随着飞机设计思想的不断演变,先进飞机的构件制造对铝合金及其加工技术提出了越来越高的要求,这对于机翼壁板、机身蒙皮等板类结构件尤为重要。因此,为更好地发挥高强铝合金的性能潜力并减小残余应力,研究控制板材淬火过程势在必行。然而经传统热处理后的板材残余应力大、畸变严重,已成为制约飞机生产的瓶颈工艺。喷淋淬火作为一种先进可控快冷技术,为板材形/性调控提供了有效技术途径,成为现代热处理技术的研究热点与难点。而目前对于铝合金板材喷淋淬火工艺,尚存在多种问题需要解决,如不同喷淋条件下的传热规律及机理还不明晰,缺乏析出演化特征对流变应力的影响机制等。因此,如何系统而全面的研究这些问题成为突破板材喷淋淬火形/性控制的关键所在。针对以上存在问题,本文围绕“传热—本构—形/性预测”这一核心主线,以2024铝合金板材为研究对象,借助理论分析、试验研究与有限元仿真等方法,建立了板材形/性调控工艺原型。论文的主要研究内容如下:(1)针对喷淋淬火传热求解问题,首先对板材进行喷淋试验,得到了准确的试验数据。基于B样条基函数,建立了温度数据处理模型,试验对比表明该模型能够真实反映降温趋势并有效去除随机噪声。随后采用一维反传热法求解板材表面的热通量分布,误差计算表明,该模型的热通量求解精度为±1.17%,喷淋表面热通量不均匀性误差约为±5%,具有较高的求解精度。(2)针对喷淋工艺参数与盐溶液介质对板材传热的影响机制问题,考虑介质的热物性参数、喷淋体积通量等因素,揭示了工艺参数、无机盐介质对传热的影响机理。传热分析表明:水温低于65℃时只存在过渡沸腾、核态沸腾与自然对流阶段;盐溶液和工艺参数对传热的影响并非单调变化;喷淋压力、水温、喷淋距离分别在3 bar、70℃与70 mm时传热能力达到最大值;氯化钙与硫酸镁溶液的最大传热能力出现在浓度为0.2M时,而硫酸钠溶液浓度为0.06 M;氯化钠溶液仅对核态沸腾阶段传热有促进作用。(3)针对材料流变应力行为问题,通过热模拟试验得到了淬火态材料流变应力曲线。分析表明在300～450℃温度区间时,材料具有应变率敏感性,主要软化机制是动态回复,当温度低于300℃时,应变率对应力的影响不明显,材料有应变硬化效应。考虑非匀质析出相对流变应力影响,分别建立了300～400℃与400～450℃时的本构模型,与试验结果对比表明该模型精度较高。分析表明,在300～400℃温度区间,析出相对激活能变化趋势产生影响,其最大影响处位于铝合金“鼻尖”温度附近。(4)针对低温变形阶段(150～250℃)材料流变应力行为,考虑了匀质淬火析出相(Cu-Mg簇)对流变应力的影响作用。建立了析出演化模型,并与文献对比验证了预测模型的有效性。预测结果表明:温度的升高对析出相体积分数有抑制作用,而对析出相半径的增大有促进作用;冷却速率的降低对析出相体积分数有促进作用,而对析出相半径的变化基本无影响。随后建立了考虑析出演化的多尺度物理本构模型,对比试验结果该模型精度约为2%。分析表明:在250℃时绕过析出相形成的几何必需位错是改变应变硬化趋势的主要原因。(5)针对残余应力与力学性能预测问题进行了研究。首先基于ABAQUS有限元软件,运用UHARD子程序对本构模型进行定义,结合喷淋传热边界条件并考虑板材结构特点,建立了喷淋淬火残余应力热-力耦合模型,实现了淬火应力场演变过程的描述。分析表明:淬火后板材由于压缩失稳而出现翘曲现象,其残余应力分布规律为凹面主要为残余压应力而凸面主要为残余拉应力。其次通过分级淬火试验,考虑形核特征后建立了T4时效态力学性能预测模型,分析结果显示喷淋淬火对试件空冷区的力学性能影响较大,而对其它区域影响较小。(6)针对不同喷淋路径对2024铝合金板材形/性的影响进行了研究,系统地表征了不同喷淋路径下板材的残余应力、力学性能与翘曲程度。研究表明:喷淋距离对试件残余应力、翘曲及硬度的影响最大,其次是盐溶液种类和浓度,水温和喷淋压力对上述指标的影响最小。使用喷淋距离为80 mm、喷淋压力3 bar、水温15℃的0.2 M硫酸镁溶液进行淬火时,试件具有最佳喷淋效果。对比池浴淬火,采用选取的最佳喷淋工艺参数进行喷淋淬火时,翘曲变形减小了约46%,残余应力减小了40%,而力学性能基本无变化。综上,本文获得了喷淋淬火传热规律并揭示了相关传热机理,构建了淬火态材料本构模型并揭示了析出演化对流变应力影响机制,预测了板材残余应力和力学性能分布,为实现喷淋淬火板材形/性调控提供了理论依据和方法。