田世偉，江海濤，張業(yè)飛，藺宏濤，張貴華，徐哲

（1.北京科技大學 高效軋制國家工程研究中心，北京 100083；2.湖南省漣源鋼鐵集團，湖南 婁底 417600；3.湖南湘投金天鈦金屬股份有限公司，長沙 410006；4.中國船舶工業(yè)綜合技術經(jīng)濟研究院，北京 100081）

隨著科技的進步和社會的發(fā)展，各行各業(yè)對材料的制備提出了越來越高的要求。在航空航天、汽車、能源等重要領域，輕量化合金如鈦合金、鋁合金以及鎂合金等結構件得到了越來越多的應用[1—3]。

自18 世紀發(fā)明自由鍛水壓機以來，伴隨著金屬塑性成形理論的不斷豐富與完善，鍛造已經(jīng)成為一種先進的制造方式。機械工業(yè)中一些對力學性能要求較高的零部件大多采用鍛造的工藝進行生產(chǎn)。大型鍛件的生產(chǎn)是國家綜合實力的體現(xiàn)，大型復雜結構件如國產(chǎn)C919/C929 飛機整體框、潛艇殼體結構、大型運載火箭外殼都需要依靠鍛造工藝來完成。自2010 年以來，我國每年的鍛件生產(chǎn)量都超過1000 萬t，但我國鍛件產(chǎn)量中精鍛件占比較低，僅為9%，大幅落后于日本的36%和德國的37%，且我國的精鍛件多為小型件，品種單一[4]。20 世紀末，美國、日本以及歐洲紛紛制定了中長期的鍛造工藝發(fā)展規(guī)劃。2015 年，《中國制造2025》中也對包含鍛造在內的先進制造提出了數(shù)字化和智能化的要求。

文中將介紹目前鍛造工藝以及鍛造技術在鈦合金、鋁合金以及鎂合金等輕量化合金零部件上的應用，并對鍛造的數(shù)字化應用以及未來的發(fā)展趨勢進行展望。

1 鍛造技術

鍛造是一種通過對金屬坯料施加壓力，使其進行塑性變形以獲得一定力學性能且符合尺寸要求的加工方法。按照生產(chǎn)工藝的不同，鍛造工藝可以分類為：自由鍛、模塊鍛造以及特種鍛造。按照鍛造溫度，又可以將鍛造技術分類為：熱鍛、溫鍛和冷鍛。目前，一種近凈成形技術，即精密鍛造技術得到了越來越多的應用，其主要包括：等溫鍛造、多向鍛造、熱模鍛造以及鑄-鍛復合成形技術等。

1.1 自由鍛造

自由鍛對設備要求低、操作簡單、成本較低。自由鍛分為手工自由鍛和機器自由鍛。手工自由鍛依靠人力，利用工具對坯料進行鍛打，主要生產(chǎn)小型零部件。機器自由鍛根據(jù)所使用的設備類型不同，又分為鍛錘自由鍛和水壓機自由鍛[5]，但自由鍛生產(chǎn)效率和材料利用率較低，產(chǎn)品的一致性較差。

1.2 等溫鍛造

在常規(guī)鍛造過程中，毛坯熱量散失，接近模具的坯料溫度出現(xiàn)下降，導致變形抗力升高，材料的塑性變形能力下降。這一方面對鍛壓設備提出了更高的要求，另一方面，鍛件容易出現(xiàn)開裂等缺陷，造成原材料的浪費。等溫鍛造作為一種新興技術，其在鍛造過程中，將模具和坯料的溫度保持一致，隨后通過較低的變形速率成形[6—7]。在變形過程中，坯料處于動態(tài)再結晶軟化的狀態(tài)，使變形抗力較低，且獲得的微觀組織也較為優(yōu)異。等溫鍛造對鍛壓設備和模具也具有較高的要求：鍛壓設備需要具有良好的調控精度，保證較低的變形速率；模具材料需要在鍛造溫度下保持足夠的強度及力學穩(wěn)定性，并且不能發(fā)生氧化。

1.3 多向鍛造

多向鍛造技術是一種大塑性變形工藝[8]，鍛件在變形過程中載荷加載方向不斷改變，即在不同方向上對坯料進行多道次鍛造。一般來說，多向鍛造溫度常常低于再結晶溫度，隨著鍛造方向不斷的改變，鍛坯內部“死區(qū)”得到消除，并且得到組織細小、均勻、各向異性較弱的微觀組織。多向鍛造過程中的晶粒細化機制主要是形變和熱機械變形的誘導作用。多向鍛造技術對設備要求不高、適用性較強，可用于制備較大體積的塊體材料。

