一种具有梯度组织和性能的薄壁构件及其成形方法

1.本发明涉及金属塑性成形技术领域，具体而言，涉及一种具有梯度组织和性能的薄壁构件及其成形方法。


背景技术：

2.随着航空航天、轨道交通和能源化工等领域向着结构复杂化、轻量化和整体化发展，对具有梯度组织和性能的复杂薄壁构件的需求愈发迫切。现有技术中，在具有梯度组织和性能薄壁构件的成形过程中，采用均匀组织坯料，在受到较大塑性变形的区域极易诱发开裂和厚度减薄等缺陷，从而导致薄壁构件的壁厚分布严重不均。在相同外载荷条件下，壁厚减薄区的承载能力较低，导致了薄壁构件力学性能不均的问题，从而严重影响了薄壁构件的服役性能。
3.此外，航空航天等复杂构件在服役时，不同部位的受载荷情况显著不同，对不同部位的力学性能要求也显著不同，在设计过程中，设计人员希望在高应力区具有高承载能力，而在低应力区则尽可能充分利用材料性能并减少废重。例如，对于火箭中大型燃料贮箱薄壁箱底为半球曲面件，其服役时箱底零件的中心区受到内部燃料压力作用，同时箱底中心区作为传递发动机载荷的主要位置，受力最为复杂，是箱底构件中的“薄弱区”。通常情况下，设计人员为满足服役性能需求，需要在该区域采用局部焊接加厚补强处理的方法，导致了箱底结构重量大幅增加，降低了火箭的有效载荷能力。因此，航空航天等领域亟需具有梯度组织和性能的整体化复杂薄壁构件。
4.现有的成形技术中，通常采用室温拉深、热拉深、超塑成形或热旋压等方式，均难以成形具有梯度组织和性能的复杂薄壁构件。其中，室温拉深时，梯度组织成形极限较低，极易诱发应力集中和变形不均的问题，从而导致开裂缺陷；热拉深、超塑成形、热旋压等热态成形时，梯度组织热稳定性差，极易发生组织异常长大和变形软化的现象，从而使组织性能严重恶化，导致局部厚度减薄。


技术实现要素：

5.本发明解决的问题是如何提供一种具有梯度组织和性能的薄壁构件及其成形方法，能够主动调控薄壁构件不同区域的组织性能，减少成形后的缺陷，提高服役性能。
6.为解决上述问题中的至少一个方面，本发明提供一种具有梯度组织和性能的薄壁构件的成形方法，包括以下步骤：
7.步骤s1、根据成形后薄壁构件的三维模型，获取毛坯材料的尺寸和形状；
8.步骤s2、获取所述成形后薄壁构件中不同区域的变形优先级，将所述成形后薄壁构件的不同区域划分为变形弱区、中间区域及变形强区；
9.步骤s3、根据所述成形后薄壁构件中不同区域的变形优先级，以及所述毛坯材料的尺寸和形状，获取所述变形弱区、所述中间区域和所述变形强区在所述毛坯材料中对应的位置；
10.步骤s4、获取所述变形弱区、所述中间区域和所述变形强区在变形过程中的第一应力值、第二应力值和第三应力值，根据所述第一应力值、所述第二应力值和所述第三应力值，确定所述毛坯材料中不同区域的晶粒尺寸，得到具有梯度组织的毛坯材料设计图；
11.步骤s5、根据所述毛坯材料设计图对均质板坯进行塑性加工，得到局部晶粒细小的梯度组织材料，其中，所述毛坯材料的材质为铝、铝合金或不锈钢；
12.步骤s6、将所述梯度组织材料在超低温环境条件下进行成形，得到成形后梯度组织材料；
13.步骤s7、对所述成形后梯度组织材料进行热处理改性，得到具有梯度组织和性能的薄壁构件。
14.优选地，所述步骤s1包括：
15.根据体积不变定律将所述成形后薄壁构件的三维模型进行展开，获取所述毛坯材料的尺寸和形状。
16.优选地，所述步骤s2包括：
17.根据材料流动准则以及有限元仿真方式，获取所述成形后薄壁构件中不同区域的变形优先级，将成形过程中容易发生塑性变形的区域作为所述变形弱区，将成形过程中不容易发生塑性变形的区域作为所述变形强区，将所述成形后薄壁构件中除了所述变形弱区和所述变形强区之外的区域作为所述中间区域。
