姜建堂，范丁歌，趙熊爔，陳軍洲，邵文柱，甄 良

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001) (2. 金屬精密熱加工國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001) (3. 中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095)

1 前 言

鋁合金因其輕質(zhì)、高強(qiáng)韌、耐腐蝕、抗疲勞的優(yōu)良綜合性能成為空天飛行器主承載結(jié)構(gòu)的主要選材[1-3]?？仗祜w行器整體制造要求所采用的框梁、艙體等大規(guī)格構(gòu)件同時(shí)具備高的形位精度、形位穩(wěn)定性及優(yōu)良的服役性能，這對(duì)構(gòu)件制造提出了十分苛刻的要求[1-3]。為了發(fā)揮鋁合金潛能，大規(guī)格鋁合金構(gòu)件多采用“熱成形-熱處理-機(jī)加工”的技術(shù)路線制造，制造中的力/熱效應(yīng)會(huì)引發(fā)應(yīng)力演化，坯材及成品構(gòu)件因而存在強(qiáng)烈的殘余應(yīng)力效應(yīng)。其中，坯材殘余應(yīng)力的存在會(huì)導(dǎo)致機(jī)械制造變形，成品構(gòu)件中殘余應(yīng)力的存在則易導(dǎo)致服役變形及性能退化[4]。隨著整體制造技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，航空航天裝備領(lǐng)域中大規(guī)格復(fù)雜構(gòu)件的使用比例快速增加，在大規(guī)格壁板、框梁、艙體等構(gòu)件中應(yīng)變累積、剛度突變等效應(yīng)因此顯著增強(qiáng)，在此背景下，由殘余應(yīng)力演化導(dǎo)致形性退化及至早期失效的問題愈發(fā)突出，且已成為航空航天結(jié)構(gòu)件制造中的重要瓶頸。在研制過程中，多型裝備欲以超大規(guī)格框梁代替組裝結(jié)構(gòu)制造主承載構(gòu)件，坯件性能良好但因翹曲變形嚴(yán)重難以裝機(jī)使用。在此背景下，掌握殘余應(yīng)力演化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力控制，成為大型構(gòu)件高效制造、可靠服役的前提；作為殘余應(yīng)力控制技術(shù)的基礎(chǔ)，殘余應(yīng)力評(píng)價(jià)、預(yù)測及演化行為調(diào)控成為大型鋁合金構(gòu)件研制與應(yīng)用中亟待突破的關(guān)鍵難題。

殘余應(yīng)力的形成演化貫穿構(gòu)件制造和服役全過程，對(duì)材料特性、結(jié)構(gòu)特征以及制造過程高度敏感，對(duì)服役行為影響也十分顯著。因此，深入理解殘余應(yīng)力形成演化及形性響應(yīng)規(guī)律，形成殘余應(yīng)力預(yù)測與控制技術(shù)體系，對(duì)大型鋁合金構(gòu)件研制與應(yīng)用意義重大。特別地，鑒于殘余應(yīng)力強(qiáng)烈的遺傳效應(yīng)和結(jié)構(gòu)敏感性，針對(duì)鋁合金殘余應(yīng)力的研究需著眼制造全過程，充分考慮力/熱作用過程。在此背景下，涵蓋全壽命周期的體殘余應(yīng)力測試、殘余應(yīng)力演化及預(yù)測、殘余應(yīng)力全過程控制成為殘余應(yīng)力控制技術(shù)體系的三大基石，相關(guān)研究歷久彌新、廣受關(guān)注[5]。近年來，多名研究者[6]就殘余應(yīng)力控制提出了“表征與測試-演化及影響-應(yīng)力控制”的技術(shù)體系，典型實(shí)例如圖1所示。在此思路下，基于計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行殘余應(yīng)力行為研究的成果不斷涌現(xiàn)，殘余應(yīng)力模型化表征、殘余應(yīng)力仿真預(yù)測以及制造全過程控制策略的研究發(fā)展較快，為殘余應(yīng)力全壽命周期控制以及含應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)打下良好基礎(chǔ)。

2 研究現(xiàn)狀

如前所述，構(gòu)件體殘余應(yīng)力測試、殘余應(yīng)力演化規(guī)律及預(yù)測、殘余應(yīng)力全過程控制，是支撐殘余應(yīng)力分析與控制的關(guān)鍵分支，是殘余應(yīng)力技術(shù)體系的三大基石，相關(guān)研究發(fā)展迅速。

2.1 體殘余應(yīng)力測試技術(shù)

