鋁合金塑性成形粗晶現象的研究進展

劉釗，孔德瑜，鄧磊，唐學峰，金俊松，王新云*

鋁合金精密成形專刊

鋁合金塑性成形粗晶現象的研究進展

劉釗1,2，孔德瑜1，鄧磊1，唐學峰1，金俊松1，王新云1*

（1.華中科技大學，武漢 430000；2.上海電機學院，上海 201306）

鋁合金經過熱塑性變形或者塑性變形+熱處理后，可能發生晶粒異常長大而形成粗晶。粗晶會大幅降低構件的力學性能、耐腐蝕性能和抗疲勞性能，因此必須得到有效控制。對鋁合金塑性成形粗晶的研究主要集中在2×××、6×××、7×××系熱處理可強化型鋁合金以及5×××系熱處理不可強化型鋁合金，研究內容已經覆蓋塑性成形工藝、熱處理制度、微觀組織演變、數值仿真模擬等方面。為了明晰鋁合金塑性成形構件粗晶現象的研究現狀，為相關研究提供參考，對鋁合金塑性成形粗晶現象的研究進展進行了梳理。首先，分析了材料成分、變形溫度、變形速度、固溶溫度、固溶時間和模具結構對晶粒異常長大的影響；其次，從晶粒取向分布、應變誘導儲能和第二相釘扎作用的角度總結了晶粒異常長大的機理；再次，歸納了包括改變坯料初始狀態、合理的鍛造技術和中間形變熱處理等有效抑制粗晶產生的方法；最后對未來的研究方向進行了展望。

鋁合金；塑性成形；粗晶；機理；控制方法

鋁合金具有較高的比強度及較好的抗腐蝕性和可回收性，是理想的輕量化材料。與機加工構件相比，經過塑性成形的鋁合金構件的組織更致密、強度更高，被廣泛應用在航空航天、汽車交通等重要工業領域[1]。然而，鋁合金經過熱塑性變形或者塑性變形+熱處理后，很容易出現局部晶粒異常長大的現象，形成“粗晶”。“粗晶”是一個相對概念，它表示區域內某些晶粒的尺寸明顯大于區域內的平均晶粒尺寸（一般為2～3倍）。晶粒尺寸產生差異主要是因為在材料發生完全再結晶、溫度處于再結晶溫度以上時，晶粒繼續長大，并且變形等原因導致晶界遷移速度存在明顯差異，使個別晶粒異常長大從而形成粗晶[2-3]。鋁合金塑性成形構件中粗晶的宏觀形貌如圖1所示，主要有2種形式：構件外表面的粗晶環；構件內的粗晶層。粗晶環主要出現在擠壓制品表面，而粗晶層在鍛造制品中出現得較多且分布更加無規則，這是由于鍛造中材料的流動情況更加復雜而擠壓中不規則變形主要集中在材料表面。粗晶可能導致構件的力學性能、耐腐蝕性等大幅度降低，嚴重時可導致構件開裂，因此必須得到有效控制[4]。

20世紀20年代，研究人員便注意到鋁合金中的粗晶現象，但由于試驗方法有限，直到20世紀50年代才嘗試從金相的角度解釋粗晶的形成原因，并逐漸意識到粗晶的形成除了與材料自身成分和狀態相關外還與塑性成形工藝有關。研究人員最初主要關注的是鋁合金擠壓制品中的粗晶環，研究粗晶環對構件力學性能、抗疲勞性能和主要缺陷形式的影響。隨著對高性能復雜構件形性控制要求的不斷提高，正交試驗、熱模擬試驗、有限元仿真等試驗技術的逐漸成熟，以及SEM（Scanning Electron Microscope）、EBSD（Electron Backscatter Diffraction）、TEM（Transmission Electron Microscope）等表征技術的普及，在20世紀末對鋁合金塑性成形中粗晶的研究呈爆發式增長，研究人員更多關注塑性成形中產生的粗晶，并且從成形參數、熱處理參數等外因角度，以及晶粒取向分布、應變誘導儲能和第二相釘扎等內因角度嘗試理解粗晶的形成機理，但是由于影響粗晶形成的因素較多且因素之間的關系復雜，目前對鋁合金塑性成形中粗晶的精準控制仍無法實現，這仍然是研究人員關注的熱點之一。