18.优选地，所述步骤s3包括：
19.根据所述成形后薄壁构件中不同区域的变形优先级，以及所述毛坯材料的尺寸和形状，通过有限元仿真方式进行逆向处理，获取所述变形弱区、所述中间区域和所述变形强区在所述毛坯材料中对应的位置。
20.优选地，所述步骤s4包括：
21.获取所述变形弱区、所述中间区域和所述变形强区在变形过程中的第一应力值、第二应力值和第三应力值；
22.根据公式一确认所述毛坯材料中不同区域的晶粒尺寸，所述公式一包括：
23.d
ⅰ‑
1/2
:d
ⅱ‑
1/2
:d
ⅲ‑
1/2
＝σ
ⅰ-σ0:σ
ⅱ-σ0:σ
ⅲ-σ0；
24.式中，dⅰ、dⅱ、dⅲ分别表示所述变形弱区、所述中间区域和所述变形强区需要达到的晶粒尺寸，σⅰ、σⅱ、σⅲ分别表示所述第一应力值、所述第二应力值和所述第三应力值，σ0表示所述毛坯材料的材料常数；
25.根据所述毛坯材料中不同区域的晶粒尺寸，得到具有梯度组织的毛坯材料设计图。
26.优选地，所述步骤s5包括：
27.根据所述毛坯材料设计图，对所述均质板坯中的所述变形弱区和所述中间区域进行剧烈塑性变形加工，得到局部晶粒尺寸细小的所述梯度组织材料。
28.优选地，所述步骤s6包括：
29.将所述梯度组织材料进行车削，得到在长度方向厚度一致的梯度组织材料板坯，将所述梯度组织材料板坯中所述变形弱区和所述中间区域所对应区域置于超低温环境下进行冷却的同时进行成形，得到所述成形后梯度组织材料。
30.优选地，所述步骤s7包括：
31.对所述成形后梯度组织材料进行固溶处理和时效处理，得到具有梯度组织和性能的薄壁构件。
32.优选地，在所述步骤s5之后，在所述步骤s6之前，还包括：
33.对所述梯度组织材料进行退火处理，得到退火梯度组织材料；
34.所述步骤s6包括：
35.将所述退火梯度组织材料进行车削，然后在超低温环境条件下进行成形，得到成形后梯度组织材料。
36.本发明通过对成形后薄壁构件进行逆向分析，得到用于制备成形后薄壁构件的毛坯材料的尺寸和结构，再通过成形后薄壁构件在成形过程和实际应用中变形优先级，将其分为变形弱区、中间区域和变形强区等区域，并将该区域划分对应至毛坯材料上，通过不同区域的应力值确定不同区域晶粒尺寸的大小，从而得到毛坯材料设计图，用于对毛坯材料的处理进行指导，在此过程中，能够根据成形后薄壁构件的成形过程和应用场景对毛坯材料进行逆向设计，根据成形后薄壁构件所需要达到的性能主动设计毛坯材料，保证性能满足需求；根据毛坯材料设计图对均质板坯进行塑性加工，使其不同区域具有不同的晶粒尺寸，然后于超低温环境下进行成形，显著增强其强度和加工硬化能力，赋予足够的变形能力，并能够有效抑制组织损伤等缺陷的产生，最后通过热处理改性对性能进行调整，得到具有梯度组织和性能的薄壁构件。本发明提供的具有梯度组织和性能的薄壁构件的成形方法能够通过逆向设计得到毛坯材料设计图，基于毛坯材料设计图对毛坯材料的不同区域进行梯度组织和性能的调整，并采用超低温环境下成形的方式，提高变形能力，通过主动调控梯度组织和控制成形过程的方式，获得梯度组织和性能的薄壁构件，满足不同位置的服役性能要求。
37.本发明还提供一种具有梯度组织和性能的薄壁构件，采用如上所述的具有梯度组织和性能的薄壁构件的制备方法制得，所述具有梯度组织和性能的薄壁构件中变形弱区、中间区域和变形强区的晶粒尺寸不同，所述变形弱区的晶粒尺寸小于所述中间区域的晶粒尺寸，所述中间区域的晶粒尺寸小于所述变形强区的晶粒尺寸。
