铝合金环形零件形/性一体化制造技术

铝合金环形零件作为关键连接、传动、回转和支承部件在重型运载火箭贮箱、风电设备的轴承套圈及齿轮环、压力容器和核反应堆的加强圈等重大装备制造领域应用非常广泛.铝合金环形零件的生产是一个高能耗的热加工过程,现有生产工艺主要有两种:(1)厚板轧制-弯卷-对半焊接成形,环件焊接部位缝组织为弱性能区,无法满足在重载、冲击、高低温和强腐蚀等极端恶劣条件下长期稳定服役时的要求;(2)圆铸锭坯-多向锻造制坯-马架扩孔或环件辗扩,工艺流程冗长,辗扩前开坯、锻造和冲孔工序设备资金投入巨大,多次加热导致能源消耗和材料浪费严重,不利于环境友好型生产.深空探测领域铝合金环件存在几何尺度大、形状精度高、结构刚度低和服役环境苛刻等技术挑战,目前已实现Φ3 m～Φ10 m级大型铝合金环件辗扩生产.环件辗扩过程中的传热-变形-组织演变耦合行为使得环坯经历了多场、多因素作用下多道次、连续局部加载与卸载、不均匀变形和微观组织复杂演变历程.为了实现铝合金环件的辗扩成形,一是要使环件自身整体刚性和辗扩过程稳定,即"控稳";二是要使环件直径扩大与截面充填协同进行,同步获得径-轴向尺寸、截面轮廓及几何精度,即"控形";三是要使成形环件达到所要求的内部组织状态和各向性能,即"控性".铝合金环形零件用环坯的制备是铝合金环件辗扩成形及其形/性一体化调控的基础,采用多向锻造变形技术可以有效细化大规格圆铸锭的粗大组织、破碎网状共晶化合物,实现组织改性,为后续辗扩过程提供优质环坯.通过开发铝合金环件双向辗扩智能建模仿真方法和基于力控的铝合金环件双向辗扩工艺路径智能仿真优化方法,解决了矩形/异形截面环件径-轴向变形区不协调、环件刚度弱及辗扩过程失稳等问题,实现了各轧辊运动的协调匹配和基于目标驱动的自动调控.利用辗扩成形后的形变强化和热处理时效析出强化改性技术,可以进一步提高环件强度和消除残余应力,使环件径向、轴向和周向均具有优良的性能.针对现有技术的不足,本文提出了环形零件短流程铸辗复合成形技术,将砂型铸造或离心铸造获得的环形铸坯加热后直接进行辗扩,在热辗扩过程中同时实现环形铸坯几何尺寸精度要求和组织与性能改善,揭示了基于织构演变的铸坯环件在热辗扩成形中的微观组织和性能控制机制,可为铝合金环件及铝基双金属层状复合环件的短流程形/性一体化制造提供理论指导.本文基于铝合金环形零件形/性一体化制造技术的研究现状,从铝合金环形零件用环坯的制备技术、铝合金环件辗扩成形技术和铝合金环件辗扩过程中组织与性能协同调控技术研究等方面做简要评述,着重阐述铝合金矩形/异形截面环件形/性一体化控制的技术挑战,提出铝合金环件制造技术的发展趋势及研究重点,以期推动铝合金环件/铝基双金属层状复合环件短流程制造过程中形/性一体化调控理论与技术的发展.

Technology of Integrated Manufacturing in Forming and Modification of Aluminum Alloy Rings