7136擠壓管材頭尾性能差異產生原因分析

周保成，毛雪晶，黃東男，董學光，牛關梅

（1.中鋁材料應用研究院有限公司，北京 102209；2.西南鋁業（集團） 有限責任公司，重慶 401326）

0 前言

7136 鋁合金是在7055 鋁合金的基礎上主要優化Zn 含量和其他合金元素配比得到的新型高強度和耐腐蝕性合金，7136 鋁合金常用的塑性加工方法有擠壓和軋制等，主要用于飛機，如機翼構件、上機翼蒙皮構件及飛機縱梁等產品[1]。

近些年，對7136 合金的研究方向主要聚焦于固溶、時效和淬火速率對其組織性能的影響研究。王春華等[2]研究了一級、二級和三級固溶制度對耐腐蝕性能的影響。Li等[3]研究了T6和RRA時效制度對7136 鋁合金擠壓板材微觀組織和力學性能的影響。馬志民等[4]采用浸入式末端淬火和慢應變速率拉伸實驗研究了淬火速率對7136 鋁合金應力腐蝕開裂（SCC）敏感性的影響規律。趙帆等[5]研究了針對擠壓后的7136 鋁合金型材施加一定拉伸變形量后再固溶的方式消除擠壓粗晶。

除了上述問題外，7136 鋁合金擠壓材也存在頭尾性能差異較大的問題。例如，實際生產的外徑250 mm、壁厚20 mm 的7136-T6511 合金，其鑄錠溫度為400 ℃，擠壓速度為0.2 mm/s，表1 示出了其性能檢測結果（圓柱拉伸試樣，標距部分直徑15 mm，取樣位置位于壁厚中心處）。但該問題暫時沒有研究報道，本文以7136 鋁合金管材為研究對象，通過數值模擬的方式，從擠壓工藝角度揭示7136鋁合金擠壓管材頭尾性能差異產生的原因。

表1 實際生產中7136-T6511管材頭尾性能

1 研究方法

本文研究對象是外徑250 mm，壁厚20 mm 的7136 鋁合金管材，該管材由外徑630 mm，內徑260 mm 的空心鑄錠通過模具擠壓成形，空心鑄錠長度為1 000 mm，工模具尺寸如圖1中左側，模具溫度400 ℃，擠壓筒和擠壓針溫度為450 ℃。

圖1 管材擠壓工模具結構和簡化模型

管材擠壓過程模擬采用QForm軟件，由于管材及工模具在幾何和變形上都屬于軸對稱布置，為了提高模擬速度，管材擠壓過程模型簡化為軸對稱方式建模，管材擠壓過程簡化模型如圖1中右側。在模型中，7136 鋁合金材料的熱變形本構模型和動態再結晶模型采用文獻[6]測定的參數，擠壓模擬熱和摩擦邊界條件設置采用文獻[7]測定的參數。

首先，開展擠壓試驗和模擬，以驗證數值模擬擠壓過程準確性，通過比對擠壓試驗和模擬計算獲得的管材再結晶體積分數判定模型是否合理。

然后，模擬不同初始鑄錠溫度（400 ℃、430 ℃和460 ℃） 和不同擠壓速度（0.2 mm/s、0.49 mm/s，0.79 mm/s）管材擠壓過程，工藝模擬方案如表2。分析鑄錠溫度和擠壓速度對管材溫度場、等效應變場、金屬流線和再結晶影響規律，通過分析管材頭尾的再結晶差異揭示性能差異產生原因。

表2 模擬的不同工藝方案

2 試驗及模擬結果

2.1 數值模擬擠壓過程準確性驗證

采用相同的工藝（鑄錠溫度為400 ℃，擠壓速度0.2 mm/s）進行擠壓試驗和模擬，對比分析擠壓試驗和模擬后的管材再結晶體積分數。對比分析的位置在距離頭部和尾部處的800 mm 處縱剖面的中心點（如圖2）。試驗測定再結晶體積分數的采用EBSD 技術，擠壓試驗獲得的管材EBSD 分析結果如圖3所示，由結果可知，無論是管材的頭部還是尾部，晶粒沿著擠壓方向伸長，沿著管材徑向壓扁，發生少量再結晶。采用EBSD 測得的頭部位置和尾部位置的再結晶體積分數分別為8.56%和7.84%，兩處再結晶體積分數基本無差別。試驗和模擬的管材再結晶體積分數對比統計結果如表3。由表可知，采用模擬計算的頭部和尾部再結晶體積分數分別為7.28%和6.59%，相對于試驗的誤差分別為-14.9%和-16%，模擬偏差相對較低，說明建立的模型模擬過程較為合理。

