一种铝合金的电脉冲回归处理方法.pdf

本发明公开了一种铝合金的电脉冲回归处理方法。通过脉冲电源配合以带有绝缘夹头的电子万能实验机完成自然时效铝合金材料的电脉冲回归处理,并测量处理后的铝合金材料的力学性能；利用电脉冲效应，不仅耗时短，材料温升较低，通过改变电脉冲参数来控制回归处理的效果，具有很好的工艺柔性。首先，将切割好的单拉试件经保温进行固溶处理，出炉后在水中进行淬火，室温下自然时效得到铝合金单向拉伸试件，对拉伸试件通入脉冲电流，根据电源输出能力和试件耐温特性，设定电脉冲持续时间，当电脉冲流过拉伸试件时，其温度变化情况采用红外热像仪监测和记录。材料温升低的特点完全符合铝合金回归处理规范，具有较大的实际应用价值。

权利要求书
1.  一种铝合金的电脉冲回归处理方法，其特征在于包括以下步骤:
步骤1.采用电子万能实验机、红外热像仪、脉冲电源装置及绝缘夹头,脉 冲电源装置选择高频脉冲开关电源，上绝缘夹头通过连接销安装在电子万能实 验机的上横梁处，下绝缘夹头固连在电子万能实验机的活动横梁处，两个绝缘 夹头在脉冲处理时作为夹持端使脉冲电流流过试件，脉冲电源装置通过导线分 别与固定在上绝缘夹头和下绝缘夹头上的夹持块连接，红外热像仪用于对试件 温度进行监测和记录；
步骤2.单拉试件准备；将切割好的单拉试件经过497℃下保温45分钟进行 固溶处理，出炉后在3秒钟内置于20℃水中进行淬火，然后在室温下自然时效 10天，得到自然时效的铝合金单拉试件；
步骤3.电脉冲处理；在通电之前，采用绝缘夹头对单拉试件进行装夹，并 对电脉冲处理参数进行设定，包括脉冲电流和脉冲持续时间，其中，脉冲电流 由脉冲电流密度和试件尺寸确定，设定后开启电源设备，对单拉试件通入脉冲 电流进行电脉冲处理，同时，打开红外热像仪对试件温度进行监测和记录；
脉冲电流由脉冲电流密度和试件尺寸确定，按公式(1)进行:
I＝J·S＝J·H·B      (1)
式中，I为脉冲电源的脉冲电流，J为脉冲电流密度，S为试件的横截面积， H为试件厚度，B为试件宽度；
步骤4.进行拉伸试验；启动电子万能实验机，对试件进行单向拉伸试验， 直到试件断裂，结束试验，取下断后试件。

说明书一种铝合金的电脉冲回归处理方法
技术领域
本发明属于铝合金材料的热处理技术领域，具体地说,涉及一种铝合金的 电脉冲回归处理方法。
背景技术
铝是地球矿藏中分布最为广泛的金属元素。相比铁、铜等常见的金属材料， 铝金属材料密度小、塑性变形能力强、导热性和导电性好、无磁、无毒、耐酸 腐蚀、综合力学性能优良、铸造性和焊接性良好，并且切削和成形加工方便， 具有非常优良的综合性能。铝及铝合金材料在航天、航空、船舶工业,建筑、电 子、机械制造众多领域中都获得了广泛的应用。由于飞行器对重量的敏感性， 铝合金以其优异的强度重量比成为飞行器制造领域用量最多的金属材料，在航 空航天领域中具有举足轻重的作用。
金属塑性成形工艺是一种传统加工方法，具有材料利用率高、工艺简单、 加工效率高的优势。但由于金属本身力学性能的限制，一直以来金属塑性成形 工艺面临两大问题:一是如何进一步提高材料的成形极限；另一是如何减小零 件成形后回弹带来的影响。针对成形极限的问题，热成形是最常采用的方法之 一，但其通常伴随一系列问题，如,需要复杂的加热设备、热加工过程中保温措 施复杂、零件表面氧化难以避免、零件形状存在翘曲变形的缺陷，其不但降低 了金属零件的表面质量和尺寸精度，而且增加了工艺复杂性和生产成本。针对 零件回弹的问题，实际生产中一般进行反复调试和修模，这种做法也会带来一 系列的问题，如延长生产周期、增加生产成本。随着很多高强度材料在航空航 天工业中的普遍应用，所成型的零件越来越复杂，对成型精度的要求越来越高， 迫切需要一种既能有效降低金属流动应力，又能提高金属成形极限，同时还能 减小成形后回弹的新工艺。铝合金经过自然时效强化后，进行快速加热至一定 温度，然后快速冷却至室温，使合金重新软化，其硬度和强度会立即下降到和 刚淬火时相差不多，其它性质的变化也常常相似，如将其在室温下停放，仍能 进行正常的自然时效，这种现象称为回归。因此，铝合金通过回归处理会使得 铝合金的强度暂时降低，以利于材料的塑性加工。
