岳毓挺，馮偉駿，楊 兵，李永豐，何 霽

（1.上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2.上海交通大學(xué)上海市復(fù)雜薄板結(jié)構(gòu)數(shù)字化制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；3.寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院寶武鋁業(yè)技術(shù)中心，上海 201900）

高強(qiáng)度鋁合金板材（如7000 系）具有較高的強(qiáng)度，是理想的輕質(zhì)高強(qiáng)高性能零件用材。但高強(qiáng)度鋁合金在常溫下成形性差、回彈大，在后期熱處理時還有熱變形等問題[1]，限制了其在零件制造上的大規(guī)模應(yīng)用。針對此問題，帝國理工大學(xué)Lin 等[2]提出了鋁合金HFQ（Heat treatment, forming and in-die quenching）成 形工藝，利用鋁合金在高溫下成形性好的特點(diǎn)，在固溶后進(jìn)行熱沖壓成形，成形的同時進(jìn)行冷模淬火，而后進(jìn)行人工時效以提高強(qiáng)度，兼顧了成形性與強(qiáng)度。

但 根據(jù)Wang 等[3]對AA2024 的研究，在固溶熱處理溫度下，AA2024 內(nèi)部發(fā)生的溶質(zhì)原子富集造成的晶界軟化，以及基體軟化的問題，會造成材料的延展性能下降，對成形不利。Gao 等[4]研究AA2060 也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果，材料延展性最強(qiáng)的溫度要低于其固溶溫度。上述研究表明，對于高強(qiáng)鋁合金，直接在固溶溫度進(jìn)行成形可能難以實(shí)現(xiàn)板材最佳成形性能。為了使高強(qiáng)鋁合金在HFQ 工藝中獲得更好的成形性，在其固溶階段后增加一步預(yù)冷工藝，設(shè)計高強(qiáng)鋁合金在其最佳成形溫度成形，成為解決問題的一種新思路，其工藝流程對比如圖1 所示。在傳統(tǒng)HFQ 工藝流程中，板料在固溶后就直接轉(zhuǎn)運(yùn)至冷模成形，成形時溫度接近固溶溫度，成形性較差，可能造成開裂等缺陷；而預(yù)冷HFQ 工藝則在固溶后先將板料預(yù)冷至成形性好的較低溫度，能在冷模成形時獲得更好的成形性。Li 等[5]基于AA7075 鋁合金，針對預(yù)冷工藝對熱成形的影響進(jìn)行了試驗(yàn)，開發(fā)了材料在熱成形增加預(yù)冷工序下的宏微耦合材料模型，證明了較低的預(yù)冷速率（5℃/s）會造成沉淀物粗大，對成形不利，但未進(jìn)行零件級別的工藝測試。因此，如何設(shè)計預(yù)冷溫度，保證板材在成形中獲得最好的成形性能，不產(chǎn)生開裂、頸縮等成形缺陷，同時滿足高性能薄壁零件不同位置材料的高強(qiáng)度和零件整體的服役性能是實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)鋁合金板預(yù)冷熱沖壓成形所面臨的主要挑戰(zhàn)。

圖1 兩種工藝流程對比Fig.1 Comparison of two processes

本文基于一種改進(jìn)AA7055 高強(qiáng)鋁合金板材進(jìn)行預(yù)冷熱沖壓淬火工藝研究，所采用材料的合金元素如表1 所示，新材料提高了合金元素Mg 和Zn 的含量，其T6 態(tài)峰值強(qiáng)度達(dá)到650MPa。根據(jù)現(xiàn)有對AA7055鋁合金溫?zé)岢尚蔚难芯縖6-8]，其低應(yīng)變率下最佳成形溫度在400℃左右，但由于預(yù)冷工藝對材料性能的影響與合金的淬火敏感性有關(guān)，而根據(jù)對AA7055 淬火敏感性的研究[9]，其鼻尖溫度在355℃左右，因此本文選擇300℃、350℃以及400℃3 種預(yù)冷溫度進(jìn)行研究，并定量分析不同預(yù)冷溫度下的成形性能。以此為依據(jù)，設(shè)計不同時效態(tài)、不同預(yù)冷溫度下板材的預(yù)冷熱沖壓淬火成形工藝試驗(yàn)。對實(shí)現(xiàn)成形的零件，進(jìn)行取樣和性能測試，分析確定獲得高強(qiáng)度性能的工藝因素，為未來的工程應(yīng)用提供依據(jù)和參考。

