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)。

1 試驗(yàn)材料和方法

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

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 成形速度對(duì)顯微組織的影響

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

2.2 成形速度對(duì)力學(xué)性能的影響

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

2.3 成形速度對(duì)斷口形貌的影響

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

3 結(jié)論

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)。