郭曉琳 東 棟 王志敏 姜巨福

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2A12鋁合金半固態(tài)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(jī)器制造有限公司，北京 100013；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

利用鍛態(tài)變形鋁合金具有大量等軸晶和高能狀態(tài)的拉長(zhǎng)晶的微觀組織優(yōu)勢(shì)，提出了鍛態(tài)變形鋁合金直接半固態(tài)等溫處理制備半固態(tài)料坯（WASSIT），實(shí)現(xiàn)低成本半固態(tài)坯料制備。利用2A12鋁合金半固態(tài)坯料的制備驗(yàn)證了該方法的可行性。研究發(fā)現(xiàn)：利用熱軋狀態(tài)的2A12板材，在620℃半固態(tài)等溫處理溫度，保溫時(shí)間為25mins，能夠制備出晶粒細(xì)小、球化程度高的半固態(tài)坯料。在此基礎(chǔ)上，還成功觸變模鍛成形了高性能復(fù)雜零件。力學(xué)測(cè)性能測(cè)試結(jié)果表明，抗拉強(qiáng)度最高為490MPa，延伸率最大為18.2%。

變形鋁合金；半固態(tài)坯；等溫處理；觸變成形

1 引言

變形鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐蝕性和成形性好、成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天及兵器工業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用前景。在眾多的輕量化材料中，鋁合金以其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)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(lǐng)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(jiǎn)單，可以成形絕大多數(shù)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(huì)提高加工成本，且工藝流程長(zhǎng)，零件形狀也不能太復(fù)雜。因此，需要尋找一種工藝簡(jiǎn)單、成本低廉而性能又能滿足使用要求的新方法。20世紀(jì)70年代美國MIT的M.C. Fleming提出的半固態(tài)觸變成形技術(shù)具有這一優(yōu)勢(shì)[3～5]。半固態(tài)觸變成形技術(shù)是一種繼承了鑄、鍛工藝綜合優(yōu)點(diǎn)的近凈成形技術(shù)[6～8]。與鑄造相比，半固態(tài)觸變成形技術(shù)具有成形溫度低、設(shè)備壽命長(zhǎng)、制件精度高、組織均勻及其力學(xué)性能高等優(yōu)點(diǎn)；與固態(tài)鍛造相比，它的顯著優(yōu)點(diǎn)是用較小的力、較低的成本一次成形出形狀復(fù)雜、力學(xué)性能接近于鍛件的結(jié)構(gòu)零件[9～12]。

航天領(lǐng)域內(nèi)有這樣一類支架類產(chǎn)品，他們既具有復(fù)雜的形狀又具有較高的力學(xué)性能要求。對(duì)于這樣一類結(jié)構(gòu)件的成形制造問題，鑄造雖然能夠成形出產(chǎn)品的復(fù)雜形狀，但是產(chǎn)品的力學(xué)性能方面難以滿足要求；鍛造雖然在產(chǎn)品性能方面有優(yōu)勢(shì)，但是難以成形出復(fù)雜形狀。因?yàn)殇X合金在半固態(tài)下具有層流的充填能力，可以充填成形出復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)件，而且，半固態(tài)觸變成形也是在一定高壓下進(jìn)行充填，固相晶粒也會(huì)產(chǎn)生塑性變形流動(dòng)，這對(duì)于提升產(chǎn)品的力學(xué)性能方面非常有益。所以，對(duì)于上述支架類產(chǎn)品半固態(tài)觸變成形技術(shù)具有很好的應(yīng)用前景。

本文結(jié)合變形鋁合金自身的微觀組織特征及半固態(tài)觸變成形的技術(shù)特點(diǎn)提出了一種鍛態(tài)的變形鋁合金直接半固態(tài)等溫處理制備半固態(tài)坯料方法，并驗(yàn)證該制坯方法的短流程、低成本優(yōu)勢(shì)以及半固態(tài)觸變成形的精密成形性優(yōu)勢(shì)。

