文/黃定輝，楊恩超，洪鑫，高俊龍·無錫透平葉片有限公司

7075鍛件經(jīng)固溶后進(jìn)行了不同變形量的冷鍛變形，再對(duì)不同冷鍛變形后的試驗(yàn)塊進(jìn)行相同時(shí)效熱處理，研究不同冷鍛變形量下鍛件的殘余應(yīng)力分布、電導(dǎo)率變化及室溫拉伸性能變化規(guī)律，結(jié)果表明：7075-T7352狀態(tài)鍛件冷鍛變形量控制在1%～3.75%時(shí)，能獲得較優(yōu)的消除鍛件淬火殘余應(yīng)力的效果，冷鍛變形量超過3.75%會(huì)產(chǎn)生相反方向的殘余應(yīng)力累積；7075-T7352狀態(tài)鍛件冷鍛變形量在5%以內(nèi)時(shí)，鍛件對(duì)應(yīng)電導(dǎo)率和室溫拉伸性能的抗拉強(qiáng)度、延伸率無明顯變化，而屈服強(qiáng)度有所降低。

7075合金是Al-Zn-Mg-Cu系可熱處理強(qiáng)化的高強(qiáng)度變形鋁合金，因其具有較高的比強(qiáng)度、較好的熱加工性能及可焊性等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，目前已用于減輕武器裝備及大型壓力容器等承力結(jié)構(gòu)件的重量，特別在航空航天武器裝備領(lǐng)域，其高技術(shù)化、智能化、一體化趨勢(shì)明顯，零件結(jié)構(gòu)上也盡可能多地采用了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如機(jī)翼、機(jī)身整體大梁、整體加強(qiáng)框、整體油箱等。但零件結(jié)構(gòu)一體化的過程中，零件加工和使用時(shí)發(fā)生變形的問題，成為了其發(fā)展的主要制約，國際上對(duì)結(jié)構(gòu)零件加工變形的研究還在進(jìn)行，各國研究均指出殘余應(yīng)力是加工或使用過程變形的首要因素。而對(duì)于鋁合金鍛件毛坯來說，其經(jīng)過熱成形后，固溶會(huì)消除其鍛造殘余應(yīng)力，但固溶后淬火的冷卻過程會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，經(jīng)切削等加工后內(nèi)應(yīng)力重新分布會(huì)引起變形，文獻(xiàn)對(duì)鍛件的熱加工過程引起的應(yīng)力分布及應(yīng)力的釋放方法有較多的報(bào)道，但是對(duì)于釋放應(yīng)力后的鍛件力學(xué)性能方面的報(bào)道較少，工程應(yīng)用可借鑒資料也較為匱乏。

AMS 4147中對(duì)7075-T7352狀態(tài)鍛件進(jìn)行了規(guī)定，規(guī)定鍛件固溶后冷變形的變形量范圍為1%～5%，而模鍛件淬火后本身已存在較大的殘余應(yīng)力，冷變形量過大會(huì)引起冷作硬化、裂紋或斷裂，而變形過小則使應(yīng)力消除效果不佳，因此如何根據(jù)具體產(chǎn)品制定精確的冷變形變形量成為此類模鍛件能否減少殘余應(yīng)力并獲得較優(yōu)性能的關(guān)鍵。鑒于此，本試驗(yàn)選取7075模鍛葉片試塊，在規(guī)范規(guī)定的冷變形變形量范圍(1%～5%)內(nèi)，進(jìn)行不同冷變形量的試驗(yàn)，旨在研究不同冷變形變形量對(duì)7075鋁合金模鍛件的殘余應(yīng)力和性能的影響規(guī)律，為工程化生產(chǎn)選取較佳的冷變形工藝提供數(shù)據(jù)支撐。

試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

7075模鍛件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，直接用模鍛件進(jìn)行研究勢(shì)必造成不必要的浪費(fèi)，因此本文試驗(yàn)材料取自葉片模鍛件的葉根部位，整個(gè)葉片經(jīng)過477℃×400min，水冷的固溶熱處理，試驗(yàn)材料形狀為圓柱體，規(guī)格為φ(35±0.1)mm×(80±0.1)mm，試驗(yàn)材料機(jī)加工成圖1狀態(tài)。試料編號(hào)分別為0-1、0-2、1-1、1-2、2-1、2-2、3-1、3-2、4-1、4-2，圓柱體試驗(yàn)材料兩端面位于葉片模鍛件的兩表面位置附近，具體試驗(yàn)材料切取位置示意圖見圖2。

