岳毓挺，馮偉駿，楊 兵，李永豐，何 霽

（1.上海交通大學機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海 200240；2.上海交通大學上海市復雜薄板結(jié)構(gòu)數(shù)字化制造重點實驗室，上海 200240；3.寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院寶武鋁業(yè)技術中心，上海 201900）

高強度鋁合金板材（如7000 系）具有較高的強度，是理想的輕質(zhì)高強高性能零件用材。但高強度鋁合金在常溫下成形性差、回彈大，在后期熱處理時還有熱變形等問題[1]，限制了其在零件制造上的大規(guī)模應用。針對此問題，帝國理工大學Lin 等[2]提出了鋁合金HFQ（Heat treatment, forming and in-die quenching）成 形工藝，利用鋁合金在高溫下成形性好的特點，在固溶后進行熱沖壓成形，成形的同時進行冷模淬火，而后進行人工時效以提高強度，兼顧了成形性與強度。

但 根據(jù)Wang 等[3]對AA2024 的研究，在固溶熱處理溫度下，AA2024 內(nèi)部發(fā)生的溶質(zhì)原子富集造成的晶界軟化，以及基體軟化的問題，會造成材料的延展性能下降，對成形不利。Gao 等[4]研究AA2060 也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果，材料延展性最強的溫度要低于其固溶溫度。上述研究表明，對于高強鋁合金，直接在固溶溫度進行成形可能難以實現(xiàn)板材最佳成形性能。為了使高強鋁合金在HFQ 工藝中獲得更好的成形性，在其固溶階段后增加一步預冷工藝，設計高強鋁合金在其最佳成形溫度成形，成為解決問題的一種新思路，其工藝流程對比如圖1 所示。在傳統(tǒng)HFQ 工藝流程中，板料在固溶后就直接轉(zhuǎn)運至冷模成形，成形時溫度接近固溶溫度，成形性較差，可能造成開裂等缺陷；而預冷HFQ 工藝則在固溶后先將板料預冷至成形性好的較低溫度，能在冷模成形時獲得更好的成形性。Li 等[5]基于AA7075 鋁合金，針對預冷工藝對熱成形的影響進行了試驗，開發(fā)了材料在熱成形增加預冷工序下的宏微耦合材料模型，證明了較低的預冷速率（5℃/s）會造成沉淀物粗大，對成形不利，但未進行零件級別的工藝測試。因此，如何設計預冷溫度，保證板材在成形中獲得最好的成形性能，不產(chǎn)生開裂、頸縮等成形缺陷，同時滿足高性能薄壁零件不同位置材料的高強度和零件整體的服役性能是實現(xiàn)高強鋁合金板預冷熱沖壓成形所面臨的主要挑戰(zhàn)。

圖1 兩種工藝流程對比Fig.1 Comparison of two processes

本文基于一種改進AA7055 高強鋁合金板材進行預冷熱沖壓淬火工藝研究，所采用材料的合金元素如表1 所示，新材料提高了合金元素Mg 和Zn 的含量，其T6 態(tài)峰值強度達到650MPa。根據(jù)現(xiàn)有對AA7055鋁合金溫熱成形的研究[6-8]，其低應變率下最佳成形溫度在400℃左右，但由于預冷工藝對材料性能的影響與合金的淬火敏感性有關，而根據(jù)對AA7055 淬火敏感性的研究[9]，其鼻尖溫度在355℃左右，因此本文選擇300℃、350℃以及400℃3 種預冷溫度進行研究，并定量分析不同預冷溫度下的成形性能。以此為依據(jù)，設計不同時效態(tài)、不同預冷溫度下板材的預冷熱沖壓淬火成形工藝試驗。對實現(xiàn)成形的零件，進行取樣和性能測試，分析確定獲得高強度性能的工藝因素，為未來的工程應用提供依據(jù)和參考。

表1 改進AA7055 合金元素組成（質(zhì)量分數(shù)）Table 1 Improved AA7055 alloy element compent (mass fraction) %

試驗及方法

1 板料力學性能試驗

由于該種材料預先經(jīng)過軋制處理，獲得板料為F 態(tài)（自由加工態(tài)），試驗前將部分F 態(tài)板材按照標準熱處理工藝進行固溶處理，在475℃加熱爐中保持30min，而后隨爐冷卻12h，退火處理為O 態(tài)板材，然后模擬預冷HFQ 工藝中的固溶和預冷流程，對O 態(tài)板材進行力學性能試驗。

