噴射成形高強鋁合金包套多向鍛造工藝研究

（合肥工業大學 材料科學與工程學院，合肥 230009）

7×××系鋁合金作為超高強結構材料，具有強度高、密度低、加工性能好和焊接性能優異的特點，因此被廣泛應用于航空航天及軍事制造等領域[1—3]。雖然噴射成形高強鋁合金具有優異的綜合性能，但是仍然存在著一些不足，其制備的鋁合金因組織中不可避免地含有一定數量的孔隙而減小其致密度，引起強度的降低，所以需要后續的加工處理來改善其致密性，提高強度[4—5]。大塑性變形技術[6—9]（Severe plastic deformation，SPD）是通過在材料中引入極大的塑性變形量，達到細化晶粒和提升材料性能的目的。多向鍛造（Multi-directional forging，MDF）[10—11]由于工藝簡單、成本低，可制備大塊致密材料，是工業應用前景良好的大塑性變形方法之一。在此基礎上開發出的包套多向鍛造工藝，將傳統的多向鍛造和包套鍛造工藝有機結合，同時兼具兩種鍛造方法的各自特有的優勢，引入更大變形的同時彌補材料因強度提高而塑性下降的缺點，并獲得更大的累積應變和三向壓應力，進一步均勻細化晶粒，提升材料塑性和抗拉強度等優良性能。

目前相關學者關于包套鍛造工藝已經進行了較為深入的研究，但是這些研究主要針對單個方向包套鍛造時，坯料的性能變化[12—15]，對于一個完整道次的包套多向鍛造工藝的研究鮮有報道。文中采用數值模擬與物理實驗相結合的方法，研究一個完整道次的包套多向鍛造工藝對噴射成形高強鋁合金變形行為的影響規律。

1 實驗

1.1 有限元模型的建立

采用Deform-3D 有限元軟件對包套多向鍛造過程進行數值模擬，利用UG 三維造型軟件對坯料、包套和模具進行三維實體造型，坯料、包套和模具三維實體模型的截面如圖1 所示。將三維造型保存成stl 格式，導入到Deform-3D 有限元軟件中，模擬過程中將坯料和包套視為塑性體，上模和下模視為剛性體。實驗所用坯料材料為噴射成形高強鋁合金，化學成分如表1 所示，由于在Deform-3D 軟件材料庫無噴射成形高強鋁合金的材料屬性數據，需要根據等溫熱壓縮實驗得到的應力-應變方程數據輸入到Deform-3D 軟件中得到，坯料的尺寸為15 mm×15 mm×22.5 mm，摩擦因數設為0.25，將坯料劃分為40 000 個網格，包套劃分為50 000 個網格。鍛造溫度設置為200 ℃，上模的運行速度為1 mm/s，單個方向壓下量為40%。通過分析不同包套材料、厚度對坯料成形性能的影響，確定最終實驗采用的包套參數。

圖1 包套多向鍛造有限元模擬三維模型截面Fig.1 Section of the three-dimensional model simulated by the finite element method of cladding multi-direction forging

表1 噴射成形高強鋁合金成分（質量分數）Tab.1 Composition of spray-formed high strength aluminum alloy (mass fraction) %

1.2 實驗方法

試樣的實驗尺寸與有限元模擬一致。用砂輪機對坯料進行倒角，采用TIG 焊焊接工藝焊合包套。實驗時將試樣豎直放在下模上進行第一個方向的鍛造，每一次鍛造完成后取出，并旋轉90°后放在下模上進行下一個方向的鍛造。一道次多向鍛造過程如圖2 所示。

圖2 包套多向鍛造過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of multi-direction forging process of cladding

使用RZU200HF 液壓成形機進行包套多向鍛造實驗，試樣放在上模上用高溫爐一起加熱到200 ℃，保溫30 min，上下模和試樣表面用石墨潤滑。每個方向的下壓量均為40%，鍛完3 個方向完成一個道次的鍛造。鍛后對試樣進行切割，選取不同位置進行后續的力學性能測試，并對切割后的部分試樣進行T6 熱處理，熱處理工藝過程為：在450 ℃條件下固溶處理2 h，后隨爐升溫至480 ℃繼續固溶處理2 h，然后在20 ℃的水中淬火，最后在120 ℃條件下保溫24 h 進行人工過時效。用MH-3L 顯微硬度計測量坯料的顯微硬度，用SANS 拉伸試驗機檢測試樣的力學性能。

2 結果及分析

2.1 數值模擬結果分析

2.1.1 包套材料的選取

包套材料的選取需要考慮坯料和包套材料的變形抗力大小，模擬中選取變形抗力稍小于鋁合金的CnZn37 和變形抗力稍大于鋁合金的45#鋼作為包套材料，并和不加包套時的模擬進行對比。圖3 是在不同包套材料下，包套多向鍛造一道次后，坯料的等效應力分布圖。圖3a 為不加包套，直接對坯料進行一道次多向鍛造的模擬結果，由于坯料和上下模具直接接觸，坯料和模具之間的摩擦力導致坯料內部各處的變形不均勻，坯料外壁尖角部位的應力最大，在此處易產生應力集中，形成開裂等缺陷。圖3b 選擇的包套材料是CuZn37，可以看到一道次變形結束后，坯料和包套接觸部分形成很大的間隙，坯料在變形過程中容易與包套產生摩擦力，包套無法對坯料的變形起到限制作用，在變形結束后，坯料的應力分布仍然不均勻。當包套材料選用45#鋼時，如圖3c 所示，變形結束后坯料和包套之間緊密接觸，發生協調變形，整個坯料處于三向壓應力狀態，等效應力分布非常均勻，所以選用45#鋼作為包套的實驗材料。