圖1 鋁合金鍛件中粗晶的宏觀、微觀形貌及裂紋缺陷[1-4]

為了明晰鋁合金塑性成形構件粗晶現象的研究現狀，為相關研究提供參考，本文對鋁合金塑性成形粗晶現象的研究進展進行了梳理：首先，分析了材料及塑性成形工藝對粗晶的影響；其次，從晶粒取向分布、應變誘導儲能和第二相釘扎的角度總結了鋁合金構件中晶粒異常長大的機理；再次，歸納了抑制塑性成形產生粗晶的方法；最后對本領域未來的研究方向進行了展望。

1 材料及工藝對粗晶的影響

主要合金元素的原子在鋁基體中的擴散速度決定了是否可以通過熱處理提升鋁合金的力學性能，由此可將鋁合金分為熱處理可強化型和熱處理不可強化型2類。對于熱處理可強化型鋁合金（如2×××、6×××和7×××系鋁合金），由于主要合金元素的原子在鋁基體中的擴散速度較快，因此熱處理制度和熱變形參數更易影響第二相的析出從而影響粗晶的形成。而對于熱處理不可強化型鋁合金（以5×××系鋁合金為代表），主要合金元素原子擴散困難，導致第二相析出速度緩慢，因此主要從塑性變形過程入手研究這類鋁合金中粗晶形成的原因，而關于熱處理制度的研究較少。對2×××、6×××、7×××系熱處理可強化型鋁合金中粗晶的研究已經較為全面，研究內容已經覆蓋塑性成形工藝、熱處理制度、微觀組織演變、數值仿真模擬等方面。對5×××系鋁合金的研究受制于其熱處理不可強化的性質，主要集中在成形工藝參數所引起的微觀組織演變，研究內容相對較少，但由于熱處理不可強化的性質，所以其組織的熱穩定性更好，這也有利于抑制粗晶的形成。

1.1 材料成分對粗晶的影響

在鋁合金的主要合金元素中，Cu、Mg、Cr、Si等能夠提高合金的強度，但也會降低合金的伸長率；Mn、Fe、Zr等對第二相的析出以及再結晶溫度有一定影響[5-6]。相關研究表明，合金中各元素含量特別是過渡族元素的含量必須控制在合理范圍內才能有效抑制粗晶的產生（見圖2）[7]。當鋁合金中過渡族元素含量較少時，一方面會使合金的再結晶溫度降低，在熱處理時更容易發生晶粒異常長大的現象而形成粗晶；另一方面會導致坯料中的析出相分布不均勻，成形時更容易產生不均勻的塑性變形進而造成局部儲能過高，導致在相同熱處理制度下材料各區域的再結晶溫度不同，晶粒長大后尺寸出現明顯差異。但當過渡族元素含量過高時，塑性變形構件中的析出相大而脆，導致材料塑性降低，也會影響構件壽命。劉志銘等[6]研究發現，當6061鋁合金中Mn的質量分數控制在0.14%±0.005%時，可以有效防止塑性變形構件中粗晶環的生成。曹振華等[8]研究發現，對于6082鋁合金，當Mn的質量分數為0.41%時，擠壓棒材中的粗晶現象明顯，當Mn的質量分數為0.91%時，棒材中的粗晶基本消失（見圖3）。周捷[9]研究發現，在7020鋁合金中，當Zr的質量分數為0.2%時，析出相的平均直徑最大，且析出相的彌散程度更大，彌散分布的較大析出相更有利于抑制晶粒的異常長大。

圖2 Cr、Cu含量及均勻化熱處理參數對6061鋁合金擠壓棒材粗晶環尺寸的影響[7]

圖3 Mn含量對6082鋁合金擠壓棒材粗晶環尺寸的影響[8]