圖2 管材取樣示意圖

圖3 原始鑄錠和管材EBSD分析

表3 試驗和模擬的管材再結晶體積分數對比（體積分數/%)

2.2 不同擠壓工藝條件下材料溫度場模擬結果

圖4 示出了在擠壓溫度400 ℃、擠壓速度0.2 mm/s條件下，擠壓桿行程不同時材料的溫度場云圖。由圖5可知，在整個擠壓過程中，擠壓出口處溫度最高，擠壓坯料尾部溫度最低，擠壓出口處管材內側點、中心點和外側點之間的溫差小于2 ℃。

圖4 擠壓溫度400 ℃，擠壓速度0.2 mm/s，不同擠壓行程時的溫度場

圖5 擠壓溫度400 ℃，擠壓速度0.2 mm/s，擠壓行程784 mm時出口處溫度場

如圖6所示，在不同擠壓工藝條件下，擠壓出口區域的溫度隨擠壓行程的變化曲線。

在擠壓速度為0.2 mm/s條件下，對比鑄錠溫度分別為400 ℃、430 ℃和460 ℃時的擠壓出口處溫度。在擠壓初期，三種鑄錠溫度條件下的出口處溫度彼此相差約4 ℃。隨著擠壓過程的進行，當擠壓行程達到388 mm附近時，三種鑄錠溫度條件下的出口溫度逐漸接近，直至最后溫度相差不大，可以得出鑄錠溫度對擠壓出口處的溫度影響較小的結論。導致這種結果的原因可能是擠壓速度在0.2 mm/s條件下，在擠壓初期，擠壓出口處溫度的差別主要來自于鑄錠的溫度差異，但隨著擠壓過程的進行，擠壓筒、擠壓模具和擠壓針對擠壓坯料有熱傳導作用，這種熱傳導作用逐漸將坯料加熱至接近于擠壓模具溫度。

在鑄錠溫度為400 ℃條件下，對比擠壓速度為0.2 mm/s、0.49 mm/s 和0.79 mm/s 時材 料 在 擠 壓 出口處的溫度。隨著擠壓速度的增大，擠壓出口處材料溫度的溫升越大，三種擠壓速度的溫升分別為10 ℃、22 ℃和28 ℃，說明擠壓速度對溫升影響較大。其原因是擠壓速度越大，變形導致的熱量產生越快，坯料和模具接觸的時間越短，模具對坯料的冷卻作用越小。

2.3 不同擠壓工藝條件下材料等效應變場的模擬結果

測量擠出后管材的內側、中心和外側部位的等效應變，具體測量位置如圖7所示，不同擠壓工藝條件下的等效應變沿長度方向分布如圖8所示。所有工藝條件下等效應變分布情況基本相同：心部點應變不隨長度變化，大約為3；內側點應變由頭部向尾部先增大后降低，頭部應變水平約為9，應變達到最高約18 后，到尾部應變降低到約為15；外側點應變由頭部向尾部一直增大，頭部應變水平約為10，尾部應變約為21。

圖7 擠壓管材取樣位置示意圖

圖8 不同工藝條件下應變沿管材長度方向的分布

2.4 擠壓過程材料流線變化過程

如圖9 示出了在擠壓溫度400 ℃、擠壓速度0.2 mm/s條件下，擠壓桿行程不同時擠壓坯料的流線變化。由圖可知，隨著擠壓過程的進行，材料流動區域和死區之間的過渡區域逐漸形成。在管材頭部擠出時，流線變形還不太明顯，但到管材尾部擠出時，尾部的內側點和外側點都有大量的流線聚集現象，說明發生了強烈的塑性變形。

圖9 擠壓過程材料的流線變化

2.5 擠壓動態再結晶

圖10 顯示了在不同擠壓工藝條件下，頭部和尾部縱剖面的再結晶體積分數云圖（為了方便查看各位置具體數值，采用不連續的離散云圖顯示）；圖11 顯示了頭部和尾部在橫截面上的平均再結晶體積分數對比。在所有擠壓工藝條件下，無論是頭部還是尾部，中心的再結晶體積分數較低，內側和外側的再結晶體積分數較高。

