翟瑞志 尹慧 滕樹滿

(1．中國第二重型機械集團德陽萬航模鍛有限責(zé)任公司，四川618000)(2．廣西柳州鋼鐵集團有限公司，廣西545002)

由于輕質(zhì)高強的特性，7050鋁合金被廣泛應(yīng)用于各型飛機構(gòu)件的制造[1]。在實際生產(chǎn)中，常采用固溶加淬火的熱處理方式來提高7050鋁合金構(gòu)件的強度及斷裂韌性[2]。然而，在淬火過程中，由于內(nèi)外溫度的差異，構(gòu)件將產(chǎn)生熱處理殘余應(yīng)力，對構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性及疲勞壽命帶來顯著影響[3]。為消除殘余應(yīng)力，可在對其淬火后、機械加工前對其施加一冷變形量(即鋁合金的T7452工藝)，其原理如圖1所示[4]。近年來，借助于有限元計算的發(fā)展，材料研究者對7050鋁合金-T7452的工藝研究不斷深入，該工藝得到了不斷優(yōu)化[5]。然而深入研究后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有研究更多集中于模鍛件的殘余應(yīng)力消除，對自由鍛件的T7452研究相對較少。

圖1 鋁合金T7452工藝原理圖Figure 1 Process diagram of aluminum alloy T7452

本文以某7050鋁合金自由鍛件為研究對象，該鍛件為規(guī)則的長方體，最大外形尺寸1500 mm×500 mm×200 mm。首先利用熱力學(xué)計算軟件JMatPro7.0計算了7050鋁合金的固溶溫度及臨界冷卻速度，并基于該數(shù)據(jù)對該自由鍛件的固溶淬火過程進行了數(shù)值模擬，同時結(jié)合實際生產(chǎn)情況，討論了壓下量、壓下速度、進給量等自由鍛件生產(chǎn)工藝參數(shù)對鍛件殘余應(yīng)力消除效果的影響，以期對該類鍛件的T7452工藝參數(shù)優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1 有限元模型的建立

7050鋁合金的化學(xué)成分如表1所示[6]。為了確定7050鋁合金的固溶溫度，將7050鋁合金的化學(xué)成分輸入JMatPro7.0軟件計算了合金的平衡相圖及過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(CCT曲線)，如圖2、圖3所示。根據(jù)鋁合金的平衡相圖可知，當(dāng)溫度高于472℃時鋁合金中各析出相均溶于α-Al形成飽和固溶體，提升構(gòu)件的力學(xué)性能。在模擬時設(shè)置7050鋁合金的固溶溫度為475℃，并保溫5 h。淬火是為了保證冷卻時各析出相不從固溶體中析出使材料的強度下降。根據(jù)熱力學(xué)計算獲得的CCT曲線，η′相的臨界冷卻溫度為2.1℃/s，基于該數(shù)據(jù)對淬火工藝制定的正確性進行判斷。此外，還利用JMatPro7.0軟件計算了7050鋁合金的比熱容、彈性模量等熱物理性能參數(shù)，對基礎(chǔ)材料數(shù)據(jù)進行豐富。

表1 7050鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of 7050 aluminum alloy(mass fraction,%)

圖2 7050鋁合金平衡相圖Figure 2 Equilibrium phase diagram of aluminum alloy 7050

圖3 7050鋁合金 CCT曲線Figure 3 CCT curve of aluminum alloy 7050

將鋁合金鍛件從室溫加熱至固溶溫度475℃，隨后置于40℃的氯化鈉冷卻液中進行淬火處理。為了消除自由鍛件的熱處理殘余應(yīng)力，對鍛件進行分布冷壓變形，所使用的平砧寬400 mm，圓角R80 mm，如圖4所示?；谟邢拊M軟件對上述過程進行數(shù)值模擬，有限元參數(shù)設(shè)定如表2所示。

表2 有限元模擬參數(shù)設(shè)置Table 2 Parameter setting of finite element simulation

圖4 冷壓過程示意圖Figure 4 Schematic diagram of cold pressing process

2 模擬結(jié)果分析與討論

2.1 自由鍛件淬火溫度場與應(yīng)力場分布

圖5為自由鍛件淬火完成后表面與心部的溫度場云圖，淬火時間160 s。由圖5可知，自由鍛件淬火冷卻過程中四角冷卻最快，心部冷卻最慢，經(jīng)過150 s冷卻后，角部溫度降到40～45℃，心部溫度降到50～60℃。分別在表面及心部中心選取一個參考點(標(biāo)記P1與P2)，觀測兩點的溫度變化曲線，如圖6所示。由圖可知：表面與心部測量點溫度降到100℃需所需時間分別為30 s和105 s，平均冷卻速度分別為14.3℃/s和2.86℃/s，大于臨界冷卻速度的要求。同時在降溫過程內(nèi)外最大溫差可達288℃，據(jù)此分析溫差導(dǎo)致的變形不均勻性是自由鍛件熱處理殘余應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因。

圖5 淬火完成后7050鋁合金自由鍛件溫度場分布云圖Figure 5 Nephogram of temperature field distribution of aluminum alloy 7050 free forging after quenching

