振動對7055鋁合金蠕變時效成形的影響

王 宇， 鄧運來， 康建可， 張 勁

(1.中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙410083;2.中南大學(xué)輕合金研究院高性能復(fù)雜制造重點實驗室，長沙410012)

蠕變時效成形(Creep Age Forming，CAF)是使金屬在低于屈服強度的應(yīng)力場和熱時效溫度場共同作用下發(fā)生蠕變變形，獲得相應(yīng)的形狀和性能的工藝方法［1～3］。利用該工藝成形的構(gòu)件具有殘余應(yīng)力水平低、構(gòu)件性能優(yōu)異、表面質(zhì)量高等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于鋁合金機翼、整體壁板等構(gòu)件的制造［4～6］。CAF技術(shù)的關(guān)鍵在于能否準(zhǔn)確預(yù)測構(gòu)件的回彈量和有效地調(diào)控起強化作用的納米級第二相的析出行為［7］，從而使構(gòu)件的形狀和性能與服役環(huán)境相適應(yīng)。

在鋁合金的熱時效過程中引入一定幅度的循環(huán)載荷，循環(huán)載荷應(yīng)力場與蠕變成形的內(nèi)應(yīng)力場相互疊加，當(dāng)疊加應(yīng)力大于構(gòu)件的屈服極限時，構(gòu)件局部會發(fā)生微小塑性變形，從而影響僅依靠蠕變或應(yīng)力松馳達(dá)到成形目的經(jīng)典蠕變成形過程的變形總量與強化相析出行為［8，9］。本工作前期研究中曾將振動引入2XXX系合金的蠕變時效過程中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，振動蠕變時效成形能大幅度降低回彈量、縮短蠕變成形的時間、提高試樣的強度等力學(xué)性能。

然而，關(guān)于振動引入對7×××鋁合金蠕變時效成形的影響尚未見報道。本研究以7055合金為研究對象，將振動引入7055蠕變時效過程中，探索振動蠕變時效成形對7055合金蠕變時效的回彈量、力學(xué)性能和微觀組織的影響，可為發(fā)展CAF工藝方法提供參考。

1 實驗方法

1.1 材料與工藝方法

實驗采用自制的彎曲蠕變成形模具，模具的組裝如圖1所示，主要由凸模(c)、凹模(d)和緊固螺桿(b)組成，裝配時板料置于凹模與凸模之間，通過凸模與凹模上設(shè)置的緊固螺桿實現(xiàn)板料的貼模定形。

本實驗材料為試驗室自制的7055鋁合金熱軋板，其化學(xué)成分如表1所示。割取多塊尺寸為230mm×130mm×5mm的樣品，經(jīng)470℃/1h固溶+室溫水淬火后分為兩組，分別在自制的單曲率蠕變時效模具(如圖1所示)上進(jìn)行普通的蠕變時效成形實驗(以下簡記為SCAF)和振動蠕變時效實驗(以下簡記為VCAF)，具體實驗方案如表2所示。

表1 實驗用7055合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of the tested 7055Al alloy(mass fraction/%)

圖1 自制單曲率模具 (a)模具組裝圖;(b)緊固板;(c)凸模;(d)鋁板與凹模Fig.1 Self-made single curvature die(curvature radius=1000mm)(a)assembly diagram of the die; (b)clamping bolts;(c)upper die;(d)Al sheet and female die

表2 實驗方案Table 2 Experimental program

采用自制的振動平臺，在7055鋁合金時效強化熱處理過程中對試樣進(jìn)行振動處理，振動蠕變時效成形試驗研究裝置如圖2所示。振動平臺(如圖2所示)安裝了模具、試樣后，試驗系統(tǒng)能自動掃描固有頻率，然后在亞共振頻率下進(jìn)行振動。經(jīng)過調(diào)試，本研究的振動蠕變時效工藝參數(shù)如表3所示。

圖2 自制的振動時效爐三維示意圖Fig.2 The 3d illustration of the self-made VSR platform

表3 振動時效工藝參數(shù)Table 3 The process parameters of VSRmethod

1.2 檢測過程和方法

采用ATOS掃描儀測量試樣的回彈量。在每個樣品上均勻涂上顯像劑并分別貼上三個參考點和編碼點，然后在平行于樣品的方向放置好標(biāo)尺。用數(shù)碼相機拍攝參考點和編碼點以及樣品的照片，并將照片導(dǎo)入TRITOP中，確定參考點和編碼點的空間位置，再將得到的*TRI文件導(dǎo)入到ATOS中，用ATOS對樣品的形面進(jìn)行精確測量，為定量表征回彈量的大小，按下式定義回彈率:

式中，d0為模具曲面與初始試樣間的最大弦高(如圖3所示);dmax為試樣回彈后與模具面之間的最大弦高，

圖3 試樣回彈示意圖Fig.3 General view of springback

按照GB/T228—2002標(biāo)準(zhǔn)，使用線切割機將加工出標(biāo)準(zhǔn)室溫拉伸試樣，在CSS-44100電子萬能實驗機上進(jìn)行室溫力學(xué)性能測試，夾頭移動速度為2mm/min。采用XJP-6A型金相顯微鏡對試驗后的樣品進(jìn)行金相組織觀察;透射電子顯微分析在TECNAIG220型場發(fā)射透射電鏡上進(jìn)行，試樣人工減薄至80μm左右后，進(jìn)行電解雙噴減薄，腐蝕液為甲醇與硝酸的混合溶液，兩者體積比為7∶3。