圖1 試驗(yàn)材料加工及規(guī)格示意圖

圖2 試驗(yàn)材料切取示意圖

對(duì)所有試驗(yàn)材料切取后，對(duì)1-1、1-2、2-1、2-2、3-1、3-2、4-1、4-2試樣進(jìn)行冷鍛，最后對(duì)所有試樣進(jìn)行時(shí)效處理，時(shí)效制度為107℃×630min隨爐升溫至177℃×450min，空冷。

切取的每個(gè)試驗(yàn)材料編號(hào)按表1參數(shù)進(jìn)行不同變形量的冷變形，試驗(yàn)設(shè)備為J58K-1000電動(dòng)螺旋壓力機(jī)，試驗(yàn)時(shí)采用碰模板來控制試驗(yàn)塊高度，以保證變形量，錘擊一次到位，打擊能量為8%。經(jīng)過冷變形后的試驗(yàn)材料分別進(jìn)行了圓周面殘余應(yīng)力測(cè)試、電導(dǎo)率測(cè)試和室溫拉伸性能測(cè)試。

表1 試驗(yàn)材料編號(hào)與冷變形量的對(duì)應(yīng)關(guān)系表

試驗(yàn)結(jié)果與分析

冷鍛變形量對(duì)7075鋁合金鍛件殘余應(yīng)力的影響

不同冷鍛變形量對(duì)應(yīng)的各部位的縱向殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果見表2，其中正值代表殘余拉應(yīng)力，負(fù)值代表殘余壓應(yīng)力。

表2 不同冷變形量下試驗(yàn)材料不同部位縱向殘余應(yīng)力的測(cè)試結(jié)果

從數(shù)據(jù)結(jié)果上看，未經(jīng)過冷鍛變形的試驗(yàn)材料其殘余應(yīng)力分布是表面殘余壓應(yīng)力，心部殘余拉應(yīng)力，這是因?yàn)榇慊鹄鋮s初期鍛件與介質(zhì)溫度差大，表層冷卻速度比心部快，表層冷卻收縮大于心部，造成表面承受壓應(yīng)力，隨著表面與心部之間溫差增加，心部的冷卻速度開始高于表面冷速，心部收縮大于表面，造成心部承受拉應(yīng)力。

經(jīng)過冷鍛變形的試驗(yàn)材料各部位的殘余應(yīng)力分布與未經(jīng)過冷鍛變形的試驗(yàn)材料相比，有較為明顯的變化，特別冷鍛變形量從0%增大到2.5%的過程中，靠近鍛件表面位置的縱向殘余應(yīng)力由殘余壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄嗬瓚?yīng)力，靠近鍛件心部位置的縱向殘余應(yīng)力仍為殘余壓應(yīng)力，但殘余壓應(yīng)力值出現(xiàn)逐步減少的現(xiàn)象。當(dāng)冷鍛變形量超過3.75%時(shí)，近鍛件表面位置和心部位置的殘余應(yīng)力值均出現(xiàn)一定程度的提高。

這是因?yàn)槔溴憰r(shí)施加的外力疊加原有殘余應(yīng)力后，使整個(gè)工件產(chǎn)生了一定的塑性變形，破壞了應(yīng)力系統(tǒng)且改變了工件內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)，具體為在冷鍛的過程中，試驗(yàn)材料心部材料最先發(fā)生塑性變形，心部原本存在的殘余拉應(yīng)力受到相反的壓應(yīng)力作用，殘余拉應(yīng)力值會(huì)減少；而心部塑性變形的材料向兩側(cè)流動(dòng)，靠近上下表面的材料會(huì)來補(bǔ)充心部材料的流動(dòng)，這便在上下面的材料上形成拉應(yīng)力作用，該力與原本存在的殘余壓應(yīng)力作用方向相反，引起殘余壓應(yīng)力值的減小，隨著塑性變形的進(jìn)一步進(jìn)行，當(dāng)冷鍛塑性變形產(chǎn)生的拉應(yīng)力與原本存在的殘余壓應(yīng)力完全抵消后，其殘余拉應(yīng)力會(huì)變得越來越大。因此消除殘余應(yīng)力效果較好的冷變形要在不大于3.75%的范圍內(nèi)選取。

