由板材金屬合金成形零件的方法與流程

2023-06-24 07:09:16 1

本發明涉及由板材金屬合金成形零件。在實施方案中，其涉及由鋁合金成形零件。

背景

通常希望由與部件的最終用途兼容的很少的零件製造用於汽車和航空航天應用中的那些部件。一種製造滿足這種要求的零件的方法是使用模組將單個金屬板材成形為零件。然而，可以以這種方式成形的零件的形狀複雜度受到在模組中成形的板材金屬的機械性質的限制。一方面，其可能非常易碎；另一方面，其可能非常易延展(ductile)。在任一種情況下，可成形性都將受到限制。之前，本發明人發現將金屬板材固溶熱處理然後使其在冷模組中快速成形為零件改善金屬的可成形性，從而允許由單個板材製造更複雜形狀的部件。因此，這樣的部件不再需要被成形為多零件總成。

該方法公開於WO 2010/032002 A1中，其公開了一種使用固溶熱處理、冷模成形和淬火(HFQ(RTM))工藝成形鋁合金板材部件的方法。金屬合金板材經受這樣的處理時的金屬合金板材溫度示於圖1中。大體而言，該目前的HFQ(RTM)工藝涉及以下步驟：

(A)將板材金屬工件預熱至該金屬的固溶熱處理(SHT)溫度範圍，或高於該溫度範圍；

(B)在預熱溫度下均熱處理(soak)工件，以使材料能夠被完全固溶熱處理；

(C)將工件轉移至冷模組，並且在可能的最高溫度下且以高成形速度快速成形；

(D)將成形的零件保持在冷模組中用於快速冷卻(冷模淬火)，以得到後成形強度需要的過飽和固溶體(SSSS)材料微結構；和

(E)將成形的零件人工老化或自然老化，以得到提高的可熱處理材料的強度。

在C階段，工件是在接近於SHT溫度的溫度下成形的，以使材料的高可延展性能夠用於零件的成形中。在該高溫下，工件非常柔軟，可延展和易變形。儘管該方法因此比更早期的方法具有某些優點，包括能夠成形具有高后成形強度需要的SSSS微結構的形狀複雜的零件(複雜零件)，但是其還具有某些缺點。現在將描述這些缺點。

當工件接近其SHT溫度時，其是脆弱的(weak)。在複雜零件成形期間，工件的某些區域被模具約束，而其它區域被迫溢出模具。材料從仍被保持在模具中的區域到正被衝壓(stamp)的區域的流動受到限制。這可以導致工件局部變薄和撕裂。這是因為成形工藝較少受益於應變硬化(strain hardening)的作用，其在較高的溫度下更弱，尤其在鋁合金情況下。應變使金屬硬化，使得工件已經變形的區域變得更硬且因此更堅固。這增加了這些變形的區域牽拉區域中的其它材料和將該材料拉入模具中的能力。金屬被拉拔是其本身形變且因此硬化。整個板材的形變和硬化阻止局部變薄，和導致更均勻的變形。應變硬化越大，均勻變形的傾向越大。在僅微弱應變硬化的情況下，變形位於高延展性區域並且拉入受限，因此局部變薄的發生率和失效可因此增加。這削弱了可成形性。為了提高在該工藝中的可成形性和強度，以非常高的速度在模具中成形工件，以便通過最大化應變率硬化(strain rate hardening)作用來補償高溫下較弱的應變硬化。

對用以增加延展性的高溫和用以增大應變硬化和應變率硬化的高成形速度的需要可以導致以下問題：

(i)將大量的熱從工件轉移到模組。因為成形工藝需要這些模具保持在低溫下，以實現得到SSSS微結構所需的淬火速率，所以它們不得不在表面上或通過攜帶冷卻劑的內部管道(或其它方式)被人工冷卻。重複的熱循環可以導致這些模具更快的退化和磨損。

(ii)對於HFQ成形的零件的批量生產，將模具冷卻的需要使這些模具的設計、操作和維護複雜化，並且增加模組成本。

(iii)模具中的保壓壓力和時間更高，因為成形的零件不得不保持在這些模具之間，直到其被冷卻至希望的溫度。與具有更低成形時間和壓力的方法相比，這使用更多的能量且降低成形效率和因此降低生產率。

(iv)當在成形期間關閉這些模具時，高成形速度可以引起顯著的衝擊負載(impact load)。重複的負載可以導致對這些模具的破壞和磨損。其也可以使得必須使用高延展性模具材料，這增加模組成本。

(v)該工藝需要專門的高速液壓機，以提供合模力(die closing force)。這些液壓機昂貴，這限制了HFQ工藝的應用。

將希望解決目前的HFQ工藝的這些問題中的至少一些問題。

發明概述

根據本發明的第一方面，提供了一種由板材金屬合金成形零件的方法，所述方法包括以下步驟：

(a)將所述板材加熱至發生合金的固溶熱處理的溫度，以便實現固溶熱處理；

(b)以至少合金的臨界冷卻速率冷卻所述板材；和然後

(c)將所述板材放置在模具之間，以使其成形為複雜零件或朝複雜零件成形。

[材料]

該板材可以是由鋁合金製成的。該板材可以是由AA5XXX合金製成的。該板材可以是由AA6XXX合金製成的。該板材可以是由AA7XXX合金製成的。其可以是由鋁合金6082製成的。該板材可以是由鎂合金製成的。其可以是由鈦合金製成的。該板材可以是由在成形之前需要固溶熱處理的任意合金製成的。該板材可以是由回火合金製成的。該板材可以是由非回火合金製成的。該板材可以是由退火合金製成的。