38.本发明提供的具有梯度组织和性能的薄壁构件相对于现有技术的有益效果，与具有梯度组织和性能的薄壁构件的制备方法相同，在此不再赘述。
附图说明
39.图1为本发明实施例中具有梯度组织和性能的薄壁构件的成形方法的流程示意图；
40.图2为本发明实施例中毛坯材料经过spd和车削加工的流程示意图；
41.图3为本发明实施例中典型等厚板拉深薄壁构件的示意图；
42.图4为本发明实施例中典型曲面拉深薄壁构件的示意图；
43.图5为本发明实施例中具有局部特征的薄壁构件的示意图；
44.图6为本发明实施例1中毛坯材料经过摆碾处理和通过模具进行拉深成形的流程示意图。
具体实施方式
45.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面对本发明的具体实施例做详细的说明。
46.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例中的特征可以相互组合。术语“包含”、“包括”、“含有”、“具有”的含义是非限制性的，即可加入不影响结果的其它步骤和其它成分。以上术语涵盖术语“由
……
组成”和“基本上由
……
组成”。如无特殊说明的，材料、设备、试剂均为市售。
47.本发明实施例提供一种具有梯度组织和性能的薄壁构件的成形方法，如图1所示，包括以下步骤：
48.步骤s1、根据成形后薄壁构件的三维模型，获取毛坯材料的尺寸和形状；
49.步骤s2、获取所述成形后薄壁构件中不同区域的变形优先级，将所述成形后薄壁构件的不同区域划分为变形弱区、中间区域及变形强区；
50.步骤s3、根据所述成形后薄壁构件中不同区域的变形优先级，以及所述毛坯材料的尺寸和形状，获取所述变形弱区、所述中间区域和所述变形强区在所述毛坯材料中对应的位置；
51.步骤s4、获取所述变形弱区、所述中间区域和所述变形强区在变形过程中的第一应力值、第二应力值和第三应力值，根据所述第一应力值、所述第二应力值和所述第三应力值，确定所述毛坯材料中不同区域的晶粒尺寸，得到具有梯度组织的毛坯材料设计图；
52.步骤s5、根据所述毛坯材料设计图对均质板坯进行塑性加工，得到局部晶粒细小的梯度组织材料，其中，所述毛坯材料的材质为铝、铝合金或不锈钢；
53.步骤s6、将所述梯度组织材料在超低温环境条件下进行成形，得到成形后梯度组织材料；
54.步骤s7、对所述成形后梯度组织材料进行热处理改性，得到具有梯度组织和性能的薄壁构件。
55.本发明实施例通过对成形后薄壁构件进行逆向分析，得到用于制备成形后薄壁构件的毛坯材料的尺寸和结构，再通过成形后薄壁构件在成形过程和实际应用中变形优先级，将其分为变形弱区、中间区域和变形强区等区域，并将该区域划分对应至毛坯材料上，通过不同区域的应力值确定不同区域晶粒尺寸的大小，从而得到毛坯材料设计图，用于对毛坯材料的处理进行指导，在此过程中，能够根据成形后薄壁构件的成形过程和应用场景对毛坯材料进行逆向设计，根据成形后薄壁构件所需要达到的性能主动设计毛坯材料，保证性能满足需求；根据毛坯材料设计图对均质板坯进行塑性加工，使其不同区域具有不同的晶粒尺寸，于超低温环境下进行成形，显著增强其强度和加工硬化能力，赋予足够的变形能力，并能够有效抑制组织损伤等缺陷的产生，最后通过热处理改性对性能进行调整，得到具有梯度组织和性能的薄壁构件。本发明实施例提供的具有梯度组织和性能的薄壁构件的成形方法能够通过逆向设计得到毛坯材料设计图，基于毛坯材料设计图对毛坯材料的不同区域进行梯度组织和性能的调整，并采用超低温环境下成形的方式，提高变形能力，通过主动调控梯度组织和控制成形过程的方式，获得梯度组织和性能的薄壁构件，满足不同位置的服役性能要求。
