杜沖，汪澤匪，孟毅，楊新泉，王師

塑性成形

Al-Cu-Mg-Zn超硬鋁合金盤類構件塑性變形性能及鍛造成形工藝的研究

杜沖1，汪澤匪2，孟毅2，楊新泉1，王師1

（1. 湖南云箭集團有限公司，長沙 410100；2. 重慶大學 先進模具智能制造重慶市重點實驗室，重慶 400044）

為了有效改善Al-Cu-Mg-Zn超硬鋁合金盤類鍛造構件成形精度和力學性能。通過對代號7A04的Al-Cu-Mg-Zn系超硬鋁合金進行熱壓縮實驗，分析其流變行為；通過應力-應變數(shù)據(jù)，建立本構方程及熱加工圖。將構建的7A04超硬鋁合金材料模型導入有限元分析軟件中，同時對鍛件成形過程進行仿真模擬并優(yōu)化。獲得了基于Arrhenius模型的流變應力本構方程；確定了7A04超硬鋁合金最適宜的加工區(qū)域，為后續(xù)的仿真模擬提供指導；基于7A04超硬鋁合金盤類構件鍛造成形有限元仿真模擬分析結果，獲得了變形均勻鍛件的最優(yōu)方案。通過全尺寸鍛造生產(chǎn)實驗對模擬分析結果進行驗證，獲得了變形均勻且無鍛造工藝缺陷的7A04超硬鋁合金盤類構件。

超硬鋁合金；壓縮實驗；鍛造成形；熱加工圖；盤類構件

鋁合金作為飛機制造的主要原材料之一，其制造工藝難度相對來說比較低，耐久性和穩(wěn)定性相對較好，加工性能和成形性能良好。機身、機翼、連接處均有7000系鋁合金的身影[1]。在飛機制造過程中，機體的框、梁、肋都會選擇鋁合金，針對不同部位的要求，選擇鋁合金的型號也不一樣，如艙門骨架主要選擇7050或者7150鋁合金；飛機上的一些關鍵部位會重點考慮7085鋁合金；下壁板的設計過程中會使用2000系鋁合金；一些小于200 mm零件會建議選擇7050鋁合金。綜上所述，并不是某一種鋁合金能夠全盤通用，需要根據(jù)性能要求，來挑選合適的鋁合金材料。雖然高強度鋁合金能滿足很多需求[2]，但是也存在一些問題，如對材料研究不夠深入，我國鋁合金起步較晚，很多理論方面的知識不夠深入；工程化程度不足，現(xiàn)在針對鋁合金的研究還僅僅處于發(fā)展階段，可能對一些潛在問題還未全面認知；種類規(guī)格不完善，現(xiàn)今的研究對象主要是個別常用的牌號[3]。

1 實驗

1.1 原始材料

選用變形鋁合金中一種基于7050鋁合金研制的Al-Cu-Mg-Zn超硬鋁合金，代號為7A04，其化學成分如表1所示。該鋁合金的強度可達588 MPa，較高的強度使其塑性相對較低，但是在相同強度水平下，7A04超硬鋁合金不僅斷裂韌度要明顯高于傳統(tǒng)硬鋁，同時具有很好的熱加工性能，故而被主要用于制造飛行器的受力結構件。Al-Cu-Mg-Zn超硬鋁合金在C919大型客機上的應用如表2所示。

表1 7A04超硬鋁合金化學成分（質量分數(shù)）

Tab.1 Chemical composition of 7A04 ultra-hard aluminum alloy (mass fraction) %

超硬鋁是在Al-Zn-Mg三元系基礎上加入Cu以及其他微量元素，主要強化相η（MgZn2）和T（Al2Mg3Zn3），隨著溫度的下降，在α固溶體的固溶度會大幅度下降，因此合金有強烈的時效強化效果。加入微量元素Zn和Mg可提高強度，但是對應的塑性和耐應力腐蝕性能卻下降。為了改善這一情況，又加入了Cu元素，其情況得到一定的改善。由于各種微量元素的相互作用，進一步改善了合金的力學性能、塑性和耐腐蝕性能。其中7A04鋁合金作為超硬鋁合金的代表之一，文中將對其進行塑性變形性能及鍛造成形工藝的研究。

