克服大型构件的应力松弛，我们有蠕变时效成形技术！|163

随着航空航天事业的快速发展，具有结构完整度高、强度高以及密封

性能好等诸多优点的大型整体壁板构件越来越多在民用大飞机、军用

飞机及新一代运载火箭的重要结构中使用。先进大飞机的整体壁板构

件具有复杂的双曲率外形和内部结构，如整体加强筋、凸台等，是构成飞机气动外形的重要组成部分，同时也是机翼、机身等的主要承力构件。在大型整体壁板构件的制造过程中，对外形精度以及性能具有极高的要求。精确制造大型整体壁板构件是我国航空航天事业发展的关键技术之一。

蠕变时效成形技术（Creep Age Forming，CAF）是为实现大型整体壁板构件高性能与精确成形协同制造而发展起来的一种新型钣金成形方法，具有成形精度高、成本低等优点，在国外已经应用到航空航天产品中（如空客A380 的上机翼蒙皮）。在国内由于研究起步较晚，整体处于研究初级阶段，并没有实现工程化应用。针对我国目前研发的大飞机和新一代运载火箭项目，蠕变时效成形技术具有广泛的应用价值。

大型整体壁板构件特点

大型整体壁板构件是由蒙皮和各种加强筋组成的一体化板状结构。通常整体带筋壁板板坯由厚板数控铣削加工而成，有些情况下也可以通

过筋条与蒙皮焊接而成。传统的组合式壁板则由蒙皮和纵向、横向等加强零件通过铆接、点焊或胶结等连接技术装配而成。图1 为组合式壁板和整体壁板示意图。与传统组合壁板相比，整体壁板具有诸多优点：

（1）整体壁板在外形几何设计方面较为灵活，可以考虑飞机气动性

等其他要求而设计非常复杂的空间曲面，不会受常规组合壁板各个零部件之间的影响；

（2）整体壁板内部结构形状和分布不受限制，可以是矩形、等边三角形、T 形等各种加强筋；

（3）整体壁板蒙皮和加强筋之间数控铣削时采用圆角过渡，能大大减少应力集中现象；

（4）整体壁板蒙皮厚度理论上没有限制，按照实际需求，可以实现变厚度设计；

（5）整体壁板蒙皮与筋条之间无缝隙，不会出现漏油现象。整体壁板构件除了具有上述结构设计方面的优势外，还具有降低整机质量，减少装配劳动量，缩短装配周期和减小人力成本的作用。在2000 年，美国国家航空航天局启动了整体机身结构研究计划（IAS），项目组针对波音747 机身壁板比较了整体壁板与传统铆接壁板两种制造方式，在满足各向性能的条件下，整体壁板表现出了优异的性能，如表1所示。

蠕变时效成形原理与工程应用

蠕变时效成形技术是利用金属的蠕变/ 应力松弛以及时效强化特性，使构件在同一个时空环境下（温度场和应力场）实现形性协同制造，其过程可以概念性地划分为3 个阶段，如图2 所示。

（1）加载阶段。构件放置在模具上，然后利用机械加载或者真空加载的方法使构件与模具型面完全贴合。

（2）蠕变时效阶段。构件贴合模具表面后，整体放入热压罐或者加热炉中，开始对容器内进行升温升压直到预定值，然后保温时效间；这个阶段构件发生蠕变和应力松弛，弹性变形部分地转换为永久的蠕变变形；同时材料组织发生变化，提高材料性能。

（3）卸载阶段。结束保温并卸除载荷，构件发生自由回弹，获得所

需的外形。构件在蠕变时效过程中的应力应变曲线变化如图3 所示。在加载阶段构件弹性变形量逐渐增加，进入保温蠕变时效后，部分弹性应变转变为蠕变应变；另外由于弹性变形量的降低引起应力降低，发生应力松弛现象。卸载后构件发生回弹，由于永久性的蠕变应变，构件会保持一定的外形。

