MGH956合金板材基本成形性能研究

中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責任公司 楊 踴 曹一超 周 勇

MGH956合金為國內(nèi)仿MA956合金研制的一種氧化物彌散強化高溫合金（Oxide Dispersion Strengthened，簡稱ODS合金），該材料具有優(yōu)良的高溫強度、耐氧化、耐碳化和耐熱腐蝕等綜合性能[1]。國外已應用于航空發(fā)動機和燃汽輪機的一些高溫部件，長期使用溫度1100℃左右，完全抗氧化溫度達到1200℃左右，國內(nèi)正在開展其應用研究工作。然而，MGH956合金較低的加工硬化指數(shù)、較大的屈強比、較差的延伸率及高的缺口敏感性導致其沖壓成形工藝性差。該合金的屈服強度高于多數(shù)傳統(tǒng)材料的屈服強度，導致成形零件具有較高沖壓力和較大成形回彈量。據(jù)國外相關MA956合金板材成形方面資料介紹，這種材料的沖壓成形性能與鈦合金板材類似，冷成形不適合成形較復雜和精度要求較高的零件，熱成形是其理想的成形工藝[2]。

為了全面掌握該材料的成形性，按照GB/T 15825進行拉深、擴孔、彎曲、錐杯和成形極限圖試驗，按照標準GB/T 4156-2007進行埃里克森杯突試驗，將部分試驗結(jié)果與鈦合金做了對比，最后對MGH956合金板材基本沖壓成形性能進行了較全面評價。

1 試驗材料

試驗用材料為采用機械合金化方法制備并經(jīng)過軋制加工的氧化物彌散強化高溫合金MGH956板材，狀態(tài)為軋制后在1325℃下進行1h高溫退火處理，材料表面為吹砂狀態(tài)，板材厚度為1mm。試驗材料的化學成分如表1所示。

表1 MGH956成分質(zhì)量分數(shù) %

2 MGH956合金板材成形試驗

2.1 埃里克森杯突試驗

按照國家標準GB/T 4156-2007“金屬材料薄板和薄帶埃里克森杯突試驗”，杯突試驗在一個裝備有壓模、沖頭和墊模的設備上進行，杯突試驗方法如圖1所示。試驗設備為BCS50AR萬能薄板試驗機，試樣尺寸為φ90×1mm，環(huán)境溫度22℃。分別進行室溫和高溫杯突試驗，室溫試驗條件：22℃/壓邊力10kN/無潤滑；高溫試驗條件：650～850℃/壓邊力10kN/無潤滑。

圖1 埃里克森杯突試驗示意圖Fig.1 Diagram of Erichsen cupping test

板材脹形成形性能常用室溫埃里克森杯突試驗來進行評價，杯突值IE的大小可以直接評價板材的脹形成形能力，該值越大，表明板材的室溫脹形性能及拉深類成形性能越好。

室溫埃里克森杯突試驗結(jié)果：試樣厚度為1mm的MGH956合金板材室溫杯突平均值為6.06mm，接近于TC4合金5～7mm和TB8合金7～10mm的杯突值，表明MGH956合金板材室溫脹形成形能力與鈦合金TC4、TB8相當，試驗試樣如圖2所示，試驗結(jié)果見表2。

圖2 室溫埃里克森杯突試驗變形試樣Fig.2 Erichsen cupping test samples at room temperature

表2 MGH956板材室溫埃里克森杯突值IE mm

高溫埃里克森杯突試驗結(jié)果：試樣厚度為1.0mm的MGH956合金板材，650～850℃高溫杯突值IE約為8～9mm，接近TA15合金6～10mm（700～900℃），略低于TC4合金10～14mm（650～800℃），試驗試樣如圖3所示，試驗結(jié)果見表3。試驗結(jié)果表明高溫下MGH956合金具有更好的脹形成形性能。

圖3 高溫埃里克森杯突變形試樣Fig.3 Erichsen cupping test samples at high temperature

表3 MGH956板材高溫杯突值IE

2.2 拉深試驗

試驗標準參考GB/T 15825.3-1995“金屬薄板成形性能與試驗方法——拉深與拉深載荷試驗”，試驗時將圓片形試樣放置于壓邊圈和凹模之間，通過凸模對其進行拉深成形，拉深試驗方法如圖4所示。試驗設備為BCS50AR萬能薄板試驗機，試樣起始直徑為90mm，以1.25mm級差加工，環(huán)境溫度22℃。分別進行室溫和高溫拉深試驗，室溫試驗條件：22℃/壓邊力10kN/無潤滑；高溫試驗條件：700℃/壓邊力10kN/石墨潤滑。

圖4 拉深試驗示意圖Fig.4 Drawing test diagram

通過拉深試驗能夠測得金屬薄板的極限拉深比。對于金屬薄板拉深成形性能而言，極限拉深比越大，表明板材的拉深變形程度越大，拉深性能越好。通過試驗，測得1.0mm厚度的MGH956合金室溫下的極限拉深比約為1.56，略高于TC4合金板材的室溫極限拉深比（1.2～1.5），室溫拉深變形試樣如圖5所示。