发明专利CN1778975A中公开了“一种用于铝合金厚板及厚壁件回归再时效 处理的快速回归方法及装置”，其特点是,用液压顶头将加热电极与铝合金厚板 或后壁件顶紧，通入电流直接加热，控制回归温度在160～400℃，然后将厚板 或后壁件翻入淬火槽中淬火，完成快速回归处理，使得铝合金性能恢复到新淬 火状态下的性能，有利于塑性加工，较好地解决了铝合金厚板及后壁件的表层、 心部组织与性能不均匀的问题，通过调节输出功率获得较高的升温速度。但存 在以下不足，由于利用的是电流的热效应，通过直流电流的焦耳热使得零件温 度升高，一般需要较长的加热时间且回归处理时零件的加热温度相对较高，最 高可达400℃，温度精度要求在±0.1℃，对相应的配套设备提出了较高的要求， 并且需要严格控制温度，使得装置结构过于复杂，成本较高；另外，所需的加 热及保温时间较长，最高可达十几分钟，会消耗较多的能量，时间过长会对回 归效果造成影响。金属材料电效应为解决上述诸多问题提供了条件。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足,克服铝合金回归处理时材料温升相对较高, 且加热及保温时间较长的问题，本发明提出一种铝合金的电脉冲回归处理方法； 采用脉冲电流对自然时效铝合金材料进行回归处理，利用电脉冲效应，不仅耗 时短，材料温升较低，而且很容易通过改变电脉冲参数来控制回归处理效果， 具有较好的工艺柔性。该电脉冲回归处理方法使得铝合金的强度能暂时降低， 以利于材料塑性加工，且可大幅度降低铝合金回归热处理生产中的能量消耗， 减少耗时而提高生产效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种铝合金的电脉冲回归处 理方法，其特征在于包括以下步骤:
步骤1.采用电子万能实验机、红外热像仪、脉冲电源装置及绝缘夹头,脉 冲电源装置选择高频脉冲开关电源，上绝缘夹头通过连接销安装在电子万能实 验机的上横梁处，下绝缘夹头固连在电子万能实验机的活动横梁处，两个绝缘 夹头在脉冲处理时作为夹持端使脉冲电流流过试件，脉冲电源装置通过导线分 别与固定在上绝缘夹头和下绝缘夹头上的夹持块连接，红外热像仪用于对试件 温度进行监测和记录；
步骤2.单拉试件准备；将切割好的单拉试件经过497℃下保温45分钟进行 固溶处理，出炉后在3秒钟内置于20℃水中进行淬火，然后在室温下自然时效 10天，得到自然时效的铝合金单拉试件；
步骤3.电脉冲处理；在通电之前，采用绝缘夹头对单拉试件进行装夹，并 对电脉冲处理参数进行设定，包括脉冲电流和脉冲持续时间，其中，脉冲电流 由脉冲电流密度和试件尺寸确定，设定后开启电源设备，对单拉试件通入脉冲 电流进行电脉冲处理，同时，打开红外热像仪对试件温度进行监测和记录；
脉冲电流由脉冲电流密度和试件尺寸确定，按公式(1)进行:
I＝J·S＝J·H·B      (1)
式中，I为脉冲电源的脉冲电流，J为脉冲电流密度，S为试件的横截面积， H为试件厚度，B为试件宽度；
步骤4.进行拉伸试验；启动电子万能实验机，对试件进行单向拉伸试验， 直到试件断裂，结束试验，取下断后试件。
有益效果