与传统壁板类构件的金属加工过程（如喷丸、滚弯成形等）相比，蠕

变时效成形技术具有以下优点：

（1）构件的成形应力低于屈服强度，降低了产生加工裂纹的可能

性；

（2）构件内部残余应力大部分被释放，尺寸稳定性好，具有较高的

可重复性；

（3）时效强化和蠕变变形同步进行，构件完成成形的同时，也完成

了对构件的人工时效强化。因蠕变时效成形技术的上述优势，许多发达国家在20 世纪50 年代就开展了对该技术的相关研究。至今，波音、空客、Textron 等几家大型飞机制造企业已经利用该项技术生产了飞机机翼蒙皮和壁板等构件。例如，由美国Textron 公司生产的B-1B 轰炸机的上机翼壁板，其尺寸为2.74m×15.25m，厚度差异范围为2.54~63.5mm，而且壁板的最大贴合度误差不超过0.25mm；欧洲空客公司实现了应用蠕变时效成形技术流水线生产A380 机翼蒙皮，外形为33m×2.8m 的变厚度双曲率形貌，并且成形构件的装配误差小于1mm。

蠕变时效成形技术研究进展

1蠕变时效材料本构建模技术

蠕变时效成形是一个同时发生蠕变变形和时效热处理强化的过程，因此，如何准确表征材料在成形和成性过程中的变形行为和力学性能变

化是该技术得到广泛应用面临的首要挑战。而基于材料试验和成形机

理的蠕变时效本构建模技术是解决这一挑战最为有效的方法。

早期建模焦点主要集中在简单的蠕变/ 应力松弛本构模型的研究。1991 年，Sallah 等使用含有Maxwell 和Walker/Wilson 应力松弛模型的非弹性本构方程对构件热压罐时效成形进行了应力松弛模拟，仿真预测值与试验值数据具有较好的吻合。2005 年，Idem 等基于Maxwell 模型有限元模拟了大型整体壁板的成形，该过程考虑了不同温度和初始应变速率下材料的流变特征，能够同时模拟材料的热粘塑行为和应力松弛效应。

随着连续介质力学的发展，研究人员提出将与时间无关的塑性应变和与时间相关的蠕变应变统一为总的非弹性应变, 并采用内变量理论建立了统一的蠕变损伤本构模型。1994 年, Kowalewski 等首次提出了蠕变统一本构模型, 模型采用3 个材料内状态变量和双曲正弦函数, 描述了蠕变时效初期至断裂整个过程中的应变强化、应力松弛、空穴形核与长大等蠕变行为。2007年，Huang 等注意到常规材料蠕变一般只有第一、二阶段，因此忽略Kowalewski 模型中描述的第三阶段部分，使模型应用更加简化方便。

以上两种形式的材料本构方程只是研究了蠕变时效成形过程中传统高温条件下的应力松弛或者蠕变行为，并没有考虑各种强化机制对变形的影响。随着材料微观组织演化模拟理论的发展和各种测试技术的相继出现，研究人员开始从宏观和微观相结合的角度研究蠕变时效成形过程蠕变变形和时效强化的相互作用。2004 年，Ho 等提出了蠕变

时效统一本构模型, 他们的模型首次增加了对沉淀相长大的描述, 将

屈服强度，与析出相的长大联系起来，初步建立了材料的宏微观耦合关系。2010 年，Li 等在考虑了析出相尺寸形貌（盘状）和体积分数的影响上建立了适合于盘状析出相的蠕变时效本构模型。考虑到多级时效热处理制度，再结合析出长大动力学，2013 年Zhang 等建立了适合不同温度下棒状或圆盘状析出相的合金蠕变时效统一本构模型。

2模具型面回弹补偿技术

构件在经过蠕变时效成形后，不可避免地会发生回弹，这是因为满足力学性能要求的峰值时效时间是有限的，弹性应变不能完全地转换为永久的蠕变应变。因此要制造满足外形要求的构件，必须设计引入回弹补偿的模具型面。

目前，板材成形回弹补偿算法主要有回弹向前法（K&B）、响应面法（RSM）以及偏差调节法（DA）。回弹向前法是通过有限元软件计算加载状态零件的分布面力，再以弹性加载方式以同等面力反向作用至理论零件上，求出此回弹量，由回弹量计算新的模具型面，但该方法是一种开环修正算法，收敛性差且收敛速度慢。响应面法则是通过成形后板料残余应力中的纯弯矩分量调整模具型面，具有收敛速度快

