高強(qiáng)鋁合金薄壁管材旋壓制備技術(shù)

文/閆亮明·內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)

高強(qiáng)鋁合金薄壁管材旋壓制備技術(shù)

文/閆亮明·內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)

閆亮明，工學(xué)博士，副教授，主要研究鋁合金和鎂合金制備與加工，主持參與國(guó)家級(jí)和省部級(jí)項(xiàng)目10余項(xiàng)，發(fā)表論文20余篇，其中SCI和EI檢索15篇，擁有發(fā)明專利2項(xiàng)。

7055鋁合金

高強(qiáng)鋁合金具有密度低、強(qiáng)度高、加工性能好及焊接性能良好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航天航空等領(lǐng)域。其中7055鋁合金是新型高強(qiáng)鋁合金中的杰出代表，7055鋁合金是在7050鋁合金基礎(chǔ)上增加Zn和Cu的含量，降低了Fe和Si雜質(zhì)的含量，開發(fā)出的一種新型鋁合金。7055鋁合金和7050鋁合金相比強(qiáng)度更高，同時(shí)具有較強(qiáng)的斷裂韌性。美國(guó)鋁業(yè)公司生產(chǎn)的7055-T77合金板材強(qiáng)度比7150的高出10%，比7075的高出30%。近年來，國(guó)內(nèi)外正在大力開發(fā)強(qiáng)度更高、韌性及耐腐蝕性能更好的新一代7055及7X55鋁合金，其中在優(yōu)化合金成分、改善合金組織結(jié)構(gòu)、開發(fā)新的熱處理制度方面研究較多。7055鋁合金的主要產(chǎn)品有熱軋厚板和擠壓管材，7055鋁合金厚板已被廣泛用于制造高性能飛機(jī)的重要構(gòu)件。隨著科技發(fā)展，7055鋁合金板材和管材也將廣泛應(yīng)用于船舶、車輛和高速列車領(lǐng)域。

鋁合金薄壁管材制備方法

目前，制備鋁合金薄壁管材的主要方法有擠壓、軋制和拉拔，或者幾種方法的組合。但是，根據(jù)鋁合金的材質(zhì)不同，薄壁管材制備方法不同。大直徑5A02鋁合金薄壁管材制備工藝主要為多道次軋制，首道次變形量選擇57.2%，在380～410℃退火保溫0～60min。制備7055鋁合金管材的工藝：均勻化（鑄錠在450～465℃均勻化處理，保溫12h）→擠壓（采用2次擠壓，擠壓前先鏜孔，第一次擠壓生成管毛料，擠壓溫度控制不低于380℃）→退火（經(jīng)2次擠壓后進(jìn)行退火處理，退火溫度為400℃×3h，退火后隨爐冷卻到150℃后空冷）→冷軋（采取2道次軋制，冷軋道次變形量50%～60%，送進(jìn)量為5～8mm）→冷拔（采用2道次冷拔，道次加工率低于30%）。

7055鋁合金的加工圖

7055鋁合金合金元素含量高為其變形帶來困難，而且在熱變形過程中容易出現(xiàn)開裂問題。加工圖（Processing Map）能夠反映在各種變形溫度和應(yīng)變速率下，材料高溫變形時(shí)內(nèi)部微觀組織的變化，并且可對(duì)材料的可加工性進(jìn)行評(píng)估，并可用來指導(dǎo)熱塑性成形工藝。加工圖是由動(dòng)態(tài)材料模型（DMM）推導(dǎo)而來，該模型認(rèn)為，變形體作為一個(gè)功率耗散體，在塑性變形過程中，將外界輸入的功率耗散在以下兩方面：⑴塑性變形消耗的能量（G）；⑵變形過程中組織變化而耗散的功率（J）。反應(yīng)材料功率耗散特征的參數(shù)η為功率耗散效率。η是直接與組織相關(guān)的參數(shù)，其值與工件熱加工過程中顯微組織變化有關(guān)，可以利用在一定溫度和應(yīng)變速率下的典型值來對(duì)這些顯微組織形成的微觀機(jī)制進(jìn)行解釋，并且通過顯微觀察來進(jìn)一步得到驗(yàn)證，從而在加工圖中可以確定與單個(gè)微觀結(jié)構(gòu)成形機(jī)制相關(guān)的特征區(qū)域的大致范圍。對(duì)于金屬材料而言，其加工圖包含安全區(qū)、流變失穩(wěn)區(qū)和危險(xiǎn)區(qū)。安全區(qū)在微觀機(jī)制上與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、動(dòng)態(tài)回復(fù)和超塑性有關(guān)，在材料安全加工區(qū)域內(nèi)，η值越大，表明能量耗散狀態(tài)越低，材料的可加工性越好。在功率耗散圖中，功率耗散效率η值越大，并不一定意味著材料的加工性越好。因?yàn)樵诩庸なХ€(wěn)區(qū)功率耗散效率可能也很高，所以確定出材料的加工失穩(wěn)區(qū)是很必要的。

