鈹鋁合金棒材半固態(tài)擠壓成形研究

中圖分類號：TG146 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）24-0078-04

Abstract：Semi-solidextrusionofberyllumaluminumaloywasstudiedbyusingsemi-solidextrusionmethod.Theffectsof diedesignswithdiferentdieanglesontheextrusionforceoftheindenter，theforceontheblank，andthedeformatinof the blankduringtheextrusiondeformationprocesswereevaluatedthroughnumericalsimulation.Theresultsshowthattheload increasesrapidlywiththeincreaseinthedeformationofthebiletatfirst，thenrisesslowlyandfinallyaceleratesagain；with theincreaseintheextrusiondieangle，therateofpressureincreaseontheramincreases，requiringagreaterextrusionforce; andthe flowrate ofthe bilet during pressing does notchange significantlywith theincrease in theextrusion dieangle.

Keywords：berylliumaluminumaloy；semisolid;extrusion force; extrusion dieangle;numerical simulation

鈹具有低密度、高熔點、高剛度等許多優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于國防、航空航天等高科技領(lǐng)域。鈹鋁合金是一種繼承了金屬鈹優(yōu)異性能的合金材料，因其獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)而廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、計算機(jī)硬件以及高精密設(shè)備等領(lǐng)域，已成為一種越來越重要的新型結(jié)構(gòu)材料[1-2]。早在20世紀(jì)70年代，美國核金屬公司（現(xiàn)斯達(dá)麥特）與洛克赫得·馬丁電子發(fā)射公司（洛克公司）合作開發(fā)了最早的商業(yè)用鈹鋁合金—洛克合金。該合金含 62% 的鈹和 38% 的鋁，采用預(yù)合金化粉末制取，主要用于高精密產(chǎn)品。由于復(fù)雜的工藝過程導(dǎo)致高成本，這種商業(yè)產(chǎn)品在70年代后期停止生產(chǎn)。80年代，斯達(dá)麥特公司和布拉什·威爾曼公司聯(lián)合開發(fā)新型鈹鋁合金，開發(fā)了Berylcast族鈹鋁合金，布拉什·威爾曼公司開發(fā)了AIBeMet系列合金。近年來，隨著科技的不斷進(jìn)步，鈹鋁合金的研究和應(yīng)用得到了進(jìn)一步的發(fā)展。研究人員通過改進(jìn)生產(chǎn)工藝和優(yōu)化合金成分，提高了鈹鋁合金的性能并降低了生產(chǎn)成本。此外，一些新的鈹鋁合金系列也被開發(fā)出來，以滿足不同領(lǐng)域的需求。

粉末冶金和鑄造是鈹鋁合金常用的制備方法。自20世紀(jì)70年代起，洛克公司使用粉未冶金法生產(chǎn)鈹鋁合金，國內(nèi)也開展了大量粉末冶金工作。這種方法包括先用惰性氣體霧化法制取預(yù)合金粉，然后將粉末經(jīng)冷等靜壓壓至理論密度的約 80% ，再經(jīng)熱等靜壓成形工件[4-5]。熔模鑄造法被用于生產(chǎn)高精度的復(fù)雜部件。該方法包括用蠟制作模型，在其上涂覆耐火材料，然后加熱使蠟熔化并排出，留下一個模具。隨后將熔融的金屬倒入模具中，冷卻后得到鑄件。但是，粉末冶金無法近凈成形復(fù)雜工件，鑄造方法雖然可以成形復(fù)雜零件，然而，鑄造鈹鋁合金由于鈹、鋁兩相熔點差異大、互溶度低、幾乎沒有金屬間化合物，使得其微觀組織具有顯著糊狀凝固特征，鑄造性能差，容易產(chǎn)生內(nèi)部缺陷。半固態(tài)成形技術(shù)利用半固態(tài)漿料低變形抗力的特性，既能避免由于寬凝固區(qū)帶來的凝固縮松缺陷，又能實現(xiàn)復(fù)雜凝固的近凈成形。

半固態(tài)成形技術(shù)是一種利用金屬在固液兩相共存狀態(tài)下進(jìn)行加工的方法。與傳統(tǒng)的全液態(tài)或全固態(tài)金屬加工相比，半固態(tài)成形具有許多獨特的優(yōu)點，例如更高的成形精度、更好的材料性能和更廣泛的適用性。半固態(tài)成形技術(shù)主要依賴于金屬在固液兩相共存狀態(tài)下的特性。在這種狀態(tài)下，金屬具有一定的流動性，可以像液體一樣填充模具，同時又保持一定的固體形態(tài)，使得成形后的產(chǎn)品具有更高的精度和更好的機(jī)械性能。半固態(tài)成形技術(shù)已在汽車、航空航天、電子等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。例如，在汽車行業(yè)中，半固態(tài)成形技術(shù)被用于制造發(fā)動機(jī)零件、變速器殼體等；在航空航天領(lǐng)域，半固態(tài)成形技術(shù)被用于制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)件、衛(wèi)星部件等；在電子領(lǐng)域，半固態(tài)成形技術(shù)被用于制造手機(jī)外殼、電腦配件等。

鈹鋁合金加熱到液相線溫度（ 644^°C ）以上，變形抗力大幅度降低。但是由于鈹鋁合金半固態(tài)狀態(tài)下，鋁相為液相，鈹相為固相，具有較好的流動性。本文采用數(shù)值計算的方法，分析不同模具設(shè)計和工藝參數(shù)對鈹鋁合金棒材成形性的影響。為后期鈹鋁工件的制備提供指導(dǎo)。