體殘余應(yīng)力是指塊體材料或構(gòu)件中三維分布的殘余應(yīng)力。體殘余應(yīng)力對(duì)構(gòu)件形位及服役性能的影響十分顯著，在厚大規(guī)格構(gòu)件中尤其如此，僅對(duì)表面層殘余應(yīng)力進(jìn)行測試無法支撐“制造工藝-形變-性能退化”的關(guān)聯(lián)性分析。在此背景下，體殘余應(yīng)力測試成為大型構(gòu)件殘余應(yīng)力調(diào)控的關(guān)鍵前提。從樣品是否破壞的角度，殘余應(yīng)力直接測試方法可分為無損測試方法和破壞性測試方法。此外，基于直接測試結(jié)果對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)行重構(gòu)并從而進(jìn)行模型化評(píng)價(jià)是殘余應(yīng)力測試新的發(fā)展方向，有望實(shí)現(xiàn)全尺寸構(gòu)件制造全過程、全位置應(yīng)力表征，相應(yīng)研究正在快速發(fā)展之中。

圖1 殘余應(yīng)力控制的技術(shù)體系構(gòu)成[6]Fig.1 Technical framework of residual stress control[6]

2.1.1 無損測試

材料體殘余應(yīng)力無損評(píng)價(jià)方法主要有X射線衍射法、同步輻射法、中子衍射法、超聲法4種。除超聲法以外，另外3種方法均基于晶格對(duì)射線的衍射現(xiàn)象建立，基本思路是通過衍射峰位置偏轉(zhuǎn)計(jì)算晶面間距變化，進(jìn)而根據(jù)廣義胡克定律計(jì)算殘余應(yīng)力。

X射線衍射法主要用于表層殘余應(yīng)力測量，測試深度為10 μm左右，對(duì)深層殘余應(yīng)力的檢測需要結(jié)合化學(xué)剝層的方法[7, 8]。此外，X射線測試受組織特性影響。Righetti等[9]在測量分析7050航空鋁合金經(jīng)過銑削和噴丸處理后的殘余應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，使用多反射掠入射X射線衍射法(multireflection grazing incidence X-ray diffraction,MGIXD)測定了樣品中的殘余應(yīng)力狀態(tài)，所采用的X射線入射角度如圖2所示。

圖2 X射線衍射法進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測所采用的角度和方向[9]Fig.2 Angles and directions used in X-ray method for residual stressdetection[9]

同步輻射法與X射線衍射法的原理相同，但測試深度較大，且空間分辨率較高，可達(dá)到20 μm[10]。該方法獲得的衍射信息非常豐富，可用于體殘余應(yīng)力的快速測試。

中子衍射測試采用的中子束穿透能力極強(qiáng)，可測量120 mm厚鋁合金的內(nèi)部殘余應(yīng)力；使用聚焦中子束的中子衍射法,殘余應(yīng)力測試的空間分辨率可達(dá)1 mm×1 mm×1 mm，并能夠給出3個(gè)方向的殘余正應(yīng)力分量。圖3為利用中子衍射法測試的7449鋁合金板材淬火殘余應(yīng)力[11]，由測量結(jié)果可知，鍛件在經(jīng)過冷壓處理后殘余應(yīng)力值明顯降低。國內(nèi)中子衍射法近幾年發(fā)展較快，其中中國工程物理研究院的中子衍射測量設(shè)施可直接測試厚度200 mm以內(nèi)鋁合金構(gòu)件的體殘余應(yīng)力[12, 13]；在7050鋁合金過盈配合結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力測試表明，該系統(tǒng)的測試結(jié)果與KOWAI測試結(jié)果基本一致，體殘余應(yīng)力分布和理論值偏差在20 MPa以內(nèi)。Robinson等[14]在研究8種不同成分鋁合金的殘余應(yīng)力對(duì)淬火態(tài)性能(硬度、強(qiáng)度)的影響時(shí)，采用X射線法評(píng)估了鋁合金近表面殘余應(yīng)力，并采用中子衍射法表征了50 mm厚鋁合金塊全厚度范圍的殘余應(yīng)力。

圖3 采用中子衍射法測試?yán)鋲呵昂?449鋁合金坯材三向殘余應(yīng)力[11]Fig.3 Three-dimensional residual stress of aluminum alloy billets before and after cold pressing tested via neutron diffraction method[11]

