振動對7055鋁合金蠕變時效成形的影響

王 宇， 鄧運來， 康建可， 張 勁

(1.中南大學材料科學與工程學院，長沙410083;2.中南大學輕合金研究院高性能復雜制造重點實驗室，長沙410012)

蠕變時效成形(Creep Age Forming，CAF)是使金屬在低于屈服強度的應力場和熱時效溫度場共同作用下發生蠕變變形，獲得相應的形狀和性能的工藝方法［1～3］。利用該工藝成形的構件具有殘余應力水平低、構件性能優異、表面質量高等優點，因此被廣泛應用于鋁合金機翼、整體壁板等構件的制造［4～6］。CAF技術的關鍵在于能否準確預測構件的回彈量和有效地調控起強化作用的納米級第二相的析出行為［7］，從而使構件的形狀和性能與服役環境相適應。

在鋁合金的熱時效過程中引入一定幅度的循環載荷，循環載荷應力場與蠕變成形的內應力場相互疊加，當疊加應力大于構件的屈服極限時，構件局部會發生微小塑性變形，從而影響僅依靠蠕變或應力松馳達到成形目的經典蠕變成形過程的變形總量與強化相析出行為［8，9］。本工作前期研究中曾將振動引入2XXX系合金的蠕變時效過程中，結果發現，振動蠕變時效成形能大幅度降低回彈量、縮短蠕變成形的時間、提高試樣的強度等力學性能。

然而，關于振動引入對7×××鋁合金蠕變時效成形的影響尚未見報道。本研究以7055合金為研究對象，將振動引入7055蠕變時效過程中，探索振動蠕變時效成形對7055合金蠕變時效的回彈量、力學性能和微觀組織的影響，可為發展CAF工藝方法提供參考。

1 實驗方法

1.1 材料與工藝方法

實驗采用自制的彎曲蠕變成形模具，模具的組裝如圖1所示，主要由凸模(c)、凹模(d)和緊固螺桿(b)組成，裝配時板料置于凹模與凸模之間，通過凸模與凹模上設置的緊固螺桿實現板料的貼模定形。

本實驗材料為試驗室自制的7055鋁合金熱軋板，其化學成分如表1所示。割取多塊尺寸為230mm×130mm×5mm的樣品，經470℃/1h固溶+室溫水淬火后分為兩組，分別在自制的單曲率蠕變時效模具(如圖1所示)上進行普通的蠕變時效成形實驗(以下簡記為SCAF)和振動蠕變時效實驗(以下簡記為VCAF)，具體實驗方案如表2所示。

表1 實驗用7055合金化學成分(質量分數/%)Table 1 Chemical composition of the tested 7055Al alloy(mass fraction/%)

圖1 自制單曲率模具 (a)模具組裝圖;(b)緊固板;(c)凸模;(d)鋁板與凹模Fig.1 Self-made single curvature die(curvature radius=1000mm)(a)assembly diagram of the die; (b)clamping bolts;(c)upper die;(d)Al sheet and female die

表2 實驗方案Table 2 Experimental program

采用自制的振動平臺，在7055鋁合金時效強化熱處理過程中對試樣進行振動處理，振動蠕變時效成形試驗研究裝置如圖2所示。振動平臺(如圖2所示)安裝了模具、試樣后，試驗系統能自動掃描固有頻率，然后在亞共振頻率下進行振動。經過調試，本研究的振動蠕變時效工藝參數如表3所示。

圖2 自制的振動時效爐三維示意圖Fig.2 The 3d illustration of the self-made VSR platform

表3 振動時效工藝參數Table 3 The process parameters of VSRmethod

1.2 檢測過程和方法

采用ATOS掃描儀測量試樣的回彈量。在每個樣品上均勻涂上顯像劑并分別貼上三個參考點和編碼點，然后在平行于樣品的方向放置好標尺。用數碼相機拍攝參考點和編碼點以及樣品的照片，并將照片導入TRITOP中，確定參考點和編碼點的空間位置，再將得到的*TRI文件導入到ATOS中，用ATOS對樣品的形面進行精確測量，為定量表征回彈量的大小，按下式定義回彈率:

式中，d0為模具曲面與初始試樣間的最大弦高(如圖3所示);dmax為試樣回彈后與模具面之間的最大弦高，

圖3 試樣回彈示意圖Fig.3 General view of springback

按照GB/T228—2002標準，使用線切割機將加工出標準室溫拉伸試樣，在CSS-44100電子萬能實驗機上進行室溫力學性能測試，夾頭移動速度為2mm/min。采用XJP-6A型金相顯微鏡對試驗后的樣品進行金相組織觀察;透射電子顯微分析在TECNAIG220型場發射透射電鏡上進行，試樣人工減薄至80μm左右后，進行電解雙噴減薄，腐蝕液為甲醇與硝酸的混合溶液，兩者體積比為7∶3。

