the principle and the characteristics of the creep age formling process, the research situation and the developing tendency on the key technologies, such as tool surface optimisation based on the springback, forming tools, the effect of the creep age forming on mechmcal properties and microstructural evolution, development of novel damage tolerant alloys are detailed introduced in this paper. The principle of the creep age forming and the practical effect of the creep age forming are analyzed by means of tests. Some key technologies, such as the loading method and method of die surface determination are described in detail.The possible application and the prospect of the creep age forming are introduced.Finally，based on the existing research situation and the requirements for developing the large airplane in China，some suggestions and research emphasis on developing creep age forming technologies are pointed out．
Key words：Creep Age Forming ; Integral Panel; Aluminum ; FE
前言
在航空工业中，对飞机钣金件成形后的性能要求在不断提高，包括提高强度和刚度、减轻重量、提高抗疲劳断裂的能力等。

蠕变时效成形由于能满足这些要求而得到发展，该方法将人工时效与成形制造相结合，利用铝合金在弹性应力作用下在一定温度发生蠕变变形，从而得到具有一定形状的结构件。

同时，利用时效处理得到铝合金所需的性能。

与常规的塑性成形方法相比，成形应力低于屈服应力，降低了材料发生破裂的几率。

同时，时效成形过程中由于蠕变而导致应力松弛以及后续回弹，时效成形铝合金结构件残余应力水平低，耐疲劳与应力腐蚀性能有所提高，长期服役能力更好。

同时工件的回弹量较小、残余应力小、产品精度高、成形后材料机械性能好、适用大型蒙皮类钣金件的成形等特点，其应用越来越广。

除了用于小曲率大型复杂蒙皮类钣金件外，还可用于小批量的小型钣金件成形。

蠕变时效成形还可以用于钣金件的校形。

因此在“湾流”的机翼上蒙皮、GIV、B-IB和空客A330/340/380上都采用了蠕变时效成形方法。

在民用飞机的应用方面，空客、波音和麦道的早期机型已经部分采用该项技术，如MD82、A330/340和A380等大型民用飞机的整体壁板制造中，其中采用蠕变时效成形技术制造的A380飞机机翼上壁板材料为7055，零
件长33m，宽2.8m，变厚度3mm-28mm，成形后外形贴合度小于1mm，如图1所示[1,2]。

2000年美国NASA的IAS(Integral airframe structures)研究计划将该技术列为整体机身结构制造技术之一[3]。

整体壁板是现代飞机上最重要的一类零件，既是构成飞机气动外形的重要组成部分，同时也是机翼、机身等的主要承力构件[4]。

先进飞机的整体壁板不仅具有复杂双曲率外形，同时还具有复杂的内部结构，如整体加强凸台、口框、肋及筋条等，以达到既满足外形要求，同时又减少零件数量、减轻重量和提高使用寿命的目的。

因此，这种具有复杂外形和结构的整体壁板零件的制造技术，就成为现代先进飞机的关键制造技术之一[4,5]。

图1 蠕变时效成形的A380机翼上壁板
Fig.1 Creep age formed upper wing skin of A380
1.蠕变时效成形技术现状
蠕变时效成形是指蠕变、应力松弛和时效通过压力罐等手段综合在一起完成的工艺过程。

在蠕变时效过程中。

钣金材料被加热到人工时效温度。

然后通过真空袋技术对板料加压使其向模具移动。

一旦板料贴模，在压力的作用下保持板料位置不变，并且控制在一定时间范围内容许应力松弛发生。

在这个阶段，金属纤维组织发生改变。

提高了材料的屈服强度。

但板料上的压力释放以后．板材会出现回弹。

回弹是由于完成合适的机械性能要求的时效时间有限，弹性变形没有能够完全转化为塑性变形。

然而与滚轧成形、轧压成形、喷丸成形、拉伸成形等其他传统方法相比，蠕变时效成形件最后的残余应力很小。

这样，由于提高了抗断裂疲劳性能。

成形件的耐久性能得到改善。

与其他的成形技术有所不同，蠕变时效成形的变形发生在低应力水平。

并且塑性变形的程度直接与时效时间和温度有关，因而伴随着成形过程的析出硬化，析出硬化强化材料降低蠕变率，与材料蠕变成形相关的特性比传统的蠕变和应力松弛特性更复杂。

例如由于时效热处理，材料的屈服强度提高15％-20％。

时效成形技术或时效蠕变成形技术是在20世纪50年代初期，为成形整体壁板零件而发展起来的一项技术，即利用金属的蠕变特性，将成形与时效同步进行的一种成形方法。

与喷丸成形和增量压弯成形相比，该成形方法适于成形可时效强化型合金的整体带筋和变厚度大曲率复杂外形和结构的整体壁板构件，被认为是下一代大型民用飞机特别重要的金属成形工艺之一，在我国大型军用运输机、大型客机等“大飞机”项目的研制中具有广泛的应用前景[6]。

