导读：深冷处理作为一种行之有效的热处理工艺手段，能够较明显的改善材料的力学性能和较大幅度地提高工件使用寿命，在金属材料领域获得了越来越广泛的应用。相对黑色金属而言针对其机理和工艺研究得较为深入，但针对材料去除率高、强度高的航空零件而言研究还不够系统和深入。结合国内外铝合金的深冷处理现状以及相关机理研究，主要针对航空零件提出一种新型深冷处理应用方法。

　　1.深冷处理技术的发展

　　深冷处理法是将含有残余应力的工件浸入到低温的液氮中进行冷却，使得工件与周边介质温度均匀后又迅速对其加热，经过短时间内冷-热冲击效应产生与材料内部初始应力相反方向的热应力，以此将抵消原有的残余应力场。其最大的优点在于能够有效消除残余应力的同时，可改善工件的强度、硬度及组织稳定性，从而提高工件综合机械性能。

　　此项技术在金属材料方面应用最为广泛，国内外关于此研究领域的相关文献资料较丰富，但主要集中在黑色金属(即钢铁材料)的深冷处理方面研究上，对其机理研究得较为深入，而在有色金属应用方面研究则开展的较少，尤其针对铝合金航空零件中应用所开展的研究甚少。虽然国外早在上世纪七、八十年代就有通过利用深冷处理工艺解决铝合金航空异构件加工时精度保持性的问题，从而大幅度提高产品成活率，以及采用此工艺措施对航天飞行器外壳进行处理来大幅度节约加工成本的研究报道，但其具体研究结果和工艺还处于保密阶段。而国内有关铝合金的深冷处理研究工作较之国外起步较晚，虽取得些具有结论性的研究成果，但总体上还是处于研究的初期阶段。

　　2.铝合金航空零件的深冷处理及机理研究

　　深冷处理是将待处理工件浸入特定的、可控的低温介质中，按特定的工艺规程对材料进行改性处理，使材料的微观组织结构产生变化，从而达到提高或改善材料性能的一种新技术。常规是以液氮作为冷却介质，依据所采用冷却介质形态的异同又可将其分为"液态法"和"气态法"两种形式，液态法的弊端在于对于工件整体表面热冲击幅度大，从而导致低温状态下机械性能较差的工件产生变形和裂痕;而气态法是将汽化后液氮注入到工件放置环境中，其具有冷却均匀、易于控制的特点，目前应用比较广泛。

　　根据已有研究结果表明，深冷处理对铝合金的影响主要有两个方面∶一方面，深冷处理对铝合金有预时效的作用，可以提高铝合金零件的力学性能;另一方面，深冷处理可消除铝合金中的残余应力，有效地改善铝合金零部件工艺尺寸稳定性，减少加工变形。现存的有关深冷处理对于铝合金零件的机理研究有如下一些观点∶

　　(1)体积收缩效应。

　　工件经深冷处理后可大幅度减少内部残余应力，是由于其在骤冷至急热的过程中，因基材内部组织相-相间、取向趋势不同的各晶粒之间甚至晶粒内部的膨胀系数不同，由此产生的微观应力与原有的残余应力相叠加。当两者应力方向相悖时，则相互抵消;若彼此同向时，叠加后使得材料内部产生很大的内应力，足以克服材料的屈服强度从而引起工件局部微观塑性变形，使得内部残余应力得以释放;再者体积收缩导致材料内能升高，还可促进沉淀相的析出，提高材料的强度。

　　(2)晶粒偏转效应。

　　通过研究表明∶由于体积收缩效应，铝合金材料在深冷处理过程中不仅使得基材内部产生了众多的位错，且使其内部晶体结构发生变化，并在此后的回复过程中出现了回复再结晶，导致晶粒发生偏转，取向优选而形成了再结晶结构，当这种晶粒取向趋势利于阻碍位错移动时，材料的强度性能得到改善，但晶粒转动与参与应力释放是否存在关联度尚未可知。

　　3 深冷箱在航空零件中的应用

　　铝合金航空零件材料去除量大且要求精度高、强度大，为更好地消除加工残余应力，使其精度保持性最佳。结合实际研究工作，从深冷处理主要原理入手寻求一种新型热处理方式。德捷力液氮深冷箱以7075-T651航空铝合金构件作为研究对象，主要运用数值模拟手段，辅助于理论分析、实验研究等方法，采用大型通用非线性有限元软件ABAQUS 对其深冷处理降低残余应力的过程进行了数值模拟，深入研究了铝合金深冷处理过程中温度场与应力场的变化规律。

　　  首先结合过往研究成果，采取两种深冷急热法降低铝合金残余应力的方法进行研究∶第一种是首先将试验工件放置于液氮中，使工件骤冷与液氮温度均匀稳定后转移至沸水中进行急热处理，通过"急冷→急热"形式来降低航空铝合金结构件的残余应力，此种方法降温速率较快，导致热应力过大，容易对工件组织造成损害且应力降低效果不明显大约仅下降 20%左右;第二种是将被处理工件放入液氮深冷箱中待其内外部温度稳定后移至高压水蒸气喷射，通过对流换热方式来降低航空铝合金零件的残余应力，此方法具有换热效果好、温升速率可控且温度分布均匀特点，残余应力降低效果较理想可达80%左右。这种方法不足之处在于只适用于形貌结构较为简单、规则的零件，而针对结构复杂、材料去除率高的航空箱体和台体类零件而言，就很难使其复杂表面均匀受到水蒸汽的喷射效果作用，以致容易引起工件局部变形。

　　影响急热深冷处理消除应力效果的辎重因素是尽量缩短淬火后到深冷处理的间歇时间，加热与冷却的温差越大，应力消除效果越好。深圳德捷力深冷处理箱厂家对现有的深冷处理工艺进行了一些改进，通过冷热循环处理消除残余应力，同时研究了不同温度、循环次数对应力释放效果的影响，循环处理的过程中产生大量的位错与亚晶，增强了组织结构稳定性，提高了强度与韧性，此种高低温循环时效法可使复杂构件能获得更均匀的深冷急热效应，降低航空铝合金的残余应力，残余应力可达到58%。关于循环次数的问题，一般认为循环的次数越多效果越好，根据工作经验，发现采用多次脉冲方式可最大限度的改善材料的力学性能，并借鉴文献资料研究发现采用3个循环高低温时效处理获得效果最佳。7075-T651航空零件一般在半精加工和精加工前安排高低温循环时效工序，采用-60℃保温3小时后+130℃保温2小时为一个循环，一般一次时效过程为3个循环，所使用的设备为温度冲击箱，该种高低温循环时效处理工艺方法在降低复杂形状、高精度航空结构件残余应力的场合具有技术优势和重要的工程应用价值。

　　4 结语

　　深冷处理视为传统热处理延续出的一种有效的工艺技术手段，可通过科学合理配置工艺处理参数在不改变原有材料组织成分的基础上大幅度提高铝合金航空零件机械性能，在保证工件使用性能的同时有效提高材料的利用率，减少生产成本，较之传统热处理而言降低了其对环境所带来的污染。毋庸置疑，深冷处理技术是一种能充分挖掘材料性能并且潜力巨大的新型材料强韧化工艺，因此有关深冷处理衍生出的工艺手段研究在有色金属工业中的应用将具有很广阔的应用前景。

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