鈹鋁合金棒材半固態擠壓成形研究

中圖分類號：TG146 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）24-0078-04

Abstract：Semi-solidextrusionofberyllumaluminumaloywasstudiedbyusingsemi-solidextrusionmethod.Theffectsof diedesignswithdiferentdieanglesontheextrusionforceoftheindenter，theforceontheblank，andthedeformatinof the blankduringtheextrusiondeformationprocesswereevaluatedthroughnumericalsimulation.Theresultsshowthattheload increasesrapidlywiththeincreaseinthedeformationofthebiletatfirst，thenrisesslowlyandfinallyaceleratesagain；with theincreaseintheextrusiondieangle，therateofpressureincreaseontheramincreases，requiringagreaterextrusionforce; andthe flowrate ofthe bilet during pressing does notchange significantlywith theincrease in theextrusion dieangle.

Keywords：berylliumaluminumaloy；semisolid;extrusion force; extrusion dieangle;numerical simulation

鈹具有低密度、高熔點、高剛度等許多優點，被廣泛應用于國防、航空航天等高科技領域。鈹鋁合金是一種繼承了金屬鈹優異性能的合金材料，因其獨特的物理和化學性質而廣泛應用于航空航天、汽車制造、計算機硬件以及高精密設備等領域，已成為一種越來越重要的新型結構材料[1-2]。早在20世紀70年代，美國核金屬公司（現斯達麥特）與洛克赫得·馬丁電子發射公司（洛克公司）合作開發了最早的商業用鈹鋁合金—洛克合金。該合金含 62% 的鈹和 38% 的鋁，采用預合金化粉末制取，主要用于高精密產品。由于復雜的工藝過程導致高成本，這種商業產品在70年代后期停止生產。80年代，斯達麥特公司和布拉什·威爾曼公司聯合開發新型鈹鋁合金，開發了Berylcast族鈹鋁合金，布拉什·威爾曼公司開發了AIBeMet系列合金。近年來，隨著科技的不斷進步，鈹鋁合金的研究和應用得到了進一步的發展。研究人員通過改進生產工藝和優化合金成分，提高了鈹鋁合金的性能并降低了生產成本。此外，一些新的鈹鋁合金系列也被開發出來，以滿足不同領域的需求。

粉末冶金和鑄造是鈹鋁合金常用的制備方法。自20世紀70年代起，洛克公司使用粉未冶金法生產鈹鋁合金，國內也開展了大量粉末冶金工作。這種方法包括先用惰性氣體霧化法制取預合金粉，然后將粉末經冷等靜壓壓至理論密度的約 80% ，再經熱等靜壓成形工件[4-5]。熔模鑄造法被用于生產高精度的復雜部件。該方法包括用蠟制作模型，在其上涂覆耐火材料，然后加熱使蠟熔化并排出，留下一個模具。隨后將熔融的金屬倒入模具中，冷卻后得到鑄件。但是，粉末冶金無法近凈成形復雜工件，鑄造方法雖然可以成形復雜零件，然而，鑄造鈹鋁合金由于鈹、鋁兩相熔點差異大、互溶度低、幾乎沒有金屬間化合物，使得其微觀組織具有顯著糊狀凝固特征，鑄造性能差，容易產生內部缺陷。半固態成形技術利用半固態漿料低變形抗力的特性，既能避免由于寬凝固區帶來的凝固縮松缺陷，又能實現復雜凝固的近凈成形。

半固態成形技術是一種利用金屬在固液兩相共存狀態下進行加工的方法。與傳統的全液態或全固態金屬加工相比，半固態成形具有許多獨特的優點，例如更高的成形精度、更好的材料性能和更廣泛的適用性。半固態成形技術主要依賴于金屬在固液兩相共存狀態下的特性。在這種狀態下，金屬具有一定的流動性，可以像液體一樣填充模具，同時又保持一定的固體形態，使得成形后的產品具有更高的精度和更好的機械性能。半固態成形技術已在汽車、航空航天、電子等領域得到了廣泛的應用。例如，在汽車行業中，半固態成形技術被用于制造發動機零件、變速器殼體等；在航空航天領域，半固態成形技術被用于制造飛機結構件、衛星部件等；在電子領域，半固態成形技術被用于制造手機外殼、電腦配件等。

鈹鋁合金加熱到液相線溫度（ 644^°C ）以上，變形抗力大幅度降低。但是由于鈹鋁合金半固態狀態下，鋁相為液相，鈹相為固相，具有較好的流動性。本文采用數值計算的方法，分析不同模具設計和工藝參數對鈹鋁合金棒材成形性的影響。為后期鈹鋁工件的制備提供指導。

