趙天生,方 羽,孫譽(yù)賓
(中機(jī)中聯(lián)工程有限公司,重慶 400050)
7×××系鋁合金具有高的比強(qiáng)度、比剛度和較好的耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn),作為最重要的結(jié)構(gòu)材料廣泛應(yīng)用于航空和交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)[1-3]。7050鋁合金是1943年美國開發(fā)并應(yīng)用于B-29型轟炸機(jī)上的高性能鋁合金,對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)和性能帶來了顛覆性的變化[4-5]。由于7050鋁合金具有高比強(qiáng)度、高比剛度、高韌性和抗應(yīng)力腐蝕性等顯著優(yōu)點(diǎn),經(jīng)常用來生產(chǎn)飛機(jī)的機(jī)身框架、翼梁、起落架等重要的結(jié)構(gòu)部件[6-7]。隨著我國國防工業(yè)發(fā)展的迫切需求,對(duì)飛機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)等重要的結(jié)構(gòu)部件,需要高強(qiáng)度、高韌性、抗腐蝕和耐高溫等良好的綜合性能。鍛造成形相比于其它成形方式不僅能消除鑄造組織缺陷、改善晶粒大小,而且可以形成沿變形方向的纖維組織,所以越來越多的重要結(jié)構(gòu)部件采用鍛造成形[8-10]。但是,鍛造成形由于受多種工藝參數(shù)的影響,其性能很多時(shí)候不可控。為了獲得綜合性能良好的鍛件,很多學(xué)者做了大量的研究。韓念梅等[11]研究了不同固溶制度對(duì)7050鋁合金組織和性能的影響;賈品峰等[12]研究了均勻化制度對(duì)7050鋁合金微觀組織和性能的影響;黃元春等[13]研究了兩種不同晶粒細(xì)化劑對(duì)含Zr的7050鋁合金微觀組織演變和第二相析出行為的影響;宋豐軒等[14]研究了預(yù)拉伸對(duì)7050鋁合金腐蝕性能的影響。大量的研究主要集中于熱處理制度,但鍛造工藝參數(shù)對(duì)鋁合金組織性能影響的研究相對(duì)較少,而鍛造工藝參數(shù)是決定鋁合金鍛件性能的基礎(chǔ)。成形速度是影響鋁合金鍛件成形的重要鍛造工藝參數(shù)之一,不合理的成形速度不僅不利于獲得性能優(yōu)良的鋁合金鍛件,而且可能損壞壓機(jī)設(shè)備,給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因而研究鍛造工藝參數(shù)對(duì)鍛件力學(xué)性能、顯微組織和斷裂形貌的影響,具有重要的實(shí)際意義。本文通過熱模鍛生產(chǎn)試驗(yàn)、OM、SEM和常溫力學(xué)拉伸等試驗(yàn)方法分析了不同成形速度對(duì)7050鋁合金鍛件力學(xué)性能、顯微組織和斷裂形貌的影響規(guī)律,以期為7050鋁合金航空鍛件實(shí)際生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。
試驗(yàn)材料為某模鍛公司生產(chǎn)鋁合金鍛件所用的7050鋁合金擠壓棒材,化學(xué)成分如表1所示。
表1 7050鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 1 Chemical composition of the 7050 aluminum alloy(mass fraction,%)
對(duì)7050鋁合金擠壓棒材進(jìn)行熱模鍛生產(chǎn)試驗(yàn),鍛件形狀及成形模具如圖1所示,模具預(yù)熱溫度350℃,坯料預(yù)熱溫度440℃,壓機(jī)分別以不同成形速度(0.5、2、8和16 mm/s)獲得鋁合金鍛件,然后將其放到加熱爐中統(tǒng)一加熱至480℃保溫60 min進(jìn)行固溶處理,再經(jīng)T6單級(jí)時(shí)效處理。分別在距離鍛件端部250 mm處(垂直于鍛件長(zhǎng)度方向)用線切割機(jī)切割,并按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》在試樣上制取室溫拉伸試樣如圖2所示,拉伸試驗(yàn)在CMT5305微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,拉伸速度2 mm/min。在ZEISS Axiovert200 MAT光學(xué)顯微鏡上觀察顯微組織,在TESCAN VEGA 3LMH SEM掃描電鏡上觀察斷口形貌,觀察金相前首先對(duì)試樣打磨拋光,用腐蝕劑(16 mL HNO3+1 mL HF+3 g CrO3+83 mL H2O)腐蝕120 s,然后用酒精清洗并立刻風(fēng)干,進(jìn)行金相觀察。
圖1 鍛件(a)和模具(b)照片F(xiàn)ig.1 Photos of forging(a)and die(b)
圖2 拉伸試樣尺寸Fig.2 Dimensions of tensile specimen