2 結(jié)果與討論

2.1 回彈量

圖4為120℃VCAF處理和SCAF處理下樣品的回彈量變化情況，從圖中可以看出，隨時效時間的增加，VCAF處理和SCAF處理均能使試樣的回彈量逐漸降低。相比于SCAF試樣，引入振動后的VCAF試樣的回彈明顯降低。時效3h時，振動時效使得試樣回彈下降了 7.5%;時效 24h時，回彈下降12.3%。說明蠕變時效過程中施加少量次數(shù)的振動就能夠使得試樣回彈出現(xiàn)較明顯的下降，振動次數(shù)的增多可以增加試樣回彈的下降程度。此外，從曲線的變化趨勢上可以發(fā)現(xiàn)，兩種類型試樣的回彈下降逐漸平緩，均表現(xiàn)出逐漸飽和的趨勢。

蠕變時效成形過程中，鋁合金試樣在彎曲變形產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力和時效溫度的條件下蠕變，產(chǎn)生應(yīng)力松弛。這個過程中蠕變量越大，產(chǎn)生的應(yīng)力松弛也越大，回彈后試樣保留的塑性變形越多，即回彈量越小。因此，根據(jù)圖4中的結(jié)果，蠕變時效過程中加入振動后降低了回彈量，對成形的影響表現(xiàn)為增加了試樣蠕變量，即一種等效的應(yīng)力松弛作用。

圖4 SCAF和VCAF樣品的回彈量變化情況Fig.4 Springback evolution curves of SCAF samples and VCAF samples

圖5 強度變化曲線Fig.5 The strength evolution curves during the aging process

2.2 力學(xué)性能

圖5為兩種處理工藝下樣品的屈服強度和抗拉強度隨時間變化的曲線。圖中可見，兩種試樣的屈服強度和抗拉強度均經(jīng)歷了先增大后減小的過程。相比于蠕變時效SCAF試樣，引入振動的蠕變時效VCAF試樣的屈服強度與抗拉強度達(dá)到峰值的時間提前，并有較明顯的提高。當(dāng)時效至9h時，VCAF試樣達(dá)到峰值，屈服強度615MPa，抗拉強度為641MPa;當(dāng)時效至24h時，SCAF試樣達(dá)到峰值，且屈服強度599MPa，抗拉強度為622MPa。由此，可見振動時效的引入，可使蠕變時效試樣的峰值屈服強度提高約 15MPa，抗拉強度提高20MPa。

從微觀角度上分析，強度可以用以下公式表示［10，11］:

其中，σ0為基體固有強度，σss為固溶處理對強度的貢獻(xiàn)，σdis為位錯強化，σppt為析出相強化。在本文的實驗條件下，可認(rèn)為SCAF處理和VCAF處理后合金的σ0和σss值相同。由圖7可知，經(jīng)9h VCAF處理后的樣品，析出相的數(shù)量以及析出相的密集程度都比SCAF樣品大，因此VCAF處理后σppt的值比SCAF處理大，所以樣品VCAF3表現(xiàn)出較高的強度。在具有盤狀析出相的可熱處理強化鋁合金的時效過程中，沉淀相的強化作用主要來自于奧羅萬繞過機制，位錯繞過第二相粒子所需要的力可以用下式表示［12］:

圖6 金相組織對比Fig.6 Opticalmicrographs showing the grains structure of samples (a)VCAF5(b)SCAF5

式中，μ為剪切模量，b為柏氏矢量，λ為粒子間距。在析出相的長大過程中，析出相的數(shù)量降低且間距增大，根據(jù)公式(4)可知，位錯繞過第二相所需要的力逐漸減小，因而σdis和σppt由的值也隨之降低，因此VCAF試樣的強度也逐漸下降，并且低于SCAF試樣。

2.3 微觀組織

如圖6所示為7055鋁合金在120℃下VCAF5試樣與SCAF5試樣的金相組織照片。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，兩種狀態(tài)下的金相組織都基本上保持著扁狀的軋制形態(tài)，晶粒尺寸與形貌均無明顯差異。

圖7 試樣的晶內(nèi)析出相及相應(yīng)選取衍射花樣Fig.7 The precipitatesmorphology of the tested samples treated by different process(a)SCAF1;(b)SCAF3; (c)SCAF5;(d)VCAF1;(e)VCAF3;(f)VCAF5

圖7為VCAF和SCAF樣品分別在不同處理時間(3h、9h、24h)的＜001＞方向晶內(nèi)明場相及對應(yīng)的選區(qū)衍射花樣，一般認(rèn)為［13］，7×××系鋁合金的主要強化相η'(MgZn2)相，在時效過程中的析出順序為SSS→GP區(qū)→η'相→η相。時效9h后(圖7b、7e)均可以觀察到大量的析出相析出，并VCAF試樣較SCAF試樣中的析出相呈現(xiàn)出更加致密的特點。另外，時效24h后，VCAF5試樣中出現(xiàn)η相(如圖7)，表明VCAF5試樣開始進(jìn)入過時效，這與力學(xué)性能的變化相吻合。

3 結(jié)論

(1)振動的引入，在與SCAF處理相同的時間下，降低了回彈量，在經(jīng)24h處理后，VCAF5試樣回彈量較SCAF5試樣降低了12.3%;振動的引入對成形的影響表現(xiàn)為增加了試樣蠕變量，即一種等效的應(yīng)力松弛作用。

(2)在120℃下，相比于蠕變時效SCAF試樣，引入振動的蠕變時效VCAF試樣的屈服強度與抗拉強度達(dá)到峰值的時間提前，并使峰值強度提高7%。

(3)振動的引入，使VCAF試樣中第二相數(shù)量增多并且分布更加彌散。但VCAF試樣中出現(xiàn)η相的時間提前。

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