7050-T7452高强铝合金的开坯与锻造工艺研究

文章编号167201212010060065047050一T7452高强铝合金的开坯与锻造工艺研究孙炊。李付国。李志杰，唐军，彭富华1西北工业大学材料学院，陕西西安710072；2陕西宏远航空锻造有限公司，陕西成阳713801；3成都飞机工业集团有限责任公司，四川成都610091摘要为了研究7050高强铝合金开坯工艺的变形均匀性及锻件的断裂韧性，采用数值模拟、微观组织分析及紧凑拉伸试样的K，C试验等，分析研究7050高强铝合金铸坯改锻和挤压坯锻造的变形均匀性、显微组织和断裂韧性，得到了两种开坯工艺条件下坯料的平均等效应变、变形均匀系数、晶粒尺寸大小及分布和断裂韧度值。结果表明铸坯改锻工艺的变形均匀性较好，其平均等效应变约为72，变形均匀系数约为0475；挤压坯锻造工艺的变形均匀性较差，其平均等效应变约为19，变形均匀系数约为0954；铸坯改锻工艺的平均晶粒尺寸与挤压坯锻造工艺基本相当，约为75TXM，但铸坯改锻工艺的晶粒尺寸比挤压坯锻造更均匀；铸坯改锻工艺下锻件的K，C满足AMS4108F标准要求，而挤压坯锻造工艺不满足，其原因是挤压坯锻造后脆性较大，并残留有挤压织构。关键词机械制造；开坯锻造；7050铝合金；数值模拟中图分类号TG316文献标识码B1引言7050高强铝合金是美国ALCOA铝业公司20世纪70年代研制的优质高强铝合金，具有高强、高韧和耐腐蚀等优良的综合性能LL2。目前，7050铝合金的研究热点主要集中在铸锭的制备、合金均匀化以及通过热处理工艺来优化和提高其综合性能1，而针对不同开坯212艺对7050铝合金组织及性能的影响研究却很少，特别是在7050铝合金的锻造开坯领域，国内外的相关研究更是罕见L38。本文通过对比两种锻造开坯212艺，以变形均匀性及断裂韧性为指标，优化出了更适合国产化7050高强铝合金的开坯工艺规范。2212艺方案21实验材料7050合金化学成分特别是杂质FE、SI的含量对铝合金力学性能有很大影响。表1中给出了研究坯料的化学成分，其中铸坯状态为7050一O1，挤压坯状态为7050一H112，坯料改锻热处理后，自由锻件状态为7050T7452。22212艺流程收稿日期20100927作者简介孙1989一，男，硕士在读，主攻合金锻造工艺表1坯料的415学成分SIFECUMNMGCR0O19007721012160013ZNTJZR其他AL5840029O11O15余量铸坯改锻开坯与传统挤压坯锻造进行比较，锻造温度为450C，变形速度为20MMS，道次锻造比为1214。挤压坯锻造300MMX515MM轴向镦粗至35O5MMX3953MM；轴向拔长至290MM435MM；拔长、整形至2655MMX2925MMX4705RAM。铸坯改锻工艺分三火完成第一火482MMX215MM拔长至38OSMMX27OMM，拔长至3205MM380MM，拔长至2805MMX5OOMM，镦粗至330MMX3605MM，拔长至465MM3模拟验证为了X,L比分析两种工艺的变形程度和变形均匀性，现X,J以上工艺过程进行了有限元模拟。31有限元模型模拟采用DEFORM一3D有L限元软件，坯料变形温度450C，上模下压速度20MMS，步长5MM，摩擦系数03，热传导系数2WM2K，两种坯料均划分20000个网格，7050铝合金的流变应力模型采用双曲正弦型模型9，具体参数由试验测定。32模拟结果分析模拟得到了成形载荷曲线，其峰值载荷为1187X10N，从而选定16000KN水压机作为开坯锻造设备。坯料变形程度和变形均匀性决定了7050高强铝合金坯料不同方向力学性能的好坏，也是高倍金相图L挤压坯锻后等效应变分布A坯料锻后形状BLT截面CST截面D截面高倍金相图2铸坯改锻后等效应变分布A坯料锻后形状BLT截面CST截面AL截面衡量坯料开坯与成形好坏的重要依据，因此，变形应尽量均匀。