AZ80鎂合金板材快速氣壓脹形工藝研究

崔令江，王 剛，王宏偉，張曉蕾

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東威海 264209;2.東風(fēng)日產(chǎn)乘用車公司，廣州 510800)

超塑性氣壓脹形(SPF)工藝具有成形速度慢、能耗高等缺點，限制了其大規(guī)模應(yīng)用，近年，國外提出了應(yīng)變速率大于10-2s-1的快速塑性成形(Quick Plastic forming，QPF)，KULAS 等研究了AA5083的 SPF和 QPF成形極限圖［1］.FRANETOVIC通過電鍍處理模具解決了QPF加工時模具的粘鋁問題［2］.KRAJEWSKI研究了潤滑對QPF成形性的影響及成形過程中的摩擦問題［3］，文獻［4-5］研究了QPF與SPF在變形機理和斷裂機理方面的類似和差異.吳泓毅、劉守法等指出位錯蠕變將是降低氣脹成形變形時間的可能變形機制［6-7］.王剛、崔令江等發(fā)現(xiàn)AZ31和ZK60鎂合金板材的快速氣壓脹形時半球件的高度直徑比均超過 0.5，且隨著壁厚減薄，晶粒組織變細［8-10］.張治朋、張建凱的研究表明，QPF可用于鎂合金的正反向氣壓脹形和氣脹微成形中［11-12］.目前，QPF工藝成功用于成形鋁合金整體后艙門、引擎罩［13］和鎂合金行李箱蓋內(nèi)面板［14］、航空儀表盤［15］等.

AZ80是AZ系列強度最高的鎂合金，且價格較低，對其進行快速氣壓脹形工藝研究可使輕質(zhì)高強度結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)成為可能，進一步促進鎂合金在各領(lǐng)域的應(yīng)用，但目前尚未見針對變形鎂合金AZ80的快速氣壓脹形技術(shù)的研究報道.為此，本文將以AZ80鎂合金板材為研究對象，采用半球件自由脹形實驗研究板材在不同溫度和壓強下的快速氣壓脹形能力，分析半球件和盒形件的壁厚分布規(guī)律，并對快速氣壓脹形過程的斷裂模式進行研究，以期為鎂合金的應(yīng)用提供理論依據(jù).

1 實驗

1.1 實驗材料

實驗AZ80鎂合金薄板經(jīng)過等通道轉(zhuǎn)角擠壓-冷軋成形.實驗所用板料的板厚為1.0和1.2 mm.合金成分如表1所示.

表1 AZ80材料成分

板材原始組織是均勻細小的等軸晶，平均晶粒尺寸為8.8 μm，見圖1.

圖1 原始顯微組織形貌

1.2 實驗方法

用半球件自由脹形實驗研究鎂合金板的快速氣壓脹形性能，凹模尺寸為:內(nèi)徑80 mm，高度60 mm，入口處圓角半徑5 mm;采用1.0 mm厚的AZ80板料.為研究AZ80板快速氣壓脹形的成形性能，以快速氣壓脹形結(jié)束后脹形件所達到的極限脹形高度來表征成形性能.實驗時間以300 s為限.脹形件300 s內(nèi)破裂時，記錄破裂時間，結(jié)束實驗;未破裂時，時間滿300 s即結(jié)束實驗.

盒形件快速氣壓脹形凹模尺寸:矩形部分的長寬為70 mm×50 mm，入口處圓角半徑為5 mm，矩形轉(zhuǎn)角半徑5 mm，凹模內(nèi)孔處放置一定厚度的矩形墊塊時，可以成形不同高度的筒形件，成形原理見圖2.盒形件脹形采用1.2 mm厚的 AZ80板料.

圖2 盒形件氣脹成形原理圖

2 結(jié)果與分析

2.1 半球件自由脹形

圖3為在350℃、0.85 MPa下成形的脹形件照片.圖4為不同溫度下脹形300 s時脹形高度隨氣壓的變化曲線.

