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鋁合金大鍛件多向鍛造均勻性研究
作者：admin
發(fā)布時間：24-06-05
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具有超強韌、高淬透性特點的7A85 鋁合金是新一代飛機主承力構件重要的結構材料。多向鍛造是大規(guī)格7A85 鋁合金構件一種重要的熱加工方式，主要通過鐓粗、拔長及打方等工步，消除鍛件內(nèi)部粗大的鑄造組織，降低材料的各向異性程度，提高構件的綜合力學性能。鍛造過程中，鍛件表面特別是與模具接觸時間較長的部位，溫降較快，導致鍛件開裂、組織不均勻等缺陷。目前，國內(nèi)在7A85鋁合金大規(guī)格鍛件成形過程中存在合格率低、質(zhì)量不穩(wěn)定等問題， 直接影響我國大飛機關鍵構件的自主制造。如何解決大規(guī)格鍛件變形均勻性、提高鍛件合格率已成為生產(chǎn)中急需解決的難題。
本文研究了模具溫度對7A85 鋁合金大規(guī)格鍛件多向鍛造成形均勻性的影響。利用Deform3D 有限元軟件對鍛造成形進行數(shù)值模擬，分析了模具溫度對鍛件溫度場和應變場均勻性的影響。開展了7A85 鋁合金工藝試驗，研究了不同模具溫度下鍛件各部位的組織演化規(guī)律及模具溫度對鍛件成形組織均勻性的影響，為優(yōu)化7A85 鋁合金大規(guī)格鍛件多向鍛造工藝，提高其組織和性能均勻性提供參考。
1 成形工藝仿真
1.1 工藝方案與基本參數(shù)
本文利用Deform3D 軟件對大規(guī)格7A85 鋁合金鍛件進行有限元成形工藝仿真， 坯料為Ф630mm×990mm 的7A85 鋁合金圓錠，經(jīng)過三鐓、兩拔、打方等多向鍛工序得到的鍛件尺寸為160mm×920mm×1700mm。在鍛造模擬中，不考慮模具的變形，模具材料屬性設為剛體。利用自動劃分網(wǎng)格功能對坯料進行網(wǎng)格劃分，坯料網(wǎng)格數(shù)為80000個，在計算過程中隨時根據(jù)網(wǎng)格畸變情況進行劃分， 以保證計算的精度和收斂性。分別對鍛件在不同工藝參數(shù)下的成形進行仿真分析(見表1)。
1.2 仿真結果分析
圖1為模具溫度380℃時鍛件溫度云圖，鍛件中心部位散熱效率低， 熱量散失少，但變形程度較大，產(chǎn)生了大量的形變熱和摩擦熱，溫度較高。鍛件的外表面尤其是端部，由于與空氣和模具接觸，熱量散失較快，但變形程度較小，產(chǎn)生的形變熱較少，溫度較低。圖2 為模具溫度250、350、380、420℃下鍛件溫度曲線?？梢钥闯?，4 種工況下鍛件最高溫度都在450℃左右，受模具溫度影響較小。鍛件最低溫度受模具溫度影響較大，隨模具溫度增大，鍛件的最低溫度顯著增大。鍛件的最低溫度由模具溫度250℃時的395℃增大到模具溫度420℃時的428℃。
圖3為溫度均方差，結合圖2可以看出，由于與模具接觸和摩擦， 鍛件溫度場均勻性受模具溫度影響較大。模具溫度越高， 鍛件成形時溫度分布越均勻，鍛件平均溫度越高，溫度均方差越小。4 種工況下， 鍛件成形時的最大和最小溫度差分別為57.4、33、29、28℃；平均溫度分別為438、442、445、445℃。 溫度均方差分別為8.49、6.17、5.9、5.82。因此，適當提高模具溫度，有利于提高鍛件溫度場的均勻性。