圖3 不同包套材料下的包套多向鍛造一道次等效應力分布Fig.3 Distribution of equivalent stress of cladding multi-direction forging under different cladding materials

2.1.2 包套厚度的選取

包套厚度的選擇在很大程度上影響到包套多向鍛造的結果，較小時，包套本身可能會發生不均勻變形，與坯料發生脫離而失效；過大時，試樣整體受到的變形抗力較大，變形困難。劉坡[16]總結出包套厚度與變形力之間的數學模型如下：

式中：t為包套厚度；R為芯部坯料半徑；τ1和τ2為坯料和包套表面的剪切應力（MPa）；H為包套的高度（mm）；σZR為坯料半徑R處的軸向壓應力（MPa）；σZ(R+t)為包套外徑邊界上的軸向壓應力（MPa）。

由于本實驗采用的是方形包套，近似的取底面正方形邊長的1/2 作為圓的半徑R，從而得到R=7.5 mm，H=22.5 mm 代入式（1）中，可求得壁厚值t=4.12 mm。為了確定合適的包套厚度，選擇厚度為3，4，5 mm的包套進行模擬，根據模擬結果進一步篩選。圖4 是不同包套厚度下試樣經過一道次多向鍛造后，沿豎直軸向截面的等效應變分布圖。圖4a 坯料的包套厚度為3 mm，可以看到坯料中心與側面的等效應變分布差異較大，應變分布很不均勻。圖4b 坯料的包套厚度為4 mm，此時坯料中心與側面的等效應變分布差異相較于圖4a 有所降低，變形的均勻性得到了改善。當包套厚度達到5 mm 時，如圖4c，坯料中心與側面的等效應變分布差異得到了進一步降低，應變分布更加均勻。通過分析可以得到在與理論計算值偏差不大的范圍內，隨著包套的厚度增加，等效應變分布更加均勻，所以最終選用5 mm 厚度的包套進行實驗。

圖4 不同包套厚度下的包套多向鍛造一道次等效應變分布Fig.4 Distribution of equivalent strain in multi-direction forging under different thickness of cladding

2.2 實驗結果分析

2.2.1 實驗后的試樣宏觀形貌

包套多向鍛造一道次試驗后試樣的成形效果如圖5 所示，采用的包套實驗材料為45#鋼，包套厚度為5 mm。由圖5a 可以看到，經過一個道次的包套多向鍛造后，試樣的側面均為單鼓形。沿徑向切割將試樣一分為二，如圖5b 所示，包套與坯料接觸緊密，坯料未產生裂紋。包套多向鍛造實驗驗證了包套材料和厚度的可靠性，可以應用于實際生產。

圖5 包套多向鍛造一道次實驗后試樣的宏觀形貌Fig.5 Macroscopic morphology of the sample after the first experiment of multi-direction forging of cladding

2.2.2 顯微硬度分析

對初始態試樣和一道次包套多向鍛造后試樣進行顯微硬度測試，對鍛后的試樣主要選取心部、側邊緣和上邊緣3 個位置測量硬度，位置如圖5b 所示，每個位置測量10 個點求其平均值，得到初始態試樣的平均硬度值為HV72.2，經過一道次包套多向鍛造后試樣心部、側邊緣和上邊緣的硬度值分別為HV98.7，HV96.5，HV94.2。可以看到，經過一道次包套多向鍛造后，試樣的硬度得到了提升，各個部位的硬度值變化相差不大，說明45#鋼包套材料對坯料起到了有效的限制作用，各個部位的變形比較均勻，與模擬結果相符合。

2.2.3 拉伸性能分析

對一道次包套多向鍛造實驗后的試樣進行拉伸測量，試樣的拉伸位置如圖5b 所示，表2 是試樣拉伸力學性能的變化情況。測量結果表明，包套多向鍛造和T6 熱處理可以顯著提高試樣的抗拉強度，T6 熱處理后試樣的抗拉強度較初始樣提高了81.1%；經過包套多向鍛造后，試樣的伸長率得到了提升，T6 熱處理后，伸長率下降。

表2 試樣的拉伸力學性能Tab.2 Tensile mechanical properties of samples

3 結論

1）通過Deform-3D 模擬噴射成形高強鋁合金包套多向鍛造的成形過程，當包套材料的變形抗力稍大于坯料時，坯料和包套之間發生協調變形，可以顯著改善坯料的等效應力分布。

2）包套厚度影響坯料的等效應變分布，在一定范圍內，包套厚度越大，坯料的等效應變分布越均勻。

3）包套多向鍛造后試樣的宏觀形貌與模擬結果一致，驗證了模擬結果的準確性，一道次包套多向鍛造實驗后，試樣的硬度、抗拉強度和伸長率都得到了提升，經過T6 熱處理后，試樣的抗拉強度進一步提升，伸長率下降。