冷鍛變形量對(duì)7075鋁合金鍛件電導(dǎo)率及拉伸性能的影響

不同冷鍛變形量對(duì)應(yīng)的各部位的電導(dǎo)率檢測(cè)結(jié)果及室溫拉伸性能結(jié)果見表3，從檢測(cè)數(shù)據(jù)上來看，經(jīng)過冷鍛變形的試驗(yàn)材料其各部位電導(dǎo)率值較未經(jīng)冷鍛變形的試驗(yàn)材料基本未產(chǎn)生明顯變化，其抗拉強(qiáng)度略有下降，延伸率無明顯變化，而屈服強(qiáng)度下降更為明顯，電導(dǎo)率與對(duì)應(yīng)的室溫拉伸性能數(shù)據(jù)上有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系。經(jīng)冷鍛和未經(jīng)冷鍛的試驗(yàn)材料的室溫拉伸性能的結(jié)果與AMS4147和AMS4141標(biāo)準(zhǔn)中的對(duì)應(yīng)驗(yàn)收要求的趨勢(shì)一致，其抗拉強(qiáng)度基本不變，但屈服強(qiáng)度因冷鍛變形而有所下降，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)性能要求的對(duì)比見表4。

表3 不同冷變形量下試驗(yàn)材料不同部位電導(dǎo)率的測(cè)試結(jié)果

表4 AMS4147和AMS4141兩種規(guī)范下鍛件室溫拉伸性能的驗(yàn)收要求對(duì)比

冷鍛后鍛件屈服強(qiáng)度會(huì)有明顯降低的原因可能是冷鍛施加的外力使鍛件發(fā)生塑性變形，原有殘余應(yīng)力狀態(tài)在此過程中發(fā)生了系統(tǒng)性改變，使得原本存在一定殘余應(yīng)力狀態(tài)的鍛件經(jīng)應(yīng)力釋放后處于無應(yīng)力狀態(tài)或低應(yīng)力狀態(tài)，位錯(cuò)塞積和晶格畸變量程度還相對(duì)較小，按此推測(cè)，若冷鍛變形量加大到一定程度，超過了相應(yīng)應(yīng)力釋放的程度，鍛件的殘余應(yīng)力將朝著另一個(gè)方向累積，位錯(cuò)塞積和晶格畸變量劇增，冷作硬化作用明顯，其屈服強(qiáng)度將會(huì)不再降低反而升高，甚至可能出現(xiàn)開裂等問題，本試驗(yàn)中當(dāng)冷鍛變形量達(dá)到5%時(shí)，其屈服強(qiáng)度已出現(xiàn)不降反升的現(xiàn)象，對(duì)該現(xiàn)象更深入的解釋還需繼續(xù)開展進(jìn)一步的試驗(yàn)和研究工作。

結(jié)論

⑴7075-T7352狀態(tài)鍛件冷鍛變形量控制在3.75%以內(nèi)，能獲得較優(yōu)的消除鍛件淬火殘余應(yīng)力的效果，冷鍛變形量超過3.75%會(huì)產(chǎn)生相反方向的殘余應(yīng)力累積。鍛件冷鍛變形量的選取需根據(jù)具體鍛件的生產(chǎn)工藝狀態(tài)，在1%～3.75%范圍內(nèi)進(jìn)行工藝驗(yàn)證。

⑵7075-T7352狀態(tài)鍛件冷鍛變形量在5%以內(nèi)時(shí)，鍛件對(duì)應(yīng)電導(dǎo)率和室溫拉伸的抗拉強(qiáng)度、延伸率無明顯變化，而屈服強(qiáng)度有所降低。當(dāng)冷鍛變形量達(dá)到5%時(shí)其屈服強(qiáng)度又發(fā)生一定程度的升高。

⑶7075-T7352狀態(tài)鍛件冷鍛變形后，屈服強(qiáng)度會(huì)有所下降的解釋有待進(jìn)一步開展試驗(yàn)和研究工作。