基于7055鋁合金的高溫壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)中采集合金不同應(yīng)變、應(yīng)變速率和變形溫度下的流變應(yīng)力值，即可繪制不同應(yīng)變量的加工圖。采用3次樣條函數(shù)擬合的方法計(jì)算應(yīng)變速率敏感指數(shù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步計(jì)算能量耗散效率因子和失穩(wěn)參數(shù)。在變形溫度和應(yīng)變速率所構(gòu)成的二維平面上分別繪出能量耗散效率因子的等值線圖和流變失穩(wěn)圖，最終將能量耗散圖和失穩(wěn)區(qū)域進(jìn)行疊加，即為7055鋁合金的熱加工圖，如圖1所示。應(yīng)用加工圖來分析合金的加工性能，不僅可以優(yōu)化加工工藝，而且可以避開流變失穩(wěn)區(qū)域。圖1中陰影區(qū)為流變失穩(wěn)區(qū)，等值線上的數(shù)字表示功率耗散系數(shù)。不同的區(qū)域功率耗散效率有所變化，說明溫度和應(yīng)變速率對(duì)于合金動(dòng)態(tài)能量消耗行為的影響非常顯著；而且圖1中失穩(wěn)區(qū)域較大，說明該合金加工區(qū)域較窄。圖1中包含1個(gè)峰區(qū)（η最大值區(qū)域）和1個(gè)失穩(wěn)區(qū)。

圖1 7055鋁合金的熱加工圖

峰區(qū)的溫度在375～425℃，應(yīng)變速率小于0.0015/s，最大功率耗散系數(shù)在0.45以上；峰值對(duì)應(yīng)的溫度和應(yīng)變速率分別為400℃與0.001/s。失穩(wěn)區(qū)包括了本實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)應(yīng)變速率高于0.025/s的區(qū)域，說明變形速率對(duì)該合金的加工性能影響很大。

圖1中功率耗散系數(shù)較高的區(qū)域代表特殊的顯微組織或流變失穩(wěn)機(jī)制，可能發(fā)生了動(dòng)態(tài)回復(fù)或動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，還有可能是局部流變失穩(wěn)，需要結(jié)合變形后試樣的組織觀察和流變曲線來進(jìn)一步確認(rèn)。圖2a及2b是400℃下，應(yīng)變速率分別為0.001/s和0.01/s變形條件對(duì)應(yīng)的顯微組織?？梢钥吹骄ЯＱ嘏c壓縮垂直方向變長(zhǎng)，晶界呈鋸齒狀，在晶界上分布大量尺寸在5～10μm的小晶粒，這說明在該變形條件下發(fā)生了部分動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。已有研究指出對(duì)于高層錯(cuò)能金屬，其動(dòng)態(tài)再結(jié)晶耗散效率高，且發(fā)生在應(yīng)變速率較低的情況下。這是因?yàn)樵跓峒庸み^程中，當(dāng)動(dòng)態(tài)回復(fù)不能完全消除加工硬化，而隨變形增大，大量第二相粒子造成局部位錯(cuò)塞積，位錯(cuò)密度不斷增高。當(dāng)變形量達(dá)到一定程度后，金屬位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)造成的畸變能累積達(dá)到動(dòng)態(tài)再結(jié)晶所需要的能量，就在原始晶界形成新的未經(jīng)變形的再結(jié)晶核心，開始動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。在相同的變形溫度下，隨著應(yīng)變速率的增加，合金的應(yīng)力值增大，位錯(cuò)密度增大，聚集的畸變能也增大，再結(jié)晶核心部位增多，導(dǎo)致再結(jié)晶晶粒體積分?jǐn)?shù)增加。

圖2 7055鋁合金在不同變形條件下的EBSD

7055鋁合金薄壁管材旋壓制備工藝

將7055鋁合金管坯進(jìn)行460℃×9h+480℃×3h雙級(jí)均勻化處理，均勻化后進(jìn)行車削剝皮。進(jìn)行3道次熱旋壓，熱旋壓溫度為400℃，旋壓工作角26°，工模具預(yù)熱溫度為250℃，并采用氧―乙炔火焰噴槍補(bǔ)熱，進(jìn)給比為0.5mm/r，道次減薄率為20%。接著進(jìn)行5道次溫旋壓，溫旋壓溫度為300℃，旋壓工作角26°，工模具預(yù)熱溫度為250℃，并采用氧―乙炔火焰噴槍補(bǔ)熱，進(jìn)給比為1mm/r，道次減薄率為20%。將旋壓好的管材進(jìn)行460℃×1h+480℃×1h雙級(jí)固溶處理，然后進(jìn)行120℃×12h+170℃×6h時(shí)效處理。獲得的7055鋁合金薄壁管材如圖3所示。

圖3 7055鋁合金薄壁管材

結(jié)束語

針對(duì)7055鋁合金合在熱變形過程中容易出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象。結(jié)合高溫壓縮試驗(yàn)繪制不同應(yīng)變量和溫度下的熱加工圖，在此基礎(chǔ)上獲得了合理的旋壓工藝參數(shù)，成功旋壓了7055鋁合金薄壁管材。