[步驟(a)]

[SHT溫度]

步驟(a)中加熱板材達到的溫度將取決於合金和取決於成品零件的應用。存在可以實現固溶熱處理(SHT)的溫度範圍。該範圍的下端可以是合金的固溶溫度(solvus tenperature)。可以將固溶溫度定義為以下溫度：在該溫度下，板材中將沉澱的合金元素成為固溶體或開始成為固溶體。該範圍的上端可以是合金的固相線溫度(solidus temperature)。可以將固相線溫度定義為以下溫度：在該溫度下，板材中的合金元素沉澱。步驟(a)可以包括將板材加熱到至少合金中的沉澱溶解的溫度。當板材金屬合金是鋁合金6082時，步驟(a)可以包括將板材加熱到520℃-575℃(575℃是鋁合金6082的固相線溫度)。當板材金屬合金是鋁合金6082時，步驟(a)可以包括將板材加熱到520℃-565℃。當板材金屬合金是鋁合金6082時，步驟(a)可以包括將板材加熱到520℃-540℃。當板材金屬合金是回火鋁合金6082時，步驟(a)可以包括將板材加熱至525℃。當板材金屬合金是AA5XXX合金時，步驟(a)可以包括將板材加熱到480℃-540℃。當板材金屬合金是AA7XXX合金時，步驟(a)可以包括將板材加熱到460℃-520℃。

[均熱處理]

步驟(a)可以包括將板材加熱至發生合金的固溶熱處理的溫度範圍內的溫度，和將其保持在該溫度範圍內至少15秒。當板材是由回火金屬合金製成的時，步驟(a)可以包括將板材保持在該溫度範圍內15至25秒。當板材是由回火金屬合金製成的時，步驟(a)可以包括將板材保持在該溫度範圍內至少一分鐘。當板材是由非回火金屬合金製成的時，步驟(a)可以包括將板材保持在該溫度範圍內至少五分鐘。將板材保持在其固溶熱處理溫度範圍內使合金元素溶解成金屬基體。

[效果]

通過在其成形之前將板材固溶熱處理，可以得到與沒有SHT步驟的方法中相比更高的可延展性。

[步驟(b)]

該方法與WO2010/032002A1部分中描述的方法的不同之處至少在於：其包括在將板材加熱至發生固溶熱處理(SHT)的溫度之後，將板材放置於模具之間之前，以至少合金的臨界冷卻速率冷卻板材的步驟(b)。

[冷卻速率]

步驟(b)的臨界冷卻速率根據合金而有所不同。步驟(b)可以包括以至少避免合金中的微結構沉澱的速率冷卻所述板材。在臨界冷卻速率下或在臨界冷卻速率以上冷卻避免在晶粒邊界處形成粗沉澱，這可以降低後成形強度。當板材金屬合金是具有第一質量分數的Mg和Si的鋁合金時，步驟(b)可以包括以至少10℃每秒冷卻板材。步驟(b)可以包括以至少20℃每秒冷卻板材。當板材金屬合金是具有比第一質量分數的Mg和Si更高的第二質量分數的Mg和Si的鋁合金時，步驟(b)可以包括以至少50℃每秒冷卻板材。當板材金屬合金是鋁合金6082時，以至少該速率的冷卻避免金屬中的粗沉澱。步驟(b)可以包括在板材上一個或多個位置處測量板材的溫度。可以連續或間隔地測量溫度或多個溫度。步驟(b)可以包括基於測量的溫度或多個測量的溫度控制板材冷卻速率。

[冷卻的持續時間]

步驟(b)可以包括冷卻板材少於10秒。步驟(b)可以包括冷卻板材少於5秒。步驟(b)可以包括冷卻板材少於3秒。步驟(b)可以包括冷卻板材少於2秒。步驟(b)可以包括冷卻板材少於1秒。步驟(b)可以包括冷卻板材少於0.5秒。步驟(b)可以包括冷卻板材少於0.1秒。當板材金屬合金是AA6082時，步驟(b)可以包括冷卻板材1秒至3秒。

[目標溫度]

步驟(b)可以包括冷卻板材直至達到目標溫度。冷卻板材的步驟(b)可以包括冷卻整塊板材至基本上相同的溫度。

在步驟(c)之前將板材冷卻達到的目標溫度取決於待成形的零件的形狀、成形其的材料和成品零件需要的機械性能。可以將板材冷卻至仍允許成形零件的最低溫度。可以將板材冷卻至仍允許成形零件使得其具有希望的特性的最低溫度。例如，如果將板材冷卻至太低的溫度，會發生不可接受的回彈(spring-back)。可以將板材冷卻至以下最低溫度：該最低溫度使零件能夠承受在成形期間其將經受的最大應力而沒有失效。可以將板材冷卻到50℃-300℃。可以將板材冷卻到100℃-250℃。可以將板材冷卻到150℃-200℃。可以將板材冷卻到200℃-250℃。當板材由鋁合金6082成形時，可以將板材冷卻到200℃-300℃。當板材由鋁合金6082成形時，可以將板材冷卻至300℃。

[冷卻方式]

設想通過一些人工方式而非僅通過環境靜止空氣冷卻板材。步驟(b)可以包括施加冷卻介質至板材。步驟(b)可以包括將冷卻介質引導向經加熱的板材。

[通過流體冷卻]