2 鈦合金鍛造研究

鈦被稱為僅次于鋼和鋁的“第三金屬”，鈦及鈦合金具有良好的性能表現(xiàn)（高比強度、優(yōu)異的耐腐蝕性能、抗高溫、無磁性等），已經(jīng)在航空航天、汽車工業(yè)、化工、能源等行業(yè)得到了廣泛應用。鈦合金的冷加工成形比較難以實現(xiàn)，通常通過熱加工成形的方式進行鈦合金零部件的制備。鈦合金的鍛造成形需要在較窄的溫度窗口內實現(xiàn)，這是因為溫度過低時，鈦合金變形過程中容易產(chǎn)生裂紋等缺陷，而當溫度過高時，又面臨著組織粗大的問題。鈦合金的“β鍛造”存在塑性差的缺點，可以通過合適的熱處理及控冷工藝進行改善。鈦合金的“α+β兩相鍛造”則存在斷裂強度低、韌性差的缺點，且加工余量較大。

目前，針對鈦合金的鍛造技術，科研人員做了大量研究。馮朝輝等[9]利用機械壓力機恒載荷精密模鍛技術生產(chǎn)了TC4 鈦合金全髖關節(jié)。在兩相區(qū)進行鍛造后，該髖關節(jié)可以省略機加工工序，僅經(jīng)過表面光飾后就植入人體，且力學性能達到美國醫(yī)用標準（ASTM F620）。使用精密鍛造技術生產(chǎn)的高品質人工關節(jié)具有更好的鍛造流線、性能以及對人體較低的不良影響。關于鈦合金粉末成形，目前李婷[10]報道了一種新型鈦合金加工技術——先將鈦合金粉末制坯，隨后通過精密鍛造的方式進行近凈成形。Zhao 等[11]通過熱模擬壓縮試驗和熱加工圖計算得到了Ti-17 粉末壓塊的理想熱加工區(qū)間。經(jīng)過等溫鍛造后，Ti-17原始粗大晶粒破碎分解，形成大量超細再結晶晶粒并均勻分布在β基體中，使相應的力學性能得到大幅度提升。Luo 等[12]研究了摩擦的存在對鈦合金鍛造件微觀結構的影響，發(fā)現(xiàn)當改善潤滑條件時，片層狀α+β組織受影響較小，而α相含量明顯上升，β相含量下降，并且α相和β相的分布均勻性出現(xiàn)下降。Zhang等[13]對選擇性激光熔融（SLM）工藝制備的Ti-6Al-4V合金進行了精密鍛造，鍛造后微觀組織中β相含量升高。研究還發(fā)現(xiàn)高的應變速率和大變形可以降低組織孔隙率，最大降幅達到74.6%，并改善疲勞性能，同時當經(jīng)過鍛造和水淬后，合金水平與垂直截面之間的顯微硬度差異下降，各向異性得到了優(yōu)化。Zhang 等[14]為了改善具有網(wǎng)絡架構的燒結態(tài)TiBw/TA15 復合材料的力學性能，對其進行了多向鍛造，發(fā)現(xiàn)鍛造后材料的極限拉伸強度和最大伸長率表現(xiàn)出較好的均勻性，并且相比燒結態(tài)分別提升了8.4%和160%。

在鈦基合金中，TiAl 合金以低密度、高比強度、優(yōu)異的抗高溫氧化和抗蠕變性能得到了眾多科研人員的關注，但由于其基體主要為γ-TiAl（面心四方）及α2-Ti3Al（密排六方）相，其加工性能較差，并且表現(xiàn)出對溫度和應變速率的敏感性。TiAl 合金的熱機械加工主要包括鍛造、擠壓和軋制等，其中鍛造方法主要有等溫鍛造和包套鍛造。張偉等[15]結合Deform-3D 和熱物理模擬，對TiAl 合金的應力、應變以及溫度場進行了模擬計算和驗證，成功制備出直徑大于150 mm 的TiAl 合金圓盤件。Tang 等[16]對比了鑄造態(tài)和等溫鍛造態(tài)TiAlNbCr 合金的微觀組織和氧化性能，發(fā)現(xiàn)等溫鍛造后，TiAlNbCr 合金微觀組織得到顯著細化，并且鍛造后的合金由于較小的晶粒尺寸和組織均勻性，抑制了O 的擴散，相比鑄態(tài)具有更好的抗氧化性能。Li 等[17]研究發(fā)現(xiàn)，TiAl 合金經(jīng)過單軸鍛造和多軸鍛造后，近γ相顯微組織轉變?yōu)殡p相組織。多軸鍛造后的組織中發(fā)生了比較明顯的重復動態(tài)再結晶，并表現(xiàn)出良好的力學性能：在750 ℃，屈服強度、抗拉強度以及伸長率分別為623 MPa，697 MPa，4.5%，900℃/0.001 s?1時表現(xiàn)出超塑性，伸長率達到173%。目前，TiAl 合金鍛造件已經(jīng)在航空發(fā)動機壓氣機葉片上得到了應用。