表2 Al-Cu-Mg-Zn超硬鋁合金在C919客機上的應用

Tab.2 Application of Al-Cu-Mg-Zn ultra-hard aluminum alloy in C919 aircraft

1.2 技術路線

為了研究7A04超硬鋁合金材料的動態(tài)回復和動態(tài)再結晶行為，進行了熱模擬壓縮實驗，分析熱壓縮變形行為，建立本構方程和熱加工圖，揭示不同溫度、不同應變速率對材料變形行為的影響，進而為本材料熱成形工藝方案的制定和模擬仿真的操作提供正確的參考價值。文中采用的技術路線如圖1所示。

圖1 實驗技術路線

1.3 實驗過程及步驟

熱壓縮模擬技術是指通過利用縮小的試樣在熱模擬機中的受熱和受力過程，從而推斷材料的性能。熱模擬實驗機可以實現(xiàn)不同的溫度與變形速率，從而進行多種熱模擬實驗，同時可以記錄溫度-應力-應變的對應值，以便后續(xù)分析。工藝流程示意圖如圖2所示。將事先準備好的25根8 mm×12 mm的棒狀材料作為熱壓縮實驗的試樣。該實驗在Gleeble-1500熱模擬實驗機上進行，先觀察設備是否正常，確定設備一切正常后輸入實驗參數(shù)，然后裝卡試樣，依據(jù)圖2所示的工藝參數(shù)運行實驗，當壓下量達到60%即壓縮結束，立即將試樣放入水中冷卻；實驗數(shù)據(jù)導出，進行后續(xù)實驗數(shù)據(jù)的處理和分析。

圖2 熱模擬壓縮工藝路線及工藝參數(shù)

2 結果與討論

2.1 壓縮曲線分析

不同變形條件下的7A04超硬鋁合金的真應力-真應變曲線見圖3，可以看出，隨著溫度的升高，其應力值降低，在應變速率和應變相同的條件下，溫度為250 ℃時應力值最大，后續(xù)隨著溫度的增加依次減弱。在溫度和應變相同的條件下，應變速率為3 s?1時應力值最大，后續(xù)隨著應變速率的衰減依次減弱。在相同的應變速率下，溫度升高，應力下降。在同一溫度下，應變速率增加，應力增加，呈現(xiàn)出正的應變速率敏感性，因此可判斷為一般規(guī)律。同時可以得出在變形初期（應變大約在0.05以內），應力與應變呈線性關系，發(fā)生彈性變形，應力快速增大，滿足胡克定律。在整個變形的過程中，應力的大致趨勢是先隨著應變的增加急速增大，然后斜率逐漸減小，繼而材料開始均勻塑性變形，并發(fā)生加工硬化，最后達到平穩(wěn)狀態(tài)即加工硬化率減小至0。相應地，金屬內部的顯微組織也在發(fā)生變化。圖3中有些應力在達到峰值之后會有一些輕微的下降趨勢，原因是在當以加工硬化為主的情況下，應力值會呈增大的趨勢，但當位錯密度增加到一定量時，形變儲能到達極限值，驅動動態(tài)回復與動態(tài)再結晶發(fā)生，軟化作用開始加強，當以動態(tài)軟化為主時，應力值就會下降。針對圖3的低溫度低應變速率所得到的曲線呈波浪形，這是由于反復不停地出現(xiàn)動態(tài)再結晶-變形-動態(tài)再結晶，即交替進行軟化-硬化-軟化。

圖3 不同變形條件下的7A04超硬鋁合金的真應力-真應變曲線

2.2 本構關系模型的建立

根據(jù)Arrhenius模型[4-5]，可判斷應變速率是根據(jù)變形激活能、熱力學溫度、氣體常數(shù)與流變應力來進行數(shù)據(jù)分析的。流變應力與變形條件間的關系可以用冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和雙曲正弦函數(shù)來表示[6-8]：

對式（4）和式（5）進行分析，1與分別為式（4）

對式（6）進行分析可知，此式是線性方程，斜率為n。經(jīng)過變形，可得ln[sinh ασ]與T?1也呈線性關系，斜率為Q/Rn，求平均值可得斜率K=1.61 16，即求出Q=98 693.19 kJ/mol。