冷卻介質可以是流體。流體可以是氣體，例如空氣。流體可以是液體，例如水。流體可以包括氣體和液體，例如空氣和水。可以將流體作為加壓的流體流引導。可以將流體作為噴射流引導。可以將流體作為噴霧引導。可以採用使得以至少合金的臨界冷卻速率冷卻板材的持續時間、溫度和/或質量流量引導流體。

[通過固體冷卻]

冷卻介質可以是比空氣具有更高熱導率的固體。冷卻介質可以是比水具有更高熱導率的固體。可以採用使得以至少合金的臨界冷卻速率冷卻板材的壓力和/或持續時間施加固體。固體可以是銅轉移夾具(copper transfer grip)。固體可以是淬火塊(quenching block)。固體可以是傳導板(conductive plate)。固體可以包括布置成有助於將板材定位於塊上的可伸縮滾筒。固體可以包括布置成至少部分地與板材接觸的表面，該表面限定至少一個開口，所述至少一個開口被布置成連接至真空單元使得所述至少一個開口中的壓力小於大氣壓力。以此方式，可以通過所述至少一個開口中的負計示壓力將板材保持在固體上。固體可以包括雙金屬片，該雙金屬片被布置成：當該片達到在步驟(c)之前將板材冷卻達到的溫度時，從固體至少部分地提升板材。可以施加負載至固體，以增大固體對板材的壓力。

[對流冷卻]

步驟(b)可以包括將板材轉移至溫度控制室。可以將溫度控制室布置成以至少合金的臨界冷卻速率冷卻板材。溫度控制室可以處於300℃以下的溫度。溫度控制室可以處於250℃的溫度或低於250℃的溫度。溫度控制室可以處於200℃的溫度或低於200℃的溫度。溫度控制室可以處於150℃的溫度或低於150℃的溫度。溫度控制室可以處於100℃的溫度或低於100℃的溫度。溫度控制室可以處於50℃的溫度或低於50℃的溫度。步驟(b)可以包括將板材保持至溫度控制室直至達到目標溫度。

[非均勻冷卻]

冷卻板材的步驟(b)可以包括選擇性地將板材的至少一個區域冷卻至與板材的其餘部分不同的溫度。步驟(b)可以包括選擇性地將板材的至少第一區域冷卻至第一溫度，所述第一溫度低於將所述板材的至少第二區域冷卻達到的第二溫度。換言之，冷卻可以是不均勻的。以此方式，可以根據這些區域中模具的幾何結構的複雜性來選擇至少第一和第二區域被冷卻達到的溫度。例如，被冷卻至第一溫度的第一區域可以是以下板材區域，在所述板材區域中需要比在第二區域中更高的強度以防止發生局部變薄。可以根據這些區域將在模具中經受的力來選擇至少第一和第二區域被冷卻達到的溫度，或者可以根據一旦成形這些區域在使用中將經受的力來選擇至少第一和第二區域被冷卻達到的溫度。可以選擇至少第一和第二區域被冷卻達到的溫度，以提供受控的由工件成形的零件的失效。被冷卻至第一溫度的第一區域可以是比被冷卻至第二溫度的第二區域更厚的板材區域。步驟(b)可以包括選擇性地將板材的至少一個區域冷卻至與板材的至少第二區域不同的溫度，使得成品零件具有至少一個區域，其相對於板材的至少一個第二區域具有降低的強度和/或升高的可延展性。這提供在碰撞條件下受控的成品零件失效。

[通過流體的非均勻冷卻]

當冷卻是不均勻的和將冷卻流體引導向經加熱的板材時，可以用更長的持續時間、更低的溫度和/或更大的質量流量將流體引導至板材的第一區域，以將其冷卻至第一溫度，所述第一溫度低於所述板材的至少第二區域被冷卻達到的第二溫度。

[通過固體的非均勻冷卻]

當冷卻是不均勻的和將具有比空氣更高的熱導率的固體施加至板材時，步驟(b)可以包括通過以比施加至第二區域更大的壓力將固體施加至第一區域，選擇性地將板材的至少第一區域冷卻至第一溫度，所述第一溫度低於所述板材的至少第二區域被冷卻達到的第二溫度。

所述固體可以包括布置成與所述板材接觸的表面，該表面的至少一個第一區域相對於至少一個第二區域是凸出的(in relief)。以此方式，當將固體施加至板材時，與所述至少一個第二區域相比，所述至少一個第一區域用更大的壓力與板材接觸。步驟(b)可以包括：通過將固體施加至第一區域而不施加至第二區域，選擇性地將所述板材的至少所述第一區域冷卻至第一溫度，所述第一溫度低於將所述板材的至少所述第二區域冷卻達到的第二溫度。固體可以包括布置成至少部分地接觸板材的表面。也就是說，表面的至少部分可以布置成接觸板材的至少部分。表面可以由具有第一熱導率的第一材料和具有比第一熱導率更低的第二熱導率的第二材料形成。以此方式，當表面與板材接觸時，第一材料將比第二材料更快地冷卻板材。

當固體包括布置成接觸板材的表面，該表面限定至少一個開口，所述至少一個開口布置成連接至真空單元使得所述至少一個開口中的壓力低於大氣壓力時，步驟(b)可以包括操作真空單元，以在第一開口中施加小於第二開口中的第二壓力的第一壓力，第一壓力和第二壓力小於大氣壓力。以此方式，與鄰近第二開口的板材區域相比，將用更大的力將鄰近第一開口的板材區域牽拉至板材，使得第一區域比第二區域更快被固體冷卻。

