7050 鋁合金H 形斷面模鍛件表層組織調控工藝

文/胡建良，吳秀江，董夢曉，金淼·燕山大學

為解決大型鋁合金模鍛件在傳統熱模鍛工藝下出現的表層組織晶粒度粗大，表層和心部晶粒度差距大等問題，本文提出了“欠壓模鍛+低溫小變形”的成形工藝方法，通過控制鋁合金模鍛件內部形變儲能的累積與釋放，細化鍛件表層粗大組織，最終實現鋁合金模鍛件組織均勻性調控。

近年來7 系鋁合金作為航空結構材料之一，已經廣泛應用于大飛機關鍵結構件的生產制造中。大型鋁合金航空模鍛件一般具有高筋薄壁的特征，采用傳統熱模鍛工藝不可避免地存在從表層到心部的組織不均勻問題，特別是鍛件表層晶粒和析出相粗大引發的航空結構件服役性能弱化與模鍛件成品率低的問題普遍存在。為此，本文采用數值模擬和物理實驗相結合的方法，以H 形斷面模鍛件為對象，研究提出了一種欠壓模鍛與低溫小變形工藝相結合的鍛件表層組織調控成形工藝，有效的細化了模鍛件表層晶粒組織，最終獲得了晶粒組織均勻的鋁合金模鍛件。

表層組織調控工藝及分析模型

為研究模鍛件表層組織調控工藝，本文設計了一個H 形截面模鍛試驗件，形狀尺寸如圖1 所示。鍛件材料為7050 鋁合金，化學成分見表1，坯料尺寸為77mm×50mm×50mm。

工藝過程為：首先對其進行欠壓模鍛，始鍛溫度350℃，欠壓量5mm。壓制后回爐進行200℃均溫處理。隨后將模具預熱到300℃，進行低溫小變形壓制，壓下量5mm，壓制后固溶處理。該工藝通過欠壓模鍛預留出一定的變形量，在低溫小變形壓制過程中，通過提高模具溫度，降低鍛件溫度使成形過程中鍛件的表層溫度高于心部，從而改善表層的變形條件，提高表層的變形量，同時抑制心部溫度，減輕心部晶粒長大傾向，配合后期固溶處理進而實現表層心部組織均勻性的控制。

表1 7050 鋁合金化學成分(%)

為對上述工藝進行分析研究，建立了三維有限元分析模型（圖2），并設計制備了試驗模具（圖3）。模擬采用DEFORM 有限元軟件，選用四面體網格，工件共劃分單元101012 個，上模與下模的單元數分別為54585 和60370 個。工件與環境的熱交換系數為0.02N/（sec·mm·℃）；工件與模具間的熱交換系數為11N/（sec·mm·℃），摩擦系數設為0.3。

欠壓模鍛工步分析

圖4 為模擬所得欠壓模鍛后鍛件的溫度場與應變場分布情況。

由圖4（a）可知，鍛件肋部表層溫度由350℃下降為190℃，肋部中心部位溫度降為220℃，溫度差異較大。圖4（b）反映了鍛件各部分的等效應變分布情況，從圖中可以看出，鍛件肋部的表層區域由于位于變形死區，其變形量很小，等效應變值只有0.1 左右，肋部的中心區域等效應值變達到了0.375，與表層變形量差距較大，可見鍛件肋部各區域變形不均勻十分顯著。

為進行內部晶粒度探查，將欠壓模鍛后的試驗件空冷到室溫，圖5 為欠壓模鍛后試驗鍛件實物圖，對其進行了解剖取樣，解剖和取樣位置如圖6 所示。各取樣位置的金相組織如圖7 所示。

從圖7-1、7-5 可以看出由于鍛件肋部表層變形溫度低，變形量小，組織中形變儲能得不到釋放，不能為再結晶過程提供能量，鍛件表層的晶粒組織較為粗大，晶粒平均直徑達到了112μm。然而鍛件心部（圖7-3）以及腹板部分（圖7-7）的溫度較高，形變量較大，晶粒組織相對于表層細小均勻，其平均直徑為94μm。

低溫小變形工步分析

圖8 為經低溫小變形后的試驗鍛件實物圖，圖9（a）為模擬所得鍛件內部的溫度場分布情況，由于模具溫度高于坯料的溫度，鍛件肋部表層溫度由200℃上升到240℃左右，高于鍛件肋部中心部分（230℃）。圖9（b）為鍛件的等效應變分布情況，可以看出鍛件肋部表層變形量明顯提高，局部等效應變值達到了0.13 左右，心部等效應變值在0.2 左右，鍛件內部的變形均勻性明顯轉好。

將壓制后的鍛件固溶淬火處理，固溶溫度470 ℃，固溶時間30min，淬火水溫為30℃，選取鍛件的表層和心部位置（圖6 的1 和3 位置）進行金相分析。

圖10 為經過低溫小變形調控后的鍛件表層與心部金相圖，由于低溫小變形過程中同時提高了鍛件表層的變形溫度和變形量，使鍛件表層獲得應變的高效累積，提高了鍛件表層位錯密度，在后續固溶過程中，累積的形變儲能通過靜態再結晶行為釋放，使得鍛件表層晶粒組織變的細小均勻。統計結果顯示，經過低溫小變形工藝調控后的鍛件表層和心部的平均晶粒直徑分別減小到22μm 和19μm。由此可見，低溫小變形工藝可很好地解決熱模鍛工藝下模鍛件表層晶粒粗大的問題，避免了因機加工去除表層粗大組織造成的材料浪費。

結束語

對H 形斷面模鍛件的模擬分析和試驗研究表明，“欠壓+低溫小變形”成形工藝可有效細化鍛件表層晶粒，實現了鍛件表層的組織調控，為提高大型模鍛件的組織均勻性提供了新思路。