为了使蠕变时效成形能在实际中得到应用，各国的科技人员进行了很多研究工作，主要从蠕变时效成形材料制备、蠕变时效的微观机理、统一的蠕变时效本
构方程、成形后的回弹、蠕变时效成形对材料性能的影响及工艺参数对材料性能的影响等方面进行研究。

蠕变时效成形过程中可能改变合金的微观组织，降低耐损伤性。

X.D.Du研究了时效过程对蠕变包含0.1％锆铝合金裂纹生长速度的影响，分析了时效析出相尺寸和分布对铝合金时效裂纹生长速度的影响，结果表明过多的A13Zr在250℃时效48h条件下能够由阵中析出。

粒子细化并分散，位于晶界边缘上，这些粒子有效地阻止裂纹生长。

表明少量的锆具有强大的阻止蠕变裂纹生长的能力。

在200℃时效48h或250℃时效24h，析出粒子不能有效地阻止蠕变裂纹的成长。

在300℃时效48h后，铝合金就丧失了原来的性能。

M.J.Starink等人研究了Al-Cu-Mg-Li(Mn，Zr，Sc)铝合金微结构、析出相、时效成形性和损伤在时效成形中的关系。

在不同的时效条件下蠕变时效成形对合金屈服强度、韧性及抗疲劳裂纹扩展性能影响不同。

因此需要研究具有良好时效性能的材料及相应的最佳时效条件。

特别是下翼面蒙皮，如果采用蠕变时效成形方法进行加工，则对材料的要求更高，因为下翼面处于拉应力状态，对疲劳要求高，同时要求时效成形不能降低耐损伤性。

针对下翼面用的蠕变时效成形材料，英国南安普敦大学设计了一系列Al (1.5-2.5)Cu - (0.8-1.2)Mg-(0.5-1.5)Li-(Zr-Mn)铝合金；2001年法国申请了一种新型Al-Cu-Mg系列铝合金专利，该铝合金具有较好的时效成形性能。

从蠕变时效成形过程可以看出，由于受到材料本身时效周期的限制，无法将试件内已有的弹性变形全部转变为塑性变形，因此成形后均存在一定的回弹量。

通常，回弹量可达到总应变量的70％以上[7]。

因此，应用蠕变时效成形工艺需要精确预测回弹量，并将回弹量补偿到模具型面上，只有解决这一关键问题，才能得到所需的零件外形。

最初，对于零件成形后回弹量的确定主要是采用“试错法”，如Textron公司研制B-1B机翼壁板时，就是通过大量的基础工艺试验以及经验公式的外推来完成对模具型面的设计。

由于这种方法效率不高，而且适应性较差，数值模拟被引入到了蠕变时效成形技术的研究中[8,9]。

实现蠕变时效成形过程有限元模拟的关键，是建立一种能够准确描述以上变形过程的材料本构模型。

早在20世纪70年代，许多学者就已开始针对这种既包含与时间无关的弹塑性变形，又存在着与时间相关的蠕变、应力松弛的复杂过程进行研究，并相继提出了一些材料模型，如Miller/Sherby模型、walker/Wilson模型等，为开展时效成形有限元模拟奠定了理论基础。

1991年M.Sallah，J.Peddieson等[10]首次将蠕变时效成形过程概念性地划分为3个阶段。

加载过程、时效(蠕变、应力松弛)和卸载阶段(回弹)。

其中，线弹性对应于加载和卸载过程，非线性的应力松弛对应于时效过程。

在粘弹性力学基础之上分别讨论了线性Maxwell模型和Walker/wilson模型，初步给出了两种模型的应力松弛公式，并在Bernoulli/Euler梁以及圆柱面上进行了应用，为进一步的理论分析提供了依据。

