一种基于高温高压热振复合设备的金属构件残余应力调控方法

本发明属于金属构件残余应力调控，具体涉及一种在高温高压及振动载荷协同作用下对金属构件残余应力进行调控的方法，适用于铝合金、钛合金等航空金属构件的热振复合处理。

背景技术：

1、金属构件在铸造、锻造、轧制、焊接、热处理及机械加工过程中，容易因不均匀塑性变形、温度梯度和组织转变等因素而产生残余应力。残余应力的存在会影响构件的尺寸稳定性、疲劳性能和服役可靠性，尤其对于航空航天领域中的铝合金、钛合金薄壁件、弱刚性结构件，残余应力调控效果将会直接影响后续的加工精度和服役可靠性。

2、现有残余应力调控方法主要包括自然时效、热时效、振动时效以及热振复合处理等。其中，自然时效的处理时间较长，然而残余应力释放效率较低；单一热时效方法能够通过温度作用促进材料内部发生应力松弛，但对于复杂构件而言，过高的温度或不合理的保温措施会引起组织性能变化以及尺寸变形；单一振动时效方法主要依靠外加循环载荷促进残余应力的释放，但对于高强度钛合金、铝合金材料而言，应力调控效果则容易受到材料屈服强度、构件刚度和振动传递效率的限制。

3、热振复合处理通过热处理与振动载荷的耦合，将会进一步提高残余应力的释放效率。然而，现有热振复合处理过程多集中于常压或普通保护气氛环境，大多关注温度和振动参数的匹配，而过少考虑压力环境在残余应力释放、表面氧化抑制，以及高温处理过程中构件变形约束等方面的不足。对于薄壁件、弱刚性构件和复杂承力构件，传统热振处理过程还存在振动载荷传递不稳定、工艺参数选择依赖传统经验、处理前后残余应力效果不充分等问题，而无法满足高强度金属构件的残余应力调控需求。

4、因此，有必要提出一种基于高温高压热振复合设备的金属构件残余应力调控方法，在高温、高压和振动载荷的协同作用下，对金属构件进行残余应力调控，以提高残余应力的释放效率，以此降低后续加工变形的风险，然后改善金属构件的尺寸稳定性，进一步提高金属构件的服役可靠性。

技术实现思路

1、（一）解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于高温高压热振复合设备的金属构件残余应力调控方法，解决单一热时效处理效率有限、单一振动时效调控效果受金属构件刚度限制、普通热振复合处理缺失压力环境协同作用等问题，通过在密封高压腔体内对金属构件进行升温、保温保压与振动时效处理，使温度场、压力环境和振动载荷协同作用于金属构件，来解决现有方法中残余应力释放不充分、工艺参数协同性不足、高温处理过程中金属构件易发生氧化等问题，以此提高金属构件的残余应力调控效果、尺寸稳定性及服役可靠性。

3、（二）技术方案

4、为解决上述技术问题，本发明提供一种基于高温高压热振复合设备的金属构件残余应力调控方法，包括以下步骤：

5、步骤1：将待处理金属构件安装在专用夹具上。

6、步骤2：将所述专用夹具及所述待处理金属构件固定于高温高压热振复合设备内部的振动传递平台上。

7、步骤3：对所述高温高压热振复合设备的腔体进行密封处理，并向所述腔体内部通入保护气体及加压介质，使所述腔体内部压力达到预设值。

8、步骤4：按照设定升温速率将所述腔体升温至目标温度，并在所述目标温度和所述预设压力下对所述待处理金属构件进行保温保压处理。

9、步骤5：在保温保压阶段中启动激振器，使所述激振器产生的振动载荷经所述振动传递平台和所述专用夹具传递至所述待处理金属构件，以使温度场、压力环境和振动载荷协同作用于所述待处理金属构件。