通過光學(xué)顯微鏡(OM)觀察不同成形速度下鍛件的組織形貌如圖3所示。從圖3可以看出,當(dāng)成形速度為0.5 mm/s時(shí),晶?;径紴閳A形或近橢圓形。隨著成形速度增加,晶粒沿變形方向逐漸被拉長(zhǎng),呈現(xiàn)為棒條狀,同時(shí)局部有晶粒長(zhǎng)大變粗。成形速度較小時(shí),變形時(shí)間足夠長(zhǎng),所以晶粒有充分的時(shí)間形核長(zhǎng)大變圓,但成形速度較小,溫度降低較大,所以晶粒整體長(zhǎng)大并不顯著;此外較小成形速度下,金屬流動(dòng)比較平緩,原來不利于晶粒變形的位向轉(zhuǎn)動(dòng)至有利于變形的位向,所以整體變形比較均勻。當(dāng)成形速度逐漸增大,由于金屬流動(dòng)比較劇烈,一方面大量的晶粒被破碎,并沿變形方向被拉長(zhǎng);另外一方面內(nèi)摩擦應(yīng)力增大,金屬局部溫升比較大,所以局部有粗晶現(xiàn)象發(fā)生。
圖3 不同成形速度下鍛件固溶時(shí)效后的顯微組織Fig.3 Microstructure of the forging at different forming speeds after solution treatment and aging
力學(xué)性能是鍛件最重要的性能指標(biāo),尤其是航空鋁合金鍛件,由于應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性,對(duì)綜合力學(xué)性能要求更嚴(yán)格。圖4是7050鋁合金試樣經(jīng)不同成形速度鍛造、固溶時(shí)效處理后的室溫拉伸性能曲線。從圖4可以看出,隨成形速度的增加,抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度先增加后減小,伸長(zhǎng)率隨成形速度的增加呈減小的趨勢(shì),當(dāng)成形速度為2 mm/s和8 mm/s時(shí),抗拉強(qiáng)度均大于600 MPa,屈服強(qiáng)度也在560 MPa左右,伸長(zhǎng)率僅從12.7%降低到12.1%。當(dāng)成形速度為2 mm/s時(shí),抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度分別為608 MPa和560 MPa,伸長(zhǎng)率為12.7%。在一定成形速度范圍內(nèi)(2~8 mm/s),變形整體比較均勻,晶粒有充分的時(shí)間長(zhǎng)大變圓,所以伸長(zhǎng)率較大,抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度也較大。當(dāng)成形速度進(jìn)一步增大,晶粒沿變形方向被拉長(zhǎng),合金的性能表現(xiàn)出各向異性,此外局部溫升比較大,有粗晶現(xiàn)象,伸長(zhǎng)率和強(qiáng)度均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。綜上所述,在一定的成形速度下(2~8 mm/s),7050鋁合金鍛件能獲得較好的綜合力學(xué)性能。
圖4 不同成形速度下鍛件經(jīng)固溶時(shí)效后的強(qiáng)度(a)和伸長(zhǎng)率(b)Fig.4 Strength(a)and elongation(b)of the forging at different forming speeds after solution treatment and aging
圖5是不同成形速度下鍛件的室溫拉伸斷口形貌。從圖5(a,b)可以看出,斷口處呈纖維狀,斷口附近有一定的塑性變形;從圖5(c,d)可以看出斷口處有大量凹凸起伏的小峰和小坑,斷口的斜面與拉伸桿軸向呈45°夾角,斷口處有明顯的塑性變形現(xiàn)象。在一定范圍內(nèi)隨著成形速度的減小,斷口處出現(xiàn)一定數(shù)量的韌窩,韌窩的數(shù)量隨成形速度的減小不斷增加,由撕裂棱向韌窩聚集性過渡,且韌窩的深度也逐漸變深。當(dāng)成形速度為2 mm/s和8 mm/s時(shí),斷口形貌以穿晶斷裂為主,第二相粒子整體較細(xì)小,僅伴隨少量的第二相粗大顆粒和晶間斷裂,因此,具有較好的綜合力學(xué)性能。
圖5 不同成形速度下鍛件固溶時(shí)效后的拉伸斷口形貌Fig.5 Tensile fracture morphologies of the forging at different forming speeds after solution treatment and aging
1)7050鋁合金鍛件的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨成形速度增加呈先增加后減小的趨勢(shì),伸長(zhǎng)率隨成形速度的增加逐漸減小。當(dāng)成形速度為2 mm·s-1時(shí)鋁合金鍛件抗拉強(qiáng)度可達(dá)608 MPa,屈服強(qiáng)度可達(dá)560 MPa,伸長(zhǎng)率為12.7%。
2)當(dāng)成形速度為2 mm·s-1和8 mm·s-1時(shí),試樣斷裂形式以穿晶斷裂為主,伴隨少量的晶間斷裂,且第二相粒子整體較細(xì)小。隨著成形速度減小,斷口韌窩數(shù)量增加,韌窩深度變深,鍛件的塑性儲(chǔ)備增大。
3)7050鋁合金熱模鍛生產(chǎn)成形速度為2~8 mm/s時(shí),鍛件的綜合力學(xué)性能較好,可為實(shí)際7050鋁合金模鍛生產(chǎn)提供指導(dǎo)依據(jù)。