1998年，Andrew Levers基于ABAQUS有限元软件对壁板进行了时效成形模拟。

当前，随着材料微观组织演化模拟理论的不断完善以及各种测试手段的出现，研究材料微观组织演变和蠕变时效成形过程工艺参数之间的关系、建立它们之间的本构方程，已成为当前该领域研究人员的主要研究方向。

2000年，英国伯明翰大学J.Lin，K.C.Ho等基于蠕变、应力松弛理论和时效动力学，提出了一套将传统应力应变分析与微观组织演化，如沉淀相析出、晶粒长大、位错等相结合的统一的蠕变一时效本构方程。

其中，蠕变率不仅是应力和位错强化的函数，而且是时效强化的函数。

同时，沉淀相的形核、长大均与蠕变
变形量相关。

基于此本构方程并结合ABAQUS有限元软件对7010铝合金壁板的时效成形过程进行了有限元分析。

在获得壁板零件应力应变分布和变形量的同时，也能对沉淀析出相的大小和分布进行数值模拟和预测。

同时，通过与Airbus公司合作，将所获得的研究成果应用于A380机翼上壁板的时效成形过程中，为时效成形模具型面的优化设计提供了重要的理论基础，缩短了产品的生产周期。

2. 蠕变时效成形基本原理
2.1蠕变时效成形工艺过程蠕变时效成形主要是将材料的人工时效与零件成形相结合，即利用时效处理得到铝合金所需性能，同时利用材料在弹性应力作用下于一定温度(人工时效温度)时发生的蠕变变形，得到带有一定形状的结构件。

典型的时效成形工艺过程分为3个阶段(见图2)。

1)加载。

在室温下，将金属零件通过一定的加载方式使之产生弹性变形，并固定在具有一定外形型面的工装上。

2)人工时效。

将零件和工装一起放入加热炉或热压罐内，在零件材料的人工时效温度内保温一段时间，材料在此过程中受到蠕变、应力松弛和时效机制的作用，内部组织和性能均发生较大变化。

3)卸载。

在保温结束并去掉工装的约束后，所施加到零件上的部分弹性变形在蠕变和应力松弛的作用下，转变为永久塑性变形，从而使零件在完成时效强化的同时，获得所需外形。

图2 蠕变时效成形原理
Fig. 2 The principle of creep age forming process
蠕变时效成形主要研究的对象是蠕变时效阶段工件中应力、应变的变化问题，蠕变时效阶段实质上包括两个主要的变化：一是蠕变和应力松弛的作用使塑性变形增加。

弹性变形减小，从而减小成形后工件的回弹量：二是整个过程伴随着材料的热时效，减小了残余应力，并改变了材料的强度。

3.蠕变时效成形特点及关键技术
与传统冷加工塑性变形相比，蠕变时效成形的优点主要有：
蠕变时效成形的主要好处是成形精度高、重复性好、工艺稳定、能够生产多曲率复杂形状的厚蒙皮和整体壁板件等大型钣金件。

蠕变时效成形在一次成形中可以得到非常接近要求的形状，如果模具型面预先考虑了回弹，则可以一次完成成形。

得到合格的产品。

1)蠕变时效成形时，成形应力通常低于其屈服应力，因此相对于常规塑性变形而言，时效成形减小了零件因进入屈服状态后而引发失稳甚至破裂的危险，大大降低了零件发生加工裂纹的几率；
2)利用材料时效强化和应力松弛特性，在成形的同时，还完成了对零件材料的人工时效强化，从而改善了材料的微观组织，提高了材料强度；
3)蠕变时效成形的零件具有很高的成形精度、可重复性和成形效率。

在成形复杂外形和结构的零件时，时效成形技术仅需要一次热循环就可使零件的外形达到所需精度，外形精度误差小于1mm；
4)蠕变时效成形的零件内部残余应力几乎被完全释放，尺寸稳定，不会出现像喷丸成形的零件在放置一段时间后因内部残余应力释放而造成外形变化等问题。

