调控2系铝合金残余应力及改善力学性能的复合处理方法

1.本发明属于残余应力调控的技术领域，具体涉及一种调控2系铝合金残余应力及改善力学性能的复合处理方法。


背景技术：

2.铝合金具有强度高密度低的特点，可以制造承受较大载荷的机械零件和构件，是工业中广泛适用的有色金属材料。2系铝合金也被称为al-cu合金，属高强铝合金，其比强度较一般高强度钢还要高得多，因此常作为飞机的主要结构材料。2系铝合金是采用固溶+时效处理的方法进行强化的，先通过淬火得到过饱和固溶体，再在室温或低温加热下保温一段时间，随着时间延长，过饱和固溶体分解，析出强化相θ(cual2)，使铝合金的强度、硬度显著提高。尽管固溶+时效的强化手段显著提高了铝合金的力学性能，但固溶处理的淬火阶段是剧烈的非平衡冷却过程，冷却速度差别导致工件的表层和心部存在较大的温差，大的温度梯度带来不均匀塑性变形，最终在材料内部留下较大残余应力。同时，在晶界析出的强化相生长、聚集，导致组织局部变形不均匀，同样增大了材料内应力。
3.目前，调控高强铝合金内部残余应力的方法从原理上可以分为两类：机械作用和热作用。机械作用包括振动时效、机械胀形、冷拉伸和预变形等，热作用包括热处理时效、分级热处理和深冷处理等。其中振动时效周期长，并且可能损伤工件局部区域；机械胀形和冷拉伸等仅适用于构型简单的零件且调节效果较为有限；热处理和深冷处理则存在耗时长，能量消耗大，生产成本高的弊端。
4.室温下，铜的电阻率仅为1.75*10-8
ω
·
m，表明铜的导电性优于绝大部分金属，这也是铜被用作导线的原因之一。此外，铜的磁导率为1.72*106h/m，优于大多数非铁磁性材料。换言之，除了铁钴镍等铁磁性材料，铜在磁场中的磁导能力是较强的。铜较低的电阻率和较高的磁导率决定了其在电场和磁场中显著的电、磁效应。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种调控2系铝合金残余应力及改善力学性能的复合处理方法，以解决现有铝铜合金内部残余应力调控难的问题。
6.为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
7.一种调控2系铝合金残余应力及改善力学性能的复合处理方法，其包括以下步骤：
8.s1、将样品的尺寸参数输入comsol multiphysics多物理场仿真软件中，构建样品模型并得到样品模型图；
9.s2、选择铝合金作为样品模型的材料，并补充输入样品模型的物性参数；
10.s3、在样品模型组件中设置电流场，包括电场激励源、电流守恒与绝缘条件；
11.s4、在样品模型组件中设置固体传热场，包括样品传热的边界条件；
12.s5、对样品通电后的发热和散热进行稳态仿真，并计算得到样品模型温度为250℃时的稳态电流；
13.s6、将待处理的样品装夹到电-热-磁设备上，并以步骤s5中的稳态电流进行脉冲电流处理；
14.s7、实时采集样品温度，当温度达到250℃后，设置磁场参数，并对样品进行磁处理；
15.s8、磁处理完成后，关闭磁场电源和电场电源，待样品自然冷却，得到铝合金调控件。
16.进一步地，步骤s2中的物性参数包括电导率3.53*10^7s/m和导热系数204w/(m.k)。
17.进一步地，步骤s3包括：
18.定义电流守恒1表示整个样品材料均匀，具有一致的电导率；
19.电流从样品的一端流入，另一端流出，将流入端设为终端1，施加强度为i的电流；将流出端设为接地1，接地1处电势为0；
20.将样品其他表面设为电绝缘1，即该表面不会出现电流的流入和流出；
21.整体样品初始值1设置为0，即实验开始前，样品中没有任何电压与电流。
22.进一步地，步骤s4包括：
23.将样品整体设置为固体1，并匹配传热方程；
24.设置样品的初始值1为293.15k；