1.2 塑性成形工藝對粗晶的影響

目前關于鋁合金粗晶的研究主要涉及擠壓和鍛造2種塑性成形工藝。下面研究模具結構、塑性成形工藝參數以及熱處理參數3個方面對粗晶的影響。

1.2.1 模具結構

模具結構會影響材料的變形過程和應力、應變分布，從而影響構件組織和晶粒尺寸。例如，擠壓比過大可能導致變形不均勻程度增大，并產生較明顯的溫升效應，促進粗晶環的形成。曹振華等[8]研究發現，使用雙孔模具代替單孔模具能夠有效調整擠壓力和擠壓比，可有效抑制6082鋁合金棒材中出現粗晶。與正擠壓（見圖4a和圖4b）相比，采用反擠壓方式也能夠增大擠壓比進而使外層金屬的流動更加均勻，減薄棒材外表面粗晶環的厚度（見圖4b和圖4d）[10]，但采用反擠壓會在棒材芯部區域產生粗晶帶且粗晶帶厚度沿著棒材長度方向分布不均勻，如圖4d中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區域所示。此外，調整模具擠壓帶結構、尺寸和位置，適當縮短擠壓模具定徑帶長度，采用階梯式導流結構及偏心式模孔，都可以提高變形均勻程度，有效減小粗晶層厚度[10-12]。

與擠壓成形相比，鍛造成形所用模具的型腔更加復雜，鍛造過程中材料的流動和變形情況也更復雜，更容易發生晶粒異常長大現象，且粗晶分布區域相對無序。研究人員研究了模具多向加載對粗晶的影響，Wang等[13]認為多向加載能夠在一定程度上緩解因材料流動紊亂而導致的不均勻變形，可以改善復雜形狀鍛件中的粗晶現象（見圖5）。Kumar等[14]發現對6082鋁合金采用多向鍛造后位錯密度明顯增大，位錯和晶界的釘扎作用導致晶粒細化。

圖4 正擠壓（a、b）、反擠壓（c、d）工藝及其對擠壓棒材晶粒尺寸的影響[10]

圖5 多向鍛造后7A85鋁合金晶粒尺寸變化[13]

1.2.2 變形參數

變形參數主要包括變形溫度和變形速度，影響材料的變形均勻程度以及動態再結晶程度[15]，變形均勻程度越大越有利于抑制粗晶的產生。對于熱處理可強化型鋁合金，塑性變形后還需進行熱處理，材料先后經歷了動態再結晶和靜態再結晶。大量研究表明動態再結晶會消耗位錯并溶解已經析出的第二相粒子[16-18]，導致后續靜態再結晶階段成核比例下降，使晶粒尺寸出現明顯差異[19-20]。成形溫度和成形速度能夠決定動態再結晶的形核機理和程度，Zhang等[21]研究發現，2195鋁合金在中低溫（300～360 ℃）成形時發生了不連續動態再結晶，而在高溫（420～520 ℃）成形時發生了包括位錯糾纏形成亞晶、微觀剪切帶形成亞晶以及2個小亞晶合并形成較大亞晶等多種類型的連續動態再結晶，在熱處理后，后者的晶粒異常長大現象更明顯。Tang等[22]研究發現，2195鋁合金在高溫區間低速（10?3～10?2s?1）下成形時，經過熱處理后的晶粒尺寸較小，力學性能也較好。