板材力學性能試驗基于接觸加熱測試平臺[10]進行（圖2），該平臺可實現(xiàn)對板材固溶后實施不同預冷溫度并在恒定溫度下完成力學性能測試。該平臺主要由加熱銅塊、夾具框架、滑軌、加熱棒、K 型熱電偶和溫控箱組成，其中銅塊將緊密貼合到測試試樣上，完成預冷溫度的施加，然后配合Zwick/Roll Z100 型材料試驗機進行拉伸試驗。測試首先通過溫控箱配合熱電偶對銅塊內(nèi)加熱棒進行反饋控制，使得銅塊加熱保溫至預先設置溫度。然后將試樣夾持在試驗機上，材料測試試樣尺寸如圖3 所示，釋放高溫彈簧使得固溶加熱銅塊與試樣保持夾緊。由于接觸加熱導熱速率很快，試樣很快升溫至預定溫度，保溫一定時間待試樣標距段區(qū)域固溶后，通過滑軌移動夾具，使得設定為不同預冷溫度的成形加熱銅塊緊貼試樣。此時試樣標距段兩端凸起部分正好在觀察變形開孔位置，利用全場應變測量系統(tǒng)（Digital image correlation，DIC）獲取試樣標距段的位移數(shù)據(jù)，計算得到應變信息。最后，將同步加載力數(shù)據(jù)與DIC 測試的應變數(shù)據(jù)相匹配，得到該預冷溫度條件下的材料高溫拉伸力學性能。

圖2 接觸加熱高溫測試平臺Fig.2 High temperature test platform with contact heating device

圖3 力學性能測試試樣尺寸（mm）Fig.3 Specimen size of mechanical properties test (mm)

由于接觸加熱可以提供更快的升溫速度，大幅減少了升溫時間，且有利于避免生成較大中間相以減少合金溶解時間[1]。根據(jù)Zhang 等[11]對AA7075 鋁合金接觸加熱固溶的研究，在加熱速度為15.8℃/s 時，固溶時間已經(jīng)可以減少到40s。本文所用試驗平臺采用銅塊接觸加熱的方式，利用高溫彈簧提供一定的接觸壓力，傳熱速度大大增加。根據(jù)本課題組前期試驗，該平臺對板材加熱速度能達到50℃/s，冷卻速度能夠達到-8℃/s。所以鋁板在該平臺上利用高溫加熱銅塊進行接觸加熱固溶，10min 便可以達到完全固溶的效果，而預冷階段，在成形銅塊處夾持20s時間便能保證板材均勻降溫到銅塊設定溫度。因此試驗方案定為：O態(tài)試樣在475℃加熱銅塊固溶處理10min，然后轉(zhuǎn)移至成形加熱銅塊預冷，分別在300℃、350℃、400℃的預冷溫度下保溫20s 后，迅速進行拉伸試驗，拉伸速度設置為0.5mm/s，設置應變率為0.02s-1。

2 特征件工藝試驗

基于長度縮比后的防撞梁件模具進行典型結(jié)構(gòu)件試制，其目標零件尺寸如圖4 所示，目標零件截面為W 形特征截面，實際成形時零件兩側(cè)還有約30mm 的法蘭部分。由于成形時外側(cè)壁部分材料流動阻力小，外側(cè)壁位置主要為彎曲變形，而內(nèi)側(cè)壁部分材料流動阻力大，為拉延成形，與頂面過渡區(qū)交界位置為應變最大位置，最容易發(fā)生開裂。基于該模具對材料進行增加預冷工序的HFQ成形測試，同樣采用接觸控溫平臺對零件坯料進行預冷控溫，以模擬增加預冷工藝的HFQ 工藝流程。

圖4 防撞梁件尺寸（mm）Fig.4 Size of anti-collision beam (mm)

根據(jù)傳統(tǒng)HFQ 的工藝流程，首先將尺寸為250mm×200mm×1.6mm的鋁合金零件坯料放置于保溫475 ℃的高溫加熱爐中30min 進行固溶處理。固溶完成后，將鋁合金零件坯料置于銅塊接觸控溫平臺上進行預冷保溫，預冷溫度分別設置為300℃、350℃以及400℃，在接觸控溫平臺上保壓保溫10s，將坯料溫度由固溶溫度降溫到設定預冷溫度。預冷完成后，將板料迅速轉(zhuǎn)移冷模上進行合模沖壓成形，沖壓速度276mm/s，獲得成形件。最后將工件轉(zhuǎn)移至185℃爐子中烘烤20min，進行人工時效處理，提升零件強度。