[冷卻之處]

步驟(b)可以包括在冷卻站處的表面上冷卻板材。冷卻站可以形成布置成轉移板材至模具的裝置的部分。步驟(b)可以包括在正將板材轉移至模具時冷卻板材。其可以包括在將板材保持在夾具中以用於將板材從爐轉移至模具的同時冷卻板材。步驟(b)可以包括在模具中冷卻板材。當步驟(b)包括在模具中冷卻板材時，這些模具可以被布置成將流體引導向板材。可以使用流體清潔這些模具。

[效果]

通過以至少合金的臨界冷卻速率冷卻板材(在將板材加熱至其SHT溫度範圍內之後且在將板材放置在這些模具之間之前)，避免了合金中的微結構沉澱，並且與沒有冷卻步驟(b)的方法相比，板材當其被放在模具中時更冷。因此，與WO2010/032002A1中描述的目前的HFQ(RTM)方法相比，可以在更低的溫度下成形板材。因為板材是在更低的溫度下成形的，所以其強度將更高，且應變硬化效應更大，有助於更大的材料引入。換言之，應變硬化效應導致板材的變形更加均勻，變形的區域變得更堅固，導致在其它區域發生變形，其它區域轉而又變得更堅固。這降低局部變薄的可能性，增強板材的可成形性。因此，給目前的HFQ(RTM)方法引入冷卻步驟(b)使HFQ(RTM)成形的益處得以進一步增強，同時減少其缺陷。

以至少合金的臨界冷卻速率冷卻板材的特徵因此增加成形零件的強度，同時保持足夠的板材可延展性，以使其得以成形。

[步驟(c)]

在將板材放置在模具之間以使其成形為複雜零件或朝向複雜零件成形的步驟(c)中，可以將模具成形為導致(account for)板材的局部變薄。換言之，可以將布置成接觸板材的模具的表面成形為遵循所成形零件的厚度輪廓。這些模具可以是冷模具。這些模具可以被冷卻。因此，可以在模具中對板材進一步淬火。

[效果]

通過在冷模具中成形板材，避免了低成本效益的(由於板材和模組的加熱的緣故)溫成形問題和工件的微結構破壞(後成形強度退化)的可能性的問題。

[應用]

該方法可以是成形複雜零件的方法。該方法可以是成形用於汽車應用的零件的方法。該方法可以是成形用於航空航天應用的零件的方法。該方法可以是成形用於航空航天應用的面板部分(panel part)的方法。該方法可以是成形內部結構性板材部件、承重零件或適於承受靜態或移動結構中的負荷的零件的方法。

附圖簡述

下面僅通過實例的方式並參照附圖描述本發明的具體實施方案，其中：

圖1是顯示當金屬合金板材經受現有HFQ(RTM)工藝時其溫度的曲線圖；

圖2(a)顯示在使用和不使用現有的SHT的情況下，用於在300℃下對金屬合金板材的單軸拉伸測試的溫度歷程；

圖2(b)除了顯示使用現有SHT的在450℃下的金屬行為以模擬常規HFQ(RTM)工藝之外，還顯示使用現有SHT和不使用現有SHT在300℃下金屬的機械行為的比較，以模擬步驟(b)的效果。

圖3顯示由板材金屬合金成形複雜零件的方法的實施方案的工藝流程圖；

圖4顯示具有真空管道的傳導冷卻板上的金屬合金板材(工件)的示意圖；

圖5顯示在具有用於使用空氣霧和水霧冷卻工件的噴嘴總成的冷卻站處的工件；和

圖6顯示在具有呈上淬火塊和下淬火塊形式的傳導板的冷卻站處的工件。

某些示例實施方案的具體描述

圖1中示出了WO2010/032002A1中描述的冷模成形和淬火(HFQ(RTM))方法的工件溫度對固溶熱處理時間的曲線圖。簡言之，該方法涉及加熱板材金屬工件至其SHT溫度或高於SHT溫度；在該溫度下對其均熱處理；將其轉移至冷模組；和快速將其成形為零件形狀。然後將成形的零件在模具中淬火，然後人工老化或自然老化。如上文所討論的，該現有方法中的重要考慮因素是：當其成形時，板材金屬合金儘可能接近其SHT溫度。

相比之下，現在將要描述的相當於本公開內容的實施方案的本方法包括：在將板材放置在模具中之前以至少合金的臨界冷卻速率冷卻板材的另外的步驟。

現在參照圖3，該方法(其是由板材金屬合金成形複雜零件的方法，在該實施方案中該板材金屬合金是回火AA6082板材(「工件」))概述地涉及以下步驟：固溶熱處理(A)該工件；將其快速冷卻(B)至其待成形的溫度；在模具中由該工件成形(C)零件，和在模具中進一步淬火；和對這些模具脫模(D)，並移除成形的零件。

繼續參照圖3，現在將更詳細地描述這些步驟中的每一個步驟。

[步驟(A)]

步驟(A)涉及工件的固溶熱處理。將該工件加熱至發生合金的固溶熱處理的溫度。在該實施方案中，將其加熱至525℃。使用爐加熱工件，但是在其它實施方案中，可以想得到使用其它加熱站，例如，對流烤箱。在該溫度下均熱處理該工件，以將儘可能多的合金元素溶解為鋁基體。這使得工件被完全固溶熱處理。在該實施方案中，均熱處理工件15秒至25秒。然而，溫度和時間將隨下面討論的許多因素變化。