2 結果與討論

2.1 回彈量

圖4為120℃VCAF處理和SCAF處理下樣品的回彈量變化情況，從圖中可以看出，隨時效時間的增加，VCAF處理和SCAF處理均能使試樣的回彈量逐漸降低。相比于SCAF試樣，引入振動后的VCAF試樣的回彈明顯降低。時效3h時，振動時效使得試樣回彈下降了 7.5%;時效 24h時，回彈下降12.3%。說明蠕變時效過程中施加少量次數的振動就能夠使得試樣回彈出現較明顯的下降，振動次數的增多可以增加試樣回彈的下降程度。此外，從曲線的變化趨勢上可以發現，兩種類型試樣的回彈下降逐漸平緩，均表現出逐漸飽和的趨勢。

蠕變時效成形過程中，鋁合金試樣在彎曲變形產生的內應力和時效溫度的條件下蠕變，產生應力松弛。這個過程中蠕變量越大，產生的應力松弛也越大，回彈后試樣保留的塑性變形越多，即回彈量越小。因此，根據圖4中的結果，蠕變時效過程中加入振動后降低了回彈量，對成形的影響表現為增加了試樣蠕變量，即一種等效的應力松弛作用。

圖4 SCAF和VCAF樣品的回彈量變化情況Fig.4 Springback evolution curves of SCAF samples and VCAF samples

圖5 強度變化曲線Fig.5 The strength evolution curves during the aging process

2.2 力學性能

圖5為兩種處理工藝下樣品的屈服強度和抗拉強度隨時間變化的曲線。圖中可見，兩種試樣的屈服強度和抗拉強度均經歷了先增大后減小的過程。相比于蠕變時效SCAF試樣，引入振動的蠕變時效VCAF試樣的屈服強度與抗拉強度達到峰值的時間提前，并有較明顯的提高。當時效至9h時，VCAF試樣達到峰值，屈服強度615MPa，抗拉強度為641MPa;當時效至24h時，SCAF試樣達到峰值，且屈服強度599MPa，抗拉強度為622MPa。由此，可見振動時效的引入，可使蠕變時效試樣的峰值屈服強度提高約 15MPa，抗拉強度提高20MPa。

從微觀角度上分析，強度可以用以下公式表示［10，11］:

其中，σ0為基體固有強度，σss為固溶處理對強度的貢獻，σdis為位錯強化，σppt為析出相強化。在本文的實驗條件下，可認為SCAF處理和VCAF處理后合金的σ0和σss值相同。由圖7可知，經9h VCAF處理后的樣品，析出相的數量以及析出相的密集程度都比SCAF樣品大，因此VCAF處理后σppt的值比SCAF處理大，所以樣品VCAF3表現出較高的強度。在具有盤狀析出相的可熱處理強化鋁合金的時效過程中，沉淀相的強化作用主要來自于奧羅萬繞過機制，位錯繞過第二相粒子所需要的力可以用下式表示［12］:

圖6 金相組織對比Fig.6 Opticalmicrographs showing the grains structure of samples (a)VCAF5(b)SCAF5

式中，μ為剪切模量，b為柏氏矢量，λ為粒子間距。在析出相的長大過程中，析出相的數量降低且間距增大，根據公式(4)可知，位錯繞過第二相所需要的力逐漸減小，因而σdis和σppt由的值也隨之降低，因此VCAF試樣的強度也逐漸下降，并且低于SCAF試樣。

2.3 微觀組織

如圖6所示為7055鋁合金在120℃下VCAF5試樣與SCAF5試樣的金相組織照片。通過對比可以發現，兩種狀態下的金相組織都基本上保持著扁狀的軋制形態，晶粒尺寸與形貌均無明顯差異。

圖7 試樣的晶內析出相及相應選取衍射花樣Fig.7 The precipitatesmorphology of the tested samples treated by different process(a)SCAF1;(b)SCAF3; (c)SCAF5;(d)VCAF1;(e)VCAF3;(f)VCAF5

圖7為VCAF和SCAF樣品分別在不同處理時間(3h、9h、24h)的＜001＞方向晶內明場相及對應的選區衍射花樣，一般認為［13］，7×××系鋁合金的主要強化相η'(MgZn2)相，在時效過程中的析出順序為SSS→GP區→η'相→η相。時效9h后(圖7b、7e)均可以觀察到大量的析出相析出，并VCAF試樣較SCAF試樣中的析出相呈現出更加致密的特點。另外，時效24h后，VCAF5試樣中出現η相(如圖7)，表明VCAF5試樣開始進入過時效，這與力學性能的變化相吻合。

3 結論

(1)振動的引入，在與SCAF處理相同的時間下，降低了回彈量，在經24h處理后，VCAF5試樣回彈量較SCAF5試樣降低了12.3%;振動的引入對成形的影響表現為增加了試樣蠕變量，即一種等效的應力松弛作用。

(2)在120℃下，相比于蠕變時效SCAF試樣，引入振動的蠕變時效VCAF試樣的屈服強度與抗拉強度達到峰值的時間提前，并使峰值強度提高7%。

(3)振動的引入，使VCAF試樣中第二相數量增多并且分布更加彌散。但VCAF試樣中出現η相的時間提前。

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