3 鋁合金鍛造研究

在汽車和航空航天應用中，對輕量化的需求不斷增長，以提高燃料效率并減少溫室氣體排放。鋁合金由于比強度高、耐腐蝕性良好、切削加工性能優(yōu)異而在航空航天和汽車工業(yè)中廣泛應用。鋁合金具有良好的塑性，可進行復雜結構件的成形，加工余量較小，顯著提升材料利用率并降低成本。

Kumer 等[18]通過多軸鍛造技術對Al6082 合金進行小應變強化，鍛造后的合金表現(xiàn)出良好的強度和塑性，這主要是由于生成了尺寸約411 nm 的超細晶粒，出現(xiàn)了大量動態(tài)再結晶晶粒以及析出了“β”相。針對某型號武器中2Al2 鋁合金直接切削加工制備，材料利用率不高的問題，王自啟等[19]利用鐓粗和反擠壓相結合的工藝進行精密成形，使毛坯質量由550 g 下降到190 g，大幅提升了材料的利用效率。張翔等[20]利用有限元對影響6061 鋁合金多向鍛造成形過程的工藝參數(shù)（變形速度、變形溫度、變形道次等）進行了研究，發(fā)現(xiàn)鋁合金坯料在鍛造過程中心區(qū)域金屬呈現(xiàn)“八”字形流動特征，隨著鍛造道次增加，變形均勻度不斷上升。有限元模擬結果與實際測試結果相符合，準確性得到了驗證。Mathew 等[21]研究了Al-4.5Cu 和Al-4.5Cu-5TiB2（質量分數(shù)）的半固態(tài)鍛造，EBSD和納米壓痕研究表明，半固態(tài)鍛造導致復合材料中的晶粒動態(tài)再結晶并且細化，從而導致合金的硬度和彈性模量顯著增加。周裕杰等[22]對2014 鋁合金分別進行了多向鍛造和多向鍛造+熱處理，發(fā)現(xiàn)2014 鋁合金經(jīng)過不同處理后，微觀組織都得到細化，抗拉強度分別為538.6 MPa 和527.3 MPa，并且材料的抗滑動磨損性能得到了顯著提升。于瑞等[23]使用Deform 軟件對7075 鋁合金汽車差速器外殼的等溫鍛造過程進行數(shù)值仿真，發(fā)現(xiàn)突變過渡部位出現(xiàn)等效應力的極大值，確定了最佳鍛造溫度為425 ℃。余永新等[24]利用等溫多向鍛造+等溫模鍛這一復合鍛造工藝對2A14鋁合金輪轂進行制備，發(fā)現(xiàn)隨著鍛造溫度的升高，變形機制由動態(tài)軟化向動態(tài)再結晶轉變，同時還得到了最佳的變形工藝參數(shù)：在450 ℃進行等溫多向鍛造6次，隨后在460 ℃下進行等溫模鍛，輪轂抗拉強度達到491 MPa，伸長率達到12%。Tilak 等[25]研究了不同鍛造溫度和應變量對粉末燒結Al7075 合金內部粒子形態(tài)、間隙率、硬度等的影響，發(fā)現(xiàn)在0.8Tm和0.92應變量下可以有效去除鍛造過程中的氧化層。Shin等[26]對Al-6Mg（質量分數(shù)）合金擠壓棒在室溫下的可鍛性進行了評價，設計了一種用于雙軸交替鍛造系統(tǒng)的八角桿形模具，如圖1 所示。鍛件的抗拉強度隨著鍛造次數(shù)的增加而顯著增加，并且微觀結構中顯示出孿晶和位錯團的形成。

圖1 用于雙軸交替鍛造的八角桿狀模具和工件的示意圖Fig.1 Schematic diagram of octagonal rod-shaped die and workpiece for biaxial alternate forging