本发明铝合金的电脉冲回归处理方法，采用脉冲电流对铝合金材料进行回 归处理；与现有的加热方式对铝合金进行回归处理相比，通过施加电脉冲的方 式有以下突出的优点，电脉冲回归处理耗时短，电脉冲持续时间为0.5s，材料 温升较低，最高温度不超过130℃，无需专门的控温处理系统，使得本发明回归 处理装置结构简单，制造周期短，成本低廉。采用电脉冲回归方法来获得铝合 金强度的暂时降低以利于材料塑性加工，且可大幅度降低铝合金回归热处理生 产中的能量消耗，减少耗时提高生产效率；电脉冲回归处理工艺在金属成形领 域有着巨大的潜力，电脉冲回归处理工艺通过改变电脉冲参数来控制处理效果， 具有较很好的工艺柔性。另外，电脉冲加剧材料晶格震动，促进位错运动和湮 灭，消除位错引起的晶格变形和畸变及其相应的材料内应力，从而减小材料回 弹，同时，电脉冲作为外界能量输入材料体系，激发材料体系从较高的能态越 过能量势垒降低到较低的能态，释放塑性变形过程存储的内能，使整个体系达 到稳定状态。
根据铝合金热处理规范要求，铝合金回归处理要求温升不能超过其固溶处 理温度，并且应保证加热时间较短，时间过长会出现对应于该温度下的脱溶相， 使得硬度重新升高或过时效，达不到回归效果，因此，电脉冲回归处理方法的 耗时较短，材料温升较低的特点很好地符合了铝合金回归处理规范，具有较大 的实际应用价值。
电脉冲回归处理方法可替代传统的加热回归处理工艺，生产中大幅度降低 铝合金热处理过程中的能量消耗和时间消耗，提高了生产效率，在金属加工成 形领域有巨大的潜力。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种铝合金的电脉冲回归处理方法作进 一步的详细说明。
图1为本发明中的单向拉伸实验装置示意图。
图2为本发明中的上绝缘夹头示意图。
图3为本发明中的下绝缘夹头示意图。
图4为本发明中脉冲电源输出的电脉冲波形图。
图5为本发明中电脉冲回归处理流程图。
图6为本发明实施例中不同状态下拉伸试验的应力应变曲线图。
图7为本发明中施加160A/mm2的电脉冲时试件表面温度变化情况。
图中:
1.上横梁 2.连接销 3.上绝缘夹头 4.红外热像仪 5.下绝缘夹头 6.活动横梁 7.脉冲电源装置 8.试件 9.上连杆 10.绝缘板11.夹持块 12.下连杆
具体实施方式
本实施例是一种铝合金的电脉冲回归处理方法，通过脉冲电源配合以带有 绝缘夹头的电子万能实验机完成自然时效铝合金材料的电脉冲回归处理并测量 处理后的铝合金材料的力学性能；首先将切割好的单拉试件经过497℃下保温 45分钟进行固溶处理，出炉后在3秒钟内置于20℃水中进行淬火，然后在室温 下自然时效10天，得到单向拉伸试件；对自然时效铝合金单拉试件通入脉冲电 流，脉冲电流由脉冲电源产生，其输出电脉冲的形式为脉冲方波，最大输出电 流为2000A，脉冲输出时间和脉冲间隔可调，方波脉冲产生后，经过电缆到达绝 缘夹头，然后流经单拉试件，根据电源输出能力和试件耐温特性，设定电脉冲 持续时间为0.5s，当电脉冲流过金属试件时，其温度变化情况采用UTi-160AI 型红外热像仪监测和记录。电脉冲回归处理后，关掉电源，进行拉伸试验测试 电脉冲处理后的铝合金力学性能。
如图1～图3所示，本实施例所采用的电脉冲处理装置由电子万能实验机、 上绝缘夹头3、下绝缘夹头5、脉冲电源装置7、红外热像仪4组成；上绝缘夹 头3包括上连杆9、夹持块11和两个结构相同的绝缘板10；下绝缘夹头5由下 连杆12、夹持块11和两块结构相同的绝缘板10组成。
电子万能实验机作为试验装置的载体，型号采用CSS-44100。电子万能实验 机的活动横梁6安装在上横梁1的下方。上绝缘夹头3通过连接销2安装在电 子万能实验机的上横梁1下方。下绝缘夹头5固定安装在电子万能实验机的活 动横梁6上方。试件9固连在上绝缘夹头3和下绝缘夹头5之间，试件9两端 有圆孔，试件9一端通过螺栓紧固在上绝缘夹头3的夹持块11上，试件9另一 端通过螺栓紧固在下绝缘夹头5的夹持块11上。拉伸时，上横梁1保持不动， 活动横梁6向下移动，完成单向拉伸试验；红外热像仪4安装在试件9的外侧， 红外热像仪4实时测量安装在上绝缘夹头3和下绝缘夹头5之间的单拉试件9 的温度；脉冲电源装置7固定安装在试验装置的外侧，脉冲电源装置7通过导 线分别与固定在上绝缘夹头3和下绝缘夹头5上的夹持块11连接。脉冲电源装 置7选择高频脉冲开关电源，输出直流电流为:0～10A,100A……2000A任选， 输出直流电压为:0～6V,12V,24V……600V任选，脉冲占空比为:0～100％连续 可调，脉冲频率为:0～20000Hz连续可调。