超聲殘余應(yīng)力無損評(píng)價(jià)方法是基于超聲波的聲彈性效應(yīng)發(fā)展而成的無損測試技術(shù)。采用不同類型的超聲波可以反映不同深度處的殘余應(yīng)力，例如利用超聲臨界折射縱波可以測量近表面1 mm的應(yīng)力分布[15]。該技術(shù)已經(jīng)在薄板殘余應(yīng)力評(píng)價(jià)中獲得應(yīng)用，美國國家航空航天局也報(bào)道過基于超聲波測試評(píng)價(jià)燃?xì)廨啓C(jī)葉盤殘余應(yīng)力的結(jié)果[16]；Wang等[17]同樣利用超聲臨界折射縱波測量了渦輪盤根部的殘余應(yīng)力。利用超聲波還可對(duì)材料全厚度體殘余應(yīng)力進(jìn)行測量，美國愛荷華州立大學(xué)研究者[18]采用超聲縱波水浸法繪制出試樣圓孔附近的外加應(yīng)力分布，并實(shí)現(xiàn)了過盈配合試樣全厚度殘余應(yīng)力成像；德國Koblenz鋁廠[19]采用超聲波方法評(píng)價(jià)大規(guī)格鋁合金板材殘余應(yīng)力。近年來，激光超聲測試技術(shù)發(fā)展迅速。Karabutov等[20]通過引入激光超聲源提高了超聲的頻譜范圍以及強(qiáng)度，從而提高了測試準(zhǔn)確性。哈爾濱工業(yè)大學(xué)[21]、西安科技大學(xué)[22]等的科研人員開展了激光超聲波殘余應(yīng)力測試技術(shù)的研究。

2.1.2 破壞性測試

破壞性測試方法主要包括裂紋柔度法、輪廓法、深孔法等。這些方法盡管具體實(shí)施方法多有變化，但均會(huì)對(duì)樣品進(jìn)行破壞。

裂紋柔度法是在簡單形狀試樣上引入一條逐漸加深的裂紋來釋放試樣內(nèi)部的殘余應(yīng)力，基于試樣背面應(yīng)變隨著裂紋深度變化的數(shù)據(jù)計(jì)算試樣內(nèi)部殘余應(yīng)力沿深度的分布。Prime等[23]對(duì)比了裂紋柔度法、中子衍射、高能同步X射線衍射等方法的測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)裂紋柔度法測試結(jié)果更精確，且與理論殘余應(yīng)力更接近。盡管裂紋柔度法測試精度較高，且已廣泛應(yīng)用于鋁合金板材殘余應(yīng)力測試中[24]，但目前尚未統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。盲孔法是發(fā)展最早的破壞性測試技術(shù)，最早由Mathar等[25]提出，1981年由美國材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)頒布標(biāo)準(zhǔn)。盲孔法只能測試材料表面殘余應(yīng)力，盡管精度不高，但在測試高應(yīng)力梯度焊接構(gòu)件殘余應(yīng)力時(shí)仍有優(yōu)勢。深孔法是在盲孔法基礎(chǔ)上發(fā)展而成的測試方法[26, 27]，破壞性不大，適用于大型結(jié)構(gòu)件和焊接件殘余應(yīng)力的測量。輪廓法由Prime等[28]于2001年提出，該方法精度較高且能給出截?cái)嗥矫鏆堄鄳?yīng)力2D分布信息，應(yīng)用價(jià)值較高。圖4為焊接構(gòu)件殘余應(yīng)力輪廓法測試結(jié)果及與其他方法的對(duì)比[29]，可以看出輪廓法測試結(jié)果與裂紋柔度法、中子衍射法、高能同步X射線衍射法測試結(jié)果較為吻合。

圖4 輪廓法、裂紋柔度法、中子衍射法和高能同步X射線衍射法的焊接殘余應(yīng)力測試結(jié)果對(duì)比[29]Fig.4 Welding-induced residual stress detection results comparison between contour method, crack compliance method, neutron diffraction and high energy X-ray diffraction[29]

破壞性測試技術(shù)理論基礎(chǔ)成熟、結(jié)果直觀、檢測精度高，且能獲取殘余應(yīng)力厚向分布信息，因此在殘余應(yīng)力測試中有不可替代的作用。如美國鋁業(yè)、洛克希德·馬丁等航空制造企業(yè)利用輪廓法、裂紋柔度法對(duì)7xxx鋁合金艙門典型截面的殘余應(yīng)力進(jìn)行測量[30, 31]。盡管如此，破壞性測試技術(shù)測試程序繁瑣，需破壞構(gòu)件且檢測結(jié)果只能反映被破壞區(qū)域附近的殘余應(yīng)力，因此僅適用于抽檢或標(biāo)定，而不能作為出廠檢測方法。

