高成形性Al-Fe-Mn合金板材組織性能研究

近年來，新能源汽車開始得到迅速發展和普及，作為新能源汽車重要組成部分動力鋰電池產能也得到快速擴張。據統計2021年國內動力鋰電池裝機容量超過160GWh，預計未來幾年仍將爆發式增長。

鋰電池結構件一般由殼體和蓋板組成，廣泛采用鋁合金材料沖壓成形制備。其中蓋板結構較為復雜，其中間防爆片刻痕處厚度僅0.04mm，在電池內部壓力過高時可以自動破裂泄壓。

3003鋁合金板材具有良好的抗腐蝕性、散熱性、焊接性及深沖性能，大量用于制造動力電池結構件

。電池蓋板采用沖壓+激光焊接的工藝，將蓋板和防爆片分別沖制后再焊接在一起，制備工藝比較復雜，需要的設備較多且生產效率低，因此造成產品的成本較高。采用整體式加工工藝，直接沖制出含防爆片的蓋板結構件，可以簡化制備流程，降低產品的成本。然而3003鋁合金板材由于性能方面的限制，無法滿足這種工藝要求。本文分析研究了一種高成形Al-Fe-Mn鋁合金板材，該合金板材和3003板材強度等性能相近，但具有更好的延伸率和杯突值，可以較好的滿足一體式沖壓工藝要求。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用2組Al-Fe-Mn合金板材(H14態)采用如下工藝制備：熔鑄→均勻化→熱軋→冷軋→中間退火→冷軋，板材最終道次冷軋加工率為20%、板材厚度為1.2mm。用于性能對比的3003合金采用同樣的加工工藝，具有和Al-Fe-Mn合金板材相同的狀態和厚度。合金化學成分采用光譜儀進行測量，結果如表1所示。

1.2 試驗方法

對Al-Fe-Mn合金板材分別沿軋制方向的0°、45°和90°方向進行切割制備拉伸試樣，采用Zick/roell-Z100型萬能拉伸設備進行測試，用攝影機采集拉伸過程中的應變形貌數據，拉伸速率為0.5mm/min，通過自動分析實驗數據以獲得材料塑性應變比(r值)及制耳參數(△r值)。另外在板材上切割90mm×90mm的方形試樣，通過GBS-60B型杯突試驗機進行杯突測量。板材晶粒度和織構采用電子背散射(EBSD)方法進行分析，沿軋制方向切割10mm×10mm的矩形試樣，采用機械拋光+電解拋光的方法對試樣進行處理，將電解拋光后的試樣快速用水及無水酒精清洗，再放入丙酮或乙醇中避免樣品表面腐蝕和氧化污染。采用配備EBSD探頭的FEI Nova 400場發射掃描電子顯微鏡進行試驗分析，工作電壓20kV，工作距離15mm。

2 試驗結果及討論

2.1 板材力學性能

巴西位于拉丁美洲，其發展農業的自然條件比較優越，境內有許多尚未開發利用的平原和草場，常年濕潤且降雨量豐富。巴西在早期就確立了“以農立國”的國家發展戰略，根據OECD數據庫提供的數據顯示，巴西2013年GDP約2.47萬億美元，農業增加值占GDP的6%，農產品出口總額為999.68億美元，同比增長4.3%，占巴西出口總額的41.28%。其中牛肉和玉米的出口額為世界第四，糖和咖啡的出口額為世界第一，說明巴西的農業在其國民經濟中占據重要地位，且對整個世界發展有著重要的影響。

2.2 合金微觀組織

“呼哧”，卡爾松的兩只鼻涕蟲縮回了黑洞洞的大鼻孔里，現在他完全忘了足球，腦中只有軍事任務。他雙目炯炯地說：

研究顯示，當Fe+Mn的含量小于1.85時，可以有效的細化板材的晶粒組織。但是當其超過這一含量時，容易形成粗大片狀的(FeMn)Al

相，顯著降低板材的力學性能和加工性能。該Al-Fe-Mn合金板材中Fe+Mn的含量約在1.8左右，且含有較多的Fe元素，加速Mn從固溶體中析出，生成更大體積百分比的彌散相，如圖2所示。從圖中可以看出，析出相的尺寸大多在1～5μm，具有明顯的細化晶粒的作用，使板材在加工過程中獲得了細小的晶粒度，如圖3(a)所示。同時細小的析出相使板材在再結晶退火過程中出現明顯的促進晶粒形核作用。彌散分布的富Fe相在隨后的晶粒長大過程中又起到釘扎晶界，如圖3(b)所示。板材晶粒組織細小，再加上合金中作為雜質元素的Si、Cu、Cr、Zn等含量極低，使得其具有相比3003常規合金更高的杯突值和成形性能

。

Al-Fe-Mn合金是熱處理不可強化鋁合金，Mn元素在鋁合金中形成MnAl

，因而鋁合金的強度隨Mn含量增加而增加。Fe能與Al形成Al

Fe相，也能溶于MnAl

中形成(FeMn)Al

，降低Mn在鋁基體中的溶解度。

表3所示為兩個樣品板材所具有主要織構組分及體積量數。可以發現兩個批次試樣的織構組分還是存在一定差別。1#試樣具有較多高斯(Goss)織構、Cube-ND織構、R織構和P織構，而2#試樣則有較多數量的立方織構、黃銅和銅織構，兩者含有的S織構體積分數相近。研究顯示，鋁板材在進行深拉伸時，立方織構和高斯織構主要產生沿軋制方向0°和90°的制耳，而銅織構、黃銅織構及S織構則主要產生45°方向制耳

