吳新星，范家春，邢 陽，倪娟麗，俞 雁

(廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

隨著汽車保有量持續(xù)增加，燃油消耗及尾氣污染日益加劇，加之國家對汽車排放標(biāo)準(zhǔn)的日漸嚴(yán)格[1]，汽車公司紛紛將降低燃料消耗和限制尾氣排放作為汽車發(fā)展的重要目標(biāo)。能使汽車輕量化的先進汽車材料和加工技術(shù)是實現(xiàn)這一目標(biāo)的重要保證。鋁合金由于具有比強度高、抗沖擊性能好、耐蝕性能優(yōu)良、易回收利用等優(yōu)點，成為汽車輕量化的重要材料[2-3]。2019年上市的Aion XL為廣汽首款鋼鋁混合豪華SUV汽車，采用“上鋼下鋁”用材策略，車身匯集了鋁鑄件、鋁擠壓材和鋁板材等共計10多種不同的輕量化材料，其中鋁合金占比達到42%，同時借助多種先進連接工藝，全面提升車身強度及性能，令汽車安全與輕盈兼得。本文綜述鋁合金板溫成形和熱成形技術(shù)的應(yīng)用和研究情況。

1 鋁合金板材成形趨勢

按塑性變形時的工件溫度，可將金屬塑性變形分為冷成形、溫成形和熱成形三種。再結(jié)晶溫度以上的塑性加工稱為熱成形，再結(jié)晶溫度以下且不發(fā)生回復(fù)的塑性加工稱為冷成形，溫成形的加工溫度介于上述二者之間，具體數(shù)值尚無精確界定[4]。

目前，冷成形的5×××系和6×××系鋁合金板已廣泛應(yīng)用于制造發(fā)動機蓋、行李箱蓋、車門等汽車覆蓋件，所涉及的合金主要是5754、5182和6016等中強度鋁合金，見表1。其中5182鋁合金的伸長率相對較高，硬化指數(shù)n值最大，有利于板材在受力變形時抵抗局部變形、延緩頸縮，故具有最好的成形性能，但是它與鋼板相比，仍存在一定的差距，從而限制了其在汽車上的大量應(yīng)用。

為進一步提升鋁合金在汽車上的應(yīng)用強度級別，實現(xiàn)更好的輕量化效果或進一步提高常規(guī)鋁合金成形性能，滿足復(fù)雜零件成形需求，鋁合金的溫成形和熱成形成為當(dāng)前研究的重要方向。

表1 汽車覆蓋件用鋁板典型力學(xué)性能[5]Table 1 Typical mechanical properties of aluminum alloy sheet for auto-body panel[5]

2 鋁合金溫、熱成形應(yīng)用

鋁合金分為熱處理不可強化合金和熱處理可強化合金兩類。5×××系鋁合金為熱處理不可強化合金，主要強化方式為固溶強化、加工硬化和細晶強化。其中，固溶強化效果取決于合金中Mg元素在基體中的過飽和度；加工硬化效果主要取決于組織中的位錯密度，與加工變形量有關(guān)；細晶強化取決于晶粒大小。

6×××系和7×××系鋁合金為熱處理可強化合金，它們除了上面所述三種強化機制外，時效強化是其主要強化手段。以Al-Mg-Si系的6×××系鋁合金為例，Mg2Si是該合金的主要強化相，Mg2Si在鋁基體中的固溶度隨著溫度的下降而降低，使其時效析出后具有顯著的時效硬化效果[6]。一般認(rèn)為Al-Mg-Si鋁合金的析出序列[7]：

過飽和固溶體→團簇→GP區(qū)→β″→β′→β。

其中，與基體半共格的β″相是峰值時效時(T6)最主要的強化相，β″相密度越高合金強度就越高；合金發(fā)生過時效后部分的β″相轉(zhuǎn)化為β′相，合金強度下降。

2.1 鋁合金溫成形工藝

鋁合金溫成形工藝路線如圖1所示，先將鋁合金板料加熱到200 ℃～350 ℃，保溫一段時間后進行等溫或非等溫加工成形，然后空冷。溫成形過程中，除了會產(chǎn)生加工硬化外，還會發(fā)生動態(tài)回復(fù)，降低材料的變形抗力，提高塑性變形能力。Li等[8]研究了5182、5754和6111鋁合金板材在溫成形條件下的單向拉伸行為，發(fā)現(xiàn)板材伸長率與成形溫度正相關(guān)，而與應(yīng)變速率負相關(guān)，同時提高成形溫度可使應(yīng)變速率敏感性指數(shù)顯著提高；通用汽車[9]利用室溫模具的非等溫溫成形技術(shù)，250 ℃溫度下板材沖制出冷沖壓無法實現(xiàn)的5182-O鋁合金車門內(nèi)板(圖2a)；而捷豹路虎公司已成功將溫成形技術(shù)應(yīng)用到量產(chǎn)車型上，采用溫沖壓技術(shù)生產(chǎn)的5182-O鋁合金門內(nèi)板拉深深度高達165 mm[10](圖2b)。