25.将样品电流进出的两个端面设置为热绝缘1；
26.对样品暴露在空气中的四个面，设置热通量1，选择对流热通量、传热系数htc，并设置外部温度为293.15k；
27.通电后，样品升温，并与环境之间存在辐射传热，将四个面的状态设置为表面对环境辐射1，表面发射率为材料属性，环境为室温。
28.进一步地，步骤s5包括：
29.添加域探针1，探针类型选平均值，选择区域为样品整体，表达式选温度t；
30.基于域探针1的数据，当流过样品的电流为初始状态1000a时，样品开始升温并最终在69.87℃维持稳定；此时，焦耳热效应带来的热量积累与样品向环境的热量耗散相平衡，样品不再升温；
31.设置参数为运行电流，上限4000a，并基于获取的域探针1的数据，绘制电流与样品温度的关系图；
32.采用nelder-mead优化方法，将目标函数设置为abs(comp1.emh1.tave-523.15)，优化类型为最小值，控制变量为i，i的下界是1000a，上界是4000a，以样品温度为250℃，反求稳态电流为2246.9a。
33.进一步地，步骤s6中脉冲电流的参数为：脉冲电流的脉宽为200ms、间隔为20ms、电流为2246a。
34.进一步地，步骤s7中磁场参数为：磁场强度b为3t、磁脉冲的间隔t＝15s。
35.本发明提供的调控2系铝合金残余应力及改善力学性能的复合处理方法，具有以下有益效果：
36.本发明采用电-热-磁复合处理的方法对铝合金的残余应力进行调控，通过脉冲磁场和高频电流的耦合作用促进材料内残余应力释放，可以将残余应力降低40％～50％，并
且改善材料的塑性，使其伸长率提高约13％。
37.本发明的电-热-磁复合处理方法，是通过电磁场的作用(电致塑性，磁致伸缩等效应)，促进铝合金组织内部位错的脱钉和滑移，降低位错缠结，从而使应力释放，并改善铝合金的塑性。
38.本发明利用电流的焦耳热效应对样品进行加热，温度为材料内元素的迁移提供了能量基础，相比于其他热处理，本发明时间短、温升快、能量利用率高。
39.本发明利用脉冲电流的电子风力效应和铝合金在磁场中的磁致伸缩效应，促进材料中位错滑移和空位移动，加速残余应力释放，且效果显著。
40.本发明的电-热-磁复合处理方法加强了铝合金中第二相与基体的元素扩散，促进第二相溶解，有利于改善晶界能量均匀性，释放内应力并提高塑性。
41.本发明方法针对不同尺寸的样品，均可采用仿真软件进行最优电流电压的计算，实现实验温度的精准控制；且设备操作方便，处理过程易调节，工艺方法对零部件适应性强。
附图说明
42.图1为本发明处理方法的流程图。
43.图2为实施例1中电流和样品温度的关系曲线图。
44.图3为实施例1中稳态电流的迭代图。
具体实施方式
45.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
46.实施例1
47.参考图1，本实施例提供一种调控2系铝合金残余应力及改善力学性能的复合处理方法，本方法的处理对象为2系铝合金，2系铝合金中的第二相是θ(cual2)，为富cu相，而铝基体(α-al)是富al而少cu；因此，cu元素有从高浓度区域(cual2)向低浓度区域(α-al)迁移的趋势。通常，上述元素扩散需要在退火温度(＞350℃)下进行，且持续时间长(通常为数个小时)。
48.本实施例利用脉冲电流的焦耳热效应实现材料自发温升，为内部元素迁移提供能量；并利用电流脉冲的电子风力效应和磁场的磁致伸缩效应促进材料内部位错滑移和空位运动，加强第二相与基体的元素扩散，有利于晶界能量均匀化，实现残余应力释放，其具体包括以下步骤：
49.步骤s1、将样品的尺寸参数输入comsol multiphysics多物理场仿真软件中，构建样品模型并得到样品模型图；