選擇的溫度和時間取決於合金系列。

溫度和時間還將取決於工件是否已經回火。在該實施方案中，如上文提到的，工件已經回火。在工件未經回火的實施方案中(例如，在其中輥軋(roll)板材之後或將板材退火之後對板材金屬合金實施成形複雜零件的方法的實施方案中)，通過將工件保持在該溫度範圍內比用於上文描述的實施方案的回火鋁合金6082的工件的15秒至25秒更長的時間完成固溶熱處理。例如，在某些實施方案中，將工件保持在該溫度範圍內至少1分鐘，而在其它實施方案中，將其保持在該溫度範圍內至少10分鐘。

均熱處理時間還取決於所選擇的溫度和取決於朝向該溫度加熱的速率。根據合金，與在較低溫度下較長時間的SHT相比，在較高的溫度下均熱處理短時間可以引起零件的最終機械性能，諸如在室溫下的可延展性的降低。然而，較短時間加熱至高溫增加可用該方法成形零件的速度。AA6082(本實施方案的合金)包含阻止晶粒生長的添加物。因此，可以在不損害成品零件的機械性能的情況下，在較高溫度下將其加熱較短時間。因此，在其它實施方案中，將工件加熱至高於525℃的溫度例如560℃。與該描述的實施方案相比，在其中加熱至最終希望的溫度耗費更長時間的實施方案中，額外的均熱處理是不必要的。例如，在對流烤箱中將工件加熱至560℃可以耗費約10分鐘。在這種情況下，不將工件保持在該溫度下，因為在加熱階段期間已經完成SHT。

在一些實施方案中，根本不需要對工件均熱處理，因為隨著將工件朝向最終溫度加熱可以實現SHT。

[步驟(B)]

[均勻冷卻]

在步驟(B)處，將工件冷卻至其待成形的溫度。在該實施方案中，均勻地將工件冷卻至300℃。冷卻坯料達到的溫度和冷卻坯料的時間取決於工件的厚度以及使用的具體冷卻方法。可以使用先進的材料測試技術表徵不同溫度和/或應變速率下的工件金屬的機械性能。使用先進的材料建模和有限元(FE)建模，以預測在指定成形條件下材料的成形極限。基於建模預測選擇最合適的成形參數。在一些實施方案中，成形工藝的FE模型還幫助確定零件中的最大應力水平，並且選擇能夠實現這些應力的溫度和冷卻時間。例如，在其中工件為AA6082且2mm厚的供選擇的實施方案中，將工件冷卻至350℃，並且冷卻時間為約1秒至3秒。

現在參照圖5，在該實施方案中，在冷卻站(50)處冷卻工件(52)，該冷卻站(50)在爐與模具(未示出)之間的生產線上(也未示出)，作為在爐與模具之間轉移工件(52)的系統(未示出)的部分。在冷卻站(50)處，將工件(52)放在工件保持單元(55)的表面上，並且通過空氣霧和水霧將其冷卻。將加壓的水從噴嘴總成(51)釋放為細噴霧。根據需要的冷卻速率和部件的尺寸選擇使用的噴嘴的數目。當需要以高速率冷卻大工件的整體時，所需要的噴嘴數目大於例如以較低速率冷卻小工件所需的噴嘴的數目。

以至少合金的臨界冷卻速率，即以避免不想要的沉澱形成和生長但是保持高可延展性的速率冷卻工件。在該實施方案中，50℃每秒的冷卻速率實現該效果。對於其它合金來說，合金的臨界冷卻速率將是不同的。

使用控制迴路監控和調整工件(52)的冷卻。用熱電偶(53)測量工件(52)的溫度。通過流量控制單元(54)控制來自噴嘴總成(51)的加壓水噴霧的質量流量。流量控制單元(54)將通過熱電偶(53)測得的溫度與參考溫度(即，限定避免不想要的沉澱形成和生長但是保持高可延展性的冷卻速率的溫度)進行比較。當通過熱電偶(53)測得的溫度正以低於參考溫度的速率降低時，流量控制單元(54)增大來自噴嘴總成(51)的加壓水噴霧的質量流量。相反地，當通過熱電偶(53)測得的溫度正以高於參考溫度降低速率的速率降低時，流量控制單元(54)減小來自噴嘴總成(51)的加壓水噴霧的質量流量。還根據通過熱電偶(53)測得的溫度通過流量控制單元(54)控制噴嘴總成(51)釋放加壓水噴霧至工件(52)的時間。當測得的溫度表明工件(52)被冷卻到希望的溫度時—在該實施方案中，當工件(52)已經被均勻冷卻至300℃時—流量控制單元(54)停止將加壓水噴霧至工件(52)上。

[步驟(C)]

再次參照圖3，在步驟(C)中，在冷模組中由工件成形零件。在該實施方案中，還將零件保持在模組中的壓力下，以進一步將其冷卻。

在該實施方案中，將這些模具成形以導致工件的局部變薄。在製造模具之前，根據待在模具中成形的零件的厚度，包括局部變薄，使用模擬來精修設計的表面幾何形狀。在現有的方法中，基於以下假設設計和機械加工模具表面：待藉助模具成形的板材將是厚度均勻的。例如，將模具表面設計和機械加工成具有標稱板材厚度加10％公差的板材。相比較而言，在該實施方案中，將工具表面成形為遵循成形零件的厚度輪廓。這增加了工件與模具之間的接觸，從而改善至模具的熱傳導。