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 半固態(tài)等溫處理實(shí)驗(yàn)

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(tài)等溫處理過程中的微觀組織演變規(guī)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(tài)溫度區(qū)間，便于制定半固態(tài)等溫處理溫度。由圖1可以看出，2A12鋁合金的半固態(tài)溫度區(qū)間為：543～641℃。

在確定具體半固態(tài)坯料制備工藝參數(shù)之前，還要根據(jù)DSC數(shù)據(jù)結(jié)果研究2A12鋁合金材料在半固態(tài)等溫處理?xiàng)l件下的微觀組織演變規(guī)律，為制定合理的半固態(tài)等溫處理工藝參數(shù)提供技術(shù)支撐。將2A12鋁合金材料切成8mm×8mm×10mm的長(zhǎng)方體，然后將其利用電阻爐加熱至不同的半固態(tài)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(tài)觸變成形實(shí)驗(yàn)

選取航天領(lǐng)域某典型零件作為半固態(tài)觸變成形研究目標(biāo)，如圖2所示。圖3是半固態(tài)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(tài)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(tài)擠壓模具與液壓機(jī)固定安裝。采用電阻絲加熱方式保證模具溫度為400℃。實(shí)驗(yàn)中使用的通用液壓機(jī)為5000kN。熱處理方面，2A12熱處理溫度較常規(guī)鍛抬熱處理溫度低20℃左右。研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于2A12鋁合金半固態(tài)觸變成形件最優(yōu)熱處理制度（T4）為：470℃固溶1h+自然時(shí)效。此外，還采用T6熱處理研究其對(duì)組織性能的影響規(guī)律。具體T6熱處理制度為：470℃固溶1h+190℃1h+120℃24h。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 鍛態(tài)變形鋁合金直接半固態(tài)等溫處理制備半固態(tài)坯

目前，鋁合金半固態(tài)觸變成形技術(shù)的主要工業(yè)應(yīng)用是觸變壓鑄、觸變鍛造和觸變擠壓[13]。在液壓機(jī)上進(jìn)行半固態(tài)觸變鍛造和觸變擠壓是近些年來重要的發(fā)展方向。因?yàn)樵谝簤簷C(jī)上進(jìn)行半固態(tài)觸變鍛造和觸變擠壓設(shè)備投入少，技術(shù)成本低，而且成形零件質(zhì)量高。

而在液壓機(jī)上進(jìn)行鋁合金半固態(tài)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(shè)備，會(huì)增加使用成本，等溫處理法又難以獲得合格坯料，因此應(yīng)變誘導(dǎo)-熔化激活（SIMA）[14～16]和再結(jié)晶-重熔（RAP）法有很好的應(yīng)用前景[17～19]。應(yīng)變誘導(dǎo)熔化激活該方法是將鑄態(tài)坯料在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行熱加工，然后在室溫在進(jìn)行冷加工，再將其加熱至半固態(tài)溫度進(jìn)行等溫處理，從而獲得半固態(tài)坯料的方法。

圖4 鍛態(tài)變形鋁合金等溫處理技術(shù)示意圖

本研究中提出了一種新的變形鋁合金半固態(tài)坯制備方法，即鍛態(tài)變形鋁合金直接半固態(tài)等溫處理方法（WASSIT）。該方法的過程為：首先將鑄態(tài)變形鋁合金坯料進(jìn)行再結(jié)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(tài)溫度保溫。因?yàn)闊峒庸ぶ蟮淖冃武X合金坯料中具有等軸晶和拉長(zhǎng)晶。其中拉長(zhǎng)晶中存在大量位錯(cuò)纏結(jié)和塞積，還存在大量的亞晶界，這些非穩(wěn)定狀態(tài)的產(chǎn)物在從室溫加熱至半固態(tài)固相線溫度過程中會(huì)發(fā)生二次的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。從而使拉長(zhǎng)晶發(fā)生微觀組織形貌轉(zhuǎn)變，形成大量的等軸晶。這樣在半固態(tài)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(zhì)量的半固態(tài)坯料（圖4）。