對參數(shù)進行求解，關系式如下：

對式（7）兩邊取對數(shù)，得：

可以看出，ln與ln[sinh]存在線性關系，做出ln-ln[sinh]曲線，如圖5所示，可以得出當軸值為0時，軸的值為15.1252，即ln=15.1252，=3.7050′106。又可知：理論值斜率=1，實際計算值斜率=1.0790，即誤差在8%以內，說明建立的本構方程較為準確。

根據(jù)Arrhenius模型表示的流變應力本構方程為：

2.3 熱加工圖

金屬材料在熱加工時，加工設備是儲存能量的能量源，變形金屬則是功率耗散器件。在熱變形過程中，材料在單位體積吸收的能量[9]可分為2部分：耗散協(xié)量和耗散量，如圖6所示，其關系如下：

圖5 ln Z與nln[sinh ασ]的關系

式中：為變形過程中微觀組織演變時消耗的能量；為材料變形過程中消耗的能量，其大部分轉化成熱量，少部分以畸變能形式儲存。

圖6 材料系統(tǒng)能量耗散

從圖6可以看出應變速率敏感系數(shù)（）在非線性耗散的過程中是不斷變化的。應變速率敏感系數(shù)（）在熱加工圖的創(chuàng)建中是必須的數(shù)據(jù)之一。其關系式如下：

的表達式如下：

根據(jù)DMM模型可知，在材料進行熱變形過程中，應力的應變速率敏感性可表示為：

由式（14）和式（15）綜合可得：

由式（11）可得：

結合式（15）和式（18），可得：

通過對上述公式進行分析，得出功率耗散圖和流變失穩(wěn)圖[10]，再將不同應變下的功率耗散圖與失穩(wěn)圖分別疊加，即構成熱加工圖，如圖7所示。

綜合分析圖7可以看出圖形分為2個部分：藍色部分的“不安全區(qū)”和白色部分的“安全區(qū)”。藍色區(qū)域代表的是熱加工圖的失穩(wěn)區(qū)域，材料在該加工參數(shù)區(qū)域內將會發(fā)生塑性失穩(wěn)，出現(xiàn)各類加工缺陷，因此在設計工藝參數(shù)時，要避免在此區(qū)域選擇工藝參數(shù)[11-13]，同時失穩(wěn)區(qū)的功率耗散因子值較小。由圖7可知，隨著應變的增加，失穩(wěn)區(qū)也在不斷向右邊以及下方擴散，即其區(qū)域不斷增加。因此溫度應該為400～430 ℃。

2.4 鍛件模擬

對以上系數(shù)進行設定，進而進行有限元數(shù)值模擬[14]，模擬參數(shù)如表4所示。采用鐓粗-預鍛-終鍛的方式，進行終鍛仿真模擬，觀察結果[15]。

表4 模擬參數(shù)

Tab.4 Simulation parameter

原始工藝鍛造成形盤類構件的折疊情況見圖8，通過運用有限元模擬分析的flownet方法設置最小偏移距離為5 mm，2條線突然明顯變寬的地方為可能出現(xiàn)折疊的地方，無2條線急劇變寬的現(xiàn)象認為沒有折疊。從圖8可以看出，鍛件最少有4處可能出現(xiàn)折疊現(xiàn)象。

圖8 原始工藝鍛造成形盤類構件的折疊分析

通過嘗試不同方法的仿真模擬，最終采用鐓粗-預鍛-終鍛的方式，進行設計模擬工序，可得到以下模擬結果。在盤類鍛件的模鍛成形過程中，上模的載荷-行程曲線如圖9a所示，隨著變形量的不斷增加，上模載荷總體呈非線性的增加趨勢并且在成形的末期陡然增加，上述成形載荷的變化是由金屬坯料充填模具型腔所受到的阻礙決定的。在初始變形階段，上模沿著軸的負方向運動，鍛件開始逐漸發(fā)生變形，由于鋁合金的強度不是太大，塑性變形相對較好，因此在初始階段，抗力并不是很大，因此載荷一直停留在比較小的抗力。隨著下壓量的不斷增加，特別是模鍛件幾乎充滿型腔時，如圖9b所示，載荷就開始發(fā)生劇增現(xiàn)象，即下壓量在90 mm左右時會有一個突點。載荷突然增大的原因是坯料將型腔內部全部充滿以后，多余的坯料流向飛邊槽的倉部和橋部，飛邊槽橋部對金屬流動的阻礙作用導致成形載荷增加，因此，成形過程中，載荷在穩(wěn)定上升之后再次出現(xiàn)一個明顯的增長，這是模鍛成形的正常現(xiàn)象。