50.本步骤采用锻造加工的2a02坯料线切割加工制得样品，样品尺寸为100*30*5mm，其残余应力分布于样品整体；
51.步骤s2、选择铝合金作为样品模型的材料，并补充输入样品模型的物性参数；
52.本步骤中的物性参数包括但不局限于电导率3.53*10^7s/m和导热系数204w/(m.k)。
53.步骤s3、在样品模型组件中设置电流场，包括电场激励源、电流守恒与绝缘条件；
54.电流场的设置为：
55.设置“电流守恒1”表示整个样品材料均匀，具有一致的电导率；
56.电流从样品的一端流入，另一端流出，将流入端设为“终端1”，施加强度为i的电流；将流出端设为“接地1”，“接地1”处电势为0；
57.将样品其他表面设为“电绝缘1”，即该表面不会出现电流的流入和流出；整体样品初始值1设置为0，即实验开始前，样品中没有任何电压与电流步骤s4、在样品模型组件中设置固体传热场，包括样品传热的边界条件；
58.具体的，固体传热场的设置为：
59.将样品整体设置为固体1，并匹配传热方程；
60.本步骤的传热方程为：
[0061][0062]
q＝-k
▽
t；
[0063]
cp:恒压比热，j/(kg
·
k)；
[0064]
ρ：材料密度，kg/m3；
[0065]
u:流体速度(矢量)；
[0066]
▽
：梯度算子；
[0067]
t:温度，k；
[0068]
q:传导热通量，w/m2；
[0069]
q：热源，w/m3；
[0070]qted:
热弹性阻尼,w/m3；
[0071]
k:热导率，w/(m
·
k)；
[0072]
设置样品的初始值1为293.15k，即20℃，表示实验前样品处于室温；
[0073]
将样品电流进出(即与电极接触)的两个端面设置为“热绝缘1”，表示这两个端面的传热行为可以忽略；
[0074]
对样品暴露在空气中的四个面，设置“热通量1”，选择“对流热通量”、传热系数htc，并设置外部温度为293.15k，即表示为样品所处环境是室温，样品与环境存在自然对流传热；
[0075]
通电后，样品升温，并与环境之间存在辐射传热，将四个面的状态设置为“表面对环境辐射1”，表面发射率为材料属性，环境为室温；
[0076]
步骤s5、对样品通电后的发热和散热进行稳态仿真，并计算得到样品模型温度为250℃时的稳态电流，其具体为：
[0077]
对组件添加“域探针1”，探针类型选“平均值”，选择区域为样品整体，表达式选温度“t”，即采用“域探针1”追踪样品整体温度情况；
[0078]
对样品通电后的发热和散热进行稳态研究，并绘制样品表面温度，具体为：
[0079]
结合域探针1的数据，可以得出：当流过样品的电流为初始状态(1000a)时，样品开始升温并最终在69.87℃维持稳定；此时，焦耳热效应带来的热量积累与样品向环境的热量
耗散(自然对流与热辐射)相平衡，于是样品不再升温。
[0080]
对研究进行参数化扫描，获取电流与样品温度的关系，参考图2，设置参数为运行电流，上限4000a；由图可知，随着电流增大，样品温度逐步增高，曲线走势类似于二次函数。
[0081]
本实施例欲获得平衡温度为250℃(523.15k)的电流，对稳态研究进行优化，优化方法选择nelder-mead，目标函数设置为abs(comp1.emh1.tave-523.15)，优化类型为最小值，控制变量为i，i的下界是1000a，上界是4000a，即以样品温度为250℃，反求稳态电流；
[0082]
本实施例的目标函数为：
[0083]
目标函数y＝abs(comp1.emh1.tave-523.15)
[0084]
其中：comp1.emh1.tave，表示体加权平均温度，单位是k，523.15是开氏温度(k)，表示目标温度250℃(k＝273.15+℃)，abs表示取绝对值。
[0085]