。當鋁板帶中不含有織構組織，晶粒取向是完全隨機分布的，那么這種情況就是最完美的各向同性材料，在深拉伸過程中不會出現任何制耳。但是實際上，經過熱/冷加工的鋁板帶必然存在織構，但是當這些織構體積比合適時，則出現8個小制耳或不出現制耳，即出現“偽各向同性”，這是深拉伸加工鋁板帶比較理想的織構組成。

2.3 板材織構分析

織構是多晶體金屬材料中出現的擇優取向現象，普遍存在于各種加工狀態的鋁合金材料中，通過織構組織的調控與優化，可以使金屬材料獲得某些優異的性能表現。鋁合金是一種具有高層錯能的面心立方結構金屬，其板材織構主要分布在α、β兩條取向線上，包括加工織構如S織構、銅(Copper)織構、黃銅(Brass)織構等和再結晶織構如立方(Cube)織構、R織構等。這些表征了不同晶粒取向的織構，對板材的深沖成形性能各自具有不同的影響。

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Al-Fe-Mn合金板材的取向分布函數ODF圖如圖5所示，其中圖5(a)和5(b)分別為1#試樣和2#試樣在φ2=0°、45°、65°和90°的ODF圖。從φ2=0°的ODF截面上，可以看出兩個Al-Fe-Mn合金板材試樣中都存在比較明顯的立方織構，立方織構來自中間退火工序，屬于再結晶織構，經過進一步冷軋后仍有大量殘余織構流入到成品板材。從φ2=45°和65°的ODF截面上可以看到分別存在少量銅織構和S織構，是經過最后一道次冷軋加工產生的。除此之外，兩個板材試樣中都出現了微量的高斯(Goss)織構，是熱軋過程中產生的，并殘留到冷軋成品鋁板中。

通過金相及EBSD方法對板材的微觀組織進行了分析，如圖2、圖3所示。

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圖4所示為通過兩組H14狀態Al-Fe-Mn合金板材取向圖，從圖中可以看出，該合金冷軋板晶粒取向主要為001方向，但還有部分晶粒取向為101方向，但1#試樣的取向為101方向的晶粒數量不同于2#試樣。

制備的Al-Fe-Mn合金板材應力應變曲線如圖1所示，合金板材及作為對比的3003-H14合金板材的強度、延伸率及杯突值如表2所示。從測量結果可以看出，兩種合金的抗拉強度比較接近，均在150MPa上下。Al-Fe-Mn合金板材的斷后延伸率略好于3003合金，其在0

也就是沿著軋制方向具有最大值，90

方向的延伸率最小。在表征板材深沖極限的杯突值方面，Al-Fe-Mn合金板材的埃里克森值平均在8.1左右，而相同狀態的3003板材埃里克森值平均只有7.1，遠遠小于前者。從延伸率和杯突值來看，該Al-Fe-Mn合金板材比3003板材應更容易加工變形較大的復雜結構件。

對于鋁合金板材，立方織構與加工織構的合理配比是織構控制的主要方面，有研究表明，S織構與立方織構的最佳體積比為1.67：1時，制耳高度最小。但根據表3的測試結果，Al-Fe-Mn合金板材S織構較少，并不滿足上述最佳比例，因此深拉伸過程預計會有較明顯制耳現象。

由圖4可得隨著激光能量的增加，噴濺速度一開始增加，而后又趨于穩定。噴濺速度變化范圍約在10m/s量級。激光能量增加，蒸發的材料增加，蒸氣引起的反沖壓力增加，則使得噴濺速度增加。有研究表明，大激光能量輻照下，氣化形式的質量遷移增加，而熔融物質減少，這可能是噴濺速率趨于飽和的原因。

表4為Al-Fe-Mn合金板材和3003板材的r值檢測結果，根據結果可知，高成形Al-Fe-Mn合金板材的r值較高，說明該板材在深拉伸時，不易發生因底部厚度減薄而開裂，但是其|△r|值較大，說明板材的各向異性較3003更明顯，在深拉伸時容易產生制耳。

對于Al-Fe-Mn合金板材，2#試樣同時存在立方織構和S織構，也即預示著在兩種織構之間存在過渡組織，對于平衡制耳、減少制耳高度起著重要作用，但立方織構及其與S織構之間的過渡織構有較高的0°和90°方向r值，而S織構在該0°方向的r值較低。可以說，0°方向r值的高低一定程度上取決于過渡織構的強弱，其他織構組分貢獻很小。從表3中可以看出，兩組試樣的立方織構體積比接近，其中2#試樣的立方織構稍高，因此二者的0°和90°方向r值非常接近。對應的45°方向，則S織構、黃銅(Brass)織構和銅型織構有較大的r值，織構測試結果顯示2#試樣存在較多的銅織構和黃銅織構，同時由于兩者的S織構體積比相同，因此2#試樣的45°方向r值大于1#試樣，拉伸加工時也會產生更明顯的45°方向制耳。

由于2#有較大的45°方向r值，因此其綜合r值大于1#試樣。材料拉深成形性能與r值密切相關，板材r值越大，拉深成形時越有利于凸緣的切向收縮變形和減小底部減薄，提高拉深件底部的承載能力，這也解釋了2#試樣的杯突值高于1#試樣的原因。

3 結論

高成形Al-Fe-Mn合金板材具有細小的晶粒組織和優異的綜合力學性能，在H14狀態下，該合金板材主要由立方(Cube)織構、S織構和銅(Copper)織構組成。與通常使用的3003合金相比，該合金板材成形性能較好，可以用于制作復雜的結構件，從板材織構組成和r值來看，雖然其具有較好的深沖極限，但是各向異性較大，在拉伸時可能會有較明顯的制耳。

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