擠壓比對Be-50Al合金棒材熱擠壓成形的影響

摘" 要：根據鈹鋁合金的熱變形性質，提出鈹鋁合金熱擠壓成形工藝，并采用有限元方法進行仿真研究。對比鈹鋁合金棒材在不同擠壓比條件下的成形載荷及應力、應變分布。結果表明，變形所需載荷隨著擠壓比的減小而減小；變形應力較大區域為過渡區；坯料的應變量隨著擠壓比的增大而增大；坯料的應變速率隨著擠壓比的增大而增大。

關鍵詞：Be-50Al合金；熱擠壓；擠壓比；熱變形；應變速率

中圖分類號：TG376.2" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）35-0090-04

Abstract： According to the hot deformation properties of beryllium aluminum alloy， a hot extrusion forming process of beryllium aluminum alloy was proposed and simulated by finite element method. The forming loads， stress and strain distributions of beryllium aluminum alloy bars under different extrusion ratios were compared. The results show that： the load required for deformation decreases with the decrease of extrusion ratio; the region with large deformation stress is the transition region; the strain of the billet increases with the increase of extrusion ratio; the strain rate of the billet increases with the increase of extrusion ratio.

Keywords： Be-50Al alloy; hot extrusion; extrusion ratio; hot deformation; strain rate

鈹鋁合金是一種由鈹和鋁組成的合金材料，具有低密度、高強度、高剛度、優良的熱穩定性、良好的抗腐蝕性以及結合了鈹的低密度與鋁的易加工性等許多優良特性[1]。應用最廣泛的Be-38 wt.%Al合金的密度僅為2.1 g/cm3，比鋁輕約22.2%。這一特性使其成為航空、航天等領域的理想材料。除此之外，鈹鋁合金的比強度同樣優于鋁合金、鈦合金以及高強鋼。鈹鋁合金在高溫下仍能保持其力學性能，適用于高溫工作環境高韌性和抗腐蝕：鈹鋁合金具有良好的韌性和耐腐蝕性，能夠在惡劣環境中長期穩定工作。

熱擠壓技術是一種將金屬材料加熱至一定溫度后，通過模具施加壓力使其塑性變形并形成所需形狀的加工方法。由于其高效、精確和可重復性的特點，熱擠壓技術在航空航天、汽車制造、電子工業等領域得到了廣泛應用。熱擠壓技術主要依賴于金屬在高溫下的塑性變形能力。當金屬被加熱到一定溫度時，其原子間的結合力減弱，晶格結構變得松散，從而使得金屬具有較好的流動性和塑性。此時，通過施加壓力，金屬可以在模具內流動并填充模具型腔，形成所需的形狀。

呂一格等[2]為了縮短制造加工的時間，采用粉末冶金+熱擠壓成形的方式開展了鈹鋁合金的制備。結果表明，擠壓變形后，鈹顆粒以顆粒狀均勻分布于鋁相之中，并且材料的致密度明顯上升。除此之外，合金的硬度和強度也得到了提高。劉兆剛等[3]采用擠壓成形技術研究鈹鋁合金擠壓成形的影響因素，并分析了微觀組織結構，檢測了鈹鋁合金擠壓力學性能。結果表明，鈹鋁合金熱擠壓成形，力學性能有明顯改善。上述文獻證明，采用擠壓成形制備鈹鋁合金能夠進一步提高鈹鋁合金的力學性能。

本文采用數值模擬的方法計算了鈹鋁合金棒材熱擠壓成形過程，對比了不同溫度和不同擠壓比的仿真結果，得到鈹鋁合金棒材的最優擠壓工藝參數，為鈹鋁合金棒材擠壓模具的設計、模具材料的選擇和工藝的制定提供了依據。

1" 建模

采用三維軟件建立零件坯料和模具的三維模型，如圖1所示，然后將三維模型導入有限元軟件，再進行前處理。前處理主要是模擬條件的設置，包括坯料的材料屬性、網格劃分，同時設置初始條件，包括溫度、擠壓速度等等。設置完成后，進行計算。計算完成后，采用后處理軟件對模擬運算結果進行分析，并對模擬結果進行可視化，獲取成形載荷、應力應變情況、金屬流動情況等等，為零件成形方案的完善提供有力支撐。

本實驗采用的材料模型為球形粉末態Be-50 wt.%Al合金，其力學曲線參考文獻[4]的實驗結果，獲得了真應力-應變曲線。經過擬合處理，將曲線導入有限元軟件材料庫。

