熱處理工藝對高壓氣瓶內(nèi)膽性能的影響探討范文

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摘要：主要介紹了6061鋁合金的塑性成形技術(shù)和熱處理技術(shù)，并分析這兩種技術(shù)對高壓氣瓶性能的影響。此外，對各種固溶時(shí)效模式下制造的高壓氣瓶鋁內(nèi)膽進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測得內(nèi)膽的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延展率；并研究了在不同的熱處理時(shí)間和溫度下內(nèi)膽性能的改變。

關(guān)鍵詞：熱處理；固溶時(shí)效處理；拉伸強(qiáng)度；屈服強(qiáng)度；高壓氣瓶

0引言

目前，高壓氣瓶在航空航天、建筑、汽車制造等領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用，所以工程中對高壓氣瓶制造技術(shù)的要求越來越嚴(yán)格，企業(yè)需要制造性能更好、使用壽命更長、成本更低的高壓氣瓶以滿足市場需求。影響高壓氣瓶壽命和制造成本的因素包括材料的塑性成形工藝、熱處理工藝、旋壓收口工藝和纖維鋪層等。由于鋁合金具有良好塑性成形技術(shù)，因此其逐漸取代了鋼材作為內(nèi)膽材料。高壓氣瓶的熱處理技術(shù)是指固溶時(shí)效處理，在高壓氣瓶的制造中，固溶時(shí)效熱處理可提高高壓氣瓶內(nèi)膽的塑性成形能力和強(qiáng)度。

16061鋁合金塑性成形性能

為了提高高壓氣瓶的壽命和工作壓力，在高壓氣瓶的制造過程中，需要對其進(jìn)行自緊。當(dāng)對高壓氣瓶施加自緊壓力（約為1．5倍的工作壓力）時(shí)，如果自緊壓力超過內(nèi)膽的屈服極限，內(nèi)膽將發(fā)生塑性變形［1］。因?yàn)樽跃o，所以選取具有良好的塑性成形能力的6061鋁合金作為內(nèi)膽材料。6061鋁合金是經(jīng)熱處理預(yù)拉伸工藝生產(chǎn)的高品質(zhì)鋁合金產(chǎn)品，具有加工性能極佳、抗腐蝕性良好、韌性高及加工后不變形、材料致密無缺陷、氧化效果極佳等優(yōu)良特點(diǎn)。6061除了含有鎂和硅兩種合金元素，還含有一定的錳與鉻，能夠抵抗鐵的壞作用；此外，有時(shí)還含有少量的銅或鋅，可以提高合金強(qiáng)度。由于6061鋁合金優(yōu)良的塑性加工性能，因此各國的制造企業(yè)普遍采用6061鋁合金作為CNG－3型氣瓶的內(nèi)襯，其作用主要包括兩方面：①支撐芯模，為外層纖維提供形狀芯模以及纏繞時(shí)作為支撐工裝；②防止?jié)B漏，為瓶內(nèi)高壓存儲(chǔ)的氣體介質(zhì)提供密封內(nèi)襯，以及為瓶口閥門連接提供金屬螺紋密封。內(nèi)襯的主要機(jī)械加工成形過程為：鋁錠擠壓拉伸成杯形體→旋壓減薄→齊口裁切→旋壓收口→熱處理→螺紋加工。可見，內(nèi)襯塑性加工的步驟較多，且變形較大。另一方面，作為特種設(shè)備的高壓氣瓶，需要在服役期內(nèi)經(jīng)受多達(dá)15000次以上的高低壓充裝過程，且不得出現(xiàn)泄漏和開裂失效。由此可見，內(nèi)襯的塑形加工質(zhì)量是氣瓶整體使用性能的重要保障，使用6061鋁合金作為內(nèi)膽，不僅可提高高壓氣瓶的使用壽命，而且節(jié)約了原材料。

2熱處理工藝分析

熱處理技術(shù)對高壓氣瓶的壽命有著很大的影響。對鋁內(nèi)膽的設(shè)計(jì)要求為：抗拉強(qiáng)度大于325MPa，屈服強(qiáng)度大于276MPa，延伸率大于12％，對所選的6061鋁合金內(nèi)膽進(jìn)行固溶時(shí)效處理［2］。鋁合金的固溶熱處理是將鋁合金加熱至高溫單相區(qū)恒溫保持，使過剩相充分溶解并快速冷卻的熱處理工藝方法。在固溶過程中，使各相成分相互溶解，強(qiáng)化固溶體，消除軟化。進(jìn)行固溶熱處理主要是為了改善鋁合金的韌性和塑性并為以后沉淀硬化處理做準(zhǔn)備。鋁合金熱處理中的固溶熱處理和鋼的淬火在工藝上是相似的，淬火是為了獲得馬氏體，從而提高工件的強(qiáng)度和硬度，往往與回火在一起成為一道工序，而固溶熱處理主要為了消除析出相。時(shí)效熱處理分為自然時(shí)效和人工時(shí)效［3］兩種方法，自然時(shí)效是將工件置于露天的場地半年以上，使其慢慢地發(fā)生變形，從而使殘余應(yīng)力減少或消除；人工時(shí)效是將鑄件加熱到550℃～650℃進(jìn)行殘余應(yīng)力去除，它比自然時(shí)效去除應(yīng)力的時(shí)間短，去除的較為徹底，獲得的零件性能更好，所以在鋁內(nèi)膽熱處理時(shí)采用人工時(shí)效方法。時(shí)效強(qiáng)化是鋁合金在固溶熱處理后進(jìn)行的，可以很大程度地提高鋁合金的強(qiáng)度，固溶時(shí)效強(qiáng)化是高壓氣瓶制造中重要的技術(shù)之一。

3熱處理工藝對鋁內(nèi)膽性能的影響

固溶時(shí)效處理影響著鋁合金內(nèi)膽的力學(xué)性能，本文對不同的固溶時(shí)效熱處理模式下制造的高壓氣瓶進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測試內(nèi)膽的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延展率。

4結(jié)論

本文分析了6061鋁合金的塑性成形技術(shù)和熱處理技術(shù)與高壓氣瓶內(nèi)膽性能的關(guān)系，研究了固溶時(shí)效熱處理工藝對高壓氣瓶內(nèi)膽性能的影響，并選擇合適的固溶時(shí)效熱處理，使所試制的高壓氣瓶金屬內(nèi)膽能夠獲得更好的性能，對于低壓或高壓氣瓶的制造都有很大的幫助，降低了在制造過程中的不良品率，節(jié)約了成本，提高了氣瓶內(nèi)膽的使用壽命。參考文獻(xiàn)：［1］王社．材料力學(xué)［M］．西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2016．

［2］方昭劍，張明遠(yuǎn)．工程材料與熱加工基礎(chǔ)［M］．北京：北京理工大學(xué)出版社，2016．

［3］張漩．鋁合金內(nèi)膽碳纖維纏繞氣瓶結(jié)構(gòu)分析與研究［D］．長沙：國防科技大學(xué)，2007：1－40.

作者：陳瀟灑；盧敏 單位：南京航空航天大學(xué)