的优点，然而该算法只适用于具体的有限元求解器，不具有通用性。偏差调节法通过将板材回弹前后各节点偏差按回弹相反方向施加给模具型面进行补偿，有收敛速度快、易于实现的优点，但缺乏严格的理论依据。针对蠕变时效成形技术，研究人员主要是基于DA 法进行各种修订后对模具型面进行补偿。黄霖等根据DA 法结合有限元结果提出了一种适合蠕变时效成形的模具型面修正算法，并应用到圆柱面、球面以及马鞍形面构件的成形补偿中。通过4次迭代补偿，圆柱面和球面构件的误差减小到0.4mm 内；通过5 次迭代，马鞍形构件除4 个角部外，其余部位型面误差小于0.5mm。针对DA 算法中补偿系数不易事先确定，甘忠等提出了一种基于抛物线的迭代补偿算法，在“双十字”件中，理论型面与补偿后的型面最大偏差为0.286mm，该方法适用于带筋壁板蠕变时效成形模具型面补偿。而针对构件各个网格节点的回弹率并不一致的现象，许晓龙等基于DA 算法提出了一种加权补偿系数算法，算法如图4 所示。补偿系数k 是每次仿真后各个节点的回弹率，因此该算法具有动态的自我学习功能，能够有效避免其他算法在模面补偿过程中出现的偏差随补偿次数上下波动的现象。

3蠕变时效成形模具设计技术

（1）机械加载模具工装。在蠕变时效成形技术开发的早期阶段，构件通常是通过机械加载的方式固定到模具型面上的。机械加载模具工装可分为点阵式和凹凸式两种。点阵式模具由顶板、底板、紧固螺栓与调节螺栓组成，如图5 所示。点阵式模具在底板上按照一定的空间距离布置调节螺栓，通过控制调节螺栓的高度来实现构件的成形曲面，并通过两端的紧固螺栓完成挤压变形。这种模具便于操作，可以实现不同曲率的成形模面，但由于螺栓与构件接触面积小，导致接触应力很大，构件表面容易出现瑕疵；另一方面，由于要自动控制调节螺栓需要增加额外设备，导致成本增加。图6 为凹凸式模具，构件通过凹模与凸模的相互挤压实现构件的弯曲，构件与模具型面之间是完全接触的，因此成形后构件表面质量较好。但由于是固定型面，因此不易于修模；而且整体模具较重，升温慢，造价高。

（2）真空加载模具工装。20 世纪80 年代，美国Textron公司研发了热压罐时效成形工艺，创新性地使用真空加载方式。真空加载模具只有下模，因此成本更低。目前主要分为焊接卡板式和可调节卡板式模具，见图7 和8。焊接式卡板模具中垫板通过滚弯成形至接近目标曲面，然后焊接在卡板上，而卡板则与底板焊接在一起。由于焊接式卡板模具是固定的，因此不易于后期的修模。可调节卡板模具中，卡板并不是固定在基座上的，而是通过定位块来实现卡板的位置变化，因此该模具是型面曲率可调节的，方便后期的修模。

蠕变时效成形技术面临挑战

随着大型整体壁板构件结构越来越复杂，对其形、性制造要求不断提高，近年来蠕变时效成形技术得到了快速的发展。将该技术应用于大型复杂构件时，除了上述3 个关键问题，还面临以下3 个方面的战。

1材料本构向构件本构发展

目前的蠕变时效本构模型是基于材料尺度（试样）建立的，并没有考虑实际构件在成形过程的内部应力状态、升温时间和蠕变与应力松弛的异同等因素，未来蠕变时效本构模型将由材料本构向构件本构展。

蠕变时效本构模型的材料参数基本是基于单轴拉伸蠕变时效试验拟合得到的，然后再把本构模型编译成子程序嵌入到有限元中对构件进行回弹和性能预测。而实际构件在初期加载完全接触模具表面后，构件

内应力沿着厚度方向呈现从最大压应力逐渐过渡到最大拉应力的分布

特征，如图9 所示。因此简单使用单向拉伸试验数据建立的本构模型进行构件蠕变时效形、性演变预测与实际存在偏差。作者在此前的工作中，开展了一系列拉、压应力两种状态下的蠕变时效行为差异研究。

研究表明，2219 铝合金在拉应力下的蠕变变形量大于压应力，而且随着温度和应力的增加，两者之间的差距越来越大；在165 ~175 的温度范围内，拉、压应力的平均表观应力指数分别为1.50 和2.51，拉应力的蠕变机制主要是扩散蠕变和晶界滑移蠕变机制，而压应力是以位错滑移蠕变机制为主。相同制度下两种应力状态的蠕变变形量不同可能是由不同的蠕变机制引起的。