4 鎂合金鍛造研究

鎂合金是最輕的金屬結構材料（約為鋼的25%，鋁合金的63%），具有良好的導熱性、減震能力、電磁屏蔽性能，易于回收利用等諸多優(yōu)點，被稱為21世紀新型綠色金屬結構材料，但是鎂合金的加工制備受到其塑性差的限制。鎂合金為密排六方結構，室溫變形時可動滑移系較少而難以變形。在高溫變形時，又面臨著氧化及晶粒粗化的問題。目前鎂合金零部件多為壓鑄成形，存在一些縮孔、氣孔等缺陷且晶粒組織較為粗大，力學性能不佳。

為了在優(yōu)化結構、實現(xiàn)輕量化的同時保證鎂合金力學性能，科研人員對鎂合金的鍛造成形做了大量研究。權高峰等[27]利用等溫超塑性擠壓模鍛成形工藝制備了鎂合金輪轂，經(jīng)過模鍛成形及熱處理后，各力學性能指標高于鑄造鎂合金及鑄造鋁合金輪轂（比鋁合金輪轂節(jié)能16%），并且表現(xiàn)出良好的抗疲勞性能以及優(yōu)良的表面處理技術適應性。徐文臣等[28]利用模擬與實驗相結合的方式對Mg-9Gd-3Y-0.6Zn-0.5Zr 合金等溫鍛造制備薄腹高筋支架構件進行研究，并發(fā)現(xiàn)增大側壁筋及腹板連接處的圓角及加設活動阻尼塊能消除由于抽料不足導致的缺陷。李理等[29]利用等溫鍛擠復合成形技術制備了Mg-9Gd-4Y-0.4Zr 合金薄壁錐管，并對3 種不同錐度的鍛坯進行優(yōu)化設計。韓修柱等[30]利用Deform 軟件對高強韌稀土鎂合金筋板類構件進行了優(yōu)化設計，使金屬在沿楔形面進行流動的同時進行筋部的充填，制備出抗拉強度和伸長率分別為371 MPa 和4.07%的精鍛件。

鎂合金鍛造過程中微觀組織也受鍛造方式、鍛造工藝的影響，并進而影響力學性能。吳遠志等[31]研究了不同鍛造方式對ZK21 鎂合金微觀組織和力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)改變鍛造方向能夠提升合金的累積應變。單向鍛造時，微觀組織不均勻，雙向鍛造和三向鍛造時分別獲得平均晶粒尺寸為0.3 μm 的超細晶和粗大再結晶組織以及平均尺寸為0.3 μm 的細小再結晶晶粒，且都表現(xiàn)出良好的力學性能。Wang 等[32]利用變腔液態(tài)模鍛技術對Mg-5Zn-1Y-0.6Zr 合金進行了研究，發(fā)現(xiàn)變腔液體鍛造后，組織中枝晶沿著變形方向拉長，第二相粒子破碎分解。在350 ℃進行變形時具有最高的抗拉強度351.5 MPa，450 ℃進行變形時具有最佳的伸長率為7.15%。Park 等[33]研究了預冷鍛對擠壓成形Mg-8Sn-1Al-1Zn 合金微觀組織和力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)在10%變形量內，微觀組織中再結晶區(qū)域比例分數(shù)以及拉伸性能隨著預冷鍛變形量上升而逐漸上升，如圖 2 所示。李磊等[34]對沖鍛成形Mg-3Mn-0.5Ti-0.3V 合金的工藝進行研究，發(fā)現(xiàn)鎂合金鍛件的沖擊吸收功受反頂力、壓邊力及鍛造溫度的影響比較大，并優(yōu)化得到理想的沖鍛工藝為：以3.5 kN 壓邊力和4 kN 反頂力，在380 ℃進行鍛造成形。張浩等[35]設計了分瓣組合模具，結合有限元分析軟件對鎂合金陀螺儀支架進行了等溫鍛造工藝的研究。在凸模下壓行程中，根據(jù)金屬的流動變形填充情況，將成形過程劃分為5 個階段。通過合理的坯料形狀和成形工藝設計，成功鍛造出陀螺儀鍛件。

圖2 不同預冷鍛變形量下鎂合金組織及力學性能Fig.2 Microstructure and mechanical properties of the extruded magnesium alloys with different deformation amount of cold pre-forging