變形溫度越高，材料流動性越好，越有利于復雜形狀構件的成形。但成形溫度過高會導致動態再結晶程度加劇，消耗大量位錯，同時使析出相溶解，對位錯運動的釘扎作用減弱，使在熱處理時容易產生大尺寸晶粒[1]。如果在成形階段產生劇烈的不均勻變形，則在成形后的構件中會出現明顯的晶粒尺寸差異。由于鍛件的形狀復雜，為了滿足成形的要求，鋁合金鍛造的變形溫度不宜過低，一般不低于370 ℃[23]。He等[24]研究表明，2195鋁合金在鍛造階段發生了劇烈的動態再結晶，這雖然能夠顯著細化晶粒，但是晶粒在鍛后熱處理階段的熱穩定性下降，容易形成粗大晶粒。因此，為了避免因變形熱加劇動態再結晶程度而導致的晶粒尺寸異常現象，鋁合金鍛造溫度一般不高于500 ℃。擠壓件的形狀比鍛件的形狀簡單，且其材料流動更加規律，因此擠壓件可以在相對較低的溫度區間內成形，當擠壓坯料溫度明顯高于模具溫度時，坯料外層金屬的溫度梯度較大，工作帶附近金屬內外層之間的變形抗力相差較大，變形不均勻程度較大，易產生粗晶。當擠壓坯料溫度較低時，坯料溫度與模具溫度接近，工作帶附近金屬內外層之間的溫度梯度較小，變形抗力相差較小，變形也較均勻，但溫度較低使擠壓力變大，對設備的要求更高[10]。綜合考慮上述因素，王奕雷等[25]發現在保證不悶車和棒材出口溫度的情況下，升高擠壓筒溫度，甚至使擠壓筒溫度高于鑄錠溫度，能減小鑄錠外層金屬的不均勻變形，從而減小熱處理后粗晶環的厚度。

變形速度越快，材料的應變速率越高，越易形成粗晶。王大偉等[10]發現擠壓成形時較高的擠壓速度一方面加大了金屬與模孔工作帶之間的摩擦力，在外側形成了強烈的剪切變形區，大幅提高了金屬畸變能，促進了再結晶的發生；另一方面，加劇了變形熱效應，提高了金屬局部溫度，也促進了再結晶形核和長大。上述2種因素疊加，導致擠壓件的外層金屬更易形成粗晶。與擠壓成形類似，鍛造時變形速度過快的區域更容易形成粗晶，特別是在坯料余量較大時，當型腔充滿后上下模繼續靠攏，腹板處的多余金屬會直接流入飛邊槽，造成局部不均勻變形而形成粗晶。

綜上可知，為了避免粗晶的形成，需要嚴格控制變形參數窗口。胡天龍等[26]研究發現，在2618A鋁合金的現有擠壓工藝窗口中，當擠壓速度為4～ 5 m/min且擠壓溫度為350～370 ℃時，粗晶環厚度最小（見圖6）。與擠壓件相比，鍛件的形狀更加復雜，鍛造的工藝窗口更小，因此鍛件無粗晶的工藝窗口更小。目前在滿足鍛造成形要求的前提下很難完全抑制粗晶的形成，這也是鋁合金鍛造形性一體化控制研究的難點所在。

1.2.3 熱處理參數

鋁合金塑性成形構件的熱處理包括變形前熱處理和變形后熱處理2種類型。在塑性變形前對鋁合金進行均勻化熱處理是為了使合金元素原子更加均勻地分布在鋁基體中，從而提高材料的塑性和組織均勻性，這也有利于變形后熱處理時第二相的均勻析出，對提升熱處理可強化型鋁合金構件的力學性能有重要作用。但完全均勻化熱處理會使坯料中已經析出的第二相化合物全部重新溶于基體中，在塑性變形時失去對晶界快速遷移的抑制作用，導致構件中更易形成粗晶。如何平衡組織均勻性與抑制粗晶形成，也是研究人員關注的重點。石嬌等[27]研究發現，隨著均勻化熱處理溫度的不斷升高，雖然材料均勻化更加充分，但是擠壓棒材的粗晶層厚度卻逐漸增大。王奕雷等[25]發現采用未均勻化熱處理的鑄錠擠壓成形6A02鋁合金棒材能有效減小棒材粗晶環的厚度（見圖7），這是因為鑄錠晶界處的第二相化合物沒有完全溶解到鋁合金基體中，增大了鋁合金的變形抗力，降低了不均勻變形程度，減小了再結晶的儲能，抑制了再結晶行為的發生。向晶等[28]也發現適當增加2A12鋁合金鑄錠中Cu、Mg、Mn的含量并對鑄錠采用430 ℃+8 h的均勻化熱處理再進行擠壓可以有效抑制2A12鋁合金棒材粗晶環的形成。然而目前以抑制粗晶為目的針對鑄錠均勻化熱處理制度的研究大多根據工程經驗確定參數，缺乏系統性。