此方法的優(yōu)勢(shì)明顯。可以利用現(xiàn)有的熱軋板材和熱擠壓棒材根據(jù)所觸變成形的零件體積和余量進(jìn)行下料，將其加熱至半固態(tài)溫度等溫處理后進(jìn)行半固態(tài)觸變成形，這使得半固態(tài)坯料制備過程大大縮短。加上半固態(tài)坯料的低變形抗力和好的充填能力，使之在成形高性能復(fù)雜構(gòu)件方面極具技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

3.2 A12鋁合金半固態(tài)坯料制備

圖5是2A12鋁合金在不同半固態(tài)等溫處理溫度條件下微觀組織演變過程。保溫時(shí)間為25min。當(dāng)?shù)葴靥幚頊囟葹?70℃時(shí)，其微觀組織中還存在明顯的拉長(zhǎng)晶粒。這說明當(dāng)?shù)葴靥幚頊囟葹?70℃時(shí)，再結(jié)晶過程還沒有完全完成。需要進(jìn)一步升高溫度來提供再結(jié)晶需要的動(dòng)力。當(dāng)?shù)葴靥幚頊囟忍嵘?90℃，其再結(jié)晶已經(jīng)完成，并且有球化趨勢(shì)。當(dāng)溫度進(jìn)一步提升，2A12鋁合金半固態(tài)坯料中固相晶粒尺寸進(jìn)一步增加，球化效果進(jìn)一步提升。當(dāng)溫度提升至615℃和620℃時(shí)，其微觀組織中固相晶粒球化效果已經(jīng)比較理想。所以結(jié)合2A12鋁合金在半固態(tài)溫度下微觀組織演變規(guī)律和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，2A12鋁合金半固態(tài)等溫處理工藝參數(shù)確定為：等溫處理溫度為615℃，保溫時(shí)間25min。

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

3.3 典型復(fù)雜零件半固態(tài)觸變模鍛實(shí)驗(yàn)研究

a 成形零件 b 取樣位置

圖6是利用鍛態(tài)變形鋁合金直接半固態(tài)等溫處理制備的2A12鋁合金半固態(tài)觸變模鍛的典型復(fù)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(tài)觸變成形技術(shù)具有很好的模具充填能力，能夠成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件。圖6b是力學(xué)性能測(cè)試和微觀組織分析的取樣位置。從構(gòu)件的底部、側(cè)壁和上部截取試驗(yàn)，進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。

如圖7所示，半固態(tài)觸變擠壓成形的2A12鋁合金支架熱處理前的力學(xué)性能達(dá)到：抗拉強(qiáng)度為354MPa，延伸率為14.6%。經(jīng)過T6熱處理，成形制件的力學(xué)性能達(dá)到：抗拉強(qiáng)度大于424MPa，延伸率大于8.8%。經(jīng)過T4熱處理，成形制件的力學(xué)性能達(dá)到：抗拉強(qiáng)度大于490MPa，延伸率大于18.2%。研究結(jié)果表明，對(duì)于半固態(tài)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?yàn)榻?jīng)過T4熱處理之后，半固態(tài)觸變擠壓成形的支架的力學(xué)性能更高。所以，對(duì)于2A12鋁合金半固態(tài)觸變成形件最優(yōu)熱處理制度（T4）為：470℃固溶1h+自然時(shí)效。

a 試樣未熱處理 b 試樣T6熱處理 c 試樣T4熱處理

4 結(jié)束語

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

b. 利用鍛態(tài)變形鋁合金直接半固態(tài)等溫處理方法成功制備了高質(zhì)量的2A12鋁合金半固態(tài)坯料，研究了不同處理溫度條件下坯料的微觀組織演變規(guī)律。最終確定參數(shù)為：加熱溫度620℃，保溫時(shí)間25min。

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

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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(yè)；研究方向：熱成形及技術(shù)創(chuàng)新。

2017-11-20