高強鋁合金薄壁管材旋壓制備技術

文/閆亮明·內蒙古工業大學

高強鋁合金薄壁管材旋壓制備技術

文/閆亮明·內蒙古工業大學

閆亮明，工學博士，副教授，主要研究鋁合金和鎂合金制備與加工，主持參與國家級和省部級項目10余項，發表論文20余篇，其中SCI和EI檢索15篇，擁有發明專利2項。

7055鋁合金

高強鋁合金具有密度低、強度高、加工性能好及焊接性能良好等特點，被廣泛應用于航天航空等領域。其中7055鋁合金是新型高強鋁合金中的杰出代表，7055鋁合金是在7050鋁合金基礎上增加Zn和Cu的含量，降低了Fe和Si雜質的含量，開發出的一種新型鋁合金。7055鋁合金和7050鋁合金相比強度更高，同時具有較強的斷裂韌性。美國鋁業公司生產的7055-T77合金板材強度比7150的高出10%，比7075的高出30%。近年來，國內外正在大力開發強度更高、韌性及耐腐蝕性能更好的新一代7055及7X55鋁合金，其中在優化合金成分、改善合金組織結構、開發新的熱處理制度方面研究較多。7055鋁合金的主要產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的重要構件。隨著科技發展，7055鋁合金板材和管材也將廣泛應用于船舶、車輛和高速列車領域。

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，根據鋁合金的材質不同，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2次擠壓后進行退火處理，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開裂問題。加工圖（Processing Map）能夠反映在各種變形溫度和應變速率下，材料高溫變形時內部微觀組織的變化，并且可對材料的可加工性進行評估，并可用來指導熱塑性成形工藝。加工圖是由動態材料模型（DMM）推導而來，該模型認為，變形體作為一個功率耗散體，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）。反應材料功率耗散特征的參數η為功率耗散效率。η是直接與組織相關的參數，其值與工件熱加工過程中顯微組織變化有關，可以利用在一定溫度和應變速率下的典型值來對這些顯微組織形成的微觀機制進行解釋，并且通過顯微觀察來進一步得到驗證，從而在加工圖中可以確定與單個微觀結構成形機制相關的特征區域的大致范圍。對于金屬材料而言，其加工圖包含安全區、流變失穩區和危險區。安全區在微觀機制上與動態再結晶、動態回復和超塑性有關，在材料安全加工區域內，η值越大，表明能量耗散狀態越低，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。因為在加工失穩區功率耗散效率可能也很高，所以確定出材料的加工失穩區是很必要的。

基于7055鋁合金的高溫壓縮試驗數據中采集合金不同應變、應變速率和變形溫度下的流變應力值，即可繪制不同應變量的加工圖。采用3次樣條函數擬合的方法計算應變速率敏感指數，在此基礎上進一步計算能量耗散效率因子和失穩參數。在變形溫度和應變速率所構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圖，最終將能量耗散圖和失穩區域進行疊加，即為7055鋁合金的熱加工圖，如圖1所示。應用加工圖來分析合金的加工性能，不僅可以優化加工工藝，而且可以避開流變失穩區域。圖1中陰影區為流變失穩區，等值線上的數字表示功率耗散系數。不同的區域功率耗散效率有所變化，說明溫度和應變速率對于合金動態能量消耗行為的影響非常顯著；而且圖1中失穩區域較大，說明該合金加工區域較窄。圖1中包含1個峰區（η最大值區域）和1個失穩區。

圖1 7055鋁合金的熱加工圖

峰區的溫度在375～425℃，應變速率小于0.0015/s，最大功率耗散系數在0.45以上；峰值對應的溫度和應變速率分別為400℃與0.001/s。失穩區包括了本實驗溫度范圍內應變速率高于0.025/s的區域，說明變形速率對該合金的加工性能影響很大。

圖1中功率耗散系數較高的區域代表特殊的顯微組織或流變失穩機制，可能發生了動態回復或動態再結晶，還有可能是局部流變失穩，需要結合變形后試樣的組織觀察和流變曲線來進一步確認。圖2a及2b是400℃下，應變速率分別為0.001/s和0.01/s變形條件對應的顯微組織。可以看到晶粒沿與壓縮垂直方向變長，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生了部分動態再結晶。已有研究指出對于高層錯能金屬，其動態再結晶耗散效率高，且發生在應變速率較低的情況下。這是因為在熱加工過程中，當動態回復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塞積，位錯密度不斷增高。當變形量達到一定程度后，金屬位錯應力場造成的畸變能累積達到動態再結晶所需要的能量，就在原始晶界形成新的未經變形的再結晶核心，開始動態再結晶。在相同的變形溫度下，隨著應變速率的增加，合金的應力值增大，位錯密度增大，聚集的畸變能也增大，再結晶核心部位增多，導致再結晶晶粒體積分數增加。

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鋁合金管坯進行460℃×9h+480℃×3h雙級均勻化處理，均勻化后進行車削剝皮。進行3道次熱旋壓，熱旋壓溫度為400℃，旋壓工作角26°，工模具預熱溫度為250℃，并采用氧―乙炔火焰噴槍補熱，進給比為0.5mm/r，道次減薄率為20%。接著進行5道次溫旋壓，溫旋壓溫度為300℃，旋壓工作角26°，工模具預熱溫度為250℃，并采用氧―乙炔火焰噴槍補熱，進給比為1mm/r，道次減薄率為20%。將旋壓好的管材進行460℃×1h+480℃×1h雙級固溶處理，然后進行120℃×12h+170℃×6h時效處理。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

結束語

針對7055鋁合金合在熱變形過程中容易出現開裂的現象。結合高溫壓縮試驗繪制不同應變量和溫度下的熱加工圖，在此基礎上獲得了合理的旋壓工藝參數，成功旋壓了7055鋁合金薄壁管材。