在本文研究的两种工艺中，坯料经历多次镦拔，流动比较复杂，为了反映不同工艺条件下的变形均匀性，选取坯料三个方向纵向、横向、高向ST的中间截面分别计算其变形的均匀系数RMXERRI,NEZZ式中仅变形均匀系数；横截面最大等效应变；横截面最小等效应变；一横截面平均等效应变；Z广一等效应变的单元长度。由式1表明值越小，变形均匀程度越好。12坯料三个1给出了的等效应、S和L从图中可压坯锻后中坯料经防止挤压B119CI58DI97B564C65ID7_38E826F91310OHIO9坯料强度过高而导致脆性增大，挤压坯锻造过程没有经过大量的反复镦拔。利用式2计算出两种工艺条件下坯料锻后三个方向的平均等效应变值，见表2。表2两种工艺条件下坯料的平均等效应变一SR挤压坯锻造183519311966铸坯改锻706472637132利用式1计算出两种工艺条件下坯料三个方向的变形均匀系数，见表3。表3两种工艺条件下坯料变形均匀系数S71三挤压坯锻造099209430926铸坯改锻048104680477由表2可看出，铸坯改锻后坯料的各向平均等效应变明显高于挤压坯锻造，前者是后者的374倍，说明设计的铸坯改锻工艺变形程度更大，其力学性能会更均匀。变形均匀系数表明了单位平均等效应变的极差，变形均匀系数越小，说明等效应变极差越小，表明变形越均匀。从表3中可看出，铸坯改锻的变形均匀系数约为挤压坯锻造的一半，说明铸坯改锻坯料的变形均匀性优于挤压坯。；。陂艄4材料组织与性能图3给出了不同工艺条件下7050高强铝合金锻件经固溶时效处理T7452后不同方向截面的微观组织照片。其中，图3A、B、C为图1A挤压坯锻件取样位置处LT、ST和方向截面的微观组织，图3D、E、F为图2A中铸坯锻件取样位置处LT、ST和L方向截面的微观组织。以上固溶时效工艺为4653固溶处理，125OC6H125C12H时效，其中固溶处理后冷压缩15永久变形以消除残余应力，然后人工时效。由图3可知。两种工艺条件下懒田图37050铝合金自由锻件的微观组织A挤压坯，|方向截面B挤压坯S方向截面C挤压坯L方向截面D铸坯，J方向截面E铸坯ST方向截面F铸坯，J方向截面显微组织中均存在大量的灰色质点状MGZN和少量的黑色条状A1MG3ZN，【L2】。其中，MGZN分布在晶粒内部和晶界上，能“钉扎”位错，阻止了位错滑移，从而抑制了再结晶的发生，防止材料发生软化，提高了材料强度；AIMG3ZN主要分布在固溶体内部和晶界上，在固溶体内部的A1MG3ZN，不会使材料在使用中出现裂纹，对材料性能影响很小，而晶界上分布的A1MG3ZN可以提高材料的屈服强度，但过量的A1MG3ZN，容易使材料在变形过程中于晶界处出现裂纹，并导致材料脆性增大，韧性降低FJ2】。图3A、B中存在明显的变形织构，而在图3C中没有出现，说明变形织构为挤压工艺遗留，同时，图3A、B和C中晶粒分布不均匀，在带状织构区分布稀疏，且尺寸较大，而在非条带区分布密集，且尺寸较小；在图3D、E和F中没有明显的变形织构，晶粒分布均匀，晶粒大小也很均匀。铸坯改锻后晶粒大小及分布都比挤压坯锻造工艺均匀，说明铸坯改锻工艺材料变形比挤压坯改锻均匀。为了更精确地研究两种工艺条件对7050铝合金变形均匀性的影响，分别测量出不同工艺条件下材料各方向截面的晶粒尺寸。文中采用三点定圆法标定各晶粒大小，并以圆的半径表示晶粒尺寸。由于挤压坯锻造后残留有流线织构，如果圆的面积与织构面积相等，则三点定圆法误差较大。实际测量中取圆的面积为平面织构的09，因为织构在L方向截面的面积较小，这样织构的体积与由所测半径得到的球的体积基本相等。