高溫拉深試驗得到的1.0mm厚度MGH956合金700℃下的極限拉深比約為1.65，高溫拉深變形試樣如圖6所示。試驗結(jié)果表明，在高溫下MGH956合金的拉深成形性能較好。

圖5 室溫拉深變形試樣Fig.5 Drawing samples at room temperature

圖6 高溫拉深變形試樣Fig.6 Drawing samples at high temperature

2.3 擴孔試驗

試驗標準參考GB/T 15825.4-1995“金屬薄板成形性能與試驗方法——擴孔試驗”，試驗時將帶有預制圓孔的圓形試樣放置在壓邊圈和凹模之間壓緊，通過凸模將其下部的試樣材料壓入凹模，迫使預制圓孔直徑不斷擴大，擴孔試驗方法如圖7所示。試驗設備為BCS50AR萬能薄板試驗機，試樣外廓直徑100mm，內(nèi)孔12mm，環(huán)境溫度22℃。分別進行室溫和高溫擴孔試驗，室溫擴孔試驗條件：22℃/壓邊力10kN/無潤滑；高溫擴孔試驗條件：700℃/壓邊力10kN/無潤滑。

圖7 擴孔試驗示意圖Fig.7 Expanding hole test diagram

圓孔翻邊成形性能常用擴孔試驗來進行評價，擴孔率λ的大小可以直接評價板材的翻邊性能，該值越大，表明材料的翻邊性能越好。通過試驗測得，厚度為1.0mm的MGH956合金板材的室溫擴孔率約為22%，低于TB8合金33.5%和TB5合金的58.7%。室溫擴孔試樣見圖8，試驗數(shù)據(jù)見表4。

圖8 室溫擴孔變形試樣Fig.8 Expanding hole test samples at room temperature

表4 MGH956板材室溫擴孔值

高溫擴孔試驗結(jié)果：厚度為1.0mm的MGH956合金板材700℃擴孔率約為28.2%，低于TB8合金33.5%和TB5合金的58.7%，高溫擴孔試樣見圖9，試驗數(shù)據(jù)見表5。試驗結(jié)果表明，溫度對MGH956合金擴孔率影響不大。

圖9 高溫擴孔變形試樣Fig.9 Expanding hole test samples at high temperature

表5 MGH956板材高溫擴孔值

2.4 彎曲試驗

試驗標準參考GB/T15825.5-1995“金屬薄板成形性能與試驗方法——彎曲試驗”，采用一系列具有不同半徑的凸模，將試樣按照規(guī)定的彎曲角度彎曲后，檢查其變形區(qū)外側(cè)表面，以該表面不產(chǎn)生裂紋或顯著凹陷時的最小相對彎曲半徑作為板材的彎曲性能指標，彎曲試驗方法如圖10所示。試驗設備為AG-1.500kN電子拉伸試驗機，環(huán)境溫度22℃，試驗溫度22℃，試樣尺寸為150mm×50mm×1mm。

圖10 彎曲試驗示意圖Fig.10 Bending test diagram

采用3.0mm、5.0mm、8.0mm、10mm和14mm共5種圓弧半徑的凸模，跨距分別為6.0mm、8.0mm、11mm、13mm和17mm，進行3點彎曲試驗，彎曲角分別為45°和90°。凸模半徑為3.0mm，跨距為6.0mm彎曲變形試樣如圖11～12所示。

最小彎曲半徑是板材彎曲性能的主要評定尺度，一般以相對于板料厚度的相對彎曲半徑表示。此值越小，表明板材的彎曲性能越好。由于試驗模具所限，在跨距為6.0mm，試驗最小圓弧半徑3.0mm的凸模作用下彎曲角90°時，仍保持試樣變形區(qū)外側(cè)表面無裂紋出現(xiàn)或顯著凹陷，可知MGH956合金的最小彎曲半徑應小于3.0mm。

圖11 原始試樣、45°和90°彎曲變形試樣Fig.11 Original, 45° and 90° bending samples

圖12 MGH956和TA12 45°彎曲試樣Fig.12 MGH956 and TA12 45°bending samples

試驗結(jié)果表明，MGH956合金板材的室溫彎曲性能良好。圖12中所示為圓弧半徑3.0mm的壓頭作用下彎曲角45°時MGH956和TA12合金的變形試樣，后者變形區(qū)外側(cè)表面出現(xiàn)明顯裂紋，表明MGH956合金的極限彎曲變形能力應優(yōu)于TA12與TC4合金3.5～5.0mm的最小彎曲半徑。

2.5 錐杯試驗

試驗標準參考GB/T 15825.6-1995“金屬薄板成形性能與試驗方法——錐杯試驗”，試驗時將圓片形試樣放在錐形凹模內(nèi)，通過鋼球隊試樣進行“拉深+脹形”復合成形，直到杯底側(cè)壁發(fā)生破裂時停機，然后測量錐杯口部的最大直徑和最小值經(jīng)，從而計算出錐杯值CCV作為板材的“拉深+脹形”復合成形性能指標，錐杯試驗方法見圖13。試驗設備為BCS50AR萬能薄板試驗機，圓形試樣直徑為78mm，環(huán)境溫度22℃。分別進行室溫和高溫錐杯試驗，室溫錐杯試驗條件：22℃/壓邊力10kN/無潤滑；高溫錐杯試驗條件：700℃/壓邊力10kN/石墨潤滑。