圖4 為模具溫度380℃時鍛件等效應變云圖，經(jīng)過多道次鐓粗和拔長工序，鍛件得到充分變形。成形時最小等效應變達到3.0 以上， 表明鍛件各部分均已鍛透，有助于減少晶粒尺寸，焊合內(nèi)部孔隙。鍛件各部分變形程度不一致，中心部位變形程度較大，等效應變達到11以上。難變形區(qū)域集中在兩端和外表面，等效應變值在3.5左右。圖5為不同模具溫度下鍛件等效應變曲線，4 種不同工況下，模具溫度為380℃時，鍛件變形均勻性較為理想，等效應變平均值為6.46，最大值與最小值差為7.65。
圖6 為鍛件等效應變均方差。等效應變分布不均勻，并且隨著變形程度增大，不均勻性更加突出。產(chǎn)生這種變形不均勻的原因， 一是模具與鍛件接觸面的摩擦影響， 二是與模具接觸的部分金屬由于溫度降低快，材料變形抗力增大,變形困難。模具溫度為380℃時，等效應變均方差最小，為0.94℃。因此，模具溫度為380℃時，鍛件的變形均勻性較好，有利于獲得均勻的微觀組織和力學性能。
2 工藝試驗
2.1 試驗材料與方法
試驗原材料為7A85 鋁合金， 其化學成分見表2。
用線切割將原材料加工成100mm×40mm×60mm的長方形試樣，試驗在40MN 液壓機上進行。試樣溫度為450℃，變形速度為1mm/s，變形程度均為50% ，模具溫度為250、300、350、380、400、420、450℃。用電阻爐對試樣和模具進行加熱，保溫時間為1.5h。鍛造前，在試樣兩端涂上潤滑油以減少摩擦的影響。對鍛造后的試樣進行固溶(470℃×4h，水冷)+時效(120℃×4h+160℃×12h，空冷)熱處理。
對熱處理后的試樣進行取樣，部位為法向與壓縮軸垂直的縱截面中部和邊部位置，對試樣進行研磨、拋光和腐蝕。腐蝕液采用混合酸溶液：1%HF+1.5%HCl +2.5%HNO3+95%H2O，用Leica 光學顯微鏡進行組織觀察分析。
2.2 結果與分析
圖7 為不同模具溫度下試樣邊界部位和中心部位的顯微組織。可以看出， 當模具溫度在250～380℃時，鍛件邊界部位沿垂直壓縮方向伸長，熱變形組織為纖維組織，沒有明顯的再結晶組織。這是因為邊界部位與模具直接接觸，溫度較低，變形儲能較少，合金主要發(fā)生了動態(tài)回復。當模具溫度在400～450℃時，邊界部分出現(xiàn)了部分再結晶組織，再結晶百分數(shù)較小，晶粒尺寸較大且分布不均勻。當模具溫度升高時， 邊界部位區(qū)域溫度升高，變形儲能增加，在變形過程中發(fā)生了少量的動態(tài)再結晶。當模具溫度在250～450℃時，中心部位均出現(xiàn)了大量細小均勻的再結晶組織。無論是再結晶晶粒尺寸還是再結晶百分數(shù)均差別不大。說明模具溫度對試樣中心部位組織演化影響不大。提高模具溫度，試樣各部位組織演變機制趨于一致，均發(fā)生了動態(tài)再結晶，有利于提高其組織均勻性。
3 結論
(1) 建立了7A85 鋁合金大規(guī)格鍛件多向鍛造成形有限元仿真模型， 開展了7A85 鋁合金樣件鍛造工藝試驗， 重點研究了模具溫度對鍛件變形均勻性的影響。
(2) 有限元仿真結果表明，當模具溫度在250～420℃范圍時，模具溫度越高，鍛件溫度均勻性越好。模具溫度為420℃時，鍛件平均溫度為445℃，溫度均方差為5.82℃；模具溫度為380℃時，鍛件等效應變均勻性較好，平均等效應變達到6.4 以上，等效應變均方差為0.94。
(3) 試驗研究結果表明，模具溫度對鍛件邊界組織演化影響較大。模具溫度在250～380℃時，鍛件邊界為纖維組織，沒有明顯的再結晶組織；當模具溫度在400～450℃時，邊界部分出現(xiàn)了部分再結晶組織。模具溫度對鍛件中心部位組織演化影響較小。當模具溫度在250～450℃時，中心部位均出現(xiàn)了大量細小均勻的再結晶組織。
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