康 峰 陳 雷, 張 鵬 王 歡 金 淼 胡建良

(1. 中國第二重型機械集團德陽萬航模鍛有限責任公司，四川618013；2. 燕山大學機械工程學院，河北066004)

7A85鋁合金是以航空航天用材為背景研制開發(fā)的一類高性能鋁合金材料，具有高的比強度和硬度、好的熱加工性能和較高的淬透性等優(yōu)點[1-3]。近幾年，歐美國家已成功將7A85鋁合金整體鍛件應用于波音787飛機和空客A380飛機的翼梁等重要承力構件[4-6]。復雜航空零件的傳統(tǒng)制造方式是通過對熱模鍛自由鍛件進行機加工，降低模具的制造成本。然而，現(xiàn)代飛機制造對飛機主承力零件的性能要求越來越高，飛機零件結構朝著大型化、整體化方向發(fā)展。采用傳統(tǒng)的自由鍛件加工帶來了新的問題，如殘余應力過大，加工易變形，組織性能不均勻，材料浪費嚴重等問題。等溫鍛造工藝可消除冷模效應，大幅度降低材料變形抗力，提高成形過程金屬流動性，又最大程度地減小鍛件加工余量，達到近凈成形，十分適合復雜航空構件的精密成形，逐漸受到許多學者的關注[7]。據(jù)文獻報道，哈爾濱工業(yè)大學的劉潤廣、單德彬等研究了鋁合金鍛件的等溫鍛造工藝，制成形狀復雜且滿足尺寸精度要求的2214鋁合金搖臂和2A70鋁合金發(fā)動機轉子[8-9]。西北工業(yè)大學的劉鳴等研究了不同等溫鍛造溫度對2B70鋁合金顯微組織與力學性能的影響[10]。北京航空材料研究院的李惠曲等研究了4032鋁合金等溫鍛造過程中不同應變速率下的動態(tài)再結晶行為[11]。為提高航空構件綜合性能與材料利用率，大幅提高鍛件均勻性，降低殘余應力，本文提出采用等溫模鍛方式精密成形飛機翼身接頭鍛件的新工藝，開展了接頭鍛件的等溫精密模鍛工藝實驗，并結合7A85鋁合金動態(tài)再結晶模型，對鍛件微觀組織演變進行了元胞自動機模擬。

1 實驗研究

實驗材料為商用的7A85鋁合金，其化學成分要求見表1。航空鍛件的等溫模鍛成形實驗在40 MN等溫模鍛液壓機上進行，通過加熱系統(tǒng)將模具和坯料加熱至450℃，保溫4 h。為了減少鍛坯和模具之間的摩擦作用，潤滑劑采用水基二硫化鎢潤滑劑，采用的潤滑方式為噴霧潤滑。模鍛件在等溫模鍛工藝下充填完整，金屬流動平緩，未出現(xiàn)氣泡、折邊、分層、折疊、裂紋等缺陷，見圖1。

表1 7A85鋁合金的化學成分要求(質量分數(shù)，%)Table 1 Chemical composition requirements of7A85 aluminum alloy (mass fraction, %)

圖1 翼身接頭鍛件Figure 1 Wing body joint forging

2 元胞自動機模擬理論模型

元胞自動機模擬通過考慮微觀位錯驅動力的影響和時變宏觀物理場的影響來實現(xiàn)晶粒組織的動態(tài)演化。其數(shù)學模型是7A85鋁合金動態(tài)再結晶模型，包含位錯密度模型、動態(tài)再結晶形核模型和動態(tài)再結晶晶粒長大模型[12]。

(1)位錯密度模型

(1)

式中ρ為位錯密度，ε為應變，為應變速率，T為絕對溫度，α為常數(shù)，對于7A85鋁合金取0.5，μ為剪切模量，b為伯格斯矢量，σs為穩(wěn)態(tài)應力。

(2)動態(tài)再結晶形核模型

(2)

式中C為形核方程待定常數(shù)，7A85鋁合金的形核方程常數(shù)C定為200，Qact為激活能，R代表氣體常數(shù)8.314472 J·K-1·mol-1。

(3)動態(tài)再結晶晶粒長大模型

晶粒長大速度vi與單位面積晶界上的驅動力pi有關，且呈線性關系：

vi=Mpi

(3)

(4)

pi=τΔρ-2γiri

(5)

τ=0.5μb2

(6)

(7)

式中M為晶界遷移率；k為Boltzmann常數(shù)；D0為晶界自擴散系數(shù)；Qb為晶界自擴散激活能；τ表示線位錯能；Δρ表示再結晶晶粒和周圍晶粒的位錯密度差；ri表示晶粒i晶界曲率半徑；γi表示界面能；θi為再結晶晶粒i和相鄰晶粒之間的晶界取向差，θm是大角度晶界取向差，γm是變?yōu)榇蠼嵌染Ы缜闆r下的界面能。

3 結果與討論

元胞自動機模擬的目的是通過晶粒組織演化分析，獲得晶粒組織分布特性和數(shù)理統(tǒng)計特征，從而實現(xiàn)晶粒組織的數(shù)字化表征和預測。元胞自動機模擬采用對稱性邊界條件、馮諾依曼型鄰居，初始晶粒組織為非等軸晶，初始位錯密度設為1010m2，形核方程系數(shù)C取200，將模擬區(qū)域1 mm×1 mm劃分為500×500的網(wǎng)格。元胞自動機模擬過程材料物性參數(shù)如表2所示[13-14]。運用元胞自動機法模擬了航空模鍛件上P1～P3點(見圖2)的動態(tài)再結晶晶粒組織演變情況。

表2 CA模擬材料參數(shù)Table 2 Material parameters of CA simulation

圖2 接頭鍛件上模擬點分布Figure 2 Simulation point distribution on joint forgings

(a)P1點(b)P2點(c)P3點圖3 元胞自動機模擬結果與實際金相觀察結果(×100)Figure 3 Cellular automaton simulation results and actual metallographic observation results(×100)

圖3比較了7A85鋁合金航空模鍛件元胞自動機仿真結果與實驗金相組織。由圖可見，運用元胞自動機模擬的晶粒組織，無論是晶粒形貌尺寸，還是晶粒組織的分布情況都和實驗分析結果相近似，吻合程度較好。

3 結論

(1)在40 MN等溫鍛造壓機上完成大型復雜航空模鍛件的工業(yè)等級成形實驗，成功制備了充填完整，成形質量良好的航空模鍛件，實現(xiàn)大型復雜航空模鍛件的成形調控。

(2)結合7A85鋁合金動態(tài)再結晶模型，對7A85鋁合金航空模鍛件進行了元胞自動機晶粒組織模擬，模擬結果與實驗結果吻合較好，可以實現(xiàn)航空模鍛件的微觀組織預測。