一种具有梯度组织和性能的薄壁构件及其成形方法技术

本发明专利技术提供一种具有梯度组织和性能的薄壁构件及其成形方法，属于金属塑性成形技术领域，所述成形方法包括：获取毛坯材料的尺寸和形状；获取成形后薄壁构件中不同区域的变形优先级；获取变形弱区、中间区域和变形强区在毛坯材料中对应的位置；获取不同区域在变形过程中对应的应力值，确定毛坯材料中不同区域的晶粒尺寸，得到毛坯材料设计图；对均质板坯进行塑性加工，得到梯度组织材料；将梯度组织材料在超低温环境条件下进行成形，得到成形后梯度组织材料；进行热处理改性，得到具有梯度组织和性能的薄壁构件。本发明专利技术能够通过主动调控梯度组织和控制成形过程的方式，获得梯度组织和性能的薄壁构件，满足不同位置的服役性能要求。求。求。

【技术实现步骤摘要】
一种具有梯度组织和性能的薄壁构件及其成形方法


[0001]本专利技术涉及金属塑性成形
，具体而言，涉及一种具有梯度组织和性能的薄壁构件及其成形方法。

技术介绍

[0002]随着航空航天、轨道交通和能源化工等领域向着结构复杂化、轻量化和整体化发展，对具有梯度组织和性能的复杂薄壁构件的需求愈发迫切。现有技术中，在具有梯度组织和性能薄壁构件的成形过程中，采用均匀组织坯料，在受到较大塑性变形的区域极易诱发开裂和厚度减薄等缺陷，从而导致薄壁构件的壁厚分布严重不均。在相同外载荷条件下，壁厚减薄区的承载能力较低，导致了薄壁构件力学性能不均的问题，从而严重影响了薄壁构件的服役性能。
[0003]此外，航空航天等复杂构件在服役时，不同部位的受载荷情况显著不同，对不同部位的力学性能要求也显著不同，在设计过程中，设计人员希望在高应力区具有高承载能力，而在低应力区则尽可能充分利用材料性能并减少废重。例如，对于火箭中大型燃料贮箱薄壁箱底为半球曲面件，其服役时箱底零件的中心区受到内部燃料压力作用，同时箱底中心区作为传递发动机载荷的主要位置，受力最为复杂，是箱底构件中的“薄弱区”。通常情况下，设计人员为满足服役性能需求，需要在该区域采用局部焊接加厚补强处理的方法，导致了箱底结构重量大幅增加，降低了火箭的有效载荷能力。因此，航空航天等领域亟需具有梯度组织和性能的整体化复杂薄壁构件。
[0004]现有的成形技术中，通常采用室温拉深、热拉深、超塑成形或热旋压等方式，均难以成形具有梯度组织和性能的复杂薄壁构件。其中，室温拉深时，梯度组织成形极限较低，极易诱发应力集中和变形不均的问题，从而导致开裂缺陷；热拉深、超塑成形、热旋压等热态成形时，梯度组织热稳定性差，极易发生组织异常长大和变形软化的现象，从而使组织性能严重恶化，导致局部厚度减薄。