表1 改進(jìn)AA7055 合金元素組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Improved AA7055 alloy element compent (mass fraction) %

試驗(yàn)及方法

1 板料力學(xué)性能試驗(yàn)

由于該種材料預(yù)先經(jīng)過軋制處理，獲得板料為F 態(tài)（自由加工態(tài)），試驗(yàn)前將部分F 態(tài)板材按照標(biāo)準(zhǔn)熱處理工藝進(jìn)行固溶處理，在475℃加熱爐中保持30min，而后隨爐冷卻12h，退火處理為O 態(tài)板材，然后模擬預(yù)冷HFQ 工藝中的固溶和預(yù)冷流程，對O 態(tài)板材進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。

板材力學(xué)性能試驗(yàn)基于接觸加熱測試平臺[10]進(jìn)行（圖2），該平臺可實(shí)現(xiàn)對板材固溶后實(shí)施不同預(yù)冷溫度并在恒定溫度下完成力學(xué)性能測試。該平臺主要由加熱銅塊、夾具框架、滑軌、加熱棒、K 型熱電偶和溫控箱組成，其中銅塊將緊密貼合到測試試樣上，完成預(yù)冷溫度的施加，然后配合Zwick/Roll Z100 型材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。測試首先通過溫控箱配合熱電偶對銅塊內(nèi)加熱棒進(jìn)行反饋控制，使得銅塊加熱保溫至預(yù)先設(shè)置溫度。然后將試樣夾持在試驗(yàn)機(jī)上，材料測試試樣尺寸如圖3 所示，釋放高溫彈簧使得固溶加熱銅塊與試樣保持夾緊。由于接觸加熱導(dǎo)熱速率很快，試樣很快升溫至預(yù)定溫度，保溫一定時間待試樣標(biāo)距段區(qū)域固溶后，通過滑軌移動夾具，使得設(shè)定為不同預(yù)冷溫度的成形加熱銅塊緊貼試樣。此時試樣標(biāo)距段兩端凸起部分正好在觀察變形開孔位置，利用全場應(yīng)變測量系統(tǒng)（Digital image correlation，DIC）獲取試樣標(biāo)距段的位移數(shù)據(jù)，計算得到應(yīng)變信息。最后，將同步加載力數(shù)據(jù)與DIC 測試的應(yīng)變數(shù)據(jù)相匹配，得到該預(yù)冷溫度條件下的材料高溫拉伸力學(xué)性能。

圖2 接觸加熱高溫測試平臺Fig.2 High temperature test platform with contact heating device

圖3 力學(xué)性能測試試樣尺寸（mm）Fig.3 Specimen size of mechanical properties test (mm)

由于接觸加熱可以提供更快的升溫速度，大幅減少了升溫時間，且有利于避免生成較大中間相以減少合金溶解時間[1]。根據(jù)Zhang 等[11]對AA7075 鋁合金接觸加熱固溶的研究，在加熱速度為15.8℃/s 時，固溶時間已經(jīng)可以減少到40s。本文所用試驗(yàn)平臺采用銅塊接觸加熱的方式，利用高溫彈簧提供一定的接觸壓力，傳熱速度大大增加。根據(jù)本課題組前期試驗(yàn)，該平臺對板材加熱速度能達(dá)到50℃/s，冷卻速度能夠達(dá)到-8℃/s。所以鋁板在該平臺上利用高溫加熱銅塊進(jìn)行接觸加熱固溶，10min 便可以達(dá)到完全固溶的效果，而預(yù)冷階段，在成形銅塊處夾持20s時間便能保證板材均勻降溫到銅塊設(shè)定溫度。因此試驗(yàn)方案定為：O態(tài)試樣在475℃加熱銅塊固溶處理10min，然后轉(zhuǎn)移至成形加熱銅塊預(yù)冷，分別在300℃、350℃、400℃的預(yù)冷溫度下保溫20s 后，迅速進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速度設(shè)置為0.5mm/s，設(shè)置應(yīng)變率為0.02s-1。

