高强铝合金整体壁板类构件是航空航天领域高端装备制造急需的关键构件,蠕变时效成形技术利用铝合金蠕变变形和时效强化特性,将材料成形过程和热处理过程同步进行,可望实现当前高性能构件成形成性一体化精确制造的目标,是亟待研究和发展的一种先进金属板材成形技术。然而,蠕变时效成形在复杂的热-力耦合场下进行,蠕变和时效之间存在强交互作用,表现为宏观变形、微观组织演变和材料性能变化之间相互影响,导致成形件难以同时获得精确的尺寸外形和优良的材料性能。为此,本文采用蠕变时效热模拟试验、微观组织观察、力学性能和耐蚀性能测试等试验方法,结合理论分析和数值建模,研究了不同因素影响下7050铝合金蠕变时效全过程中的形性演变规律,揭示了相应的形性协调机理,主要研究内容及结果如下:对比了7050铝合金以固溶、峰时效、过时效、回归和重固溶五种不同热处理状态作为初始状态的蠕变时效行为。重固溶态合金在蠕变时效中可以生成尺寸细小、分布均匀的晶内沉淀相,位错运动困难,材料力学强度提高,蠕变变形量小,不易进入第三蠕变阶段;重固溶态合金的晶界沉淀相在蠕变时效后粗化且呈不连续分布,使得材料具有较好的耐蚀性能;因此,重固溶态是给定热-力条件下获得蠕变时效形性协调的最佳材料初始状态。对比了7050铝合金在不同热-力加载顺序下蠕变时效全过程中的形性演变。先加力后加热(LH)顺序下的加热阶段是非等温的蠕变时效过程,产生了占最终变形量44.4%的蠕变变形,而先加热后加力(HL)顺序下的加热阶段是非等温的无应力时效过程,不会发生蠕变变形,材料在LH顺序下的最终变形是HL顺序下的约1.55倍;LH顺序下加热阶段的外加应力促进溶质原子扩散和位错运动,加速了晶内和晶界沉淀相的形核和长大,蠕变时效后具有更加均匀分布的晶内沉淀相和更加不连续的晶界沉淀相,材料表现出更高的力学强度和更好的耐腐蚀性能;因此,LH顺序比HL顺序更有利于实现蠕变时效形性协调。提出了7050铝合金非等温高效蠕变时效方法。与等温蠕变时效包含短暂的加热和冷却阶段以及较长的保持阶段不同,非等温蠕变时效仅包含缓慢的加热和冷却阶段;沉淀相在加热阶段的前半段形核和长大、蠕变速率降低、力学强度提高,在加热阶段的后半段粗化、蠕变速率升高、耐蚀性增强;接近峰值温度时,初始沉淀相部分溶解,蠕变速率、力学强度和耐蚀性均降低;冷却阶段沉淀相二次析出,力学性能恢复;加热-冷却速率较高不利于蠕变变形的积累,较低则导致沉淀相过度溶解,而适中的速率能使合金具有较大的蠕变变形、较高的力学强度和较好的耐蚀性,而时间消耗仅为等温蠕变时效的52.9%。研究了7050铝合金在较高应力水平下蠕变时效过程中的损伤生成机理和演变规律。外加应力越大,蠕变损伤越易发生,微孔洞的长大速率和尺寸越大,力学强度下降越快,主要的蠕变断裂机制将从剪切转变为微孔聚集;基于连续损伤力学本构模型,结合有限元软件模拟了7050铝合金整体壁板的蠕变时效成形过程,模拟和试验结果均表明蠕变损伤主要发生在严重应力集中的弯曲筋条上,筋条越高,蠕变应变和损伤程度越大,卸载后的回弹越小。探明了7050铝合金蠕变时效全过程中的拉-压不对称性。通过无应力时效试验发现沉淀相和基体之间存在错配,将在沉淀相周围产生局部应变,宏观表现为材料的尺寸减小;蠕变时效过程中压应力下的变形总是大于拉应力下的变形,减去错配应变发现拉伸和压缩蠕变应变相差不大,因此拉-压不对称变形的根本原因是沉淀相和基体错配导致的变形,压应力下的应变是压缩蠕变应变和错配应变的叠加,而拉应力下的变形则是二者的抵消;由于压应力状态下产生了更大的变形,将引入更多的位错,因此压缩蠕变时效试样表现出更高的强度,其晶内沉淀相的长大速率更快。基于内变量法和统一建模理论,建立了考虑拉-压不对称的7050铝合金蠕变时效全过程统一本构模型。通过引入沉淀相半径、沉淀相体积分数和位错密度三个微观组织内部状态变量,建立了宏观变形、微观组织和力学性能之间的联系;采用遗传算法确定了模型中的材料常数,并基于ABAQUS软件及其用户子程序CREEP进行二次开发,模拟了7050铝合金拉伸和压缩蠕变时效试验,应变和屈服强度的计算值和试验值间的最大误差分别为4.3%和4.8%,表明建立的本构模型适用于模拟7050铝合金蠕变时效全过程的形性演变。