高强度铝合金残余应力的抑制与消除
7075、7050、2024与6061等变形铝合金由于比强度高，广泛地用于航空航天工业中。航空铝合金结构件毛坯在成形与热处理过程中常常产生很大的残余应力，造成后续的机械加工过程中，随着材料的不断去除，残余应力将重新分布直至达到内力平衡，此时往往产生很大的加工变形。残余拉应力还使航空铝合金结构件增加产生应力腐蚀开裂的敏感性，导致早期疲劳失效。因此，必须设法抑制铝合金毛坯残余应力的产生，并加以消除与释放。本文从残余应力的产生和消除两个方面，分别讨论了抑制与消除铝合金中残余应力的若干技术方法的特点、效果和适用场合。
1、残余应力的产生与抑制
1.1 淬火残余应力的产生原因
为了获得足够的强度与韧性，各种航空铝合金毛坯必须进行固溶处理。当材料从大约500℃的高温快速冷却到较低温度（取决于铝合金类型）时，在冷却过程中引入了很大的热应力梯度，通常构件表面呈现压应力而内部呈现拉伸应力。有关研究结果表明，铝合金固溶处理时淬火产生的残余应力甚至会接近材料的屈服极限。其应力分布与构件的尺寸与几何形状有关，当形状复杂且厚度不均匀时，将导致复杂的应力分布状态。淬火速度愈快，一方面使铜、镁、硅、锌等硬化溶质最大限度地溶入铝等固溶体中得到强化，另一方面使冷却过程中材料内部的热梯度愈大，从而产生的残余应力也愈大。
1.2 淬火残余应力与变形的抑制
影响淬火工艺效果的主要参数包括加热温度、转移时间、冷却速度与淬火介质等。铝合金通常都采用冷水（10～32℃）淬火，由于冷水淬火易引起很大的淬火变形等难题，在有些场合，尤其对于形状复杂的模锻件与铸件，采用热水（60～71℃）淬火、沸水淬火或喷雾淬火，可有效地降低冷却速度，相应地减少了铝合金淬火残余应力与变形，但同时也使铝合金的机械性能有所下降。
为了同时兼顾获得最佳性能与减少变形的目的，国内外现推广采用有机合成溶液作为淬火介质，这些有机淬火介质具有逆溶性，即在冷水中溶解而在大于75℃的热水中反而不溶解。利用这一特性，当高温铝合金件淬入有机淬火介质时，迅速在铝合金件表层沉淀了一层起隔热作用的均匀有机介质薄膜，降低了铝合金件的冷却速度，随着工件的冷却，有机介质薄膜逐渐溶解，变成均匀水溶液，从而获得均匀的淬火冷却效果，减小了淬火应力及变形。
表1为7075铝合金在冷水与若干种有机淬火介质中淬火时引起的最大变形与拉伸试验的测试结果。其中19%～22%浓度的UCON-A、19-22%浓度的AQ251及30%～45%浓度的CL-1等有机淬火介质可大幅度减少淬火变形量与残余应力，而抗拉强度与相对延伸率等机械性能指标与冷水淬火时相当，有的还有所提高。
1.3 减小淬火前零件壁厚
淬火残余应力与零件厚度有关，随着零件壁厚增加，淬火残余应力也随之增加，直到厚度大于10毫米以上才趋于平缓。对于加工余量较大的锻件或铸件毛坯，在安排加工工艺路线时，可先在退火状态进行粗加工来减少壁厚，再进行固溶处理，从而减少淬火残余应力数值，然后再进行精加工。
2、残余应力的消除工艺与方法
若采用上述抑制与减少铝合金件残余应力产生的措施后仍然无法满足有关设计要求，必须安排专门的消除残余应力工艺。下面分析各种消除铝合金中残余应力的工艺方法特点、效果及适用场合。
2.1 时效处理法
时效处理法是降低淬火残余应力的传统方法。由于铝合金材料对温度非常敏感，时效温度的提高，必然明显降低强度指标，使MgZn2等强化相析出过多，产生过时效现象，因此，淬火后时效处理通常在较低温度（小于200～250℃）下进行，从而使得消除去应力的效果仅为10%～35%，非常有限。国际上有关学者正致力于研究逆向时效法与二次时效法等先进工艺来改进其应力消除效果。
2.2 机械拉伸法
械拉伸法消除应力的原理是将淬火后的铝合金板材，沿轧制方向施加一定量的永久拉伸塑性变形，使拉伸应力与原来的淬火残余应力叠加后发生塑性变形，使残余应力得以缓和与释放。有关研究结果表明，机械拉伸法最高可消除90%以上的残余应力。图1为拉伸变形量与残余应力消除效果的对应关系，拉伸（压缩）塑性变形量一般控制在1.5%～3.0%为宜。但该种方法仅适合于形状简单的零件，且对拉伸前铝合金板材的组织均匀性要求较高，多用于原材料生产厂家。