图4给出了两种工艺条件下7050铝合金锻件不同方向截面的晶粒尺寸分布，其中，图4A、B、C为挤压坯锻造后、ST和L方向截面的晶粒尺寸分布，图4D、E、F为铸坯改锻后，J、ST和L方向截面的L612S嚣401612薹S器4OL612荽S器40O5OL00150采样数量I612SO20025005O10O150200250A挤压坯，J71方向截面1612S器O采样数量B挤压坯ST方向截面I二J一0T050100150200250050100150200250采样数量采样数量C挤压坯方向截面D铸坯，方向截面1612S器40050100150200250050LO0150200250采样数量采样数量E铸坯ST方向截面F铸坯，J方向截面图4两种工艺对7050铝合金晶粒尺寸的影响晶粒尺寸。图4中横坐标为采样数量，纵坐标为尺寸，中间直线表示晶粒尺寸的平均值。由图可出，两种工艺条件下各方向的平均晶粒尺寸相大，但是挤压坯锻造后晶粒尺寸较分散，且晶粒不均匀，这将影响到锻件的韧性；而铸坯改锻后尺寸较集中，晶粒大小也均匀，因此，可以有效高锻件的韧性。表4和表5分别给出了两种工艺条件下锻同方向截面的平均晶粒尺寸和晶粒尺寸分布方差。由表4可知，两种工艺锻件三个方向截面的平均晶粒尺寸相差很小，同一方向截面平均晶粒尺寸最大差值为O41XM，说明两种512艺对坯料的平均晶粒尺寸影响不大，材料在变形过程中晶粒只是7ETZ了变形，没有晶粒细化和晶粒长大过程，反映出材料在热加工过程中没有发生再结晶，从而有效抑制了材料强度的降低。由表5可知，挤压坯锻造512艺下三个方向截面的晶粒尺寸方差明显大于铸坯改锻下坯料三个方向截面的晶粒尺寸方差，说明铸坯改锻工艺下坯料三个方向下晶粒尺寸较均匀。表4两种工艺锻件各方向截面的平均晶粒尺寸LTIMSTIMUM挤压坯锻造787575铸坯改锻75747_3表5两种工艺锻件各方向截面的晶粒尺寸方差LTIXMSTPMLLLM挤压坯锻造34535431O铸坯改锻204223269通过对两种工艺条件下7050铝合金锻件做紧凑拉伸试样CT的K，。试验，结果表明铸坯改锻工艺下紧凑拉伸试样LT方向正常开裂的IN裂韧度平均值为323MPAM，TL方向正常开裂的断裂韧度平均值为297MPAM；而挤压坯锻造工艺下紧凑拉伸试样LT方向正常开裂的断裂韧度平均值为265MPAM。AMS4108F标准要求7050高强铝合金锻件7050一T7452K，C275MPAM，铸坯改锻工艺下紧凑拉伸试样LT方向和TL方向正常开裂的断裂韧度平均值都大于275MPAM，满足标准AMS4108F要求，且两个方向断裂韧度平均值相差较小，说明材料纵向和横向断裂韧性相差较小，体现出材料在铸坯改锻工艺后各向同性较好；而挤压坯锻造后LT方向正常开裂的断裂韧度K275MPAM，不满足要求。由于TL方向为材料的流线方向，LT方向为垂直于材料流线的方向，所以TL方向的断裂韧度小于LT方向的断裂韧度，这和挤构有关。高强铝合金铸坯改锻两种工艺条件下坯料并基于等效应变等值的坯料平均等效应变和变形均匀系数，铸坯改锻后的平均等效应变约为挤压坯锻造的374倍，而变形均匀性明显好于挤压坯锻造。2两种工艺条件下的7050高强铝合金组织中都存在大量的MGZN相和少量的ALMGAZN相，两种工艺对材料的平均晶粒尺寸影响不大，但对晶粒尺寸的均匀性影响较大，铸坯改锻工艺的晶粒尺寸更均匀，而挤压坯中残留有挤压织构。37050高强铝合金铸坯改锻后紧凑拉伸试样LT方向和TL方向的断裂韧度都满足标准要求，而挤压坯改锻后紧凑拉伸试样LT；B向和TL方向的断裂韧度都不满足要求，其原因是挤压坯锻造后脆性较大，并有残留的挤压织构。4通过模拟和试验研究表明在标准热处理条件下，铸坯改锻工艺在变形均匀性和断裂韧性指标上更优于传统的挤压坯锻造工艺，为7050高强铝合金开坯工艺优化提供了参考。