圖6 自由鍛件內(nèi)外測量點溫度變化曲線Figure 6 Temperature variation curves of internal and external measuring points of free forging

圖7(a)～(d)分別為自由鍛件在淬火后的等效應(yīng)力云圖及沿X、Y、Z方向的應(yīng)力分布圖，由圖可知，自由鍛件淬火完成后等效應(yīng)力主要分布于289～331 MPa區(qū)間，X、Y、Z方向上的應(yīng)力分別分布于-403～95.7 MPa、-433～-332 MPa及-427～-327 MPa區(qū)間，X方向上的應(yīng)力要顯著小于Y、Z方向。這是因為鍛件在X方向上的尺寸顯著小于Y、Z方向，內(nèi)部熱量從X方向散失更快，溫差較小，進而使X方向的熱處理殘余應(yīng)力更小。

(a)等效應(yīng)力 (b)X方向應(yīng)力

2.2 冷壓后殘余應(yīng)力的分布規(guī)律

如圖8(a)(b)分別為分步冷壓后的等效應(yīng)力分布云圖與等效應(yīng)變分布云圖。根據(jù)云圖可知，分步冷壓后自由鍛件的應(yīng)力分布呈現(xiàn)“魚鱗狀”，這是由于冷壓時鋁合金的非均勻變形造成的。淬火完成后自由鍛件的平均等效應(yīng)力值約為296 MPa，冷壓結(jié)束后自由鍛件的平均等效應(yīng)力約為148 MPa，下降約50%。結(jié)果表明采用分布冷壓工藝能有效降低7050鋁合金自由鍛件殘余應(yīng)力，提升鍛件的尺寸穩(wěn)定性及服役壽命。

2.3 冷壓工藝參數(shù)優(yōu)化

為了優(yōu)化冷壓工藝設(shè)計，結(jié)合自由鍛生產(chǎn)的設(shè)備特點，采用控制變量的研究方法，研究了冷壓壓下量、上砧壓下速度、進給量等工藝因素對7050鋁合金自由鍛件殘余應(yīng)力消減的影響規(guī)律。

圖9(a)反映了冷壓壓下量與自由鍛件等效應(yīng)力均值的關(guān)系。隨著冷壓變形量的增加，自由鍛件等效應(yīng)力均值呈現(xiàn)先減小再上升的趨勢，且選擇3%壓下量時等效應(yīng)力有最小值。這是由于冷壓變形量過小時，模具壓下施加的應(yīng)力無法與熱處理殘余應(yīng)力進行有效抵消，鍛件仍保留有較大的熱處理殘余應(yīng)力；而加大冷壓變形量，塑性變形應(yīng)力在卸載后無法完全消除轉(zhuǎn)化為加工殘余應(yīng)力，使鍛件的等效應(yīng)力均值增大。對于該自由鍛件，在生產(chǎn)時可選擇3%的冷壓變形量消除淬火殘余應(yīng)力。

(a)等效應(yīng)力 (b)等效應(yīng)變量

(a)冷壓變形量 (b)壓下速度 (c)進給量

圖9(b)展示了上砧壓下速度與等效應(yīng)力均值的關(guān)系。相較于冷壓變形量的影響規(guī)律，冷壓速度對等效應(yīng)力均值的影響不明顯，考慮到過大的冷壓速度會增大成形載荷、降低模具壽命，而過過小的冷壓速度將延長生產(chǎn)時間，降低生產(chǎn)效率，因此在生產(chǎn)時可選擇設(shè)備可移動速度的中間值進行生產(chǎn)。

圖9(c)展示了平砧進給量與鍛件等效應(yīng)力均值的關(guān)系。等效應(yīng)力均值與進給量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，這是因為平砧在下壓時主要依靠圓角與鋁合金接觸，對于同一自由鍛件，增大進給量將降低平砧壓下的面積，部分區(qū)域未得到有效變形，淬火殘余應(yīng)力未得到有效消除導(dǎo)致自由鍛件整體的等效應(yīng)力均值增大。在實際生產(chǎn)時應(yīng)根據(jù)鍛件的尺寸選擇合適的進給量，提升消減效果的同時不降低生產(chǎn)速度。

3 結(jié)論

本研究基于材料熱力學(xué)軟件JMatPro7.0對7050鋁合金的析出相進行了計算，應(yīng)用塑性成形有限元模擬軟件DEFORM模擬了某7050鋁合金自由鍛件的固溶、淬火及冷壓過程，結(jié)論如下：

(1)當(dāng)溫度大于472℃后各相溶于α-Al中形成過飽和固溶體，為防止脫溶在淬火冷卻時應(yīng)使7050鋁合金的冷卻速度大于2.1℃/s；

(2)在降溫淬火過程中自由鍛件內(nèi)外最大溫差可達288℃，溫差導(dǎo)致的變形不均勻性是自由鍛件熱處理殘余應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因；

(3)對自由鍛件施加冷塑性變形可以顯著降低淬火殘余應(yīng)力，采用3%的變形量、200 mm的進給量可以最大程度的消除淬火殘余應(yīng)力。