2A12鋁合金半固態觸變成形研究

郭曉琳 東 棟 王志敏 姜巨福

?

2A12鋁合金半固態觸變成形研究

郭曉琳1東 棟1王志敏1姜巨福2

（1. 北京航星機器制造有限公司，北京 100013；2. 哈爾濱工業大學材料科學與工程學院，哈爾濱 150001）

利用鍛態變形鋁合金具有大量等軸晶和高能狀態的拉長晶的微觀組織優勢，提出了鍛態變形鋁合金直接半固態等溫處理制備半固態料坯（WASSIT），實現低成本半固態坯料制備。利用2A12鋁合金半固態坯料的制備驗證了該方法的可行性。研究發現：利用熱軋狀態的2A12板材，在620℃半固態等溫處理溫度，保溫時間為25mins，能夠制備出晶粒細小、球化程度高的半固態坯料。在此基礎上，還成功觸變模鍛成形了高性能復雜零件。力學測性能測試結果表明，抗拉強度最高為490MPa，延伸率最大為18.2%。

變形鋁合金；半固態坯；等溫處理；觸變成形

1 引言

變形鋁合金具有密度小、比強度高、耐蝕性和成形性好、成本低等一系列優點，在航空、航天及兵器工業都有著廣泛的應用前景。在眾多的輕量化材料中，鋁合金以其獨特的性能優勢成為使用最多的輕量化金屬材料。減重的需求也成為航空、航天領域人員的共同宿愿[1，2]。

在鋁合金眾多制造方法中，鑄造工藝簡單，可以成形絕大多數形狀的零件，但其性能由于工藝本身的缺陷常常不易滿足使用要求；而鍛造會提高加工成本，且工藝流程長，零件形狀也不能太復雜。因此，需要尋找一種工藝簡單、成本低廉而性能又能滿足使用要求的新方法。20世紀70年代美國MIT的M.C. Fleming提出的半固態觸變成形技術具有這一優勢[3～5]。半固態觸變成形技術是一種繼承了鑄、鍛工藝綜合優點的近凈成形技術[6～8]。與鑄造相比，半固態觸變成形技術具有成形溫度低、設備壽命長、制件精度高、組織均勻及其力學性能高等優點；與固態鍛造相比，它的顯著優點是用較小的力、較低的成本一次成形出形狀復雜、力學性能接近于鍛件的結構零件[9～12]。

航天領域內有這樣一類支架類產品，他們既具有復雜的形狀又具有較高的力學性能要求。對于這樣一類結構件的成形制造問題，鑄造雖然能夠成形出產品的復雜形狀，但是產品的力學性能方面難以滿足要求；鍛造雖然在產品性能方面有優勢，但是難以成形出復雜形狀。因為鋁合金在半固態下具有層流的充填能力，可以充填成形出復雜形狀結構件，而且，半固態觸變成形也是在一定高壓下進行充填，固相晶粒也會產生塑性變形流動，這對于提升產品的力學性能方面非常有益。所以，對于上述支架類產品半固態觸變成形技術具有很好的應用前景。

本文結合變形鋁合金自身的微觀組織特征及半固態觸變成形的技術特點提出了一種鍛態的變形鋁合金直接半固態等溫處理制備半固態坯料方法，并驗證該制坯方法的短流程、低成本優勢以及半固態觸變成形的精密成形性優勢。

2 實驗過程

2.1 半固態等溫處理實驗

圖1 2A12鋁合金DSC曲線

選用2A12鍛造鋁合金材料，由軋制板材供貨。首先研究2A12鋁合金在半固態等溫處理過程中的微觀組織演變規律。利用示差掃描量熱（DSC）分析方法研究2A12材料固、液相線溫度，以確定2A12材料的半固態溫度區間，便于制定半固態等溫處理溫度。由圖1可以看出，2A12鋁合金的半固態溫度區間為：543～641℃。

在確定具體半固態坯料制備工藝參數之前，還要根據DSC數據結果研究2A12鋁合金材料在半固態等溫處理條件下的微觀組織演變規律，為制定合理的半固態等溫處理工藝參數提供技術支撐。將2A12鋁合金材料切成8mm×8mm×10mm的長方體，然后將其利用電阻爐加熱至不同的半固態溫度，保溫25min。利用金相顯微鏡觀察不同等溫處理溫度下的微觀組織形貌。

2.2 半固態觸變成形實驗

選取航天領域某典型零件作為半固態觸變成形研究目標，如圖2所示。圖3是半固態觸變擠壓模具凸模組裝后的宏觀照片和鋁合金下料后形貌以及半固態坯料制備后形貌。

a 正面 b 背面

a 模具 b 下料后形貌 c 制坯后形貌

利用梯角螺栓將支架半固態擠壓模具與液壓機固定安裝。采用電阻絲加熱方式保證模具溫度為400℃。實驗中使用的通用液壓機為5000kN。熱處理方面，2A12熱處理溫度較常規鍛抬熱處理溫度低20℃左右。研究發現對于2A12鋁合金半固態觸變成形件最優熱處理制度（T4）為：470℃固溶1h+自然時效。此外，還采用T6熱處理研究其對組織性能的影響規律。具體T6熱處理制度為：470℃固溶1h+190℃1h+120℃24h。