[步驟(D)]

在步驟(D)中，對模具進行脫模。一旦已將零件冷卻至足夠低的溫度—在該實施方案中，一旦將其冷卻至約100℃—就將其移除。

然後在成形工藝之後通過人工老化(圖3中未示出)增強部件的最終強度。

[效果和優點]

與現有的HFQ(RTM)工藝相比，該方法的優點可以概述如下：

(i)較低的成形溫度導致較低的模具溫度和較不密集的熱循環，從而增加模具壽命。

(ii)將較少的熱傳遞至模具。在許多實施方案中，自然對流/傳導足以冷卻模具中的工件，並且消除了對模具冷卻的需要。這可以簡化模組設計和降低成本。例如，在航空航天應用中，通常緩慢地成形零件(生產率低)，並且因此工件的自然模具冷卻將是足夠的。

(iii)由於需要較小的溫度變化，所以模具中成形的零件的保壓壓力和時間更低，從而減少能量使用並提高生產率。

(iv)因為在較低溫度下，應變硬化效應更大，所以可以以與現有的HFQ(RTM)方法相比更低的速度成形零件。因此，可以使用標準機械壓力機用於成形。

(v)更低的成形速度可以降低對模具的衝擊負荷，從而增加模具壽命。

(vi)在較低溫度下的較大應變硬化效應可以導致模具中工件的較高可拉拔性和因此導致改進的可成形性。與固溶熱處理之後得到的良好的可延展性(真實應變失效(strains to failure)(εf)在30％至60％的範圍內；即，與低碳鋼的真實應變失效是相當的)相結合，即使在較低的成形溫度下，也可以成形複雜形狀的零件。

(vii)在其中在步驟(B)中不均勻地冷卻工件的實施方案中，可以根據需要改變工件的不同區域上方的溫度，以最大化可成形性和降低局部變薄。

現在參照圖2(a)和圖2(b)，現在將對SHT(步驟(A))和冷卻階段(B)對工件的機械性能的影響進行簡要討論。

在使用和不使用現有的SHT的情況下，在300℃下對鋁合金進行單軸拉伸試驗。圖2(a)顯示用於這些試驗的溫度歷程。圈起來的區域表示樣本變形的時間。圖2(b)顯示用圖2(a)中示出的測試條件對合金進行的單軸拉伸試驗的結果。因此，其顯示了在使用和SHT和不使用SHT的情況下的合金的機械行為的對比。其還顯示了使用現有SHT(常規HFQ(RTM)方法)在450℃下對合金進行的測試結果。

將在不同溫度下測試為失效的材料變形行為與在從SHT溫度快速冷卻至相同溫度之後測試時的材料變形相比較。這將顯露出現有SHT對機械性能的益處。在1/s的應變速率下進行測試，輥軋方向與負載方向平行。還比較了在HFQ(RTM)條件下進行的測試的結果，假定(在SHT溫度下)在固溶熱處理和轉移至冷模組之後，變形之前的工件溫度是450℃。這將顯露出將冷卻步驟引入到傳統HFQ(RTM)方法的益處。

從圖2(b)可以看出，與沒有現有的SHT時相比，使用現有的SHT的工件的可延展性增強。其達到了足夠用於成形複雜特徵的水平。使用現有SHT在300℃下的變形增加可延展性大約80％。當與HFQ(RTM)條件相比較時，應變硬化增強。通過假定數據的冪律形式(power law representation)，發現應變硬化指數(n值)從0.04增大至0.12。還可以看出，與HFQ(RTM)條件相比，流動應力高得多。在300℃變形下的抗張強度超過在HFQ(RTM)條件下實現的抗張強度的兩倍。因此可以看出，冷卻步驟增強了應變硬化和強度，同時保持足夠的用於成形複雜形狀零件的可延展性，從而增強板材金屬可成形性。如還可以從圖2(b)中示出的結果、從使用SHT的300℃的流動應力曲線與使用SHT的450℃的流動應力曲線的比較看出，在300℃下應變硬化效應更顯著。因此，如果零件是在300℃下成形的，那麼該零件中的厚度分布將比在450℃下成形的零件的厚度分布更均勻。

[步驟(B)—供選擇的方案]

再次參照圖3，在供選擇的實施方案中，與上文描述的方式不同地實施冷卻步驟(B)。在其它方面，方法可以與第一實施方案的方法相同。現在將描述這些供選擇的實施方案。

[通過噴霧的供選擇的均勻冷卻]

在一個供選擇的實施方案中，不是將工件放置在冷卻站處的表面上，而是在從爐轉移至模具期間將其保持在夾具中的同時通過空氣霧和水霧(如上文描述)冷卻工件。在其它實施方案中，一旦已將工件轉移至模具，就繼續通過空氣霧和水霧冷卻工件。這是通過構建到模組中的噴嘴實現的，這些噴嘴如上所述將加壓水釋放為細噴霧。在又一些其它實施方案中，一旦已將工件轉移至模具，才冷卻工件。在一旦已將工件轉移至模具就冷卻工件的一些實施方案中，使用空氣-水霧冷卻和清潔模具。

[通過氣流的均勻冷卻]