圖6 擠壓速度（a）和擠壓溫度（b）對2618A鋁合金棒材粗晶環深度的影響[26]

圖7 不同均勻化熱處理制度對6A02鋁合金粗晶環的影響[25]

塑性變形后對構件進行熱處理的主要目的是促進第二相的析出從而提升構件強度，因此塑性變形后的熱處理大多針對2×××、6×××、7×××系等熱處理可強化型鋁合金。熱處理主要包括固溶處理和時效處理，主要參數包括加熱溫度和保溫時間。固溶處理的溫度在500 ℃以上，時效處理的溫度一般為150～ 200 ℃，而鋁合金的再結晶溫度在300 ℃以上，可見，固溶溫度高于再結晶溫度，對晶粒長大的影響更明顯，目前針對塑性成形后熱處理對粗晶影響的研究主要關注固溶溫度和固溶時間。向晶等[29]發現對6082鋁合金進行固溶處理時，固溶溫度對晶粒異常長大的影響大于固溶時間的影響，當固溶溫度為530～550 ℃時，固溶溫度越高，粗晶環越厚（見圖8）。再結晶的形核率以及晶界遷移速度都會隨著固溶溫度的升高而增大，因此固溶處理制度必須謹慎選擇。此外，加熱速度也能對晶粒尺寸產生影響，Shao等[30]發現對AA6082鋁合金進行535 ℃的固溶處理時，快速加熱后，平均晶粒尺寸可以減小約17%。

圖8 6082鋁合金擠壓后固溶處理參數對坯料中粗晶的影響[29]

2 晶粒異常長大的主要機理

研究人員發現塑性變形后鋁合金的微觀組織對熱處理后的晶粒尺寸有重要影響，但由于晶粒異常長大的影響因素較多且關系復雜，其主要機理一直未形成統一理論，研究人員主要從晶粒取向分布、應變誘導儲能和第二相釘扎作用方面理解晶粒異常長大形成粗晶的機理。

2.1 晶粒取向和應變儲能

鋁合金經過塑性變形后，材料內部出現的主要變化包括：晶粒取向分布狀態明顯偏離隨機分布狀態而呈現一定的規則，即出現明顯的織構；塑性變形不均勻導致不同區域之間存在儲能差異。研究表明，晶粒取向分布和顯著的儲能差異都可能導致晶粒異常長大而形成粗晶。

蹇海根等[31]在對具有不同織構特征的2A12鋁合金進行相同制度的熱處理后，發現平均晶粒尺寸存在較大差異。由圖9a～d可知，在具有較弱織構特征的2A12鋁合金內小角度晶界占比為44.32%，大角度晶界占比為6.84%，熱處理后平均晶粒尺寸為17.9 μm。由圖9e～h可知，在具有較強織構特征的2A12鋁合金內小角度晶界占比為66.91%，大角度晶界占比為6.14%，熱處理后平均晶粒尺寸為8 μm。對比可知，在織構特征強的區域內小角度晶界含量較高，熱處理后晶粒尺寸也較小，這說明強織構特征對晶粒長大有抑制作用。在相同的熱處理制度下，在小角度晶界聚集區域（織構特征較強）晶界移動困難，在大角度晶界聚集區域（織構特征較弱）晶界遷移速度快。織構特征較弱區域的晶粒更容易發生晶粒異常長大的現象，形成粗晶；在強織構特征區域晶粒尺寸相對穩定，這種現象叫作取向釘扎或織構釘扎。可見，利用晶粒取向偏差可以定量表示粗晶形成的可能性。Wang等[32]通過電子背散射衍射技術引入了晶體參考方向偏差（Grain Reference Orientation Deviation，GROD），量化了區域內晶粒之間的取向差異，結果表明，對于取向偏離平均取向超過5°的區域（GROD大于5°），在后續熱處理過程中更容易發生晶粒異常長大現象。