此外，对于焊接整体壁板，还可有效降低焊接残余应力，增强耐应力腐蚀能力，延长零件的使用寿命。

蠕变时效成形中的关键技术包括载荷施加、模具型面确定、模具结构设计与制造、工艺参数的确定等。

(1)载荷施加。

大型钣金件蠕变时效成形采用真空负压和正向加压相结合的方式加载，这种方式相对容易实现。

因为如果采用其他的设备或机械方法加载，首先没有合适的大型设备，同时需要大量的工装，必然导致成形成本大幅增加。

图3为热压罐蠕变时效成形装置示意图，图中的密封装置一般采用真空袋。

图3 热压罐蠕变时效成形
Fig. 3 Creep age forming in autoclave
(2)蠕变时效成形模具型面确定。

蠕变时效成形中要得到高精度的工件，必须预先考虑模具型面的回弹。

虽然蠕变时效成形后工件的回弹量较小，但仍需要通过补偿的方法消除回弹的影响，以便得到高精度的产品。

要根据产品的形状和回弹综合考虑来确定模具型面，回弹的预测是一项关键技术。

可以采用两种方法：一是建立三维变形转换函数[11]，二是用有限元方法预测回弹。

K.Idem应用一种蠕变时效的材料特性模型进行了有限元模拟．模型中加载和卸载遵从线弹性规律，而时效项则遵从非线性应力松弛规律。

K.C.Ho也对蠕变时效中材料的本构和有限元模拟进行了研究[12]。

其中，在蠕变时效成形有限元模拟中材料的本构是一个关键问题，直接影响模拟精度。

图4为利用有限元方法确定模具型面的框图。

图4 模具型面确定框图
Fig.4 Block diagram of mould surface determination
(3)模具结构设计与制造。

由于蠕变时效成形是通过气压加载在时效温度下完成成形的，因此模具不仅具有尺寸大、型面形状复杂的特点，而且模具材料需要在适合的时效温度下工作，模具结构要适合于真空加载。

模具一般采用组合结构，主要由基座和肋条构成，其中基座起支撑作用。

保证整个模具有足够的刚度，而型面由肋条保证。

肋条间的空隙便于采用真空加载。

采用组合机构还有利于模具型面的局部修形和调整。

( 4)工艺参数的确定。

蠕变时效成形的工艺参数除了模具参数外主要包括时效温度、真空负压和正压的大小、时效时间等。

工艺参数主要根据材料的蠕变、应力松弛性能参数和时效参数确定，也需要做少量的工艺试验。

4.蠕变时效成形对微观组织的影响
美国A.W.Zhu等研究了Al-XCu铝合金在一定压应力下人工时效后的微观组织，发现应力时效时片状相由无应力时效时的垂直排列转变为定向排列，如图5所示；并且在同样时效条件下，应力时效后的材料无论在应力方向上还是在垂直应力方向上，其屈服强度都要低于无应力时效后的材料屈服强度。

D.Bakavos 等在研究2XU拉应力作用下的人工时效同样发现强化相具有定向排列的现象。

图5 Al-4Cu单晶合金在201℃、11h时效后的TEM照片
a）无应力时效；b)40MPa压应力时效
Fig.5 TEM images of Al-4Cu single crystals aged at 201℃ for 11h
中南大学的郑子樵等[13]研究A1-3.88Cu和Al-3.87Cu-0.56Mg-0.56Ag合金拉应力时效微观组织时，同样发现了析出相存在应力位向效应，在进一步的“双级时效”研究中发现，时效初期先进行短时的应力时效，再施以长时间的无应力时效，析出相择优取向析出；而先进行短时间的无应力时效，再加以长时间的应力时效，则未发现应力位向效应，这说明了外加应力导致析出相的择优取向析出的内在原因是外加应力对形核阶段的影响。

这一研究结果对于如何控制铝合金蠕变时效成形时析出相的应力位向效应有一定指导和帮助。

综上所述，目前时效成形技术研究和应用总的趋势包括如下几方面[14,15]：1)在材料上，7XXX系和部分2XXX系铝合金材料的整体壁板已经成功采用蠕变时效成形技术，同时，针对可替代2024材料的可时效强化型铝合金新材料以及6XXX系材料的蠕变时效成形技术研究正在取得进展；
2)在结构上，所应用的壁板结构从变厚度整体壁板到整体加筋壁板，并向着焊接整体壁板发展；
3)在外形上，从简单单曲率到复杂双曲率外形；
4)在研究方法上，大量采用了数值模拟技术(CAE)、CAD和CAM技术，从而实现了蠕变时效成形模具的数字化设计和制造；
5)在预变形加载方式上，主要以热压罐真空压力加载为主。

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