1建模

采用三維軟件建立零件壞料和模具的三維模型，如圖1所示。然后將三維模型導(dǎo)入有限元軟件，再進(jìn)行前處理。前處理主要是模擬條件的設(shè)置，包括壞料的材料屬性、網(wǎng)格劃分，同時設(shè)置初始條件，包括溫度、擠壓速度，等等。設(shè)置完成后，進(jìn)行計算。計算完成后，采用后處理軟件對模擬運算結(jié)果進(jìn)行分析，并對模擬結(jié)果進(jìn)行可視化，獲取成形載荷、應(yīng)力應(yīng)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半固態(tài)態(tài) Be-50wt.% Al合金，其力學(xué)曲線參考文獻(xiàn)[6的實驗結(jié)果，獲得了真應(yīng)力-應(yīng)變曲線。經(jīng)過擬合處理，將曲線導(dǎo)人有限元軟件材料庫。

圖1不同擠壓模角的模具

2 結(jié)果分析

2.1 壓頭載荷分析

壓頭載荷的預(yù)估對設(shè)備的選擇和擠壓變形過程壓力的評估具有重要意義。對模具進(jìn)行了載荷分析，得到了上模具擠壓力隨著擠壓時間的變化規(guī)律。結(jié)果表明：隨著壓頭的下壓，變形前期壓力先快速升高；中期上升速率有所下降，后期又快速增大，如圖2所示。

變形前期，由于進(jìn)行變徑區(qū)，壓力快速增大；中期，材料已經(jīng)進(jìn)入模具，由于擠壓桶摩擦力的增加，所以載荷增加有所減緩；后期，由于流動前端的壞料已經(jīng)觸及模具底部，受力狀態(tài)發(fā)生變化，所以載荷又快速增大。

圖2不同變形階段的載荷變化規(guī)律

2.2擠壓模角對載荷的影響

擠壓模角是決定壓頭載荷的關(guān)鍵因素之一。對比 3種擠壓模角模具載荷的變化規(guī)律，載荷的變化規(guī)律相同，如圖3所示。除此之外，隨著擠壓模角的增加，載荷的上升速率有所增加，且最大載荷逐漸增大。

圖3不同擠壓模角模具的載荷

2.3 擠壓模角對流動速率的影響

半固態(tài)觸變擠壓成形過程中，壞料的流動速率對變形抗力的影響較大。針對3種擠壓模角的模具區(qū)域3個位置壞料進(jìn)行流動速率的研究。結(jié)果表明：變形前期，流動速率逐漸增大，且越靠近壓頭區(qū)域，流動速率越緩慢；但是，在變形后期各區(qū)域的流動速率都趨于相同，如圖4所示。對比3種模具同一位置的坯料的流動速率，最大流動速率相差不大；但是擠壓模角越大，流動速率增加越快。

圖4不同擠壓模角壞料的流動速率

2.4擠壓模角對壞料內(nèi)部受力的的影響

對于鈹鋁合金半固態(tài)壞料而言，在 700^qC 時，坯料有固相的鈹和液相的鋁組成，在受到外來作用時，可能引起金屬鋁液被擠出，造成固液分離。而金屬鋁液被擠出需要受到外施加的應(yīng)力。因此，分析壞料的受力情況，有利于幫助控制擠壓后壞料的均勻性。

分析了不同擠壓變形階段壞料的受力情況，如圖5所示。變形初期主要是模具變徑處所受應(yīng)力較大，此處容易引起液相被擠出，固相率增加。隨著擠壓的進(jìn)行，前端的坯料已經(jīng)進(jìn)人到模具前端，所受應(yīng)力減小，此時所受的應(yīng)力減小，固液分離的幾率減小。因此，可以明確造成鈹鋁合金半固態(tài)擠壓過程中固液分離主要是在模具變徑過度階段。

為了也測擠壓模角對固液分離的影響，對比分析了 60^°，70^° 和 80^° 擠壓模角條件下半固態(tài)坯料的受力情況，如圖6所示。從圖6中可以明顯看到，不同位置所受到的應(yīng)力先增大后減小，且越靠近壓頭的位置受到的應(yīng)力越大，而且受擠壓的時間越長。這樣，在變形過程中，后端的料固相率也越大。隨著擠壓模角的增加，中心區(qū)域的坯料所受最大應(yīng)力逐漸減小，并且所受擠壓時間也越短。由于擠壓角增大，邊緣區(qū)域的坯料流動速率減慢，反而中心區(qū)域的坯料流動速率在增加。在此情況下，邊緣區(qū)域流動受阻，而中心區(qū)域的坯料反而快速流動到前端。但是，隨著擠壓比的增加，應(yīng)力的增加速率明顯加快，應(yīng)力的急劇變化對坯料的均勻流動反而不利，加劇固液分離。因此，擠壓模角的增加不利于坯料的均勻流動，從而固液分離造成最終擠壓件的組織不均勻。

圖5不同變形階段的應(yīng)力變化規(guī)律

圖6不同擠壓模角坯料的流變應(yīng)力

3結(jié)論

擠壓模角是擠壓模具設(shè)計的關(guān)鍵，決定著擠壓載荷和材料的流動性。借助數(shù)值模擬技術(shù)分析擠壓模角對載荷、流動速率的影響。擠壓過程中，由于坯料流動位置的不同，受力方式也不同，因此，載荷變化分為3段。擠壓模角決定著材料所受擠壓程度不同，擠壓角越大，載荷也越大。由于半固態(tài)坯料流動性較好，因此不同擠壓模角模具對材料最終的流動速率影響不大。

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