錐杯試驗常用于模擬板材對于球面形狀零件的拉深成形及一些大型覆蓋件的加工成形的適應能力，錐杯值CCV值越小，表明材料可能產(chǎn)生的變形越大，其復合成形性能越好。

圖13 錐杯試驗示意圖Fig.13 Conical cup test diagram

測試得到的1.0mm厚度MGH956合金室溫下的錐杯值CCV=56.1mm，與一般中碳鋼（CCV值為45～49mm）基本相當，室溫錐杯試驗試樣如圖14所示，試驗結(jié)果見表6。

圖14 室溫錐杯變形試樣Fig.14 Conical cup test samples at room temperature

表6 MGH956板材室溫錐杯值 mm

高溫錐杯試驗結(jié)果：厚度為1.0mm的MGH956合金板材700℃錐杯值CCV約為47.9，高溫錐杯試樣見圖15，試驗數(shù)據(jù)見表7。試驗結(jié)果表明MGH956合金復合成形性能較好，高溫下其復合成形性能更好。

試驗結(jié)果表明溫度對MGH956合金錐杯值影響不大，由于未查到相關鈦合金的錐杯值數(shù)據(jù)，無法進行對應比較。

圖15 高溫錐杯變形試樣Fig.15 Conical cup test samples at high temperature

表7 MGH956板材高溫錐杯值 mm

2.6 成形極限圖試驗

試驗標準參考GB/T 15825.8-1995“金屬薄板成形性能與試驗方法——成形極限圖（FLD）試驗”，試驗設備為BCS50AR萬能薄板試驗機，試樣尺寸180mm×（20～180）mm，環(huán)境溫度22℃。分別進行了室溫和高溫成形機線圖試驗，室溫成形極限圖試驗條件：22℃/壓邊力10kN/PVC膜潤滑；高溫成形極限圖試驗條件：700℃/壓邊力10kN/無潤滑。

室溫成形極限圖試驗測試試樣如圖16所示。由于沒有獲得MGH956合金的應變硬化指數(shù)n值，在采用GMASystem系統(tǒng)進行應變分析時，選取默認值0.2進行FLD繪制，獲得MGH956室溫成形極限圖如圖17所示。

成形極限曲線將整個圖形分成3部分：安全區(qū)、破裂區(qū)及臨界區(qū)。數(shù)據(jù)點集中于左中部的低應變區(qū)，即壓-拉變形區(qū)，說明MGH956合金板材在室溫脹形狀態(tài)下成形能力很差。

圖16 室溫成形極限試樣Fig.16 FLD samples at room temperature

圖17 室溫成形極限圖Fig.17 FLD at room temperature

高溫成形極限圖試驗測試試樣如圖18所示。同樣，由于沒有獲得MGH956合金的應變硬化指數(shù)n值，在采用GMASystem系統(tǒng)進行應變分析時，選取默認值0.2進行FLD繪制，獲得的MGH956高溫成形極限圖（FLD）如圖19所示。

由圖19可知，成形極限曲線將整個圖形分成3部分：安全區(qū)、破裂區(qū)及臨界區(qū)。數(shù)據(jù)點集中于左中部的中等應變區(qū)，即壓-拉變形區(qū)，說明MGH956合金板材在高溫脹形狀態(tài)下具有一定的成形能力。從成形極限圖的角度考察，該合金具備一定的高溫成形加工能力。

圖18 高溫成形極限試樣Fig.18 FLD samples at high temperature

圖19 高溫成形極限圖Fig.19 FLD at high temperature

3 結(jié)論

MGH956合金總體成形性能接近于兩相鈦合金，其熱成形性能較好。通過試驗得到結(jié)論如下：

（1）該合金的室溫脹形能力一般，但在高溫下具有一定的脹形成形能力，其總體脹形性能接近于TA15合金；

（2）該合金具有一定的室溫拉深成形能力，其高溫拉深性能較好；

（3）該合金的室溫翻邊成形能力較差，在高溫下也沒有明顯改善；

（4）該合金的室溫彎曲性能較好，但回彈現(xiàn)象比較嚴重；

（5）該合金具有較好的“拉深+脹形”復合變形能力，其復合變形能力在高溫下更加優(yōu)良；

（6）該合金板材適用拉深、脹形或拉脹復合成形特征零件的熱成形，應減少或避免用于具有較多翻邊特征的零件加工。

[1] 楊踴，石豎鯤，石曉東.新型ODS-MGH956合金板材熱成形性能研究.航空制造技術，2010(4)：87-89.

[2] 李華林，單秉權.ODS-MGH956高溫高強度抗氧化合金的全面性能.鋼鐵，1994(5)：54-59.