因此目标函数是计算仿真温度与目标温度(250摄氏度)差值的绝对值。优化类型为最小值，即求解目标函数的最小值，即寻找仿真温度无比接近目标温度的条件。
[0086]
参考图3，由图可知，经过一次次迭代计算，最终让目标函数无限逼近于0，此时电流为2246.9a，即稳态电流为2246.9a。
[0087]
步骤s6、将待处理的样品装夹到电-热-磁设备上，并以步骤s5中的稳态电流进行脉冲电流处理，即设置脉冲电流的脉宽为200ms、间隔为20ms、电流为2246a，随后导通电流，开始脉冲电流处理；
[0088]
步骤s7、实时采集样品温度，当温度达到250℃后，设置磁场强度b为3t和磁脉冲的间隔t＝15s，并对样品进行磁处理；
[0089]
步骤s8、磁处理3min后，关闭磁场电源和电场电源，待样品自然冷却，得到铝合金调控件。
[0090]
需要说明的是，本实施例方法在处理过程中，为减少样品的氧化现象，全程用氮气保护；在电-热-磁复合处理过程中，脉冲磁场和电流同时作用于铝合金工件上；在电-热-磁复合处理前后，对工件表面的多个测试点进行残余应力检测，且每次应力测试点的位置相同；在电-热-磁复合处理后，对工件制取标准拉伸样品进行力学性能测试，用以评价塑性改善情况。
[0091]
在处理过程中，全程对样品进行氩气氛围保护，避免材料发生氧化；残余应力根据国家标准gb/t 7704-2017《无损检测x射线应力测定方法》进行测量。
[0092]
抗拉强度和伸长率根据国家标准gb/t 228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》进行测量。
[0093]
实施例1和对比例1处理后的2a02铝合金性能指标列于表1.
[0094]
表1 2a02不同状态下性能对比
[0095]
处理时间残余应力(mpa)抗拉强度(mpa)伸长率(％)0-21743611.14120s-15643112.22240s-11743312.64
[0096]
由表可知，电-热-磁复合处理后，2a02铝合金的残余应力有明显降低，降幅最大约46.1％，抗拉强度基本保持不变，伸长率增大约13.5％，可见2a02铝合金塑性得到明显改善。
[0097]
实施例2
[0098]
本实施例的残余应力根据国家标准gb/t 7704-2017《无损检测x射线应力测定方法》进行测量。
[0099]
抗拉强度和伸长率根据国家标准gb/t 228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》进行测量。
[0100]
实施例2和对比例2处理后的2a14铝合金性能指标列于表2；
[0101]
表2 2a14不同状态下性能对比
[0102][0103]
由表可知，电-热-磁复合处理后，2a14铝合金的残余应力有明显降低，降幅最大约54.5％，抗拉强度基本保持不变，伸长率增大约13.1％，可见2a14铝合金塑性得到明显改善。
[0104]
本发明采用电-热-磁复合处理的方法对铝合金的残余应力进行调控，通过脉冲磁场和高频电流的耦合作用促进材料内残余应力释放是有效的，可以将残余应力降低40％～50％，并且改善材料的塑性，使其伸长率提高约13％。
[0105]
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

技术特征：