本实施例中，单向拉伸试件材料为2024铝合金，其厚度为0.5mm，宽度为 12.5mm，采用电火花切割方式，切割方向为沿板材轧制方向；根据ASTM-2004E8M 标准下料，拉伸试件的标距为60mm，拉伸试件夹持板的宽度为40mm，两端的螺 栓连接孔直径为17mm，距端面的距离为20mm，过渡圆角的半径为25mm，拉伸试 件总体长度为200mm。拉伸试件均取自同一批次的铝合金板材，保证材料性能的 一致性和稳定性。在拉伸实验中，拉伸速度为1mm/min，实验进行时的温度环境 为室温。
参阅图4～图5，本实施例为了对比电脉冲回归处理方法得到的铝合金力学 性能和其它热处理状态下铝合金力学性能，将试件分成三组，后续分别进行不 同的热处理和电脉冲处理。首先，第一组试件在自然时效状态下进行单向拉伸 试验，试件经过497℃下保温45分钟进行固溶处理，然后出炉,在3秒钟内置于 20℃水中进行淬火，淬火后在室温下自然时效10天，然后进行单向拉伸试验， 得到自然时效状态下铝合金力学性能。第二组试件在加热回归处理状态下进行 单向拉伸试验，试件经过497℃下保温45分钟进行固溶处理，然后出炉,在3 秒钟内置于20℃水中进行淬火，淬火后在室温下自然时效10天，然后将试件置 于加热炉中，在温度为120℃条件下保温30秒后进行单向拉伸试验，得到加热 回归处理状态下铝合金力学性能。第三组试件在电脉冲回归处理状态下进行单 向拉伸试验，具体过程如下:
第一步，单拉试件准备；将切割好的单拉试件经过497℃下保温45分钟进 行固溶处理，出炉后在3秒钟之内置于20℃水中进行淬火，然后在室温下自然 时效10天，得到自然时效状态下铝合金单拉试件。
第二步，电脉冲处理；在通电之前，采用绝缘夹头对单向拉伸试件进行装 夹，然后进行电脉冲处理参数设定，包括脉冲电流和脉冲持续时间，其中，脉 冲电流由脉冲电流密度和试件尺寸确定；给单向拉伸试件通入一个电脉冲，完 成一个电脉冲的回归处理；设定结束后打开电源设备，对单拉试件通入脉冲电 流进行电脉冲处理，同时，打开UTi-160AI型红外热像仪对试件温度进行监测 和记录；
脉冲电流由脉冲电流密度和试件尺寸确定，具体关系按公式(1)进行:
I＝J·S＝J·H·B             (1)
式中,I为脉冲电源的脉冲电流，J为脉冲电流密度，S为试件的横截面积， H为试件厚度，B为试件宽度。
本实施例中，电脉冲电流密度为160A/mm2，脉冲持续时间为0.5s，试件厚 度为0.5mm，试件宽度为12.5mm，由公式(1)计算得到脉冲电流为1000A。
第三步，进行拉伸试验；启动电子万能实试验机，对试件进行单向拉伸试 验，拉伸速度为1mm/min，实验进行的温度环境为室温，试件结束后，取下断后 试件。
参阅图6～图7，本实施例中根据红外热像仪的记录结果，当电流密度为 160A/mm2的电脉冲流过试件的瞬间，在0.5s的脉冲持续时间内，试件温度迅速 上升到100℃～120℃，试件经过一个电脉冲处理后，材料强度显著下降，其拉 伸应力应变曲线上出现锯齿状流动现象。而在120℃条件下保温30s，进行加热 回归处理时材料的强度没有发生明显的改变，拉伸应力应变曲线上没有出现锯 齿状流动现象。由此可知，电脉冲回归处理在较短的脉冲周期内即可完成，而 且,在这一过程中试件的温度比传统的加热回归处理所需要的温度低很多，这种 电脉冲回归处理工艺方法获得了2024铝合金强度的暂时降低，有利于材料塑性 加工，而且，可大幅度降低铝合金回归热处理生产中的能量消耗，减少耗时进 而提高生产效率。电脉冲回归处理方法通过改变电脉冲参数来控制处理效果， 具有较好的工艺柔性。