56.步骤s1中，根据体积不变定律将所述成形后薄壁构件的三维模型进行展开，获取
所述毛坯材料的尺寸和形状。
57.在压力加工过程中，若材料的密度不发生变化，则变形前后的体积就不会产生变化。通过体积不变定律能够将成形后薄壁构件的形状进行逆向展开，获取用于制备该成形后薄壁构件的毛坯材料的尺寸和形状。获取毛坯材料的尺寸和形状后，便于在其基础上进行设计。
58.步骤s2中，根据材料流动准则以及有限元仿真方式，获取所述成形后薄壁构件中不同区域的变形优先级，将成形过程中容易发生塑性变形的区域作为所述变形弱区，将成形过程中不容易发生塑性变形的区域作为所述变形强区，将所述成形后薄壁构件中除了所述变形弱区和所述变形强区之外的区域作为所述中间区域。
59.成形过程中容易发生塑性变形的区域通常为应力集中区域，作为变形弱区(即，i区)，不容易发生变形的区域，作为变形强区(即，ⅲ区)，除了变形弱区和变形强区之外的区域作为中间区域(即，ⅱ区)。除此之外，也可以根据成形后薄壁构件在服役时，不同部位的受载荷情况，确定不同区域的变形优先级，需要高承载能力的区域，作为变形弱区，不需要高承载能力的区域，作为变形强区，除了变形弱区和变形强区之外的区域作为中间区域。
60.示例性地，筒形构件拉伸成形时凸模圆角对应的位置，曲面构件的过渡区域，局部圆角和凸包等特征形状的区域，由于几何形状的特异性使得该区域承受的应力较大，容易发生变形导致壁厚减薄，即为变形弱区(ⅰ区)；相应地，刚模拉深成形时，凸模底部及法兰区域材料由于摩擦作用限制不易发生变形，即为变形强区(ⅲ区)；除了变形弱区和变形强区之外的区域即为中间区域(ⅱ区)。
61.其中，材料流动准则是指材料达到屈服后，塑性变形增量的方向的假定，即塑性变形增量各分量之间按照什么比例变化的一种比例关系。
62.步骤s3中，根据所述成形后薄壁构件中不同区域的变形优先级，以及所述毛坯材料的尺寸和形状，通过有限元仿真方式进行逆向处理，获取所述变形弱区、所述中间区域和所述变形强区在所述毛坯材料中对应的位置。
63.也就是说，在根据成形后薄壁构件确定了变形弱区、中间区域和变形强区之后，通过计算机进行有限元仿真计算，计算得到毛坯材料中不同区域对应的位置，便于对毛坯材料进行设计。
64.步骤s4中，获取所述变形弱区、所述中间区域和所述变形强区在变形过程中的第一应力值、第二应力值和第三应力值；
65.根据公式一确认所述毛坯材料中不同区域的晶粒尺寸，所述公式一包括：
66.d
ⅰ‑
1/2
:d
ⅱ‑
1/2
:d
ⅲ‑
1/2
＝σ
ⅰ-σ0:σ
ⅱ-σ0:σ
ⅲ-σ0；
67.式中，dⅰ、dⅱ、dⅲ分别表示所述变形弱区、所述中间区域和所述变形强区需要达到的晶粒尺寸，σⅰ、σⅱ、σⅲ分别表示所述第一应力值、所述第二应力值和所述第三应力值，σ0表示所述毛坯材料的材料常数；
68.根据所述毛坯材料中不同区域的晶粒尺寸，得到具有梯度组织的毛坯材料设计图。
69.具体地，通过有限元仿真方法提取不同区域在变形过程中的应力值，再根据上述公式一确定各个区域需要达到的晶粒尺寸。
70.应说明的是，在一般情况下，dⅲ为毛坯材料初始的晶粒尺寸，毛坯材料的初始晶粒
尺寸为已知数据。
71.步骤s5中，根据所述毛坯材料设计图，对所述均质板坯中的所述变形弱区和所述中间区域进行剧烈塑性变形加工，得到局部晶粒尺寸细小的所述梯度组织材料。
72.其中，剧烈塑性变形(spd)加工方法包括搅拌摩擦、摆碾和旋轧等，根据毛坯材料设计图中变形弱区和中间区域的晶粒尺寸要求，选择合适的spd加工方法，通过控制变形量的方式控制不同区域的晶粒尺寸。