5 鍛造過程數(shù)值模擬仿真

隨著社會發(fā)展，對金屬材料的鍛造成形提出了越來越多的要求，而主要依賴于經(jīng)驗的傳統(tǒng)鍛造工藝及模具設計方法已經(jīng)漸漸落后于時代。目前，使用有限元及其他相關大型軟件在計算機上進行仿真計算以模擬實際鍛造過程已經(jīng)成為新的研究熱點。在計算機上進行數(shù)值模擬可以節(jié)省大量的人力、物力，以低成本、短周期的優(yōu)勢完成鍛造成形過程的設計。通過建模，可以對鍛造過程中的金屬流動、應力場、應變場、溫度場、應變速率場、摩擦條件等進行精確計算，預測可能出現(xiàn)的質量問題及缺陷，并提出改進或者優(yōu)化方法，從而提高鍛件質量。

王石磊等[36]使用Pro/E 軟件對汽車盤轂件和模具進行三維成形，通過有限元軟件對鍛造過程中的載荷條件、溫度條件以及摩擦條件等進行了分析與優(yōu)化，修正了精密模鍛工藝。Wang 等[37]通過數(shù)值模擬與實驗研究相結合的方法，研究了實際心軸鍛件內孔的變形均勻性和內孔偏心度的控制措施，并提出了一種對稱的翻轉式心軸鍛造工藝，以代替現(xiàn)有的順序式翻轉工藝，大大提高了變形均勻性。He 等[38]使用有限元軟件對大型AZ80 鎂合金支撐梁的模具結構和成形參數(shù)進行了計算并實驗成形（如圖3 所示）。通過半封閉模具和多級變速的等溫鍛造，生產(chǎn)了大型鎂合金支撐梁的模鍛件。模鍛件顯微組織細小且分布均勻，力學性能優(yōu)異，并用作直升機部件。韓風等[39]對汽車輪轂模鍛過程中進行了模擬分析，發(fā)現(xiàn)提升上模芯圓角半徑可以降低載荷并減少磨損，提升上模芯的使用壽命。Rajive 等[40]使用商用軟件（ANSYS）對盤頭螺栓上的鍛造過程進行仿真，討論了如何確定鍛模中不對稱截面的應力分布，并討論了這些應力對模具磨損的影響以及鍛件的流動特征。Deshak 等[41]使用Deform 3D 軟件對模具和坯料尺寸進行優(yōu)化，優(yōu)化后的載荷需求從1600 t 降低到539 t。王彥菊等[42]使用Gleeble-3800 對GH4066 合金進行了熱物理模擬壓縮，建立了材料本構模型、再結晶模型以及晶粒生長模型，結合有限元分析，對渦輪盤鍛造工藝區(qū)間進行了優(yōu)化。Chand 等[43]利用有限元模擬，研究了燒結鍛造態(tài)鋁合金預成形坯在成形過程中的有效應變速率、有效應力、有效應變、平均模具負荷、總能量耗散和流速的分布等，模擬結果與實際結果相符合。

圖3 有效應力分布示意圖Fig.3 Schematic dliagram of effective stress distribution

6 展望

國防軍工以及民用汽車、能源工業(yè)的發(fā)展需要先進制造技術的支撐，未來合金的鍛造成形有著以下幾個發(fā)展趨勢。

1）鍛造逐漸由毛坯生產(chǎn)向最終零件成形的方向發(fā)展。鍛件產(chǎn)品逐漸精密化、復雜化，這對生產(chǎn)工藝以及質量控制提出了更苛刻的要求?？梢酝ㄟ^補償鍛造系統(tǒng)對生產(chǎn)過程中的彈性變形進行補償優(yōu)化，結合新型工藝，對不同用途、加工特點的零部件進行成形制造。

2）鍛造成形向著多種加工工藝復合的趨勢發(fā)展，形成了類如：鐓粗+擠壓、多向鍛造+模鍛等復合工藝，以滿足鍛件所需的力學性能條件并提升鍛件質量。

3）在模具的設計以及制造方面，應結合CAD/CAE/CAM 等技術，縮短模具研發(fā)周期，同時，應用先進的模具加工技術，提升模具精度及表面質量，選擇合適的模具潤滑方式，以改善工件成形質量，開展模具修復技術研究，并提升模具的使用壽命。

4）生產(chǎn)設計制造過程的智能化，利用計算機輔助進行鍛造過程的模擬計算，根據(jù)不同的應用場景開發(fā)相應的建模、算法等并進行優(yōu)化，提升生產(chǎn)制造效率；更新鍛造設備，提升鍛造的自動化水平，縮短材料成形周期，壓低制造成本；鍛造成形的仿真除了傳統(tǒng)的溫度場、應力場和應變場外，還應結合鍛件的微觀組織場，以優(yōu)化鍛件的組織，減少后續(xù)的熱處理工藝，達到降低能耗的目的，實現(xiàn)鍛造行業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展。