2 特征件工藝試驗(yàn)

基于長度縮比后的防撞梁件模具進(jìn)行典型結(jié)構(gòu)件試制，其目標(biāo)零件尺寸如圖4 所示，目標(biāo)零件截面為W 形特征截面，實(shí)際成形時零件兩側(cè)還有約30mm 的法蘭部分。由于成形時外側(cè)壁部分材料流動阻力小，外側(cè)壁位置主要為彎曲變形，而內(nèi)側(cè)壁部分材料流動阻力大，為拉延成形，與頂面過渡區(qū)交界位置為應(yīng)變最大位置，最容易發(fā)生開裂。基于該模具對材料進(jìn)行增加預(yù)冷工序的HFQ成形測試，同樣采用接觸控溫平臺對零件坯料進(jìn)行預(yù)冷控溫，以模擬增加預(yù)冷工藝的HFQ 工藝流程。

圖4 防撞梁件尺寸（mm）Fig.4 Size of anti-collision beam (mm)

根據(jù)傳統(tǒng)HFQ 的工藝流程，首先將尺寸為250mm×200mm×1.6mm的鋁合金零件坯料放置于保溫475 ℃的高溫加熱爐中30min 進(jìn)行固溶處理。固溶完成后，將鋁合金零件坯料置于銅塊接觸控溫平臺上進(jìn)行預(yù)冷保溫，預(yù)冷溫度分別設(shè)置為300℃、350℃以及400℃，在接觸控溫平臺上保壓保溫10s，將坯料溫度由固溶溫度降溫到設(shè)定預(yù)冷溫度。預(yù)冷完成后，將板料迅速轉(zhuǎn)移冷模上進(jìn)行合模沖壓成形，沖壓速度276mm/s，獲得成形件。最后將工件轉(zhuǎn)移至185℃爐子中烘烤20min，進(jìn)行人工時效處理，提升零件強(qiáng)度。

試驗(yàn)過程中零件坯料的溫度變化曲線如圖5 所示。

同時進(jìn)行空冷條件下的成形測試，將固溶后坯料放置于冷模上空冷預(yù)冷15～20s 后進(jìn)行冷模成形。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，若鋁合金坯料經(jīng)過F 態(tài)退火處理成O 態(tài)后進(jìn)行預(yù)冷HFQ 成形，坯料經(jīng)過退火處理后表面會變粗糙，改變了成形時的摩擦條件，而F 態(tài)坯料直接進(jìn)行預(yù)冷HFQ 成形時表面更加光滑。因此選擇了F 態(tài)和O 態(tài)兩種初始狀態(tài)的坯料進(jìn)行成形試驗(yàn)對比，同時為了驗(yàn)證預(yù)冷工藝的必要性，對F 態(tài)坯料進(jìn)行傳統(tǒng)HFQ 工藝試驗(yàn)，坯料固溶后無預(yù)冷直接放在冷模上進(jìn)行沖壓，沖壓速度保持不變，并與增加預(yù)冷工藝下的試制件進(jìn)行對比。

結(jié)果與討論

1 不同預(yù)冷溫度下板料力學(xué)性能結(jié)果

試驗(yàn)獲得的O 態(tài)材料固溶后預(yù)冷至不同溫度下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線見圖6，根據(jù)式（1）選取材料均勻變形段數(shù)據(jù)進(jìn)行Hollomom 本構(gòu)方程參數(shù)計算，將應(yīng)力σ與應(yīng)變ε數(shù)據(jù)取以10 為底對數(shù)后進(jìn)行線性擬合，獲得擬合線條的斜率與截距，轉(zhuǎn)換后得到不同溫度下的K與n值。同時計算材料斷裂時總位移量ΔL，按照式（2）除以標(biāo)距段L計算其最大延伸率Δδ。統(tǒng)計計算結(jié)果如表2所示，根據(jù)計算結(jié)果，材料在預(yù)冷至350℃時n值最大，且延伸率最高，因此可預(yù)見其在350℃預(yù)冷溫度下成形性最好。