相對而言，5×××系鋁合金在溫成形溫度區(qū)間內(nèi)成形性顯著提高，故對該系合金板材溫成形的研究廣泛；而對于6×××系和7×××系鋁合金，需對成形溫度和時間進行極為苛刻的控制，否則T6態(tài)合金工件可能發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的過時效，引起其強度下降，失去采用高強合金材料的意義。

圖1 鋁合金溫成形工藝路線Fig.1 Hot deformation process line of aluminum alloy

圖2 部分國外量產(chǎn)車型用5182-O鋁合金部件Fig.2 Photographs of some 5182-O aluminum alloy parts used in foreign mass-produced automobiles

2.2 鋁合金熱成形

5×××系鋁合金熱成形工藝路線與圖1溫成形相似，但成形溫度一般需提高至400 ℃～500 ℃，5×××系鋁合金板在此溫度下伸長率進一步提升，控制合適的成形工藝(溫度、成形速率等)，甚至可以獲得超塑性成形。例如周義等研究表明，5182-O鋁合金在加熱溫度為500 ℃、應(yīng)變速率為8.33×10-3s-1時伸長率高達200%[11]；他們利用5182鋁合金在450 ℃～500 ℃、最大脹形壓力0.4 MPa下的超塑性，成功制備某汽車用前擋泥板零件[12]，但該工藝成形緩慢(30 min～60 min)，難以滿足汽車大批量生產(chǎn)需求。為此，北京機電所吳曉祎聯(lián)合北京航空航天大學(xué)及長城汽車公司開發(fā)出一種鋁覆蓋件快速成形技術(shù)和裝置，試制的5083鋁合金發(fā)動機罩成形過程僅需時間60 s[13]。

固溶處理-成形-冷模內(nèi)淬火(HFQ)技術(shù)是一種典型的針對可時效強化鋁合金的熱沖壓技術(shù)，其工藝路線如圖3所示。大致過程為先將鋁合金板加熱到固溶溫度，完全固溶后快速轉(zhuǎn)移到水冷模具中進行沖壓成形，然后模具保壓淬火，形成過飽和固溶體，再轉(zhuǎn)移至加熱爐進行人工時效，提升零件的強度[14]?？蒲腥藛T對該工藝進行了深入的研究，Mohamed等[15]測試了6082鋁合金在不同溫度下的高溫力學(xué)性能，同時對6082鋁合金板材脹形試驗進行了有限元分析，獲得板材在不同成形速度下的斷裂模式。Liu等[16]揭示了接觸壓強、表面粗糙度和潤滑條件等對界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的作用，并計算出不同實驗條件下的熱傳系數(shù)值。Zhou等[17]采用數(shù)值模擬和試驗研究了6111鋁合金車門防撞梁的減薄、破裂和回彈等缺陷，表明潤滑可避免成形缺陷的產(chǎn)生。

圖3 鋁合金HFQ熱成形工藝路線Fig.3 HFQ hot deformation process line of aluminum alloy

工程應(yīng)用方面福特汽車早在2014年就利用7075鋁合金熱沖制成形B柱，其力學(xué)性能可達到變形前T6態(tài)鋁合金板的力學(xué)性能[18](圖4a)；此外，阿斯頓馬丁的DB11車型的A柱[19](圖4b)和路特斯Evora 400R車型的腳踏板也均為鋁合金熱成形件。2017年，AP&T公司成功交付了全球第一條基于HFQ技術(shù)的專用鋁合金熱成形生產(chǎn)線，可生產(chǎn)出質(zhì)量更輕、強度更高、形狀更復(fù)雜且尺寸穩(wěn)定性更高的零部件[20]。

HFQ熱成形技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用稍晚于國外的。據(jù)報道，東風(fēng)實業(yè)公司已掌握該技術(shù)，并聯(lián)合原材料供應(yīng)商西南鋁業(yè)(集團)公司對未來汽車積極開展7075鋁合金熱成形零件的試制，同時在積極籌建國內(nèi)第一條鋁合金熱成形生產(chǎn)線[21-22]。

圖4 部分國外量產(chǎn)車型用HFQ鋁合金熱成形零件Fig.4 Photographs of some HFQ hot deformation parts used in foreign mass-produced automobiles

2.3 鋁合金溫成形和熱成形零件性能驗證

AP&T公司以7075-T6鋁合金為例，同步開展冷成形、溫成形和HFQ熱成形研究。圖5為7075-T6鋁合金在不同溫度下的成形極限圖，其中170 ℃、230 ℃對應(yīng)溫成形，400 ℃對應(yīng)熱成形，可以看到，隨著溫度提高，合金成形極限提高[23]。

圖5 7075-T6鋁合金不同溫度成形性能[23]Fig.5 Forming properties of 7075-T6 aluminum alloy at different temperatures[23]

零件成形仿真結(jié)果表明，冷成形時，零件大部分位置減薄過大，出現(xiàn)開裂；采用溫成形，減薄稍有改善，存在輕微開裂，零件勉強成形，而若采用熱成形時，零件成形性能最好，未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象(圖6)。