1.一种调控2系铝合金残余应力及改善力学性能的复合处理方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、将样品的尺寸参数输入comsol multiphysics多物理场仿真软件中，构建样品模型并得到样品模型图；s2、选择铝合金作为样品模型的材料，并补充输入样品模型的物性参数；s3、在样品模型组件中设置电流场，包括电场激励源、电流守恒与绝缘条件；s4、在样品模型组件中设置固体传热场，包括样品传热的边界条件；s5、对样品通电后的发热和散热进行稳态仿真，并计算得到样品模型温度为250℃时的稳态电流；s6、将待处理的样品装夹到电-热-磁设备上，并以步骤s5中的稳态电流进行脉冲电流处理；s7、实时采集样品温度，当温度达到250℃后，设置磁场参数，并对样品进行磁处理；s8、磁处理完成后，关闭磁场电源和电场电源，待样品自然冷却，得到铝合金调控件。2.根据权利要求1所述的调控2系铝合金残余应力及改善力学性能的复合处理方法，其特征在于：所述步骤s2中的物性参数包括电导率3.53*10^7s/m和导热系数204w/(m.k)。3.根据权利要求2所述的调控2系铝合金残余应力及改善力学性能的复合处理方法，其特征在于，所述步骤s3包括：定义电流守恒1表示整个样品材料均匀，具有一致的电导率；电流从样品的一端流入，另一端流出，将流入端设为终端1，施加强度为i的电流；将流出端设为接地1，接地1处电势为0；将样品其他表面设为电绝缘1，即该表面不会出现电流的流入和流出；整体样品初始值1设置为0，即实验开始前，样品中没有任何电压与电流。4.根据权利要求3所述的调控2系铝合金残余应力及改善力学性能的复合处理方法，其特征在于，所述步骤s4包括：将样品整体设置为固体1，并匹配传热方程；设置样品的初始值1为293.15k；将样品电流进出的两个端面设置为热绝缘1；对样品暴露在空气中的四个面，设置热通量1，选择对流热通量、传热系数htc，并设置外部温度为293.15k；通电后，样品升温，并与环境之间存在辐射传热，将四个面的状态设置为表面对环境辐射1，表面发射率为材料属性，环境为室温。5.根据权利要求4所述的调控2系铝合金残余应力及改善力学性能的复合处理方法，其特征在于，所述步骤s5包括：添加域探针1，探针类型选平均值，选择区域为样品整体，表达式选温度t；基于域探针1的数据，当流过样品的电流为初始状态1000a时，样品开始升温并最终在69.87℃维持稳定；此时，焦耳热效应带来的热量积累与样品向环境的热量耗散相平衡，样品不再升温；设置参数为运行电流，上限4000a，并基于获取的域探针1的数据，绘制电流与样品温度的关系图；
采用nelder-mead优化方法，将目标函数设置为优化类型为最小值，控制变量为i，i的下界是1000a，上界是4000a，以样品温度为250℃，反求稳态电流为2246.9a。6.根据权利要求5所述的调控2系铝合金残余应力及改善力学性能的复合处理方法，其特征在于，所述步骤s6中脉冲电流的参数为：脉冲电流的脉宽为200ms、间隔为20ms、电流为2246a。7.根据权利要求6所述的调控2系铝合金残余应力及改善力学性能的复合处理方法，其特征在于，所述步骤s7中磁场参数为：磁场强度b为3t、磁脉冲的间隔t＝15s。

技术总结
本发明公开了一种调控2系铝合金残余应力及改善力学性能的复合处理方法，包括S1构建样品模型并得到样品模型图；S2补充输入样品模型的物性参数；S3在样品模型组件中设置电流场；S4在样品模型组件中设置固体传热场；S5对样品通电后的发热和散热进行稳态仿真，并计算得到样品模型的稳态电流；S6将待处理的样品装夹到电-热-磁设备上，并以稳态电流进行脉冲电流处理；S7设置磁场参数，并对样品进行磁处理；S8关闭磁场电源和电场电源。本发明复合处理的方法对铝合金的残余应力进行调控，通过脉冲磁场和高频电流的耦合作用促进材料内残余应力释放，可以将残余应力降低40％～50％，并且改善材料的塑性，使其伸长率提高约13％。使其伸长率提高约13％。使其伸长率提高约13％。


技术研发人员：黄坤兰 曾波 王杰 孙宏飞 孙开恩 李强
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：2023.07.03
技术公布日：2023/10/6