2.1.3 模型化測試

構(gòu)件整體殘余應(yīng)力的表征是殘余應(yīng)力模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)，也是本領(lǐng)域的難點(diǎn)問題，僅基于傳統(tǒng)的測試難于突破。國外研究者采用了“典型位置殘余應(yīng)力測定+重構(gòu)”的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)件殘余應(yīng)力場的整體描述。其中，典型位置為代表性截面、特征部位等，重構(gòu)基于殘余應(yīng)力場仿真，可通過有限元模擬來實(shí)現(xiàn)?；谠撍悸?，美國鋁業(yè)、洛克希德·馬丁等公司采用裂紋柔度法、輪廓法、小孔法分別測試選定截面/表面及局部特征位置的殘余應(yīng)力，并將測定的殘余應(yīng)力置入仿真獲得的殘余應(yīng)力場進(jìn)行比對(duì)和融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)殘余應(yīng)力場的三維重構(gòu)，獲得構(gòu)件的體殘余應(yīng)力[30-32]。通用電氣、羅爾斯-羅伊斯等公司在Inconel 718合金渦輪盤整體殘余應(yīng)力表征中也采用了相似的方法。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究者[7]也針對(duì)淬火殘余應(yīng)力重構(gòu)進(jìn)行了研究，該小組基于淬火構(gòu)件典型位置淺表層殘余應(yīng)力和淬火殘余應(yīng)力的模型化分析進(jìn)行體殘余應(yīng)力的重構(gòu)。該研究初步實(shí)現(xiàn)了淬火殘余應(yīng)力的歸一化分析及重構(gòu)，但是該方法僅針對(duì)淬火態(tài)板材，未能涵蓋冷變形、機(jī)加工等關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)。此外，針對(duì)淬火殘余應(yīng)力的表征結(jié)果僅在中等尺寸(100 mm×100 mm×70 mm)坯件中進(jìn)行了驗(yàn)證應(yīng)用[7]，尚未在全尺寸坯材中進(jìn)行驗(yàn)證，其可靠性及工業(yè)適用性需要進(jìn)一步檢驗(yàn)。北京科技大學(xué)研究者[8]在冷徑向鍛造高強(qiáng)鋼身管殘余應(yīng)力研究中也發(fā)展了基于解析模型的描述方式，基于解析模型和局部數(shù)據(jù)進(jìn)行殘余應(yīng)力的表征和評(píng)價(jià)。

如上所述，直接測試方法盡管已經(jīng)充分發(fā)展，但仍無法滿足大型構(gòu)件原位、無損測試的要求，而基于數(shù)據(jù)模型融合方法所建立的模型化測試技術(shù)正在快速發(fā)展，代表著大型構(gòu)件殘余應(yīng)力評(píng)價(jià)的主要發(fā)展方向。

2.2 殘余應(yīng)力仿真預(yù)測

殘余應(yīng)力全過程遺傳、結(jié)構(gòu)敏感的特性使其研究異常困難，主要障礙在于局部、單狀態(tài)殘余應(yīng)力測試的結(jié)果無法支撐殘余應(yīng)力演化行為的研究。因此，采用模型化表征和仿真分析串聯(lián)制造全過程成為殘余應(yīng)力研究的必然和重要思路。在過去的20年中，基于該思路所開展的研究已經(jīng)形成了初步的技術(shù)體系。

發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)制造企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)針對(duì)殘余應(yīng)力演化行為開展了深入研究。這些研究結(jié)合制造過程建立了構(gòu)件殘余應(yīng)力演化的模型體系并進(jìn)行了系統(tǒng)驗(yàn)證和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了殘余應(yīng)力形成演化行為的可視化重構(gòu)；這些研究還基于模型化分析確定了殘余應(yīng)力形成與演化的控制因素，并揭示了相關(guān)的規(guī)律，從而為殘余應(yīng)力控制打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