塑性成形工藝中的變形溫度和變形速度都會導致不均勻的塑性變形，從而使材料局部儲能過高，儲能差異導致再結晶溫度和晶界遷移速度出現明顯差異，即由于應變誘導儲能過高而形成粗晶。Li等[33]通過試驗觀察和計算發現，在塑性變形越劇烈的區域，幾何必須位錯密度GND（Geometrical Necessary Dislocation）的值越高。在位錯密度越高的區域，局部儲能越高，再結晶溫度越低，在熱處理階段越容易產生異常尺寸晶粒。Bennett等[34]利用EBSD技術研究了合金的應變誘導晶粒選擇生長機制，確定晶粒的選擇性生長與應變儲能差異有關，發現儲能低的晶粒在熱處理中會消耗周圍儲能高的晶粒而進行生長，異常生長的晶粒從低儲能區域向高儲能區域擴展。這個現象也與前文提到的由于取向釘扎而導致在大角度晶界聚集區域更易產生粗晶的規律一致。

圖9 不同織構強度的2A12鋁合金在相同熱處理工藝后微觀組織演變[31]

2.2 第二相釘扎作用

第二相的釘扎作用如圖11所示，包括釘扎晶界（見圖10a）和釘扎位錯（見圖10b）[35]。晶界彌散析出的第二相顆粒可以抑制大角度晶界的快速遷移，從而抑制粗晶的形成。Fu等[36]發現2195鋁合金中致密的Al3Zr析出相對晶界的運動產生了很強的澤納阻力（Zener Drag），這有利于形成均勻且細小的晶粒。第二相會影響材料的變形行為，從而間接影響了材料發生回復/再結晶的驅動力[20]。當第二相顆粒在晶內彌散析出時，釘扎位錯有利于抑制材料發生不均勻的塑性變形。不均勻的塑性變形將導致材料局部儲能過高，過高的局部儲能為回復/再結晶提供了更大的驅動力，使材料局部在較低溫度下完成了全部再結晶，即再結晶溫度降低，導致在相同的熱處理制度下，材料局部發生晶粒長大的時間更長，更容易產生粗晶。相關研究表明，第二相釘扎位錯有利于再結晶形核，從而進一步促進完全再結晶[37-38]，比如Wang等[39]發現在Al-Cu-Li合金中析出相釘扎位錯，促進了位錯糾纏，形成了亞晶的動態再結晶。

圖10 鋁合金中的第二相釘扎晶界（a）和釘扎位錯（b）[35]

綜上可知，第二相彌散析出可以阻礙晶界快速遷移和降低不均勻塑性變形程度，從而抑制粗晶的產生，但析出的第二相也可能促進再結晶形核及粗晶的形成。因此，鋁合金中第二相的析出對晶粒異常長大的影響較為復雜，這也是難以精準控制鋁合金中粗晶的原因之一。研究人員已經嘗試通過準確計算析出相尺寸[40]以及優化工藝獲得特定形貌[41]、特定類型的析出相[42-43]來控制粗晶的產生。

3 粗晶的抑制方法

3.1 改變坯料狀態

相關研究表明，在制坯階段采用多向擠壓工藝，使鋁合金鑄錠在3個相互垂直的方向上依次進行大變形量的擠壓并多次循環（如圖11a所示），可以獲得具有細小晶粒尺寸的均勻坯料，坯料初始組織均勻可以在一定程度上避免不均勻的塑性變形從而抑制構件中粗晶的形成[44-45]。Manjunath等[46]發現通過對鋁合金進行多軸大塑性擠壓變形，能夠獲得晶粒尺寸更加細小、均勻的坯料，但當循環次數超過6時，晶粒不會繼續細化。Anastasia等[18]研究發現，采用合理的均勻化熱處理工藝后再進行多向擠壓（見圖11g～i）所獲得的晶粒更加細小且更加均勻，這是由于在擠壓過程中均勻化熱處理后析出相分布得更加均勻（如圖11b、圖11c所示），均勻的析出相一方面抑制了不均勻的塑性變形，另一方面釘扎了晶界，使晶粒細化。

3.2 合理鍛造技術

3.2.1 半固態觸變鍛造技術

觸變鍛造是利用半固態漿料進行模鍛成形的一種半固態加工技術，與傳統鍛造相比具有充型平穩、構件精度高、加工溫度低、模具壽命長等一系列優點，可成形形狀復雜的精密構件[47]。Jang等[48]基于觸變鍛造技術成形了一種2A50鋁合金微型齒輪（見圖12），齒頂和齒根等主要服役位置的晶粒尺寸均勻，有利于延長齒輪的服役壽命。