图1. 拉伸变形量对2014-T6与7075-T6残余应力消除效果的影响（44.5mm）
2.3 深冷处理法
深冷处理法也称冷稳定处理（ColdStabiliza-tion）法，按工艺可划分为深冷急热法（UphillQuench）与冷热循环法（CyclicTreatment）两种。其中深冷急热法是将含有残余应力的零件浸入-196℃的液氮中深冷，待内外温度均匀后又迅速地用热蒸汽喷射，通过急热与急冷产生方向相反的热应力，借此抵消原来的残余应力场。有关研究表明，在选择合适的工艺参数条件下，深冷急热法可降低高达84%的残余应力。
图2表示不同深冷处理工艺对应的2014-T6铝合金淬火残余应力消除效果。
图2. 不同深冷处理工艺消除残余应力的效果
有关研究进一步证实，深冷处理时冷热温差愈大，加热速率愈快，应力消除效果愈好。相对而言，冷热循环法是指在慢速交换条件下在低温液氮与高温液体之间进行冷热交换，适合于内含线膨胀系数差别很大金相组织的铝合金。
深冷处理的最大优点是在有效消除残余应力的同时，可改善材料的强度、硬度、耐磨性与组织稳定性。由于深冷处理对零件的尺寸与形状没有限制，因此适合于形状复杂的模锻件与铸件。在切削加工前进行深冷处理还可明显改善铝合金加工时易产生的严重加工变形倾向，提高材料的组织稳定性。然而，深冷处理的局限性也显而易见，它只能消除热处理温度梯度产生的残余应力，而不能有效消除机械加工、冷成形等不均匀塑性变形产生的残余应力，对焊接残余应力的消除效果也不佳。
2.4 振动消除法
振动消除残余应力法的工作原理是用便携式强力激振器，使金属结构产生一个或多个振动状态，从而产生如同机械加载时的弹性变形，使零件内某些部位的残余应力与振动载荷叠加后，超过材料的屈服应力引起塑性应变，从而引起内应力的降低和重新分布。
现有的相关研究指出，当铝合金在刚刚进行了淬火后的不稳定状态（0～2小时内）进行振动消除，效果最佳，残余应力最大可降低50%～70%;若在淬火后放置360小时进行振动时效后测试，残余应力消除率有所降低。振动消除应力（VSR）技术具有高效节能，工艺简单方便，适用性强等特点，对零件没有形状与尺寸限制，尤其适合于大型复杂结构件，是一种很有发展前途的工艺方法。另外，经过振动时效后的铝合金构件具有良好的尺寸稳定性，在后续的机械加工中不易产生加工变形。
2.5 模冷压法
模冷压法是在一个特制的精整模具中，通过严格控制的限量冷整形来消除复杂形状铝合金模锻件中的残余应力。事实上“模压”这种叫法不够确切，因为其主要作用机理是使铝合金模锻件的局部材料受“拉伸”或者“压缩”作用。当精整模具压下时，精整凸模嵌入到铝合金模锻件端面、缘（筋）条的拔模斜度上（如图3），实际上使模锻件的腹板部分产生“拉伸”作用。
图3. 受模具冷压作用的模锻件剖面
因此，该种方法是调整而不是消除零件的整体应力水平，它使铝合金模锻件上某些部位的残余应力得到释放的同时，有可能使其他部位的残余应力增大。另外，鉴于铝合金模锻件本来就已存在很大的残余应力，模压变形量过大将可能引起冷作硬化、裂纹和断裂;而变形过小则使应力消除效果不佳，因此需要精确控制。
3、结束语
铝合金淬火速度愈快，固溶强化效果愈好，产生的残余应力也愈大;采用热水淬火或喷雾淬火，虽可有效减少铝合金的残余应力，但同时也使其机械性能有所下降。而采用UCON-A，AQ251等有机介质淬火，同时兼顾了获得较佳机械性能与减少残余应力的目的。另外减小淬火前零件厚度也是抑制残余应力的有效手段。
在现有残余应力消除工艺与方法中，无论哪一种工艺方法均不能完全消除残余应力，因此抑制淬火残余应力的产生是解决问题的上策。其中拉伸法、深冷法和振动法效果较理想，低温退火法与模冷压法效果相对较差。但拉伸法仅适合于形状简单的航空结构件，而深冷法和振动法可适合于形状复杂的零件。上述各种应力消除工艺在固溶处理后的不稳定状态进行处理效果最好。