試驗過程中零件坯料的溫度變化曲線如圖5 所示。

同時進行空冷條件下的成形測試，將固溶后坯料放置于冷模上空冷預冷15～20s 后進行冷模成形。試驗中發(fā)現(xiàn)，若鋁合金坯料經(jīng)過F 態(tài)退火處理成O 態(tài)后進行預冷HFQ 成形，坯料經(jīng)過退火處理后表面會變粗糙，改變了成形時的摩擦條件，而F 態(tài)坯料直接進行預冷HFQ 成形時表面更加光滑。因此選擇了F 態(tài)和O 態(tài)兩種初始狀態(tài)的坯料進行成形試驗對比，同時為了驗證預冷工藝的必要性，對F 態(tài)坯料進行傳統(tǒng)HFQ 工藝試驗，坯料固溶后無預冷直接放在冷模上進行沖壓，沖壓速度保持不變，并與增加預冷工藝下的試制件進行對比。

結(jié)果與討論

1 不同預冷溫度下板料力學性能結(jié)果

試驗獲得的O 態(tài)材料固溶后預冷至不同溫度下的真應力-真應變曲線見圖6，根據(jù)式（1）選取材料均勻變形段數(shù)據(jù)進行Hollomom 本構(gòu)方程參數(shù)計算，將應力σ與應變ε數(shù)據(jù)取以10 為底對數(shù)后進行線性擬合，獲得擬合線條的斜率與截距，轉(zhuǎn)換后得到不同溫度下的K與n值。同時計算材料斷裂時總位移量ΔL，按照式（2）除以標距段L計算其最大延伸率Δδ。統(tǒng)計計算結(jié)果如表2所示，根據(jù)計算結(jié)果，材料在預冷至350℃時n值最大，且延伸率最高，因此可預見其在350℃預冷溫度下成形性最好。

2 成形工藝試驗結(jié)果與分析

根據(jù)表3 預冷HFQ 工藝的試驗結(jié)果，F(xiàn) 態(tài)坯料在300℃、350℃、400℃以及冷模上空冷預冷15s 條件下均能完好成形。而O 態(tài)坯料在試驗中預冷至300℃、400℃以及冷模上空冷預冷20s 條件下都無法成形，成形件過渡區(qū)與內(nèi)側(cè)壁交界處都已經(jīng)有裂縫產(chǎn)生，在成形性最好的350℃預冷溫度下，工件相同位置也已經(jīng)發(fā)生頸縮。O 態(tài)坯料與F 態(tài)坯料成形性差異巨大的原因可能有兩點： （1）由于O 態(tài)坯料是經(jīng)過退火處理獲得，成形時其表面質(zhì)量較差，改變了摩擦條件； （2）該新材料熱處理流程的不同造成成形時的內(nèi)部組織有差異。

圖5 試驗溫度曲線Fig.5 Temperature curve in experiment

圖6 材料測試與參數(shù)擬合Fig.6 Material test and parameter fitting

表2 擬合參數(shù)與最大延伸率Table 2 Fitting parameters and maximum elongation

表3 特征件成形試驗結(jié)果Table 3 Results of forming experiment of the characteristic parts

根據(jù)如圖7 所示的結(jié)果，在傳統(tǒng)HFQ 工藝流程下，F(xiàn) 態(tài)坯料在固溶后直接沖壓時，整體碎裂根本無法成形。對比預冷HFQ 工藝試驗結(jié)果，固溶溫度坯料成形性在預冷后得到了巨大提升，證明了對于高強鋁合金材料，在傳統(tǒng)HFQ 工藝中增加一步預冷工藝能夠避免其在固溶溫度附近成形性差造成的成形困難。

3 特征件局部強度性能測試結(jié)果

由于成形件不同位置在冷模成形時的冷卻溫度路線不同，為了測試成形件不同位置的材料力學性能，選用尺寸為120mm×200mm×1.6mm的F 態(tài)坯料，在同一模具上、相同預冷HFQ 工藝參數(shù)下對其進行成形試驗，在每個成形件上對位于法蘭、外側(cè)壁、內(nèi)側(cè)壁以及中間頂面上等7 個典型位置進行單拉試樣切割，典型位置為特征件上的平面或斜面位置以保證厚度均勻，單拉試樣采用美標ASTM-E8/E8M-11[12]的尺寸要求，具體尺寸如圖8 所示，成形件與試樣切割位置示意如圖9 所示。測量并記錄每根切割試樣厚度數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)試樣上厚度變化不大，然后在Zwick 萬能試驗機上配合DIC 全場應變測試系統(tǒng)進行單拉試驗，拉伸速度設置為1.5mm/min，計算獲取試樣應力、應變數(shù)據(jù)，計算獲得每根試樣的最大抗拉強度如圖10 所示。