圖10 縱剖面再結晶體積分數云圖對比（剖面左側為管材內側）

圖11 橫截面上平均再結晶體積分數對比

在擠壓速度為0.2 mm/s條件下，對比鑄錠溫度對平均再結晶體積分數的影響：隨著鑄錠溫度的升高，頭尾平均再結晶體積分數差異逐漸降低，鑄錠溫度為400 ℃、430 ℃和460 ℃時，頭部平均再結晶體積分數分別為33.7%，31.8%和35.8%，尾部平均再結晶體積分數分別為40.4%，35.5%和36.0%。

在鑄錠溫度為400 ℃條件下，對比擠壓速度對平均再結晶體積分數的影響：隨著擠壓速度的升高，頭尾平均再結晶體積分數差異逐漸增大，擠壓速度為0.2 mm/s、0.49 mm/s 和0.79 mm/s 時，頭部平均再結晶體積分數分別為33.7%，35.0%和35.8%，尾部平均再結晶體積分數分別為40.4%，49.4%和55.4%。

3 分析與討論

材料的性能決定于微觀組織，微觀組織主要包含晶粒和第二相兩大方面，兩方面互相影響。對于同一根管材，成分和熱處理制度相同，但頭尾性能卻有較大差異。結合上述模擬結果可知，頭尾性能差異產生的原因是管材在擠壓過程經歷的變形量和溫度在不斷變化，變形量和溫度影響了再結晶程度、晶粒尺寸和織構。再結晶不僅對性能產生直接影響，也通過影響7×××合金第二相時效析出和織構間接對性能產生影響[8]。

在擠壓溫度400 ℃，擠壓速度0.2 mm/s 條件下，表1中表明強度和延伸率性能在頭部比在尾部低，圖11 中表明平均再結晶體積分數在頭部比在尾部高。原因是再結晶既導致晶粒尺寸增大也導致沿擠壓方向的纖維減少，使強度和延伸率都降低。為了分析對比等效應變和擠壓出口溫度對再結晶的影響，將模擬的得到各工藝條件下的等效應變、擠壓出口溫度和再結晶數據進行處理：

第一步：計算擠壓管材頭部和尾部在整個橫截面上等效應變平均值、擠壓出口時的溫度平均值、再結晶體積分數平均值。

第二步：計算上述各參數平均值在頭部和尾部之間的差值。

第三步：將上述差值采用均值方差法[9]進行歸一化，使數據轉化為均值為0、方差為1 的標準化數據，該數據的數值越大，代表頭尾之間的相應參數差異越大。

圖12 為按照上述步驟處理后的數據結果，由圖可知，頭尾出口溫度差異和頭尾平均再結晶差異具有明顯的相關性：隨著擠壓溫度的升高，頭尾擠壓溫度差異越小，再結晶差異越小；隨著擠壓速度的增大，頭尾擠壓溫度差異越大，再結晶差異越大。

圖12 不同擠壓工藝條件下頭尾參數差異對比

4 結論

通過數值模擬，探究了不同鑄錠溫度（400 ℃、430 ℃和460 ℃）和擠壓速度（0.2 mm/s、0.49 mm/s、0.79 mm/s）對7136 管材擠壓過程中的溫度、應變、流線和再結晶體積分數的影響，得出如下結論：

（1）擠壓速度對擠壓模具出口處的管材溫度有較大影響。以較低速度（0.2 mm/s）擠壓時，擠壓模具出口處的管材溫度隨著擠壓過程的進行先增大后保持在與擠壓筒和擠壓針溫度接近的水平；以較高速度（0.49 mm/s、0.79 mm/s）擠壓時，擠壓模具出口處的管材溫度隨著擠壓過程的進行逐漸增大，擠壓速度越高擠壓模具出口處的管材溫度越高。

（2）鑄錠溫度對擠壓模具出口處的管材溫度影響較小。不同鑄錠溫度條件下，擠壓模具出口處的管材溫度在擠壓過程前期有差異，在擠壓過程后期幾乎相同。

（3）擠壓速度和鑄錠溫度對擠壓后的管材應變幾乎無影響。在所有擠壓工藝條件下，管材的心部點從頭部到尾部應變一直處于同一水平，內側點應變由頭部向尾部先增大后降低，外側點應變由頭部向尾部一直增大。

（4）管材頭尾性能差異源于再結晶差異，而管材頭尾再結晶差異和擠壓模具出口溫度差異存在著明顯的相關性，所以說管材性能差異來源于擠壓過程中管材在擠壓出口溫度的差異。