2 成形工藝試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)表3 預(yù)冷HFQ 工藝的試驗(yàn)結(jié)果，F(xiàn) 態(tài)坯料在300℃、350℃、400℃以及冷模上空冷預(yù)冷15s 條件下均能完好成形。而O 態(tài)坯料在試驗(yàn)中預(yù)冷至300℃、400℃以及冷模上空冷預(yù)冷20s 條件下都無法成形，成形件過渡區(qū)與內(nèi)側(cè)壁交界處都已經(jīng)有裂縫產(chǎn)生，在成形性最好的350℃預(yù)冷溫度下，工件相同位置也已經(jīng)發(fā)生頸縮。O 態(tài)坯料與F 態(tài)坯料成形性差異巨大的原因可能有兩點(diǎn)： （1）由于O 態(tài)坯料是經(jīng)過退火處理獲得，成形時其表面質(zhì)量較差，改變了摩擦條件； （2）該新材料熱處理流程的不同造成成形時的內(nèi)部組織有差異。

圖5 試驗(yàn)溫度曲線Fig.5 Temperature curve in experiment

圖6 材料測試與參數(shù)擬合Fig.6 Material test and parameter fitting

表2 擬合參數(shù)與最大延伸率Table 2 Fitting parameters and maximum elongation

表3 特征件成形試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of forming experiment of the characteristic parts

根據(jù)如圖7 所示的結(jié)果，在傳統(tǒng)HFQ 工藝流程下，F(xiàn) 態(tài)坯料在固溶后直接沖壓時，整體碎裂根本無法成形。對比預(yù)冷HFQ 工藝試驗(yàn)結(jié)果，固溶溫度坯料成形性在預(yù)冷后得到了巨大提升，證明了對于高強(qiáng)鋁合金材料，在傳統(tǒng)HFQ 工藝中增加一步預(yù)冷工藝能夠避免其在固溶溫度附近成形性差造成的成形困難。

3 特征件局部強(qiáng)度性能測試結(jié)果

由于成形件不同位置在冷模成形時的冷卻溫度路線不同，為了測試成形件不同位置的材料力學(xué)性能，選用尺寸為120mm×200mm×1.6mm的F 態(tài)坯料，在同一模具上、相同預(yù)冷HFQ 工藝參數(shù)下對其進(jìn)行成形試驗(yàn)，在每個成形件上對位于法蘭、外側(cè)壁、內(nèi)側(cè)壁以及中間頂面上等7 個典型位置進(jìn)行單拉試樣切割，典型位置為特征件上的平面或斜面位置以保證厚度均勻，單拉試樣采用美標(biāo)ASTM-E8/E8M-11[12]的尺寸要求，具體尺寸如圖8 所示，成形件與試樣切割位置示意如圖9 所示。測量并記錄每根切割試樣厚度數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)試樣上厚度變化不大，然后在Zwick 萬能試驗(yàn)機(jī)上配合DIC 全場應(yīng)變測試系統(tǒng)進(jìn)行單拉試驗(yàn)，拉伸速度設(shè)置為1.5mm/min，計算獲取試樣應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)，計算獲得每根試樣的最大抗拉強(qiáng)度如圖10 所示。

觀察不同預(yù)冷條件下成形件的7 個典型位置抗拉強(qiáng)度，在冷模上空冷15s 條件下與300℃預(yù)冷條件下的抗拉強(qiáng)度比較接近，是由于坯料在冷模上空冷時法蘭部分與冷模接觸，傳熱速度比較快，坯料溫度下降較快，成形時已經(jīng)接近300℃。比較不同預(yù)冷條件成形件上試樣2、試樣3、試樣5 及試樣6 的抗拉強(qiáng)度與該材料T6 態(tài)強(qiáng)度差值，統(tǒng)計其與峰值強(qiáng)度的差值如表4 所示，發(fā)現(xiàn)在350℃預(yù)冷條件下，強(qiáng)度惡化最為嚴(yán)重，最大抗拉強(qiáng)度差值達(dá)到242.78MPa。且試樣2、試樣6 所在外側(cè)壁位置的抗拉強(qiáng)度要大于試樣3、試樣5 所在的內(nèi)側(cè)壁位置。