圖9 上模載荷行程曲線及盤類鍛件型腔充填情況

在盤類鍛件的模擬中，在載荷允許的范圍內最重要的是看等效應變值的大小，應變值能夠判斷出成形過程中原始坯料的變形程度。以1.5為標尺的情況下，在要求變形量盡可能達標的前提下，還要要求盤類件的變形量盡可能均勻，因為這樣才能更好地提高力學性能。圖10a為盤類鍛件等效應變，可以看出最小應變值為0.564，最大應變值為1.16。針對零件的等效應變進行分析，其變形量幾乎都在0.69～0.90之間，直觀地反映出零件的變形量均勻性，其變形量在47%～59%之間，如圖10a所示。

圖10 盤類鍛件的等效應變和等效應力分布

等效應力是屈服準則的一種表現(xiàn)形式。等效應力的分布一定意義上可以反映鍛件的受力狀態(tài)，對等效應力分布的分析可以用于判斷成形過程中的危險區(qū)域即出現(xiàn)缺陷區(qū)域。圖10b為盤類鍛件完成后的應力場分布情況，可以看出，最大等效應力位于上模的斜度和下模的斜度上，等效應力值最小的部分在上模的平面處。隨著變形的進行，依然是上模的斜度和下模的斜度位置等效應力較大，且隨變形程度的增加，其值不斷增加并向心部擴散?？傮w來看等效應力的最小值為22.3 MPa，最大值為73.5 MPa。因此等效應力值相對來說較小，所以一般不會存在缺陷區(qū)域。

由圖11可得，2條線明顯變寬的地方為可能出現(xiàn)折疊的地方。在鍛件輪廓中，可以看到并未出現(xiàn)明顯變寬的地方，因此推測無折疊產(chǎn)生。

利用有限元模擬方法對模具進行應力場分析，可以獲得在復雜成形條件下的模具應力-應變分布，特別對于局部出現(xiàn)應力集中的問題有一定的預測作用，從而為成形工藝和模具優(yōu)化提供了準確的途徑和方法?，F(xiàn)在解決模具失效的方法更多是增大模具的厚度或者是整體換裝，這樣操作雖然在一定程度上提高了模具的壽命，但沒有達到節(jié)約成本的目的，因此可以通過尋找最大應力值的部位，僅針對某一部位進行檢測。預測模具是否會有裂紋，用最大主應力來衡量；看模具是否有變形，用等效應力來衡量。通過對圖12a的分析可得，等效應力最大部分在上模的拐角處，因此在檢測模具是否無損時，可以先檢測A部位是否完好，這對工作量的減少有一定的幫助。對圖12b進行分析，發(fā)現(xiàn)最大應力的部位同樣存在于上模的拐角處，因此對于模具裂紋的檢測，也應該把A部位作為首要部位。

圖11 鍛造成形盤類構件的折疊分析

圖12 鍛模的等效應力和最大應力分布

2.5 鍛件的生產(chǎn)驗證

模鍛生產(chǎn)時，針對傳熱制定了相關的保溫和隔熱措施：為了防止鍛件溫度驟降導致成形的不均勻性和變形量小，以及坯料受熱的不均勻性或者局部有溫差，鍛造時容易出現(xiàn)裂紋或者局部鼓形，因此要保證坯料的溫度內外一致。同時針對模具進行加熱處理，使其溫度為400 ℃，這樣不僅可以防止鍛件放在下模時熱量散失，也可防止模具溫度過高導致其強度降低，從而影響鍛件的成形。圖13為生產(chǎn)驗證的實物照片。通過實際生產(chǎn)驗證模擬方案的可行性[16]，可得到成形良好，外形尺寸滿足圖紙要求，且變形均勻的鍛件。

a

b

圖13 盤類構件鍛造生產(chǎn)驗證的實物

Fig.13 Photographs of forged disc-shaped component in production and verification