仿真工具的開發(fā)是仿真分析的基礎(chǔ)。目前，宏觀應(yīng)力仿真分析所使用的工具多為有限元軟件，并以各工藝下材料力/熱響應(yīng)行為為對(duì)象。其中，材料力/熱響應(yīng)綜合考慮材料特性及組織演化行為，而力/熱條件來源于工藝。為了串聯(lián)各工序，實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力演化行為的全過程描述，在單工序仿真的基礎(chǔ)上還需要通過模型間數(shù)據(jù)傳遞實(shí)現(xiàn)工藝序列的貫通。美國鋁業(yè)公司[31]在7085鍛件研制過程中，分別針對(duì)淬火、模壓工序建立了材料、外載和介質(zhì)作用的相關(guān)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)殘余應(yīng)力演化行為的模擬。在此基礎(chǔ)上，通過工藝模型的集成實(shí)現(xiàn)了對(duì)構(gòu)件殘余應(yīng)力的準(zhǔn)確預(yù)測。此外，美國鋁業(yè)等公司在坯材殘余應(yīng)力控制的基礎(chǔ)上還進(jìn)一步針對(duì)含殘余應(yīng)力坯材的機(jī)加工過程進(jìn)行了仿真，系統(tǒng)追蹤了坯材余量分配以及去除序列對(duì)成品構(gòu)件殘余應(yīng)力以及形位的影響。該研究所建立的模型體系和相應(yīng)的研究結(jié)果已經(jīng)在F35戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)身隔框等構(gòu)件的研制中進(jìn)行了系統(tǒng)驗(yàn)證，并取得了部分應(yīng)用。在坯材低殘余應(yīng)力控制的基礎(chǔ)上結(jié)合機(jī)加工過程優(yōu)化，F(xiàn)35戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)身隔框全長度翹曲僅0.407 mm，約92%以上區(qū)域殘余應(yīng)力低于50 MPa，實(shí)現(xiàn)了形性/殘余應(yīng)力協(xié)同控制。該仿真方法不僅可對(duì)構(gòu)件殘余應(yīng)力進(jìn)行預(yù)測，還能就各工序內(nèi)殘余應(yīng)力演化進(jìn)行單獨(dú)分析，從而確定殘余應(yīng)力的控制因素，闡明其演化規(guī)律，并為坯材殘余應(yīng)力的控制指明方向。例如，基于該模型的工藝仿真表明，以“水淬-時(shí)效-模壓去應(yīng)力”的工藝路線替代傳統(tǒng)碳酸鹽水溶液淬火工藝，可顯著降低7085鋁合金坯材的殘余應(yīng)力。王浩等[33]采用模擬仿真的方法研究了7050鋁合金試塊級(jí)試樣和帶筋條結(jié)構(gòu)件在淬火熱處理和冷變形過程中的殘余應(yīng)力演化規(guī)律，并采用超聲測試進(jìn)行了評(píng)價(jià)。圖5為淬火態(tài)、淬火-冷壓態(tài)7050鋁合金試塊殘余應(yīng)力分布超聲測試的結(jié)果，該測試證實(shí)了適當(dāng)冷壓可顯著消除淬火應(yīng)力。圖6為帶筋條結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力分布仿真結(jié)果，由圖6可以看出淬火應(yīng)力是殘余應(yīng)力的主要來源，且筋條幾何結(jié)構(gòu)影響表面殘余應(yīng)力分布。Yang等[34]基于Abaqus軟件，采用有限元模擬計(jì)算的方法對(duì)A357鋁合金大型復(fù)雜薄壁構(gòu)件的淬火過程進(jìn)行了研究，預(yù)測并得到了構(gòu)件的殘余應(yīng)力及變形的分布和大小。

圖5 淬火與冷壓后7050鋁合金試塊殘余應(yīng)力超聲掃查圖[33]：(a)淬火后超聲掃查，(b)淬火-3%冷壓縮后超聲掃查Fig.5 Residual stress of as-quenched and cold compressed 7050 aluminum alloy specimen, tested from ultrasonic method[33]: (a) as-quenched, (b) quenched and 3% cold compressed

圖6 熱處理過程7050鋁合金鍛件1/4截面(長度方向)應(yīng)力分布[33]：(a)最大主應(yīng)力分布，(b) 最小主應(yīng)力分布Fig.6 Quarter section (along length direction) stress distribution of 7050 aluminum forging during heat treatment[33]: (a) max-principal stress distribution， (b) min-principal stress distribution

作者研究組[35]針對(duì)制造全過程開展了仿真分析技術(shù)的研究，形成了仿真分析平臺(tái)，平臺(tái)的功能構(gòu)成如圖7所示。該平臺(tái)中殘余應(yīng)力計(jì)算以順序耦合方法進(jìn)行，即先計(jì)算溫度場的變化，再將溫度場導(dǎo)入應(yīng)力場模型計(jì)算坯材殘余應(yīng)力。該小組基于本構(gòu)關(guān)系與邊界條件、建模仿真兩方面的研究，建立了能分別實(shí)現(xiàn)淬火、冷變形、時(shí)效、反淬火、機(jī)加工等關(guān)鍵工序殘余應(yīng)力全過程仿真和預(yù)測的模型；之后基于模型間的數(shù)據(jù)傳遞對(duì)各工序進(jìn)行集成，形成了涵蓋構(gòu)件制造全過程的工藝仿真及殘余應(yīng)力/變形分析模型體系。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步就本構(gòu)關(guān)系/熱物參數(shù)讀入、模型前處理、過程加載、數(shù)據(jù)分析與提取等關(guān)鍵過程進(jìn)行了編程設(shè)計(jì)，并與各工藝仿真模塊進(jìn)行集成，形成了仿真平臺(tái)。該平臺(tái)利用Python語言開發(fā)，通過獨(dú)立界面融合形成CAE仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了構(gòu)件制造全過程自動(dòng)化、高效、高精度仿真以及產(chǎn)品生命周期仿真管理，分析對(duì)象涵蓋淬火、冷熱循環(huán)、時(shí)效、機(jī)加工-模壓、機(jī)加工-切割、裂紋柔度法測試、輪廓法測試等單一工況或制造全過程。

整體而言，模型化表征測試代表著殘余應(yīng)力測試技術(shù)主要的發(fā)展方向，其發(fā)展和應(yīng)用是殘余應(yīng)力全過程預(yù)測與控制技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