3.2.2 鑄鍛復合技術

鑄鍛復合技術結合了鑄造和鍛造2種工藝各自的優點，先通過鑄造獲得了所需構件的大體形狀，再通過鍛造成形，最終獲得了形狀復雜且高性能的鑄鍛件[49]。國內王順成等[50]研發出鑄鍛一體化液壓機，整個一體化成形過程分為澆注、壓力鑄造、模鍛和開模頂出4個過程。陳萌等[51]研究了鑄鍛復合成形工藝對產品微觀組織的影響，結果發現，鑄鍛復合件中的晶粒尺寸更小，構件力學性能更好。與傳統鍛造工藝鏈相比，鑄鍛復合工藝鏈在一臺設備上快速制造了形狀復雜的鍛件，降低了轉移和反復加熱構件所造成的能耗，明顯縮短了生產周期，節約了生產成本。

3.2.3 多步鍛造技術

對于結構簡單的鋁合金鍛件，可以盡量一步鍛造成形，而對于形狀復雜的鍛件可采用多步鍛造，避免單次變形量過大造成變形不均勻，但鍛造次數一般不大于3[52]。陳微等[53]發現對高鈦6061鋁合金采用兩步法熱鍛成形可有效控制粗晶的產生，當采用變形溫度和真應變分別為450 ℃、1.2及350 ℃、1.6的兩步鍛造法（見圖13b）后，鍛件晶粒更加均勻且細小。多步鍛造的優點是能夠在預鍛時采用較高的變形溫度和較小的變形量，使材料變形更均勻，并在終鍛時采用較低的變形溫度和較大變形量，以控制粗晶的形成。

圖11 多向擠壓制坯技術及晶粒尺寸變化[18,46]

圖12 利用觸變鍛造法成形2A50鋁合金微型齒輪[48]

圖13 兩步鍛造法成形高鈦6061鋁合金的微觀組織[53]

3.3 中間形變熱處理

根據成形工藝和熱處理工藝排列順序的不同，形變熱處理工藝可以分為中間變形熱處理和最終變形熱處理2種，在傳統塑性變形后再進行熱處理的工藝屬于最終變形熱處理。近年來研究人員發現，相比于最終變形熱處理，如果將熱處理全部或者部分安排在塑性變形前，一方面構件強度與最終形變熱處理后的構件強度相近，另一方面可以抑制晶粒異常長大[54]。Wang等[55]發現對Al-Cu-Li合金采用變形前的加熱預處理可以促進Al3Zr相的析出從而抑制粗晶的形成。曾凡宜等[56]發現相比于傳統的熱鍛-T6熱處理工藝，對6082鋁合金進行530 ℃- 100 min的固溶-熱鍛成形后平均晶粒尺寸可以下降到56.2 μm，晶粒異常長大現象得到有效抑制，并且鍛件的抗拉強度幾乎不受影響（如圖14a～c所示）。Zhao等[57]研究6082鋁合金時也發現了相似的規律，與傳統的熱鍛-T6熱處理相比，當對6082鋁合金采用535 ℃- 3 h固溶處理并在535 ℃下鍛造成形后，鍛件的晶粒尺寸明顯下降，鍛件表面層的粗晶幾乎消失（如圖14d～i所示）。

4 結論與展望

1）晶粒異常長大形成的粗晶會影響構件的服役壽命，必須得到有效控制。晶粒長大的影響因素包括材料成分、變形溫度、變形速度、熱處理制度等，各因素相互耦合導致晶粒異常長大的規律復雜，比如，第二相彌散析出可以阻礙晶界快速遷移和降低不均勻塑性變形程度，從而抑制粗晶的產生，但析出的第二相也可能促進再結晶形核以及粗晶的形成。對于不同牌號的鋁合金以及不同的塑性成形過程，調控粗晶的參數窗口不同，因此需要開展針對性研究。