3 實驗結果及討論

3.1 鍛態變形鋁合金直接半固態等溫處理制備半固態坯

目前，鋁合金半固態觸變成形技術的主要工業應用是觸變壓鑄、觸變鍛造和觸變擠壓[13]。在液壓機上進行半固態觸變鍛造和觸變擠壓是近些年來重要的發展方向。因為在液壓機上進行半固態觸變鍛造和觸變擠壓設備投入少，技術成本低，而且成形零件質量高。

而在液壓機上進行鋁合金半固態觸變成形的主要困難就是坯料的制備。攪拌法需要制漿和冷卻的設備，會增加使用成本，等溫處理法又難以獲得合格坯料，因此應變誘導-熔化激活（SIMA）[14～16]和再結晶-重熔（RAP）法有很好的應用前景[17～19]。應變誘導熔化激活該方法是將鑄態坯料在再結晶溫度以上進行熱加工，然后在室溫在進行冷加工，再將其加熱至半固態溫度進行等溫處理，從而獲得半固態坯料的方法。

圖4 鍛態變形鋁合金等溫處理技術示意圖

本研究中提出了一種新的變形鋁合金半固態坯制備方法，即鍛態變形鋁合金直接半固態等溫處理方法（WASSIT）。該方法的過程為：首先將鑄態變形鋁合金坯料進行再結晶溫度以上的熱變形，然后冷卻至室溫后無需冷加工，再直接加熱至半固態溫度保溫。因為熱加工之后的變形鋁合金坯料中具有等軸晶和拉長晶。其中拉長晶中存在大量位錯纏結和塞積，還存在大量的亞晶界，這些非穩定狀態的產物在從室溫加熱至半固態固相線溫度過程中會發生二次的動態再結晶。從而使拉長晶發生微觀組織形貌轉變，形成大量的等軸晶。這樣在半固態等溫處理之前，變形鋁合金坯料的微觀組織形貌就是以大量的等軸晶為主。球化后可以制備高質量的半固態坯料（圖4）。

此方法的優勢明顯。可以利用現有的熱軋板材和熱擠壓棒材根據所觸變成形的零件體積和余量進行下料，將其加熱至半固態溫度等溫處理后進行半固態觸變成形，這使得半固態坯料制備過程大大縮短。加上半固態坯料的低變形抗力和好的充填能力，使之在成形高性能復雜構件方面極具技術優勢。

3.2 A12鋁合金半固態坯料制備

圖5是2A12鋁合金在不同半固態等溫處理溫度條件下微觀組織演變過程。保溫時間為25min。當等溫處理溫度為570℃時，其微觀組織中還存在明顯的拉長晶粒。這說明當等溫處理溫度為570℃時，再結晶過程還沒有完全完成。需要進一步升高溫度來提供再結晶需要的動力。當等溫處理溫度提升至590℃，其再結晶已經完成，并且有球化趨勢。當溫度進一步提升，2A12鋁合金半固態坯料中固相晶粒尺寸進一步增加，球化效果進一步提升。當溫度提升至615℃和620℃時，其微觀組織中固相晶粒球化效果已經比較理想。所以結合2A12鋁合金在半固態溫度下微觀組織演變規律和實際操作經驗，2A12鋁合金半固態等溫處理工藝參數確定為：等溫處理溫度為615℃，保溫時間25min。

a 570℃ b 590℃ c 600℃ d 610℃ e 615℃ f 620℃

3.3 典型復雜零件半固態觸變模鍛實驗研究

a 成形零件 b 取樣位置

圖6是利用鍛態變形鋁合金直接半固態等溫處理制備的2A12鋁合金半固態觸變模鍛的典型復雜零件和取樣位置。該零件拔模斜度為1°，沒有圓角半徑，其成形精密程度高于精鍛。這充分證明，半固態觸變成形技術具有很好的模具充填能力，能夠成形復雜結構零件。圖6b是力學性能測試和微觀組織分析的取樣位置。從構件的底部、側壁和上部截取試驗，進行力學性能測試。

如圖7所示，半固態觸變擠壓成形的2A12鋁合金支架熱處理前的力學性能達到：抗拉強度為354MPa，延伸率為14.6%。經過T6熱處理，成形制件的力學性能達到：抗拉強度大于424MPa，延伸率大于8.8%。經過T4熱處理，成形制件的力學性能達到：抗拉強度大于490MPa，延伸率大于18.2%。研究結果表明，對于半固態觸變擠壓成形的2A12鋁合金支架而言，T4熱處理工藝較T6熱處理工藝更好。因為經過T4熱處理之后，半固態觸變擠壓成形的支架的力學性能更高。所以，對于2A12鋁合金半固態觸變成形件最優熱處理制度（T4）為：470℃固溶1h+自然時效。