同时对蠕变时效成形后的板材受拉应力侧和受压应力侧进行力学性能测试，发现压应力侧的性能高于拉应力侧，表明应力状态对力学性能是有影响的。

在大型构件蠕变时效成形过程中，由于金属模具热惯性大，升温速率慢，往往构件升温到目标温度要3~4h，因此需要考虑升温时间对构件

蠕变变形和力学性能的影响。

构件在蠕变时效成形的加载阶段往往会与模具表面贴合，而在后续的恒温时效阶段始终保持这种贴模状态，即发生恒应变应力松弛现象。近年来，不少学者开始将研究的关注点聚焦于恒应力蠕变时效与恒应变应力松弛时效材料形变与相变行为的异同。黄晓婧等认为蠕变时效

与应力松弛时效在成形工艺上存在内在联系，两者的物理机理都可以用蠕变位错来解释，并且应力松弛曲线可由蠕变曲线转换获得。Sha 等通过SiC 基纤维材料的弯曲应力松弛试验来预测其拉伸蠕变行为，发现两者有很好的关联性。以上研究说明，蠕变时效与应力松弛时效在形变表征上存在相互转换关系。张姣等则进一步对比了材料分别经过蠕变时效和应力松弛时效后的性能，发现利用蠕变时效性能模型来预测应力松弛时效性能存在一定差异。因此基于蠕变时效的基础试验来指导构件的应力松弛成形试验是存在一定差异的。

2蠕变成形向塑变与蠕变复合成形发展

以往蠕变时效成形研究对象通常是薄壁平板件，构件在初始加载阶段处于弹性变形，其成形主要是恒温时效阶段部分弹性变形向蠕变形变

转变而成的。为了进一步扩展该技术的应用领域，近几年则越来越多地研究复杂加筋构件在蠕变时效成形中的各种成形特征，由传统的弹性加载蠕变时效向弹塑性加载蠕变时效发展。

吕凤工等研究了在弹性加载范围内7B04-T651 铝合金构件结构特征对回弹率的影响，结果表明：蒙皮越厚、筋条越高，则回弹率越低；弯曲半径越大、筋条越宽，则回弹率越高。弯曲半径和筋条高度是影响回弹率的主要因素。高应力区域在蠕变时效成形过程中积累大量的蠕变应变，控制着构件的回弹率，对最终零件外形起着决定性作用。刘大海等针对2A12 铝合金典型筋板试验件，探索了其搅拌摩擦焊工艺，并对焊后筋板件的时效成形进行了评价。结果表明，采用单独的T 型搅拌摩擦焊工艺即可实现该类筋板件的焊接成形，且调整焊接工艺参数，可获得良好的焊接性能。焊后筋板件具有较好的蠕变时效成形效果，零件成形质量随时效时间和时效温度的增大而提高。Lam 等有限元模拟了壁板筋条结构以及材料初始状态对回弹的影响，发现蠕变主要发生在筋条结构上并且峰时效板材比自然时效板材的回弹量大6.3%。随后他们在构件蠕变时效成形有限元中考虑了机械加工引起的残余应力对回弹的影响，发现残余应力对构件回弹的影响程度与构件初始加载产生的应力水平有关。

3简单热力能场向多级复合能场时效成形发展

蠕变时效成形的应用对象一般是航空航天用大型整体壁板，这类壁板往往有复杂的加强筋结构且沿厚度方向应力梯度大等特点；另外，热压罐与模具组成的制造环境热/ 力分布不均匀，造成壁板温度场时空分布的不均匀。以上因素使得成形后的壁板很难达到形/ 性协同，因此施加外在复合能场，实现壁板构件的形性协同制造具有重要意义。目前施加到蠕变时效成形中的复合能场主要有预变形处理、电脉冲作用、多级时效以及振动效应等。

结束语

蠕变时效成形技术是适合制备大型整体壁板构件的先进钣金成形方法。今后，蠕变时效成形技术研究在继续关注材料本构建模，模具型面回弹补偿和模具工装设计这3 个关键问题的同时，更要注重构件尺度大型化、结构复杂化、形/ 性制造精准化等对该技术带来的新挑战——塑变与蠕变共存条件下的构件本构建模与多级复合能场应力松弛时效形、性协同调控。