73.通过spd加工后，能够在成形加工前，对毛坯材料进行主动调控，得到具有梯度组织的毛坯材料。
74.其中，局部晶粒尺寸细小的梯度组织材料是指，在同一个梯度组织材料中，不同区域的晶粒尺寸不同，变形弱区和中间区域的晶粒尺寸小于变形强区的晶粒尺寸，从而使不同区域具有不同的成形性能。
75.应该说明的是，一般情况下，变形强区的晶粒尺寸为毛坯材料的初始晶粒尺寸，变形弱区和中间区域的晶粒尺寸则通过上述公式一确定，得到的梯度组织材料中变形弱区和中间区域的晶粒尺寸小于变形强区的晶粒尺寸，即为局部晶粒尺寸细小的梯度组织材料。
76.在一个实施例中，在步骤s5之后，在步骤s6之前，还包括：
77.对所述梯度组织材料进行退火处理，得到退火梯度组织材料。
78.通过退火处理，能够在不降低变形弱区和中间区域强度的前提下，改善因spd加工导致的变形弱区和中间区域成形能力下降的问题。
79.步骤s6中，将所述梯度组织材料在超低温环境条件下进行成形，得到成形后梯度组织材料。
80.对于铝、铝合金或不锈钢材质的梯度组织材料，在超低温环境下进行成形时，能够显著增强梯度组织材料的强度和加工硬化能力，赋予足够的变形能力，并能够有效抑制组织损伤等缺陷的产生。
81.示例性地，超低温环境的温度范围为-150℃～-196℃，可以通过填充液氮的方式实现。
82.进一步地，步骤s6包括：
83.将所述梯度组织材料进行车削，得到在长度方向厚度一致的梯度组织材料板坯，将所述梯度组织材料板坯中所述变形弱区和所述中间区域所对应区域置于超低温环境下进行冷却的同时进行成形，得到所述成形后梯度组织材料。
84.当需要通过等厚板进行成形时，在成形前，先对梯度组织材料进行车削，从而得到在长度方向厚度一致的梯度组织材料板坯(即，等厚板坯)。
85.然后将梯度组织材料板坯中的变形弱区和中间区域置于超低温环境下进行冷却的同时进行成形。通过对变形弱区和中间区域进行局部降温的方式，能够在梯度组织和梯度温度的双重作用下，使变形弱区和中间区域的材料的变形抗力得到进一步提升，通过细晶强化和低温强化带来的强度差能够充分弥补成形载荷带来的应力差，使得整个毛坯材料的变形分布更加均匀，进而满足复杂结构薄壁构件的成形需要。
86.应理解的是，根据最终薄壁构件的结构确定是否需要对梯度组织材料进行车削，当需要使用等厚板坯进行制备时，需要先进行车削后再成形，而需要使用差厚板进行制备时，则不需要先进行车削，可以直接成形。
87.图2为毛坯材料处理工序的示意图，以均质板坯作为毛坯材料，均质板坯初始在长度方向上厚度一致，厚度为t0，各个区域的晶粒尺寸相同，根据毛坯材料设计图中变形弱区、中间区域和变形强区的分布情况，对均质板坯的中间区域进行spd加工处理，厚度减薄至t1，形成变形弱区，均质板坯的两端保持原始厚度t0，为变形强区，变形弱区和变形强区之间形成中间区域，然后以变形弱区的厚度t1为基准进行机械车削，得到厚度为t1的梯度组织材料板坯(等厚板坯)。
88.步骤s7中，对所述成形后梯度组织材料进行固溶处理和时效处理，得到具有梯度组织和性能的薄壁构件。
89.根据最终具有梯度组织和性能的薄壁构件的服役要求，选择不同的热处理改性工艺进行处理，例如固溶处理和时效处理等热处理方法对成形后梯度组织材料的组织性能进行调整，以获得形状和性能均满足要求的薄壁构件。
90.此外，对于可热处理强化铝合金薄壁构件，由于其在成形后淬火时在极快的冷却速度下容易发生热应力变形，导致薄壁构件的尺寸精度降低，同时其在退火态剧烈变形后固溶时容易发生晶粒长大的现象，为了避免上述缺陷，可选择在对毛坯材料进行spd加工前进行固溶处理，然后在成形后进行时效处理，保证薄壁构件的尺寸精度和力学性能要求。