10、步骤6：处理完毕后结束所述激振器的振动载荷激励作用，并对所述腔体进行降温及泄压，随后从所述腔体内取出处理后的金属构件。

11、优选的，所述保护气体为氩气、氮气或惰性混合气体中的一种，所述加压介质为保护气体、惰性气体或非反应性气体中的一种。

12、优选的，所述腔体内部的预设压力值为0.1 mpa～10 mpa，且所述预设压力值根据所述待处理金属构件的材料类型、结构刚度和初始残余应力水平中的至少一种进行设定。

13、优选的，所述振动载荷包括振动频率、振幅、振动加速度或激振力中的至少一种参数；所述振动频率为10 hz～120 hz，所述激振力为1 kn～20 kn。

14、优选的，所述目标温度为100 ℃～600 ℃，所述设定升温速率为1 ℃/min～20℃/min，所述保温保压处理时间为0.5 h～8 h。

15、优选的，所述振动载荷采用恒频振动、扫频振动、分段变频振动、间歇振动或多级振动中的一种或多种组合方式进行施加。

16、优选的，在热振复合处理前对所述待处理金属构件进行初始残余应力检测，并根据检测结果确定所述目标温度、所述预设压力值、所述振动载荷或处理时间中的至少一种工艺参数。

17、（三）有益效果

18、本发明提供了一种基于高温高压热振复合设备的金属构件残余应力调控方法，具备以下有益效果：

19、1.本发明将温度场、压力环境和振动载荷进行耦合，共同参与到残余应力调控过程，使待处理金属构件在目标温度和预设压力下受到振动载荷作用，有利于促进金属构件内部残余应力的释放与重分布，从而显著提升残余应力的调控效率。

20、2.本发明通过在密封腔体内通入保护气体及加压介质，使得金属构件在热振复合处理过程中处于保护性压力环境，这将有助于降低高温处理过程中的氧化程度，并且进一步减小构件在高温振动条件下的变形程度。

21、3.本发明通过将待处理金属构件安装于专用夹具上，并将专用夹具固定于振动传递平台，激振器产生的振动载荷能够经振动传递平台和专用夹具传递至金属构件，有利于提高振动载荷的输入稳定性。

22、4.本发明可根据金属构件的材料类型、结构强度和初始残余应力水平来精准设定压力值、目标温度、振动载荷及时效时间等工艺参数，具有良好的工艺适应特性。

23、5.本发明适用于铝合金、钛合金等航空金属构件的残余应力调控处理，有助于降低金属构件的加工变形风险，并且能够提高金属构件的尺寸稳定性与服役可靠性。

1.一种基于高温高压热振复合设备的金属构件残余应力调控方法，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于高温高压热振复合设备的金属构件残余应力调控方法，其特征在于：所述保护气体为氩气、氮气或惰性混合气体中的一种，所述加压介质为保护气体、惰性气体或非反应性气体中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种基于高温高压热振复合设备的金属构件残余应力调控方法，其特征在于：所述腔体内的预设压力值为0.1mpa～10mpa，而且所述预设压力值根据所述待处理金属构件的材料类型、结构刚度、初始残余应力水平中的一种进行设定。

4.根据权利要求1所述的一种基于高温高压热振复合设备的金属构件残余应力调控方法，其特征在于：所述振动频率为10hz～120hz，所述激振力为1kn～20kn。

5.根据权利要求1所述的一种基于高温高压热振复合设备的金属构件残余应力调控方法，其特征在于：所述目标温度为100℃～600℃，所述设定升温速率为1℃/min～20℃/min，所述保温保压处理时间为0.5h～8h。

6.根据权利要求1所述的一种基于高温高压热振复合设备的金属构件残余应力调控方法，其特征在于：所述振动载荷采用恒频振动、扫频振动、分段变频振动、间歇振动或多级振动中的一种或多种组合方式施加。

7.根据权利要求1所述的一种基于高温高压热振复合设备的金属构件残余应力调控方法，其特征在于：在热振复合处理前对所述待处理金属构件进行初始残余应力检测，并根据检测结果确定所述目标温度、所述预设压力、所述振动载荷或处理时间中的至少一种工艺参数。