3 結語

基于7050高強度鋁合金進行熱壓縮實驗，通過分析真應力-真應變曲線的流變行為，研究變形溫度和應變速率對應力變化的影響規(guī)律，進而構建本構方程以及熱加工圖，確定適宜的加工范圍；利用本構方程建立材料模型，為仿真模擬做好準備。通過模擬得到變形均勻且無缺陷的鍛件。得到以下結論。

1）變形初期應力與應變呈線性關系，發(fā)生了彈性變形，應力快速增大。在整個變形的過程中，應力的大致趨勢是先隨著應變的增加急速增大，然后斜率逐漸減小，繼而材料開始均勻塑性變形，并發(fā)生加工硬化，最后達到平穩(wěn)狀態(tài)即加工硬化率減小至0。在穩(wěn)態(tài)流變的狀態(tài)下，由于加工硬化和動態(tài)軟化的共同作用，從而達到動態(tài)平衡，當以加工硬化為主的情況下，應力值會呈增大的趨勢，但當位錯密度增加到一定量時，形變儲能到達極限值，驅動動態(tài)回復與動態(tài)再結晶發(fā)生，軟化作用開始加強，當以動態(tài)軟化為主時，應力值就會下降。最后通過應力-應變數(shù)據(jù)，按照Arrhenius模型做出了流變應力本構方程。

2）選取0.2，0.4，0.6，0.8這4個應變構建熱加工圖，通過熱加工圖得到失穩(wěn)區(qū)與安全區(qū)；再將4個應變下的熱加工圖進行疊加，出現(xiàn)失穩(wěn)區(qū)和安全區(qū)，在設計工藝參數(shù)時，要避免在失穩(wěn)區(qū)選擇工藝參數(shù)，進而得出最適宜加工范圍。

3）對模鍛成形過程進行仿真模擬，對模擬結果中的應變場、折疊以及模具應力進行分析，結果表明，在表4工藝參數(shù)下具有較好的成形性能，在模擬結果中可以看出幾乎都符合要求，能夠進行熱加工成形。

4）通過對方案進行考量，結合材料利用率，可以進行預鍛操作。通過驗證可以看出鍛件并沒出現(xiàn)折疊、充不滿、起皺及破裂等缺陷，符合要求標準，因此驗證仿真模擬結果準確性及方案可行。

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Plastic Deformation Properties and Forging Process of Al-Cu-Mg-Zn Ultra-Hard Aluminium Alloy Disc-Shaped Component

DU Chong1, WANG Ze-fei2, MENG Yi2, YANG Xin-quan1, WANG Shi1

(1. Hunan Vanguard Group Co., Ltd., Changsha 410100, China; 2. Chongqing Key Laboratory of Advanced Mold Intelligent Manufacturing, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

The work aims to effectively improve the geometric accuracy and mechanical properties of forged Al-Cu-Mg-Zn ultra-hard aluminum alloy disc-shaped component. The rheological behaviors of Al-Cu-Mg-Zn ultra-hard aluminum alloy named 7A04 were investigated by hot compression tests. The constitutive equation and processing maps were established according to stress-strain data. The established 7A04 ultra-hard aluminum alloy model was imported into simulation analysis software, and the forging process was simulated and optimized.The rheological stress-based equations based on the Arrhenius model were obtained and the most suitable processing area of 7A04 ultra-hard aluminum alloy was determined, which provided accurate guidance for subsequent simulation. According to the finite element simulation results of forged 7A04 ultra-hard aluminum disc-shaped component, the optimal solution for homogeneous plastic deformation of forged component was obtained. The simulation analysis results are verified by full-size forging production experiments, and the 7A04 ultra-hard aluminum alloy disc-shaped components with uniform deformation and no forging process defects are obtained.

ultra-hard aluminum alloy; compression test; forging; processing map; disc-shaped component

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.02.016

TG164.1+1；TG31

A

1674-6457(2022)02-0101-09

2021-07-12

國家自然科學基金面上項目（51975071）；國家工業(yè)和信息化部工業(yè)強基工程項目（TC180A3Y1/18）；重慶英才計劃（CQYC202005068）

杜沖（1982—），男，碩士，高級工程師，主要研究方向為特種裝備結構設計。

孟毅（1983—），男，博士，教授，主要研究方向為金屬塑性成形。