2.3 殘余應(yīng)力控制

如何在保證材料強(qiáng)塑性的情況下，盡量降低構(gòu)件殘余應(yīng)力一直是國內(nèi)外學(xué)者的努力方向。熱處理、機(jī)加工等制造工序中力/熱加載是應(yīng)力演化的外源誘因，因此對(duì)制造工序進(jìn)行調(diào)控成為鋁合金構(gòu)件殘余應(yīng)力控制的重要手段之一。

2.3.1 坯材殘余應(yīng)力控制

淬火應(yīng)力是鋁合金構(gòu)件殘余應(yīng)力的本源，因此淬火應(yīng)力控制是殘余應(yīng)力控制的首要任務(wù)。大量研究表明，通過改變淬火方式、淬火介質(zhì)、淬火介質(zhì)溫度等參數(shù)對(duì)淬火冷速進(jìn)行控制是降低淬火應(yīng)力的有效手段。美國鋁業(yè)公司[31]對(duì)7085鋁合金坯材制造工藝進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化，將7085-T74合金坯材的殘余應(yīng)力由傳統(tǒng)工藝下的±130降低到±70 MPa，為隔框機(jī)加工變形量降低80%奠定了坯料基礎(chǔ)。Robinson[36]研究發(fā)現(xiàn)，沸水淬火后7050合金坯材的淬火殘余應(yīng)力較冷水淬火時(shí)降低約78%，而力學(xué)性能僅僅降低了不到10%。李淑明等[37]通過系列淬火實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，7075鋁合金厚板經(jīng)80 ℃水淬火后的殘余應(yīng)力較冷水淬火的降低約50%。對(duì)7449鋁合金厚板[38]使用濃度30%的PAG水溶液淬火時(shí)，其力學(xué)性能幾乎不變而淬火殘余應(yīng)力下降約56%。龔海等[39]探究了7075鋁合金厚板在浸沒、噴淋兩種淬火工藝下殘余應(yīng)力分布情況，研究表明，經(jīng)噴淋淬火后的殘余應(yīng)力較浸沒淬火時(shí)降低60%。曹海龍[40]使用不同濃度的PAG溶液對(duì)7055鋁合金厚板進(jìn)行淬火處理，發(fā)現(xiàn)與冷水相比，使用濃度15%的PAG溶液作為冷卻介質(zhì)后鋁合金軋制方向殘余應(yīng)力分量降低約52%，而橫向殘余應(yīng)力降低約47%。

圖7 制造全過程仿真分析平臺(tái)功能構(gòu)架[35]Fig.7 Framework of the whole manufacturing process simulation system[35]

淬火應(yīng)力的消減是殘余應(yīng)力控制的重要步驟，既有研究多通過冷變形、時(shí)效工藝對(duì)淬火殘余應(yīng)力進(jìn)行調(diào)控。Robinson等[41]針對(duì)7449合金淬火應(yīng)力消減技術(shù)開展研究，發(fā)現(xiàn)冷變形量是影響應(yīng)力消減的主要因素。研究認(rèn)為，預(yù)拉伸量為2%但均勻變形未知的構(gòu)件的殘余應(yīng)力可消減90%以上。國內(nèi)研究也證實(shí)，2%～3%預(yù)拉伸變形可以有效消減淬火殘余應(yīng)力；2A14合金厚板預(yù)拉伸2.7%時(shí)，表層淬火殘余壓應(yīng)力從312降低到54 MPa，消減超過80%[42]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究者[7]針對(duì)復(fù)雜坯材模壓去應(yīng)力過程開展了研究，發(fā)現(xiàn)模壓量、摩擦系數(shù)、模具型面以及熱處理狀態(tài)對(duì)淬火殘余應(yīng)力消減均有顯著影響，避免局部應(yīng)力集中以及模具型面的充分潤滑均有利于提高殘余應(yīng)力消減效果。蔣小娟等[43]利用Deform軟件對(duì)大型非等厚7075鋁合金自由鍛件淬火后的殘余應(yīng)力分布進(jìn)行了模擬分析，同時(shí)探究得出分步冷壓對(duì)消減大型鍛件殘余應(yīng)力效果明顯，且冷壓量為3%時(shí)，淬火殘余應(yīng)力消減率較高，應(yīng)力分布更均勻(圖8)。翟瑞志等[44]同樣利用Deform軟件對(duì)某大型7050鋁合金自由鍛件(1500 mm×500 mm×200 mm)進(jìn)行了淬火和冷壓后殘余應(yīng)力的模擬分析，發(fā)現(xiàn)通過對(duì)淬火后的自由鍛件施加冷壓變形可以有效消除熱處理殘余應(yīng)力，且采用3%壓下量及較小的進(jìn)給量可以最大程度地消除殘余應(yīng)力。

圖8 鍛件分步冷壓后分別沿X、Y、Z向的殘余應(yīng)力分布[43]Fig.8 Residual stress distribution of forgings along X, Y and Z directions after cold pressing[43]