在其它實施方案中，通過來自氣刀(air blade)總成的受控氣流冷卻工件。在一些實施方案中，這是在爐與模具之間的冷卻站處進行的，在冷卻站處，將工件放置在表面上並通過空氣流冷卻工件。在其它實施方案中，在將其轉移至爐與模具之間的同時將其冷卻，同時將其保持在用於轉移其的夾具中。

[通過傳導板的均勻冷卻]

現在參照圖6，在又一些其它實施方案中，使用呈上淬火塊(63)和下淬火塊(65)形式的傳導板冷卻工件(52)。正如其中使用空氣霧和水霧或通過氣刀冷卻工件的實施方案一樣，可以在爐與模具之間的生產線上的冷卻站處或者在爐與模具之間轉移期間使用傳導板冷卻工件。在兩種實施方案中，都是將工件保持在傳導板之間，並且施加均勻的壓力，直到將其冷卻到希望的溫度。

在該供選擇的實施方案中，在爐與模具(未示出)之間的生產線(也未示出)上的冷卻站(60)處冷卻工件(52)。在已經執行步驟(A)(工件的固溶熱處理)之後，放置機械手(61)拾取工件(52)。放置機械手(61)將工件(52)放在裝載運輸機(64)上。裝載運輸機(64)將工件(52)滾動至下淬火塊(65)的滾筒(69)上。這些滾筒(69)是可伸縮的，並且一旦工件(52)位於上淬火塊(63)下面的適當位置上，滾筒(69)就縮回。然後將上淬火塊(63)降低至工件(52)上。通過壓力控制單元(66)調整通過上淬火塊(63)施加的壓力。通常，施加的壓力越大，工件(52)的冷卻速率越快。以此方式在負載下的淬火塊之間的冷卻允許超過500℃每秒的冷卻速率。因此，在該實施方案中，在塊(63)、(65)之間的冷卻時間小於0.5s。然而，也可以實現甚至更快的冷卻。例如，使用該裝置冷卻時間可能為0.1s。

在另一供選擇的實施方案中，以與關於圖5描述的實施方案中相同的方式，使用熱電偶(未示出)監測工件(52)的溫度。該供選擇的實施方案中的壓力控制單元(66)以與上文描述的流量控制單元(54)相似的方式運行。具體地，壓力控制單元(54)將通過熱電偶(53)測得的溫度與參考溫度進行比較。當通過熱電偶(53)測得的溫度正以低於參考溫度的速率降低時，壓力控制單元(54)通過上淬火塊(63)增加施加到工件(52)的壓力。相反地，當通過熱電偶(53)測得的溫度正以高於參考溫度的速率降低時，壓力控制單元(54)通過上淬火塊(63)減小施加到工件(52)的壓力。通過上淬火塊施加壓力的時間也是依據通過熱電偶(53)測得的溫度通過流量控制單元(54)控制的。當測得的溫度表明工件(52)被冷卻至希望的溫度時—在該實施方案中，當工件(52)已經被均勻冷卻至300℃時—壓力控制單元(56)使上淬火塊(63)從工件(52)被提升。

在剛描述的兩個供選擇的實施方案中，在已經將工件(52)冷卻了特定的一段時間(或者，在第二實施方案中，冷卻至特定的測量溫度)之後，將上淬火塊(63)從工件(52)提升。然後下淬火塊(65)的滾筒(69)再次伸展出，並且將工件(52)滾動至卸載運輸機(67)上。卸載運輸機(67)定位工件(52)，使得其可以被轉移機械手(68)提升。轉移機械手(68)將工件(52)轉移至用於步驟(C)的模具(未示出)。

[在真空板上的冷卻]

現在參照圖4，現在將描述其中通過傳導板冷卻工件(52)的另外的供選擇的實施方案。圖4顯示了在具有高熱導率的板(41)上的工件(52)。通過板(41)的側面中的通道(44)將板(41)連接至真空單元(未示出)。通道(44)連接至在板(41)的表面中具有開口的導管(43)，在冷卻期間將工件(52)放置在板(41)的表面上。在實施方案中，該板(41)替代上文參照圖6描述的實施方案的下淬火塊(65)。在該實施方案中，將工件(52)放置在板(41)上。將上淬火塊(63)降低至工件(52)上。在導管(43)中產生真空。這將工件(52)吸至板(41)上。其從而增大工件(52)經受的壓力。真空還增大工件(52)周圍的氣流，這增大冷卻速率。一旦工件(52)已經被冷卻至如通過熱電偶測得的特定溫度(在該實施方案中，300℃)，或者已經被冷卻特定的時間(其中熱電偶不存在)，不再施加真空，並且參照圖6和圖3如上文所述繼續該方法。

在另一個供選擇的實施方案中，在具有高熱導率的板(41)上冷卻工件，如上所述。當工件達到限定的溫度時，雙金屬片(圖4中未示出)從板(41)提升工件(52)。因此，在該供選擇的實施方案中，通過雙金屬片終止冷卻步驟，而不需要控制單元或人為幹預。也可以使用雙金屬片提升工件(52)離開下淬火塊(或者具有高熱導率的板)，其中該塊不是被布置成具有通過其的真空。

[非均勻冷卻]

在另一供選擇的實施方案中，將其中將需要較大的應變硬化效應以成形零件的工件區域冷卻至比工件的其餘部分更低的溫度(「非均勻冷卻」)。在一些「非均勻冷卻」的實施方案中，通過待由工件成形的零件的幾何形狀確定選擇性地冷卻哪些區域。例如，待成形為具有小特徵的工件的區域的溫度將被選擇為稍微低於工件上其它區域的溫度，使得在成形期間可以發生材料引入以減少局部變薄，所述小特徵需要顯著的材料拉伸。換句話說，採用在工件各處賦予不均勻的溫度，以便實現對模具中的材料移動的額外控制。