【参考文献】【1】陈小明，宋仁国，李杰，等7XXX系铝合金的研究现状及发展趋势IJJ材料导报，2009，23267702】MUKHOPADHYAYAKHIGHSTRENGTHALUMINUMALLOYSFORSTRUCTURALAPPLICATIONJMETALSMATERIALSANDPROCESSES，2007，11911263SAKASSIM，ADMARCIO，NTDILERMANDOETA1EFFECTOFPRESTRAINONTHEFATIGUELIFEOF7050T745LALUMINIUMALLYJ1MATERIALSSCIENCEANDENGINEERINGA，2007，4641411504高风华，李念奎，丛福官，等7050合金半连续铸锭中结晶相及其均匀化处理LJ1稀有金属，2008，3222742785HEHU，LZHEN，LYANGETADEFORMATIONBEHAVIORANDMICROSTRUCTUREEVOLUTIONOF7050ALUMINIUMALLOYDURINGHIGHTEMPERATUREDEFORMATIONJMATERIALSSCIENCEANDENGINEERINGA，2008，48864716】王东，马宗义_牟L制工艺对7050铝合金显微组织和力学性能的影响FJ1金属学报，2008，44149547龚小涛，周杰，徐戊娇，等铝合金等温锻造技术发展JI锻压装备与制造技术，2009，44223258】JDROBSONMICROSTRUCTURALEVOLUTIONINALUMINIUMALLOY7050DURINGPROCESSINGMATERIALSSCIENCEANDENGINEERINGA，2004，382L12一L219盛永华，王新云，夏巨谌7475铝合金高温高应变速率压缩变形的流变应力【J】2005，49810010杨积慧7050铝合金高温流变行为研究D】中南大学硕士学位论文，20063035【11吴炬，向国权，程先华模具外接圆弧角对纯铝ECAE影响的有限元分析IJ上海交通大学学报，2005，39710631065【12】有色金属及其热处理编写组有色金属及其热处理M】北京国防工艺出版社，1981110115文章编号16720121201006006904誓圈大型带法兰封头热成形方案的模拟优化汪程鹏，杨晓禹，张建国1西北工业大学材料科学与工程学院，陕西西安710072；2中国一重集团天津重工有限公司，天津300457摘要以大型带法兰封头热成形工艺的有限元模拟为研究对象，利用DEFORM一3D软件分析平台，通过正向模拟对影响封头成形质量起主要影响的几个关键尺寸下模的R和毛坯、6、R和R进行优化选择，发现毛坯底部6的减少可以有效减少封头下半球部位的壁厚差，最终确定成形质量最佳的大型带法兰封头成形工艺参数。关键词机械制造；热成形；优化；带法兰封头中图分类号TG306文献标识码B1前言核电机组中的压力容器是核反应堆的核心部件，而封头则是组成压力容器的关键零件。由于带收稿日期20101017作者简介汪程鹏1982一，男，博士在读，主要从事塑性成形及模拟研究法兰封头的特殊形状，采用常规封头的成形工艺，如冲压、旋压、拼焊、胀形【1以及爆炸成形等已不再适用，在这种情况下，采用整体热成形工艺来生产更能满足重型压力容器对大型封头的技术需求I。近20年来，有限元模拟已广泛应用于金属成形工艺中，在成形F艺、缺陷预报、变形机理等方面发挥了重要作用。正向模拟能显现从初始坯料到终成一“一一一十“一“一一一一一”一一。十一一。卜N。一一。十一卜。卜一十一一卜卜一一一十一一COGGINGANDFORGINGTECHNIQUESFOR7050T7452HIGHSTRENGTHALUMINUMALLOYSUNYI，LIFUGUO，LIZHIJIE。，TANGJUN，PENGFUHUA1SCHOOLOFMATERIALSSCIENCEANDENGINEERING，NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVERSITY，XIAN710072，SHAANXICHINA；2SHAANXIHONGYUANAVIATIONFORGINGCOMPANYLTD，XIANYANG713801，SHAANXICHINA；3CHENGDUAIRCRAFTINDUSTRIALG