技术实现思路

[0005]本专利技术解决的问题是如何提供一种具有梯度组织和性能的薄壁构件及其成形方法，能够主动调控薄壁构件不同区域的组织性能，减少成形后的缺陷，提高服役性能。
[0006]为解决上述问题中的至少一个方面，本专利技术提供一种具有梯度组织和性能的薄壁构件的成形方法，包括以下步骤：
[0007]步骤S1、根据成形后薄壁构件的三维模型，获取毛坯材料的尺寸和形状；
[0008]步骤S2、获取所述成形后薄壁构件中不同区域的变形优先级，将所述成形后薄壁构件的不同区域划分为变形弱区、中间区域及变形强区；
[0009]步骤S3、根据所述成形后薄壁构件中不同区域的变形优先级，以及所述毛坯材料的尺寸和形状，获取所述变形弱区、所述中间区域和所述变形强区在所述毛坯材料中对应的位置；
[0010]步骤S4、获取所述变形弱区、所述中间区域和所述变形强区在变形过程中的第一应力值、第二应力值和第三应力值，根据所述第一应力值、所述第二应力值和所述第三应力值，确定所述毛坯材料中不同区域的晶粒尺寸，得到具有梯度组织的毛坯材料设计图；
[0011]步骤S5、根据所述毛坯材料设计图对均质板坯进行塑性加工，得到局部晶粒细小的梯度组织材料，其中，所述毛坯材料的材质为铝、铝合金或不锈钢；
[0012]步骤S6、将所述梯度组织材料在超低温环境条件下进行成形，得到成形后梯度组织材料；
[0013]步骤S7、对所述成形后梯度组织材料进行热处理改性，得到具有梯度组织和性能的薄壁构件。
[0014]优选地，所述步骤S1包括：
[0015]根据体积不变定律将所述成形后薄壁构件的三维模型进行展开，获取所述毛坯材料的尺寸和形状。
[0016]优选地，所述步骤S2包括：
[0017]根据材料流动准则以及有限元仿真方式，获取所述成形后薄壁构件中不同区域的变形优先级，将成形过程中容易发生塑性变形的区域作为所述变形弱区，将成形过程中不容易发生塑性变形的区域作为所述变形强区，将所述成形后薄壁构件中除了所述变形弱区和所述变形强区之外的区域作为所述中间区域。
[0018]优选地，所述步骤S3包括：
[0019]根据所述成形后薄壁构件中不同区域的变形优先级，以及所述毛坯材料的尺寸和形状，通过有限元仿真方式进行逆向处理，获取所述变形弱区、所述中间区域和所述变形强区在所述毛坯材料中对应的位置。
[0020]优选地，所述步骤S4包括：
[0021]获取所述变形弱区、所述中间区域和所述变形强区在变形过程中的第一应力值、第二应力值和第三应力值；
[0022]根据公式一确认所述毛坯材料中不同区域的晶粒尺寸，所述公式一包括：
[0023]d
Ⅰ‑
1/2
:d
Ⅱ‑
1/2
:d
Ⅲ‑
1/2
＝σⅠ‑
σ0:σⅡ‑
σ0:σⅢ‑
σ0；
[0024]式中，dⅠ、dⅡ、dⅢ分别表示所述变形弱区、所述中间区域和所述变形强区需要达到的晶粒尺寸，σⅠ、σⅡ、σⅢ分别表示所述第一应力值、所述第二应力值和所述第三应力值，σ0表示所述毛坯材料的材料常数；
[0025]根据所述毛坯材料中不同区域的晶粒尺寸，得到具有梯度组织的毛坯材料设计图。
[0026]优选地，所述步骤S5包括：
[0027]根据所述毛坯材料设计图，对所述均质板坯中的所述变形弱区和所述中间区域进行剧烈塑性变形加工，得到局部晶粒尺寸细小的所述梯度组织材料。
[0028]优选地，所述步骤S6包括：
[0029]将所述梯度组织材料进行车削，得到在长度方向厚度一致的梯度组织材料板坯，将所述梯度组织材料板坯中所述变形弱区和所述中间区域所对应区域置于超低温环境下进行冷却的同时进行成形，得到所述成形后梯度组织材料。
[0030]优选地，所述步骤S7包括：
[0031]对所述成形后梯度组织材料进行固溶处理和时效处理，得到具有梯度组织和性能的薄壁构件。
[0032]优选地，在所述步骤S5之后，在所述步骤S6之前，还包括：
[0033]对所述梯度组织材料进行退火处理，得到退火梯度组织材料；
[0034]所述步骤S6包括：
[0035]将所述退火梯度组织材料进行车削，然后在超低温环境条件下进行成形，得到成形后梯度组织材料。
[0036]本专利技术通过对成形后薄壁构件进行逆向分析，得到用于制备成形后薄壁构件的毛坯材料的尺寸和结构，再通过成形后薄壁构件在成形过程和实际应用中变形优先级，将其分为变形弱区、中间区域和变形强区等区域，并将该区域划分对应至毛坯材料上，通过不同区域的应力值确定不同区域晶粒尺寸的大小，从而得到毛坯材料设计图，用于对毛坯材料的处理进行指导，在此过程中，能够根据成形后薄壁构件的成形过程和应用场景对毛坯材料进行逆向设计，根据成形后薄壁构件所需要达到的性能主动设计毛坯材料，保证性能满足需求；根据毛坯材料设计图对均质板坯进行塑性加工，使其不同区域具有不同的晶粒尺寸，然后于超低温环境下进行成形，显著增强其强度和加工硬化能力，赋予足够的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有梯度组织和性能的薄壁构件的成形方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、根据成形后薄壁构件的三维模型，获取毛坯材料的尺寸和形状；步骤S2、获取所述成形后薄壁构件中不同区域的变形优先级，将所述成形后薄壁构件的不同区域划分为变形弱区、中间区域及变形强区；步骤S3、根据所述成形后薄壁构件中不同区域的变形优先级，以及所述毛坯材料的尺寸和形状，获取所述变形弱区、所述中间区域和所述变形强区在所述毛坯材料中对应的位置；步骤S4、获取所述变形弱区、所述中间区域和所述变形强区在变形过程中的第一应力值、第二应力值和第三应力值，根据所述第一应力值、所述第二应力值和所述第三应力值，确定所述毛坯材料中不同区域的晶粒尺寸，得到具有梯度组织的毛坯材料设计图；步骤S5、根据所述毛坯材料设计图对均质板坯进行塑性加工，得到局部晶粒细小的梯度组织材料，其中，所述毛坯材料的材质为铝、铝合金或不锈钢；步骤S6、将所述梯度组织材料在超低温环境条件下进行成形，得到成形后梯度组织材料；步骤S7、对所述成形后梯度组织材料进行热处理改性，得到具有梯度组织和性能的薄壁构件。2.根据权利要求1所述的具有梯度组织和性能的薄壁构件的成形方法，其特征在于，所述步骤S1包括：根据体积不变定律将所述成形后薄壁构件的三维模型进行展开，获取所述毛坯材料的尺寸和形状。3.根据权利要求1所述的具有梯度组织和性能的薄壁构件的成形方法，其特征在于，所述步骤S2包括：根据材料流动准则以及有限元仿真方式，获取所述成形后薄壁构件中不同区域的变形优先级，将成形过程中容易发生塑性变形的区域作为所述变形弱区，将成形过程中不容易发生塑性变形的区域作为所述变形强区，将所述成形后薄壁构件中除了所述变形弱区和所述变形强区之外的区域作为所述中间区域。4.根据权利要求1所述的具有梯度组织和性能的薄壁构件的成形方法，其特征在于，所述步骤S3包括：根据所述成形后薄壁构件中不同区域的变形优先级，以及所述毛坯材料的尺寸和形状，通过有限元仿真方式进行逆向处理，获取所述变形弱区、所述中间区域和所述变形强区在所述毛坯材料中对应的位置。5.根据权利要求1所述的具有梯度组织和性能的薄壁构件的成形方法，其特征在于，所述步骤S4包括：获取所述变形弱区、所述中间区域和所述变形强区在变形过程中的第一应力值、第二应...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟，苑世剑，王睿乾，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：