觀察不同預冷條件下成形件的7 個典型位置抗拉強度，在冷模上空冷15s 條件下與300℃預冷條件下的抗拉強度比較接近，是由于坯料在冷模上空冷時法蘭部分與冷模接觸，傳熱速度比較快，坯料溫度下降較快，成形時已經(jīng)接近300℃。比較不同預冷條件成形件上試樣2、試樣3、試樣5 及試樣6 的抗拉強度與該材料T6 態(tài)強度差值，統(tǒng)計其與峰值強度的差值如表4 所示，發(fā)現(xiàn)在350℃預冷條件下，強度惡化最為嚴重，最大抗拉強度差值達到242.78MPa。且試樣2、試樣6 所在外側(cè)壁位置的抗拉強度要大于試樣3、試樣5 所在的內(nèi)側(cè)壁位置。

根據(jù)AA7055 淬火敏感性數(shù)據(jù)[9]，其材料硬度降低到最大硬度90%時的溫度時間曲線如圖11 所示。由于其淬火敏感鼻尖溫度在355℃附近，因此在預冷HFQ 工藝中，將預冷溫度設定至350℃并保持10s 時，恰好在鼻尖溫度附近停留保溫，溶質(zhì)原子脫溶速度最快，成形時溫度曲線最先越過硬度90%轉(zhuǎn)化曲線，導致成形后在人工時效階段強化相析出不足，造成其強度惡化最為嚴重。強度惡化的原因也與時效時間有關，工件試制時人工時效選擇20 min 的時效時間可能太短，造成強化相未完全析出。由于在不同預冷溫度下保溫時間越長，溶質(zhì)原子脫溶越多，在成形時工件內(nèi)側(cè)壁要晚于外側(cè)壁接觸冷模，在預冷溫度附近停留時間更長，所以其強度要低于外側(cè)壁位置。

圖7 無預冷直接沖壓件Fig.7 Workpieces directly stamped without pre-cooling

圖8 單拉試樣尺寸（mm）Fig.8 Specimen size of uniaxial tensile test (mm)

圖9 試樣切割位置Fig.9 Position of wire-cut specimens

圖10 不同位置試樣抗拉強度柱狀圖Fig.10 Histogram of tensile strength of specimens at different locations

表4 強度與峰值強度差值Table 4 Difference between strength and peak strength

圖11 AA7055 淬火敏感性Fig.11 AA7055 quenching sensitivity

結(jié)論

（1）對改進AA7055 鋁合金進行固溶后不同預冷溫度的單拉性能測試，O 態(tài)板料在350℃預冷溫度下保溫20s 時，材料最大延伸率與硬化指數(shù)最大，在該預冷溫度下成形性最好。

（2）在預冷HFQ 工藝試驗中，O態(tài)坯料與F 態(tài)坯料相比成形性較差，在所有預冷條件下均有成形缺陷，原因可能在于表面質(zhì)量差增大了摩擦以及材料內(nèi)部組織差異；而F 態(tài)板料在預冷時能夠完好成形，不預冷時成形件破裂，無法成形。

（3）預冷HFQ 工藝成形件與該材料T6 態(tài)相比，抗拉強度惡化較為嚴重，原因可能有兩點：一是不同預冷溫度下保溫時間過長，在淬火敏感溫度區(qū)域內(nèi)造成溶質(zhì)原子脫溶過多；二是后期人工時效時間過短，造成強化不足。

（4）該改進AA7055 材料在350℃預冷溫度下成形性較好，但強度惡化最為嚴重，為了兼顧強度與成形性，預冷方式可以選擇空冷至400℃，避免進入鼻尖溫度區(qū)域，且實際應用中能比較簡單地實現(xiàn)。后期可對隨空冷時間板材溫度下降曲線進行測試，并調(diào)整預冷溫度下的保溫時間等，優(yōu)化工藝參數(shù)。