力學(xué)性能方面，200 ℃溫成形零件屈服強度、抗拉強度分別為460 N/mm2和520 N/mm2；升高溫度至300 ℃，成形性能和回彈稍有改善，但零件屈服強度、抗拉強度分別下降至260 N/mm2和380 N/mm2，這是由于溫成形過程發(fā)生過時效緣故，導(dǎo)致合金強度下降。而若采用熱成形，不僅零件成形性能好、未出現(xiàn)回彈開裂，達到與原始T6態(tài)板材相當(dāng)?shù)男阅?表2)，可滿足車身關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件對強度的要求，實現(xiàn)零件減薄和輕量化。

圖6 冷成形、溫成形和熱成形最小減薄厚度對比[24]Fig.6 Comparison of minimum wall thicknesses for cold deformation，warm deformation and hot deformation

表2 7075-T6鋁板冷、溫和熱成形后力學(xué)性能[24]Table 2 Comparison of mechanical properties for cold deformation, warm deformation and hot deformation of 7075-T6 alloy[24]

近些年來，我國高度重視基礎(chǔ)制造裝備產(chǎn)業(yè)，并連續(xù)立項支持。依托“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”國家科技重大專項開發(fā)，基于國產(chǎn)化機械伺服壓力機及多層箱式加熱爐的熱沖壓成形示范生產(chǎn)線(圖7)，開展7075鋁合金熱成形B柱加強板零件沖制。具體工藝路線如圖8a所示，原材料為7075-T6鋁合金板料，最終試制的零件(圖8b)表面質(zhì)量良好，尺寸精度滿足要求，屈服強度和抗拉強度分別不低于500 N/mm2和550 N/mm2。

目前國內(nèi)鋁合金熱成形技術(shù)還存在諸多問題，未來應(yīng)用于量產(chǎn)還需重點關(guān)注如下幾點：

1)熱成形工藝需進一步優(yōu)化

鋁合金熱成形固溶及人工時效處理時間過長，生產(chǎn)效率低、能耗大，需優(yōu)化熱成形工藝，縮短熱處理時間以降低生產(chǎn)成本。

圖7 部分國產(chǎn)化設(shè)備中的鋁合金熱成形部件Fig.7 Photographs of aluminum alloy hot forming parts in some domestic equipment

圖8 7075鋁合金熱成形B柱加強板試制工藝路線及零件實物照片F(xiàn)ig.8 Technological process and photograph of B-pillar reinforced panel made by 7075 aluminum alloy hot deformation

2)原材料要低成本化和高性能化

原材料成本是制約鋁合金熱成形零件應(yīng)用的重要因素。熱成形原材料可采用工業(yè)冷軋板料，而非T6態(tài)成品板料，這樣既可以降低成本，同時工業(yè)冷軋板料的合金粗糙表面可有效降低鋁板表面的熱輻射，提高加熱效率；此外，參照汽車用熱成形鋼件發(fā)展思路，不斷提高熱成形鋁合金零件強度級別，實現(xiàn)更大輕量化，也是未來發(fā)展趨勢。例如諾貝利斯公司已研發(fā)出新型Advanz 7002鋁合金，其T6態(tài)下屈服強度、抗拉強度超過600 N/mm2(圖9)，大大高于目前市場上已有的類似鋁合金，使汽車具備顯著的輕量化潛力。

圖9 諾貝利斯公司開發(fā)的Advanz7002鋁合金基本力學(xué)性能及輕量化設(shè)計潛力Fig.9 Mechanical properties and lightweight design potential of Advanz7002 aluminum alloy developed by Novelis Inc

3)超高強鋁合金應(yīng)力腐蝕需引起重視

應(yīng)力腐蝕開裂是指合金在拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下引起的材料破壞現(xiàn)象。由于發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂時的應(yīng)力比材料屈服強度低，故其破壞性較大，應(yīng)力腐蝕常發(fā)生于超高強的7×××系鋁合金中，有的含Cu量較高的6×××系鋁合金也會出現(xiàn)。目前關(guān)于超高強鋁合金熱成形汽車零件應(yīng)力腐蝕開裂的報道較少，較多的報道是出現(xiàn)在高速列車車體方面[25-27]，這可能與現(xiàn)在超高強鋁合金在汽車上應(yīng)用程度低有關(guān)。

影響鋁合金應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的因素很多，其中熱處理工藝和外部環(huán)境是非常重要的因素[28]。超高強鋁合金熱成形零件在汽車上的應(yīng)用，需綜合考慮它們的基本性能和服役性能。

3 結(jié)束語

溫成形和熱成形是鋁合金板成形技術(shù)的重要發(fā)展方向，5×××系鋁合金在溫、熱成形中成形性能大幅提升，適合沖制對成形性能要求高的復(fù)雜零件，6×××系或7×××系鋁合金則更適合采用熱成形技術(shù)，獲得兼具復(fù)雜形狀和高強度的零件。在鋁合金熱成形技術(shù)工程應(yīng)用方面，國內(nèi)較國外還存在較大差距，未來需要重點在鋁合金熱成形工藝、原材料低成本化及合金高強化和服役性能評價等方面不斷完善，使其在汽車輕量化方面發(fā)揮更好的作用。