2" 數值模擬結果分析

2.1" 載荷分析

鈹鋁合金棒材熱擠壓成形過程中，載荷先快速增大，然后趨于平穩。對比了3種擠壓比模具載荷的變化規律（圖2），得到：隨著擠壓比的減小，所需載荷逐漸減小。擠壓比11模具擠壓過程所需載荷約為擠壓比2模具的3倍。因此，根據設備的實際情況，參考不同擠壓比模具的載荷變化規律，可設計匹配的模具。另外，根據載荷的變化規律，通過監控設備實際壓力的變化情況，判斷材料的變形階段，推測變形過程是否處于正常狀態。

2.2" 應力分析

材料變形過程中的應力分布是擠壓變形關注的重點，從圖3中可以看出，開始變形階段，過渡區材料所受壓力較大；而當坯料擠入棒材模腔后，坯料前端的應力開始降低；最終，坯料前端受力較小，僅受摩擦力影響。因此，在模具設計方面，變徑區域受力較大，磨損嚴重，可通過增加易換裝置，延長整套裝置的壽命，降低成本。

擠壓成形過程中，坯料不同位置所受應力不同，這將對其擠壓后組織有較大的影響。取不同擠壓比的不同位置進行應力分析，如圖4所示，結果表明：橫截面上靠近模具的位置應力上升較快，然后各位置將達到最大應力，最后又開始下降；對比了不同擠壓比模具中坯料的應力變化情況，總的變化趨勢相差不大。

2.3" 應變分析

擠壓成形技術不僅能成形工件，還能強化材料性能，擠壓過程的強化主要是變形強化。選擇不同區域進行應變分析，如圖5所示。結果表明：擠壓比越大的，材料的應變量越大，擠壓比11模具的應變量約為擠壓比2模具的2倍；對于同一坯料，不同區域材料的變形量相差也較大，因此擠壓變形后各區域的性能不均一，需后期進一步熱處理進行性能調控。

分別對坯料徑向的應變進行分析，從圖6可以明顯看出，靠近模具位置的坯料最終的應變最大，而靠近坯料中心區域的應變最小。對比分析不同擠壓比模具中坯料的變化規律可以得到，隨著擠壓比的減小，坯料的應變量明顯減小，這表明：擠壓比越大，坯料所受的變形量越大，越有利于材料晶粒的細化以及增加擠壓件的強度，達到強化材料的效果。

2.4" 應變速率分析

應變速率是變形能力的關鍵指標，通常變形速率越快，坯料越容易開裂。圖7顯示了不同擠壓比不同位置坯料的應變速率變化規律，可以看出，應變速率都具有先增大，后減小的規律。隨著擠壓比的減小，坯料的應變速率明顯減小，這表明：擠壓比越大，坯料在擠壓變形過程中，越有開裂的傾向。因此，需要結合坯料在不同條件下的變形能力進行擠壓比的設計。

對于鈹鋁合金而言，由于鈹相和鋁相互不相容，呈兩相結構的材料，類似復合材料結構。兩相的結合能力較弱，在變形過程中，對應變速率更敏感。因此，在設計擠壓比模具前，首先要對材料在不同變形速率條件下的變形行為進行了解，然后根據材料的變形行為進行模具的設計，選擇合適的擠壓比，這樣才能有效地避免擠壓過程中表面開裂、棒材不連續等缺陷問題出現。

3" 結論

擠壓比對鈹鋁合金棒材熱擠壓成形有較大影響。隨著擠壓比的增大，所需載荷成倍增加，擠壓比11模具所需載荷是擠壓比2模具的3倍；另外，坯料的變形量也更大，擠壓比11模具中坯料的變形量約是擠壓比2模具的2倍；坯料擠壓變形過程中應變速率隨著擠壓比的減小而明顯減小。

參考文獻：

[1] 李軍義，王東新，劉兆剛，等.鈹鋁合金的制備工藝與應用進展[J].稀有金屬，2017，41（2）：203-210.

[2] 呂一格，代彥明，劉兆剛，等.熱擠壓對鈹鋁合金顯微組織和性能的影響研究[J].稀有金屬與硬質合金，2019，47（5）：60-63.

[3] 劉兆剛，王維一，謝垚，等.鈹鋁合金擠壓成形技術研究[J].湖南有色金屬，2015，31（2）：49-53.

[4] 王晶，王旻，張晨，等.基于球形鈹粉制備的Be-50Al合金熱變形行為研究[J].稀有金屬材料與工程，2023（8）：2901-2908.