91.本发明的另一实施例提供一种具有梯度组织和性能的薄壁构件，采用如上所述的具有梯度组织和性能的薄壁构件的制备方法制得，所述具有梯度组织和性能的薄壁构件中变形弱区、中间区域和变形强区的晶粒尺寸不同，所述变形弱区的晶粒尺寸小于所述中间区域的晶粒尺寸，所述中间区域的晶粒尺寸小于所述变形强区的晶粒尺寸。
92.示例性地，具有梯度组织和性能的薄壁构件包括典型等厚板拉深薄壁构件、典型曲面拉深薄壁构件或具有局部特征的薄壁构件，三者的结构示意图分别如图3、图4和图5所示，截面中六边形的大小表示晶粒尺寸的大小。从图3-图5中可以看出，根据不同薄壁构件的结构不同，其变形弱区、中间区域和变形强区的分布也不相同，不同区域具有不同的晶粒尺寸，以提供梯度组织和性能。
93.本发明实施例提供的具有梯度组织和性能的薄壁构件相对于现有技术的有益效果，与具有梯度组织和性能的薄壁构件的制备方法相同，在此不再赘述。
94.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照制造厂商所建议的条件。应说明的是，实施例中的百分数均以重量百分比计。
95.实施例1
96.燃料运载贮箱时火箭及各类导弹上的关键构件，由箱底、筒段、短壳及叉形环这四个部件焊接组成，其中，叉形环起到了连接其它三个部件的作用。本实施例通过梯度组织和性能的薄壁构件的成形方法实现箱底和叉形环的一体化成形。其中，选用材料为现役运载获奖中贮箱常用材料2219铝合金，目标成形薄壁构件为半椭球面，各部分尺寸分别为：开口直径3350mm，轴长比为1.6，中心薄壁区厚度为8mm，边缘厚壁区厚度薄壁区厚度的3～5倍
97.具体制备步骤包括：
98.1.1、根据体积不变定律将成形后薄壁构件的三维模型进行展开，获取毛坯材料的尺寸和形状，毛坯材料为一面是平面，另一面是非平面的径向差厚板，整体外径为φ4200mm、边缘厚壁区厚度为40mm，中心薄壁区内径为φ3500mm、厚度8mm，中心薄壁区与边缘
厚壁区之间为斜面过渡，斜面与板料平面之间的夹角为10
°‑
20
°
。；
99.1.2、根据材料流动准则以及有限元仿真方式，获取成形后薄壁构件中不同区域的变形优先级，将成形过程中容易发生塑性变形的区域作为变形弱区(ⅰ区)，也就是步骤1.1中的中心薄壁区，将成形过程中不容易发生塑性变形的区域作为变形强区(ⅲ区)，对应于步骤1.1中的边缘厚壁区，将成形后薄壁构件中除了变形弱区和变形强区之外的区域作为中间区域(ⅱ区)，也就是步骤1.1中的斜面过渡区域；
100.1.3、采用常规固溶态2219铝合金的均质材料作为毛坯材料，将毛坯材料模型进行成形后薄壁构件的拉深成形仿真，仿真过程中固溶处理参数为535℃保温1h，拉深成形工艺采用中心局部冷却方式，以提高ⅰ区和ⅱ区的变形抗力和成形极限；
101.1.4、提取成形仿真后薄壁构件的应力分布，分别得到ⅰ区、ⅱ区和ⅲ区对应的第一应力值、第二应力值和第三应力值，根据下述公式计算各区域的晶粒尺寸：
102.d
ⅰ‑
1/2
:d
ⅱ‑
1/2
:d
ⅲ‑
1/2
＝σ
ⅰ-σ0:σ
ⅱ-σ0:σ
ⅲ-σ0；
103.式中，dⅰ、dⅱ、dⅲ分别表示ⅰ区、ⅱ区和ⅲ区需要达到的晶粒尺寸，σⅰ、σⅱ、σⅲ分别表示第一应力值、第二应力值和第三应力值，σ0表示毛坯材料的材料常数；具体地，本实施例中，σ0为10mpa，σⅰ和vⅲ分别为460mpa和100mpa，而σⅱ介于150mpa～460mpa之间；
104.其中，ⅲ区的晶粒尺寸为毛坯材料的原始晶粒尺寸，约为25μm，经过计算，ⅱ区的晶粒尺寸为1～10μm，ⅰ区的晶粒尺寸约为1μm；