時(shí)效處理過程中，淬火應(yīng)力因構(gòu)件的蠕變而消減，這是淬火殘余應(yīng)力消減的重要方法。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究者[7]研究表明，140～170 ℃下進(jìn)行時(shí)效處理時(shí)，2024鋁合金構(gòu)件淬火殘余應(yīng)力有一定下降；其中，在前10 h內(nèi)殘余應(yīng)力下降較快，之后下降趨緩；在170 ℃下時(shí)效12 h后構(gòu)件L向、T向的殘余應(yīng)力均消減約22%。此外，通過反淬火工藝也可以大幅消減淬火殘余應(yīng)力。固定低溫介質(zhì)為-196 ℃液氮，高溫介質(zhì)分別為沸水、170 ℃的二甲基硅油或熱空氣、187 ℃的高速蒸汽時(shí)殘余應(yīng)力分別下降約30～40，50～60，120～130 MPa。

2.3.2 機(jī)加工過程殘余應(yīng)力控制

機(jī)加工過程中構(gòu)件殘余應(yīng)力的釋放與重分布是誘發(fā)構(gòu)件變形的直接原因。通過釋放序列控制實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力的有序釋放，是避免構(gòu)件變形的關(guān)鍵難題。發(fā)達(dá)國家的研究人員針對(duì)該問題開展了長期的研究，迄今已取得重要突破。如在機(jī)加工過程的建模仿真基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析了去除次序、去除量等關(guān)鍵參數(shù)的影響，揭示了殘余應(yīng)力重分布以及形變響應(yīng)的規(guī)律，建立了構(gòu)件失穩(wěn)變形的量化判據(jù)，最終建立了變形控制方法。

美國鋁業(yè)公司[31]在仿真分析的基礎(chǔ)上對(duì)F35機(jī)身隔框的機(jī)加工序列進(jìn)行了優(yōu)化，通過篩選，確定了“一次粗加工+一次半精加工+精加工”的切削序列，并且指出在低應(yīng)力坯材中厚度方向的粗加工需要為精加工預(yù)留12.7 mm的余量、半精加工需要預(yù)留5.08 mm的余量。波音公司同樣基于模型分析準(zhǔn)確預(yù)測新一代戰(zhàn)機(jī)高筋壁板的機(jī)加工變形，并據(jù)此對(duì)機(jī)加工路徑進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使該類構(gòu)件的機(jī)加工變形降低90%以上。可見，基于模型化分析的殘余應(yīng)力預(yù)測和控制對(duì)機(jī)加工過程殘余應(yīng)力-變形控制的實(shí)現(xiàn)提供了有力支撐。

黃果等[45]對(duì)某基座坯件機(jī)加工過程中殘余應(yīng)力的演化進(jìn)行了仿真。在構(gòu)件表面整體切削1～4 mm以及完成機(jī)加工后構(gòu)件在X方向上的應(yīng)力分布云圖如圖9所示。從整體上來看，隨著機(jī)加工的進(jìn)行，構(gòu)件表面與心部的應(yīng)力水平都在下降：20 ℃水淬構(gòu)件表面應(yīng)力整體處于-300 MPa以上，心部應(yīng)力在250 MPa以上；當(dāng)表面整體去除4 mm后應(yīng)力降至約-120 MPa，而心部拉應(yīng)力仍高達(dá)190 MPa。

圖9 某基座坯件不同切削量下構(gòu)件殘余應(yīng)力的分布[45]：(a) 20 ℃淬火，(b) 1 mm，(c)2 mm，(d) 3 mm，(e) 4 mm，(f) 機(jī)加工完成Fig.9 Distribution of residual stress of components under different cutting amount of a base blank[45]: (a) 20 ℃ quenching, (b) 1 mm, (c)2 mm, (d) 3 mm, (e) 4 mm, (f) accomplished machining

當(dāng)減重孔加工完成后，殘余應(yīng)力被充分釋放，構(gòu)件大部分區(qū)域應(yīng)力降低至±50 MPa以內(nèi)，但減重孔內(nèi)壁依然有超過100 MPa的拉應(yīng)力。該研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，坯材初始?xì)堄鄳?yīng)力越大的構(gòu)件機(jī)加工完成后，構(gòu)件表面的殘余應(yīng)力也越大，20 ℃水淬坯材機(jī)加工完成后仍有部分區(qū)域應(yīng)力值在150 MPa以上，60和80 ℃水淬坯件機(jī)加工完成后，殘余應(yīng)力多低于80 MPa。在此基礎(chǔ)上，該研究進(jìn)一步考慮結(jié)構(gòu)特征對(duì)去除序列的影響，基于有限元分析對(duì)設(shè)計(jì)序列下的應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行了追蹤和對(duì)比，基于遺傳算法進(jìn)行了全域優(yōu)選，最終找到了機(jī)加工變形風(fēng)險(xiǎn)最小的方案。