1建模

采用三維軟件建立零件壞料和模具的三維模型，如圖1所示。然后將三維模型導入有限元軟件，再進行前處理。前處理主要是模擬條件的設置，包括壞料的材料屬性、網格劃分，同時設置初始條件，包括溫度、擠壓速度，等等。設置完成后，進行計算。計算完成后，采用后處理軟件對模擬運算結果進行分析，并對模擬結果進行可視化，獲取成形載荷、應力應變情況、金屬流動情況，等等，為零件成形方案的完善提供有力支撐。

本實驗采用的材料模型為半固態態 Be-50wt.% Al合金，其力學曲線參考文獻[6的實驗結果，獲得了真應力-應變曲線。經過擬合處理，將曲線導人有限元軟件材料庫。

圖1不同擠壓模角的模具

2 結果分析

2.1 壓頭載荷分析

壓頭載荷的預估對設備的選擇和擠壓變形過程壓力的評估具有重要意義。對模具進行了載荷分析，得到了上模具擠壓力隨著擠壓時間的變化規律。結果表明：隨著壓頭的下壓，變形前期壓力先快速升高；中期上升速率有所下降，后期又快速增大，如圖2所示。

變形前期，由于進行變徑區，壓力快速增大；中期，材料已經進入模具，由于擠壓桶摩擦力的增加，所以載荷增加有所減緩；后期，由于流動前端的壞料已經觸及模具底部，受力狀態發生變化，所以載荷又快速增大。

圖2不同變形階段的載荷變化規律

2.2擠壓模角對載荷的影響

擠壓模角是決定壓頭載荷的關鍵因素之一。對比 3種擠壓模角模具載荷的變化規律，載荷的變化規律相同，如圖3所示。除此之外，隨著擠壓模角的增加，載荷的上升速率有所增加，且最大載荷逐漸增大。

圖3不同擠壓模角模具的載荷

2.3 擠壓模角對流動速率的影響

半固態觸變擠壓成形過程中，壞料的流動速率對變形抗力的影響較大。針對3種擠壓模角的模具區域3個位置壞料進行流動速率的研究。結果表明：變形前期，流動速率逐漸增大，且越靠近壓頭區域，流動速率越緩慢；但是，在變形后期各區域的流動速率都趨于相同，如圖4所示。對比3種模具同一位置的坯料的流動速率，最大流動速率相差不大；但是擠壓模角越大，流動速率增加越快。

圖4不同擠壓模角壞料的流動速率

2.4擠壓模角對壞料內部受力的的影響

對于鈹鋁合金半固態壞料而言，在 700^qC 時，坯料有固相的鈹和液相的鋁組成，在受到外來作用時，可能引起金屬鋁液被擠出，造成固液分離。而金屬鋁液被擠出需要受到外施加的應力。因此，分析壞料的受力情況，有利于幫助控制擠壓后壞料的均勻性。

分析了不同擠壓變形階段壞料的受力情況，如圖5所示。變形初期主要是模具變徑處所受應力較大，此處容易引起液相被擠出，固相率增加。隨著擠壓的進行，前端的坯料已經進人到模具前端，所受應力減小，此時所受的應力減小，固液分離的幾率減小。因此，可以明確造成鈹鋁合金半固態擠壓過程中固液分離主要是在模具變徑過度階段。

為了也測擠壓模角對固液分離的影響，對比分析了 60^°，70^° 和 80^° 擠壓模角條件下半固態坯料的受力情況，如圖6所示。從圖6中可以明顯看到，不同位置所受到的應力先增大后減小，且越靠近壓頭的位置受到的應力越大，而且受擠壓的時間越長。這樣，在變形過程中，后端的料固相率也越大。隨著擠壓模角的增加，中心區域的坯料所受最大應力逐漸減小，并且所受擠壓時間也越短。由于擠壓角增大，邊緣區域的坯料流動速率減慢，反而中心區域的坯料流動速率在增加。在此情況下，邊緣區域流動受阻，而中心區域的坯料反而快速流動到前端。但是，隨著擠壓比的增加，應力的增加速率明顯加快，應力的急劇變化對坯料的均勻流動反而不利，加劇固液分離。因此，擠壓模角的增加不利于坯料的均勻流動，從而固液分離造成最終擠壓件的組織不均勻。

圖5不同變形階段的應力變化規律

圖6不同擠壓模角坯料的流變應力

3結論

擠壓模角是擠壓模具設計的關鍵，決定著擠壓載荷和材料的流動性。借助數值模擬技術分析擠壓模角對載荷、流動速率的影響。擠壓過程中，由于坯料流動位置的不同，受力方式也不同，因此，載荷變化分為3段。擠壓模角決定著材料所受擠壓程度不同，擠壓角越大，載荷也越大。由于半固態坯料流動性較好，因此不同擠壓模角模具對材料最終的流動速率影響不大。

參考文獻：

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