2）關于鋁合金塑性成形粗晶的形成機理還未形成統一理論。再結晶溫度和晶界遷移速度的差異是導致晶粒異常長大的直接原因，但塑性變形中影響再結晶溫度和晶界遷移速度的因素較多且各因素之間的關系復雜，這是理論研究的主要難題。可以嘗試采用更加先進的表征分析手段，如原位EBSD等，對應觀測塑性變形后和熱處理后同一區域晶粒尺寸和微觀組織的準確變化情況，深入辨析并量化影響晶粒異常長大的要素，提升理論研究的準確性。

3）可以從改變坯料狀態、采用合理的成形技術和中間變形熱處理等方面抑制鋁合金塑性成形中粗晶的產生，這些方法針對具體牌號和狀態的鋁合金取得了較好的效果，但是現有鋁合金粗晶控制方法的普適性仍有待提高。應當與深入的機理研究相結合，基于塑性成形過程中鋁合金微觀組織的普適變化規律，建立更加普適、有效的粗晶抑制方法。

4）實現晶粒尺寸的準確預測能夠為塑性成形構件的晶粒尺寸精準控制提供指導。由于成形參數、熱處理參數與晶粒尺寸之間的關系復雜，很長時間內研究人員無法準確預測構件中的晶粒尺寸。近年來，基于神經網絡等人工智能模型的預測技術不斷發展，對不同成形和熱處理參數下構件中晶粒尺寸的預測取得了一定進展，但預測精度還有很大的提升空間。采用更合理的數據庫以及更加先進的算法能夠有效提高模型預測的準確性。利用人工智能方法解決鍛件中晶粒異常長大的問題是鋁合金塑性成形技術的新發展方向。

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Advancements in Investigating Coarse Grain Phenomena in Aluminum Alloy Plastic Deformation

LIU Zhao1,2, KONG Deyu1, DENG Lei1, TANG Xuefeng1, JIN Junsong1, WANG Xinyun1*

(1. Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430000, China; 2. Shanghai DianJi University, Shanghai 201306, China)

Aluminum alloys may undergo abnormal grain growth and form coarse grains during either hot plastic deformation or subsequent heat treatment after plastic deformation. Coarse grains significantly diminish the mechanical performance, corrosion resistance, and fatigue resistance of components, necessitating effective control measures. Research on coarse grains in aluminum alloy plastic deformation primarily focuses on heat-treatable 2×××, 6×××, and 7××× series aluminum alloys, as well as non-heat-treatable 5××× series luminum alloys. The research encompasses plastic deformation processes, heat treatment regimens, microstructural evolution, and numerical simulation. To elucidate the current research status on coarse grains in aluminum alloy plastic deformation components and provide a reference for relevant studies in this field, this paper systematically reviewed the research progress on the phenomenon of coarse grains in aluminum alloy plastic deformation. Firstly, the effects of material composition, deformation temperature, deformation rate, solution temperature, solution time, and mold structure on the abnormal growth of grains were analyzed. Secondly, the mechanisms of abnormal grain growth were summarized from the perspectives of grain orientation distribution, strain-induced stored energy, and the pinning effect of second-phase particles. Thirdly, effective methods to suppress the occurrence of coarse grains, including altering the initial state of the billet, employing reasonable forging techniques, and adopting intermediate deformation heat treatments were concluded. Finally, insights into future research directions in this field were put forward.

aluminum alloy; plastic deformation; coarse grains; mechanism; control methods

10.3969/j.issn.1674-6457.2024.03.001

TG146.21

A

1674-6457(2024)03-0001-15

2024-01-12

2024-01-12

國家自然科學基金（52090043）

National Natural Science Foundation of China (52090043)

劉釗, 孔德瑜, 鄧磊, 等. 鋁合金塑性成形粗晶現象的研究進展[J]. 精密成形工程, 2024, 16(3): 1-15.

LIU Zhao, KONG Deyu, DENG Lei, et al. Advancements in Investigating Coarse Grain Phenomena in Aluminum Alloy Plastic Deformation[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(3): 1-15.

（Corresponding author）