根據(jù)AA7055 淬火敏感性數(shù)據(jù)[9]，其材料硬度降低到最大硬度90%時的溫度時間曲線如圖11 所示。由于其淬火敏感鼻尖溫度在355℃附近，因此在預(yù)冷HFQ 工藝中，將預(yù)冷溫度設(shè)定至350℃并保持10s 時，恰好在鼻尖溫度附近停留保溫，溶質(zhì)原子脫溶速度最快，成形時溫度曲線最先越過硬度90%轉(zhuǎn)化曲線，導(dǎo)致成形后在人工時效階段強(qiáng)化相析出不足，造成其強(qiáng)度惡化最為嚴(yán)重。強(qiáng)度惡化的原因也與時效時間有關(guān)，工件試制時人工時效選擇20 min 的時效時間可能太短，造成強(qiáng)化相未完全析出。由于在不同預(yù)冷溫度下保溫時間越長，溶質(zhì)原子脫溶越多，在成形時工件內(nèi)側(cè)壁要晚于外側(cè)壁接觸冷模，在預(yù)冷溫度附近停留時間更長，所以其強(qiáng)度要低于外側(cè)壁位置。

圖7 無預(yù)冷直接沖壓件Fig.7 Workpieces directly stamped without pre-cooling

圖8 單拉試樣尺寸（mm）Fig.8 Specimen size of uniaxial tensile test (mm)

圖9 試樣切割位置Fig.9 Position of wire-cut specimens

圖10 不同位置試樣抗拉強(qiáng)度柱狀圖Fig.10 Histogram of tensile strength of specimens at different locations

表4 強(qiáng)度與峰值強(qiáng)度差值Table 4 Difference between strength and peak strength

圖11 AA7055 淬火敏感性Fig.11 AA7055 quenching sensitivity

結(jié)論

（1）對改進(jìn)AA7055 鋁合金進(jìn)行固溶后不同預(yù)冷溫度的單拉性能測試，O 態(tài)板料在350℃預(yù)冷溫度下保溫20s 時，材料最大延伸率與硬化指數(shù)最大，在該預(yù)冷溫度下成形性最好。

（2）在預(yù)冷HFQ 工藝試驗(yàn)中，O態(tài)坯料與F 態(tài)坯料相比成形性較差，在所有預(yù)冷條件下均有成形缺陷，原因可能在于表面質(zhì)量差增大了摩擦以及材料內(nèi)部組織差異；而F 態(tài)板料在預(yù)冷時能夠完好成形，不預(yù)冷時成形件破裂，無法成形。

（3）預(yù)冷HFQ 工藝成形件與該材料T6 態(tài)相比，抗拉強(qiáng)度惡化較為嚴(yán)重，原因可能有兩點(diǎn)：一是不同預(yù)冷溫度下保溫時間過長，在淬火敏感溫度區(qū)域內(nèi)造成溶質(zhì)原子脫溶過多；二是后期人工時效時間過短，造成強(qiáng)化不足。

（4）該改進(jìn)AA7055 材料在350℃預(yù)冷溫度下成形性較好，但強(qiáng)度惡化最為嚴(yán)重，為了兼顧強(qiáng)度與成形性，預(yù)冷方式可以選擇空冷至400℃，避免進(jìn)入鼻尖溫度區(qū)域，且實(shí)際應(yīng)用中能比較簡單地實(shí)現(xiàn)。后期可對隨空冷時間板材溫度下降曲線進(jìn)行測試，并調(diào)整預(yù)冷溫度下的保溫時間等，優(yōu)化工藝參數(shù)。