105.1.5、将毛坯材料在535℃保温1h，然后放入水中进行固溶处理；
106.1.6、根据步骤1.4确定的各区域的晶粒尺寸通过摆碾工艺对初始厚度为40mm的毛坯材料的ⅰ区和ⅱ区进行spd加工，通过控制变形量的方式控制不同区域的晶粒尺寸，经过摆碾处理后，中心薄壁区厚度降低至8mm，晶粒尺寸为1μm左右，ⅲ区厚度基本保持不变，晶粒尺寸保持在25μm左右，
[0107]ⅱ区的厚度成梯度分布，晶粒尺寸为1～10μm，得到梯度组织材料；
[0108]
1.7、将梯度组织材料在200℃条件下保温1h空冷，进行退火处理，得到退火梯度组织材料；
[0109]
1.8、将退火梯度组织材料放置在模具上，在凹模和凸模的腔内充填液氮用于冷却，使得退火梯度组织材料的ⅰ区和ⅱ区保持在-150℃～-196℃，模具型腔与法兰之间设置绝热层，使得ⅲ区的温度保持在室温水平，然后施加压边力，进行拉深成形，得到成形后梯度组织材料；
[0110]
1.9、将成形后梯度组织材料在175℃条件下保温18h，进行热处理改性，使其达到服役时的峰时效状态，得到箱底和叉形环一体化成形的薄壁构件，其具有梯度组织和性能。
[0111]
图6为本实施例中摆碾工艺和拉深成形过程的示意图，图6中左侧上图为摆碾工艺的示意图，图6中左侧下图为拉深成形的示意图，图6中右侧为毛坯材料经过摆碾工艺和拉深成形处理后形成梯度组织材料和成形后梯度组织材料的过程示意图。从图6中可以看出，经过摆碾工艺处理之后毛坯材料的不同区域具有不同晶粒尺寸，形成了梯度组织材料，而梯度组织材料经过拉深成形后，得到的成形后梯度组织材料具有梯度组织和性能，满足服役时的性能要求。
[0112]
虽然发明披露如上，但本发明的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发
明的保护范围。

技术特征：
1.一种具有梯度组织和性能的薄壁构件的成形方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1、根据成形后薄壁构件的三维模型，获取毛坯材料的尺寸和形状；步骤s2、获取所述成形后薄壁构件中不同区域的变形优先级，将所述成形后薄壁构件的不同区域划分为变形弱区、中间区域及变形强区；步骤s3、根据所述成形后薄壁构件中不同区域的变形优先级，以及所述毛坯材料的尺寸和形状，获取所述变形弱区、所述中间区域和所述变形强区在所述毛坯材料中对应的位置；步骤s4、获取所述变形弱区、所述中间区域和所述变形强区在变形过程中的第一应力值、第二应力值和第三应力值，根据所述第一应力值、所述第二应力值和所述第三应力值，确定所述毛坯材料中不同区域的晶粒尺寸，得到具有梯度组织的毛坯材料设计图；步骤s5、根据所述毛坯材料设计图对均质板坯进行塑性加工，得到局部晶粒细小的梯度组织材料，其中，所述毛坯材料的材质为铝、铝合金或不锈钢；步骤s6、将所述梯度组织材料在超低温环境条件下进行成形，得到成形后梯度组织材料；步骤s7、对所述成形后梯度组织材料进行热处理改性，得到具有梯度组织和性能的薄壁构件。2.根据权利要求1所述的具有梯度组织和性能的薄壁构件的成形方法，其特征在于，所述步骤s1包括：根据体积不变定律将所述成形后薄壁构件的三维模型进行展开，获取所述毛坯材料的尺寸和形状。3.根据权利要求1所述的具有梯度组织和性能的薄壁构件的成形方法，其特征在于，所述步骤s2包括：根据材料流动准则以及有限元仿真方式，获取所述成形后薄壁构件中不同区域的变形优先级，将成形过程中容易发生塑性变形的区域作为所述变形弱区，将成形过程中不容易发生塑性变形的区域作为所述变形强区，将所述成形后薄壁构件中除了所述变形弱区和所述变形强区之外的区域作为所述中间区域。