在其它「非均勻冷卻」實施方案中，通過預測該零件在使用中所經受的力來確定選擇性地冷卻哪些區域。例如，將以快速率淬火在應保持高應力與相對低的可延展性的區域，另一方面，可以以較低的速率冷卻應具有好的可延展性與較低的屈服應力的區域。

在又一些其它「非均勻冷卻」實施方案中，將工件冷卻使得其溫度在冷卻步驟(B)結束時在工件的區域之間平穩變化。換言之，冷卻的工件具有跨越工件的多個溫度梯度。這在工件上產生幾個不同的溫度區域。以此方式控制冷卻，例如用以傳送跨越工件的分等級的強度。在工件用於汽車零件的情形中，這樣的冷卻可以提供在碰撞條件下受控的零件失效。

在另外的「非均勻冷卻」的實施方案中，當工件具有多於一種材料厚度時—例如，當工件是拼焊板(tailor welded blank)時(即，由兩個或多個板材焊接在一起組成的工件)，工件的較薄區域被冷卻至比工件的較厚區域更低的溫度。這有助於較厚區域的應變，從而減小薄部分中的應變。以此方式，應變在厚材料與薄材料之間分布更均勻，並且減小了臨界區域中的最大薄化。

[通過傳導板的非均勻冷卻]

在一個「非均勻冷卻」實施方案中，以與上文關於圖6描述的「均勻冷卻」實施方案相似的方式通過傳導冷卻來冷卻工件。也就是說，在爐與模具之間的生產線上的冷卻站處在上淬火塊與下淬火塊之間將其冷卻。然而，在該實施方案中，改變上淬火塊，使得通過增大在工件將被冷卻至較低溫度的區域中塊對工件的壓力，實現在工件的不同區域上冷卻至不同的溫度。在該實施方案中，上淬火塊具有與工件上需要較大的冷卻速率的區域相對應的壓花區域(embossed area)。當將上淬火塊施加至工件時，這些壓花區域對工件的壓力大於未壓花區域對工件的壓力。從而在工件與壓花區域接觸的地方比在未壓花區域的區域中以更大的速率冷卻工件。

在另一「非均勻冷卻」實施方案中，也是以與上文關於圖6描述的「均勻冷卻」實施方案相似的方式通過傳導冷卻來冷卻工件。然而，在該實施方案中，改變上淬火塊，使得僅將其施加到待冷卻至較低溫度的那些工件區域。

在又一「非均勻冷卻」實施方案中，也是以與上文關於圖6描述的「均勻冷卻」實施方案相似的方式通過傳導冷卻來冷卻工件，但是上淬火塊由具有不同熱導率的材料製成。在與將以比工件的其他區域更高的速率冷卻的工件區域相對應的上淬火塊區域中，上淬火塊由比該淬火塊的其它區域具有更高熱導率的材料製成。在與將以較低速率冷卻的工件區域對應的上淬火塊區域中，上淬火塊由具有較低熱導率的材料成形。

在上述實施方案中的每一個實施方案的變化中，相反地如上文關於上淬火塊的描述改變下淬火塊。在這些變化中，上淬火塊如同關於圖6中描述的上淬火塊。

在另外的「非均勻冷卻」實施方案中，在板(41)上冷卻工件，貫穿工件產生真空，如圖4中所示，以上文描述的方式中的任一種改變上淬火塊(未示出)。

在又一「非均勻冷卻」實施方案中，在板(41)上冷卻工件，貫穿工件產生真空，如圖4中所示，並且在工件的不同區域中，使用真空對工件產生不同的負計示壓力。也就是說，通過位於工件(52)的區域下面的那些導管(43)的真空水平增加，與工件的其餘部分相比，該工件區域將以更高的速率被冷卻。這增加了保持那些區域緊靠板(41)使用的力，從而增加了那些區域的冷卻速率。通過位於工件(52)的以較低的速率被冷卻的區域下面的那些導管(43)的真空較弱。

如上所述，在其它實施方案中，進行使用傳導板的「非均勻冷卻」，同時在爐與模具之間轉移的期間(而非在冷卻站處)將工件保持在夾具中。

[通過噴霧的非均勻冷卻]

在供選擇的實施方案中，以與上文關於圖5描述的使用空氣霧和水霧均勻冷卻工件相似的方式，使用了噴嘴總成(51)將加壓水作為噴霧釋放，以實現非均勻冷卻。在該供選擇的實施方案中，流量控制單元(54)僅使將以較高速率冷卻的工件區域的區域中的噴嘴釋放空氣霧流和水霧流。這更快地冷卻工件的那些區域，且將那些區域冷卻至比噴嘴不引導空氣霧和水霧的工件區域更低的溫度。

供選擇地或此外，在另外的實施方案中，流量控制單元(54)控制來自這些噴嘴中的每個噴嘴的空氣霧和水霧的質量流量，使得與其它區域中的噴嘴相比，待更快冷卻的工件區域的區域中的噴嘴以更高的質量流量釋放空氣霧和水霧。類似地，在該其它實施方案中的流量控制單元(54)控制待冷卻至較低溫度的工件區域的區域中的噴嘴，與工件的其它區域中的噴嘴相比，釋放空氣霧和水霧更長時間。