鍛造工藝對7A09鋁合金鍛件晶粒組織的影響

黃映霞

(南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院，南昌330063)

0 引言

鋁合金具有高的比強(qiáng)度、耐用且經(jīng)濟(jì)、易于加工，較好的耐腐蝕性能和較高的韌性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種飛機(jī)的機(jī)翼梁、大梁及導(dǎo)彈和火箭中的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)零件，成為航空航天領(lǐng)域的重要材料之一［1-2］。鋁合金的晶粒尺寸對力學(xué)性能有較大的影響，鋁合金鍛件中的粗晶顯著降低強(qiáng)度極限和屈服極限，降低零件的使用性能和壽命［3-4］。在鍛造生產(chǎn)中，7A09鋁合金鍛件易產(chǎn)生粗晶缺陷，嚴(yán)重影響其在航空航天等領(lǐng)域的使用［5］。但該問題至今還沒有較好的解決辦法。

鍛件變形程度也是鋁合金產(chǎn)生粗晶的原因之一，變形程度過小或者過大都會影響鍛件的組織與性能［6］。而在傳統(tǒng)的鋁合金鍛造工藝中，鍛件的變形程度在工藝制定時則沒有進(jìn)行定量控制。

采用逆向推證方式，研究7A09鋁合金在多種過熱參數(shù)下，晶粒大小形態(tài)的變化情況;研究鍛造變形程度和變形溫度對鍛件晶粒組織的影響。通過分析不同的鍛造工藝下晶粒大小的變化情況得出超硬鋁鋁合金的最佳鍛造工藝參數(shù)，為該材料在航空航天應(yīng)用和生產(chǎn)提供工藝參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所用7A09鋁合金其主要化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:w(Cu)=1.2% ～2.0%，w(Mg)=2.0%～3.0%，w(Cr)=0.16% ～ 0.30%，w(Zn)=5.1% ～6.1%，其余為Al。材料由陜西興平船舶重工第十二研究所提供，材料狀態(tài)為擠壓成形棒材。原材料顯微組織如圖1所示。

圖1 原材料7A09鋁合金的組織狀態(tài)Fig.1 Microstructure of Al-7A09 alloy with original extrusion

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用型號為SX－10－13的箱式電阻爐，型號為 Y41－63T單柱液壓機(jī)。外徑為φ190 mm，內(nèi)徑為φ70 mm，高度分別為9.5 mm 和7 mm的45鋼套環(huán)各1個。實(shí)驗(yàn)試樣外形尺寸為φ20 mm×30 mm的圓棒料。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 過熱實(shí)驗(yàn)

將試樣分成4組，加熱溫度分別為440、460、480、500℃，分別保溫 40 min、3 h、6 h 和 10 h 后，空冷。

1.2.2 鍛造實(shí)驗(yàn)

目前，傳統(tǒng)的超硬鋁鋁合金鍛造工藝中，爐溫450℃，始鍛溫度440℃，終鍛溫度380℃，空冷。加熱速率為2 min/mm。

本實(shí)驗(yàn)的鍛造工藝:4種始鍛溫度(440、460、480、500℃)下，對應(yīng) 3種變形程度(ε=45%、68.3%、76.7%)。鍛造實(shí)驗(yàn)采用套環(huán)內(nèi)鐓粗方法，把高度為30 mm的原始試樣分別鐓粗至16.5、9.5、7 mm，觀察試樣的低倍組織和高倍顯微組織，并比較其晶粒大小等變化情況。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 過熱組織

碳鋼、合金鋼、銅合金及鈦合金都有明顯的組織特征判定過熱組織，而對于鋁合金的過熱目前還沒有明確的判定標(biāo)準(zhǔn)［7-8］。7A09鋁合金過熱處理后的顯微組織分別如圖2～圖5所示。

原材料7A09鋁合金一般再結(jié)晶溫度為400～460℃。如圖2a所示，7A09鋁合金在440℃退火后，已經(jīng)產(chǎn)生了動態(tài)再結(jié)晶組織，隨著再結(jié)晶晶粒的不斷長大，第二相粒子繼續(xù)析出，彌散地分布于晶粒內(nèi)的亞晶界上，并被位錯所包圍，第二相粒子的存在對晶內(nèi)位錯起到了增生的作用。它們對晶界、亞晶界起到了釘扎作用，阻礙了晶界的遷移。隨著保溫時間的延長，晶粒稍有增大，但當(dāng)保溫時間達(dá)到6 h時，形成了明顯的再結(jié)晶織構(gòu)組織(圖2c)。

圖2 不同保溫時間440℃退火后的顯微組織Fig.2 Microstructure after annealing at 440 ℃ for different time

由圖3可見，加熱溫度460℃保溫40 min時有許多的細(xì)小的晶粒，保溫3 h時小晶粒長大程度很明顯，保溫6 h已沒有了細(xì)小晶粒，晶界較粗和直。

由圖4a可見，加熱溫度480℃，保溫時間40 min的晶粒大小和相同保溫時間的加熱溫度440、460℃相比，晶粒明顯較大、晶界更直。由圖4b、4c可見，加熱溫度480℃，保溫時間分別為3、6 h時，晶界開始出現(xiàn)熔化三角區(qū)和復(fù)熔球，表明鋁合金已有過燒組織產(chǎn)生。