4.根据权利要求1所述的具有梯度组织和性能的薄壁构件的成形方法，其特征在于，所述步骤s3包括：根据所述成形后薄壁构件中不同区域的变形优先级，以及所述毛坯材料的尺寸和形状，通过有限元仿真方式进行逆向处理，获取所述变形弱区、所述中间区域和所述变形强区在所述毛坯材料中对应的位置。5.根据权利要求1所述的具有梯度组织和性能的薄壁构件的成形方法，其特征在于，所述步骤s4包括：获取所述变形弱区、所述中间区域和所述变形强区在变形过程中的第一应力值、第二应力值和第三应力值；根据公式一确认所述毛坯材料中不同区域的晶粒尺寸，所述公式一包括：d
ⅰ‑
1/2
:d
ⅱ‑
1/2
:d
ⅲ‑
1/2
＝σ
ⅰ-σ0:σ
ⅱ-σ0:σ
ⅲ-σ0；式中，dⅰ、dⅱ、dⅲ分别表示所述变形弱区、所述中间区域和所述变形强区需要达到的晶粒尺寸，σⅰ、σⅱ、σⅲ分别表示所述第一应力值、所述第二应力值和所述第三应力值，σ0表示所述
毛坯材料的材料常数；根据所述毛坯材料中不同区域的晶粒尺寸，得到具有梯度组织的毛坯材料设计图。6.根据权利要求1所述的具有梯度组织和性能的薄壁构件的成形方法，其特征在于，所述步骤s5包括：根据所述毛坯材料设计图，对所述均质板坯中的所述变形弱区和所述中间区域进行剧烈塑性变形加工，得到局部晶粒尺寸细小的所述梯度组织材料。7.根据权利要求1所述的具有梯度组织和性能的薄壁构件的成形方法，其特征在于，所述步骤s6包括：将所述梯度组织材料进行车削，得到在长度方向厚度一致的梯度组织材料板坯，将所述梯度组织材料板坯中所述变形弱区和所述中间区域所对应区域置于超低温环境下进行冷却的同时进行成形，得到所述成形后梯度组织材料。8.根据权利要求1所述的具有梯度组织和性能的薄壁构件的成形方法，其特征在于，所述步骤s7包括：对所述成形后梯度组织材料进行固溶处理和时效处理，得到具有梯度组织和性能的薄壁构件。9.根据权利要求1所述的具有梯度组织和性能的薄壁构件的成形方法，其特征在于，在所述步骤s5之后，在所述步骤s6之前，还包括：对所述梯度组织材料进行退火处理，得到退火梯度组织材料；所述步骤s6包括：将所述退火梯度组织材料进行车削，然后在超低温环境条件下进行成形，得到成形后梯度组织材料。10.一种具有梯度组织和性能的薄壁构件，其特征在于，采用如权利要求1-9任一项所述的具有梯度组织和性能的薄壁构件的制备方法制得，所述具有梯度组织和性能的薄壁构件中变形弱区、中间区域和变形强区的晶粒尺寸不同，所述变形弱区的晶粒尺寸小于所述中间区域的晶粒尺寸，所述中间区域的晶粒尺寸小于所述变形强区的晶粒尺寸。

技术总结
本发明提供一种具有梯度组织和性能的薄壁构件及其成形方法，属于金属塑性成形技术领域，所述成形方法包括：获取毛坯材料的尺寸和形状；获取成形后薄壁构件中不同区域的变形优先级；获取变形弱区、中间区域和变形强区在毛坯材料中对应的位置；获取不同区域在变形过程中对应的应力值，确定毛坯材料中不同区域的晶粒尺寸，得到毛坯材料设计图；对均质板坯进行塑性加工，得到梯度组织材料；将梯度组织材料在超低温环境条件下进行成形，得到成形后梯度组织材料；进行热处理改性，得到具有梯度组织和性能的薄壁构件。本发明能够通过主动调控梯度组织和控制成形过程的方式，获得梯度组织和性能的薄壁构件，满足不同位置的服役性能要求。求。求。


技术研发人员：刘伟 苑世剑 王睿乾
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.05.12
技术公布日：2023/8/9