a 試樣未熱處理 b 試樣T6熱處理 c 試樣T4熱處理

4 結束語

a. 利用鍛態變形鋁合金的微觀組織優勢（等軸晶+拉長晶），提出了鍛態變形鋁合金直接半固態等溫處理制備半固態坯新方法（WASSIT）。該方法能夠直接利用現有熱軋板材和熱擠壓棒材直接分割后半固態等溫處理獲得半固態坯料。該方法成本低，流程短。

b. 利用鍛態變形鋁合金直接半固態等溫處理方法成功制備了高質量的2A12鋁合金半固態坯料，研究了不同處理溫度條件下坯料的微觀組織演變規律。最終確定參數為：加熱溫度620℃，保溫時間25min。

c. 利用WASSIT方法制備的2A12變形鋁合金半固態坯成功觸變模鍛成形了典型復雜高性能零件。零件T4處理的抗拉強度達到490MPa，延伸率達到18.2%。

1 石其年，熊惟皓. 鋁合金在汽車中的應用與發展[J]. 材料與表面處理技術. 2006 (12)：55～58

2 張鈺. 鋁合金在航天航空中的應用[J]. 鋁加工，2009(3)：50～53

3 Spencer D B. Rheology of liquid-solid mixtures of lead-tin [D]. USA: MIT, 1971

4 Spencer D B, Mehrabian R, Flemings M C. Rheological behavior of Sn-15 pct Pb in the crystallization range[J]. Metall Trans B 1972, 3:1925～1932

5 Flemings M C. Behavior of metal alloys in the semisolid state[J] Metall Trans B 1991, 22A:957～981

6 Plato Kaprnos. Semi-solid metal processing-a process looking for a market[J]. Solid State Phenomena. 2008, 141～143:1～8

7 羅守靖，姜巨福，杜之明. 半固態金屬成形研究的新進展、工業應用及其思考[J]. 機械工程學報，2003，39(11)：52～60

8 Jufu Jiang, Ying Wang, Yuanfa Li, et al. Microstructure and mechanical properties of the motorcycle cylinder body of AM60B magnesium alloy formed by combining die casting and forging[J]. Materials & Design, 2012, 37:202～210

9 Jufu Jiang, Ying Wang, Xi Nie, et al. Microstructure evolution of semisolid billet of nano-sized SiCp/7075 aluminum matrix composite during partial remelting process[J]. Materials & Design, 2016, 96:36～43

10 Jufu Jiang, Ying Wang. Microstructure and mechanical properties of the rheoformed cylindrical part of 7075 aluminum matrix composite reinforced with nano-sized SiC particles[J]. Materials & Design, 2015, 79:32～41

11 Kiuchi M, Kopp R. Mushy/Semi-Solid Metal Forming Technology-Present and Future[J]. CIRP Ann Manuf Techn 2002, 51:653～70

12 康永林，毛衛民，胡壯麒. 金屬材料半固態加工理論與技術[M]. 北京：科學出版社，2004

13 毛衛民，鐘雪友. 半固態金屬成型技術[M]. 北京：機械工業出版社，2004

14 Young K P, Kyonka C P, Courtois J A. Fine Grained metal composition. US4415374[P], 1982-03-30

15 Saklakoglu N, Saklakoglu I E, Tanoglu M, et al. Mechanical properties and microstructural evaluation of AA5013 aluminum alloy treated in the semi-solid state by SIMA process[J]. J Mater Process Technol, 2004, 148:103～107

16 Lee Sang-Yong, Lee Jung-Hwan, Lee Young-Seon. Characterization of Al 7075 alloys after cold working and heating in the semi-solid temperature range[J]. J Mater Process Technology, 2001, 111:42～47

17 Kirkwood D H, Sellars C M, Elias Boyed L G. Thixotropic materials. European Patent 0305375[P], 1992-10-28

18 Atkinson H V, Burke K, Vaneetveld G. Recrystallisation in the semi-solid state in 7075 aluminium alloy[J]. Mater Sci Eng A, 2008, 490:266～76

19 Atkinson H V, Liu D. Microstructural coarsening of semi-solid aluminium alloys[j]. Mater Sci Eng A, 2008, 496:439～46

Semi-solid Thixoforming Research on 2A12Aluminum Alloy

Guo Xiaolin1Dong Dong1Wang Zhimin1Jiang Jufu2

(1. Beijing Hangxing Machinery Manufacturing Co., Ltd，Beijing 100013；2. School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001)

The semi-solid billet was prepared by the forging wrought aluminum alloy semi-solid isothermal treatment (WASSIT) directly because there is large amount of equiaxed grains and high energy elongated grains in the forging wrought aluminum alloy. The semi-solid billet was prepared at low cost in this way. The method was verified by the experiment. It is found that the semi-solid billet with fine grain sizes and highly spheroidization could be prepared by using the 2A12 hot rolling plate with condition at 620℃ for 25mins. On this basis, the high performance complex parts are formed by the thixoforming forging forming successfully. The test results of mechanical properties show that the maximum tensile strength is 490MPa, the maximum elongation is 18.2%.

wrought aluminum alloy；semi-solid billet；isothermal treatment；thixoforming

郭曉琳（1980），博士，材料加工專業；研究方向：熱成形及技術創新。

2017-11-20