由圖5a、圖5b可見，與其他溫度相比，在550℃溫度下的晶粒最粗大，而圖5c所示晶界開始出現(xiàn)熔化三角區(qū)和復(fù)熔球，表明鋁合金已明顯有過燒現(xiàn)象。

圖3 不同保溫時間460℃退火后的顯微組織Fig.3 Microstructure after annealing at 460 ℃ for different time

圖4 不同保溫時間480℃退火后的顯微組織Fig.4 Microstructure after annealing at 480 ℃ for different time

圖5 不同保溫時間500℃退火后的顯微組織Fig.5 Microstructure after annealing at 500 ℃ for different time

2.2 鍛后組織

鍛后低倍組織如圖6所示，鋁合金鍛件形成了鍛造流線但沒有顯示粗晶。在3種變形程度下變形溫度為500℃時均出現(xiàn)了側(cè)面鼓形破裂，且隨著變形程度的增大，裂紋加深。

7A09鋁合金在不同變形程度鍛造后的顯微組織分別如圖7～圖10所示。在鍛造溫度為440℃時，變形程度越大，晶粒組織越細(xì)小。當(dāng)變形程度達(dá)到76.7%時，晶粒組織最細(xì)小、均勻(圖7c);在鍛造溫度為460℃時，隨著變形程度的增大，晶粒增大，當(dāng)變形程度達(dá)到76.7%時，晶粒粗大而且出現(xiàn)了變形織構(gòu)組織，說明變形達(dá)到了極限變形程度(圖8c)。因此，在此溫度區(qū)域鍛造，鍛后晶粒組織相對較粗大;在鍛造溫度為480℃時，變形程度為45%時，組織細(xì)密(圖9a)，隨著變形程度的增大，晶粒增大，當(dāng)變形程度達(dá)到76.7%時，晶粒粗大而且出現(xiàn)了變形織構(gòu)組織(圖9c);當(dāng)鍛造溫度為500℃時，變形程度分別為45%和68.3%時，晶粒組織相對較粗大，當(dāng)變形程度達(dá)到76.7%時，晶粒細(xì)密(圖10)。

圖6 鍛造溫度為500℃的鍛件低倍組織Fig.6 Microstructure after forging at 500 ℃

圖7 鍛造溫度為440℃鍛后顯微組織Fig.7 Microstructure after forging at 440 ℃

圖8 鍛造溫度為460℃鍛后顯微組織Fig.8 Microstructure after forging at 460 ℃

圖9 鍛造溫度為480℃鍛后顯微組織Fig.9 Microstructure after forging at 480 ℃

圖10 鍛造溫度為500℃鍛后顯微組織Fig.10 Microstructure after forging at 500 ℃

2.3 鍛后組織分析與討論

從鍛件橫向金相組織圖可以看出，在鍛造溫度440℃且變形程度為45%鍛造條件下，已經(jīng)產(chǎn)生了動態(tài)再結(jié)晶。隨著變形程度的增加，位錯、空位等結(jié)構(gòu)缺陷密度增大，為原子的擴(kuò)散提供有力的通道，使再結(jié)晶激活能降低;另外，在大的應(yīng)變過程中，大質(zhì)點(diǎn)周圍形成的強(qiáng)烈變形區(qū)可促進(jìn)再結(jié)晶的形核和長大，得到細(xì)小的再結(jié)晶組織，當(dāng)變形程度達(dá)到76.7%時，鍛后晶粒組織最好、最細(xì)密。鍛造溫度在較高的460、480℃條件下，鍛造開始時晶粒被拉長，隨著變形程度的增大，部分晶粒發(fā)生了動態(tài)回復(fù)，晶粒長大。鍛造溫度達(dá)到500℃且變形程度為76.7%，雖然鍛造溫度相對較高，但晶粒還比較細(xì)小，其原因是由于溫度高使金屬的變形抗力減小，容易變形，加工硬化過程超出了動態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶過程。

3 結(jié)論

1)7A09鋁合金加熱溫度500℃，保溫時間分別為3、6、10 h，空冷退火處理后均出現(xiàn)不同程度的晶界熔化三角區(qū)和復(fù)熔球等過燒組織。

2)鍛造溫度為440℃，變形程度為76.7%，鍛后晶粒組織最好。

3)鍛造溫度為460、480℃時，變形程度為76.7%時，鍛后組織出現(xiàn)了變形織構(gòu)組織，說明76.7%是7A09該溫度的極限變形程度，在鍛造和擠壓工藝中應(yīng)避免采用這2個溫度。

4)鍛造溫度500℃時晶粒粗大且容易產(chǎn)生過燒組織，在鍛造工藝中要嚴(yán)格控制。

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