整體而言，鋁合金構(gòu)件殘余應(yīng)力控制要求在“淬火-冷壓-時(shí)效-機(jī)加工”的全過程中實(shí)施殘余應(yīng)力控制，主要措施包括采用盡可能低的淬火烈度、盡可能高的反淬火/時(shí)效溫度，在淬火態(tài)合金中引入均勻冷變形以及合理的余量分配和去除序列。

2.3.3 殘余應(yīng)力控制技術(shù)的應(yīng)用

反射鏡是紅外探測分系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)件，是分系統(tǒng)空間態(tài)勢感知性能的關(guān)鍵基礎(chǔ)。反射鏡在制造和服役過程的微小變形均有可能造成成像精度的惡化，因此反射鏡制造精度成為該類構(gòu)件研制的關(guān)鍵。例如，某可見光反射鏡的面形精度值要求小于λ/50(λ為光學(xué)設(shè)備對(duì)應(yīng)波長)。

美國國家光學(xué)天文臺(tái)建造的雙子座近紅外光譜儀(GNIRS)采用了鋁合金反射鏡[46]，直徑為175 mm，采用6061-T651鋁合金制造。該鏡體坯材經(jīng)加工后進(jìn)行了反淬火處理以減少殘余應(yīng)力，其反淬火工藝為液氮深冷-沸水加熱；所得鏡體經(jīng)300～65 K的5次循環(huán)后面形精度值為0.257，形位穩(wěn)定性極高。美國戈達(dá)德中心研究者對(duì)所用6061鋁合金材料殘余應(yīng)力調(diào)控技術(shù)進(jìn)行了研究，基于坯材熱處理工藝的精確設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)殘余應(yīng)力的精確控制[47]。該中心采用了“介質(zhì)淬火-快熱/快冷-時(shí)效-冷熱循環(huán)”的復(fù)雜工藝進(jìn)行應(yīng)力控制，淬火介質(zhì)溫度誤差精確控制到±2 ℃以內(nèi)，淬火時(shí)間誤差控制在±2 s，顯示了極高的工藝設(shè)計(jì)要求和控制精度。經(jīng)該工藝處理獲得的低應(yīng)力6061鋁合金坯材成為反射鏡精密制造的關(guān)鍵。

3 結(jié) 語

隨著大型鋁合金構(gòu)件研制與應(yīng)用的快速發(fā)展，殘余應(yīng)力作為構(gòu)件組織、性能以外的另一屬性，影響逐漸顯現(xiàn)。密切結(jié)合制造過程，基于仿真分析進(jìn)行殘余應(yīng)力演化行為研究，已經(jīng)成為殘余應(yīng)力及其衍生效應(yīng)控制的關(guān)鍵。計(jì)算機(jī)仿真在應(yīng)力評(píng)價(jià)、預(yù)測和控制策略優(yōu)選方面顯示出了獨(dú)特的優(yōu)勢，已經(jīng)成為殘余應(yīng)力研究的重要方法，相應(yīng)的研究方興未艾。

鑒于構(gòu)件制造技術(shù)發(fā)展以及全壽命周期服役性能評(píng)估的要求，未來大型鋁合金構(gòu)件殘余應(yīng)力演化與調(diào)控技術(shù)的研究需要關(guān)注兩方面的問題：

(1)焊接構(gòu)件殘余應(yīng)力演化預(yù)測與控制技術(shù)。焊接過程中強(qiáng)烈的力/熱加載不僅會(huì)造成局部區(qū)域巨大的溫度梯度和應(yīng)力集中，還伴隨材料組織變化。此時(shí)，殘余應(yīng)力演化過程同時(shí)受到局域組織異變和強(qiáng)烈力/熱加載的影響，是典型的復(fù)雜、瞬變過程，邊界條件、本構(gòu)關(guān)系、熱物參數(shù)等基本參量的獲取十分困難。因此，如何提取焊接過程中局部力/熱-組織演化特征參數(shù)，建立相應(yīng)的模型成為關(guān)鍵難題。

(2)含殘余應(yīng)力構(gòu)件服役行為。服役過程中，構(gòu)件中殘余應(yīng)力疊加于外載，并同時(shí)暴露于冷/熱及腐蝕性環(huán)境，在此條件下，構(gòu)件因復(fù)雜應(yīng)力/環(huán)境，服役行為可能偏離預(yù)期，即殘余應(yīng)力不僅影響應(yīng)力、應(yīng)變強(qiáng)度，還有可能改變構(gòu)件損傷的路徑，其影響變得更為活躍和復(fù)雜。因此，含殘余應(yīng)力構(gòu)件服役行為研究成為服役效能評(píng)估的關(guān)鍵基礎(chǔ)，相應(yīng)的研究有待開展。