圖3 350℃，0.85 MPa下的脹形件

圖4 脹形300 s時脹形高度和脹形氣壓關(guān)系曲線

圖4表明，最終的脹形高度與變形條件即變形溫度和變形氣壓有關(guān).溫度越高，脹形所需的氣壓越低.由于是在不同溫度下，采用不同的氣壓進行實驗，因此，不能直接比較溫度對脹形高度的影響，只能通過觀察脹破前一些未脹破件的高度來判定哪個溫度對AZ80板材來說是比較合適的溫度.由于在圖4的3條曲線中，曲線上最后一點的氣壓和高度為脹形時間不足300 s的脹破件的參數(shù)，因此，在對比時不需要考慮最后一點的影響.在350℃時，未破脹形件的最大高度為38 mm，高徑比H/r=0.95，而在300和400℃時，未破脹形件的最大高度分別為26和31 mm，高徑比H/r為0.65和0.785，要小于350℃時的高徑比.因此，根據(jù)結(jié)果可以得出在350℃時，材料的塑性要比另兩個溫度時要好，脹形的高度較大，板材的脹形性能好.表明AZ80板材存在著最佳脹形溫度，約在350℃附近.

由圖4的3條曲線還可看到，在相同溫度下，脹形件未脹破時，隨著氣壓的增大，脹形高度增加，也就是說，在成形極限內(nèi)，脹形氣壓越大，脹形高度越大.從圖4還可以看出，當(dāng)采用較高的氣壓脹形時，在不到5 min的時間內(nèi)即脹破，但脹形高度仍有所增大，表明有希望采用更短的時間進行脹形.但并不是說氣壓越大，脹形高度就會越高，事實上，當(dāng)氣壓過大時，高度可能會變小，這是因為氣壓過大時，脹形材料的應(yīng)變速率很大，使金屬的流動速度過快，導(dǎo)致很早就產(chǎn)生破裂，脹形高度反而會很小.

圖5顯示了各種溫度下脹形氣壓和脹破時間的關(guān)系，不論在多高溫度下，隨著脹形氣壓增大，脹形件破裂時間變小，這是因為隨著脹形氣壓的增大，應(yīng)變速率增加，達到同一應(yīng)變所需的時間縮短，且隨著應(yīng)變速率的增加，作為應(yīng)變速率敏感性材料的AZ80板材的塑性也隨之下降，導(dǎo)致提早破裂.

圖5 脹形氣壓與破裂時間的關(guān)系曲線

圖6是板厚為1.2 mm，脹形高度為20 mm盒形件斷口的掃描電鏡照片.從圖6可以看出，AZ80鎂合金氣壓脹形時的斷裂為韌性斷裂，斷口中存在尺寸大小不同的韌窩，在較大的韌窩周圍密集著尺寸較小的韌窩，且韌窩底部存在夾雜物或第二相粒子.目前對于顯微空洞或微孔的成核方式，存在不同的看法，但多數(shù)觀點認(rèn)為，由于材料中的夾雜物、第二相粒子、晶界、位錯堆積區(qū)等區(qū)域應(yīng)變不連續(xù)，從它們的自由表面處生成大量的顯微空洞;另外，當(dāng)材料受到劇烈形變時，也會產(chǎn)生顯微空洞，最后導(dǎo)致韌窩斷裂.韌窩特征表明空洞的形核、生長和聚集是斷裂的微觀機制.

圖6 盒形件的斷口形貌

2.2 盒形件脹形實驗

盒形件脹形溫度為 350℃，初始氣壓為0.8 MPa，與半球件自由脹形獲得最大脹形高度的參數(shù)相同.脹形加載曲線見圖7，圖8是所獲得的20 mm高的盒形件.脹形時間以300 s為限.脹形件在300 s內(nèi)破裂時，用秒表記錄破裂時間，結(jié)束實驗;未破裂時，時間滿300 s即結(jié)束實驗.

圖7 脹形加載曲線

圖8 脹形后的盒形件

由圖8可以看出，采用1.2 mm厚的板料時，脹形件的貼模性能良好，可以脹形出外形與凹模型腔非常相近的盒形件.盒形件圓角半徑較大，是因為最終的氣壓過小所致.當(dāng)后續(xù)所加氣壓增大時，圓角的成形會更加完善，前期低氣壓主要使盒形件初步成形，中心部位貼模，后期采用較大的氣壓，主要是為了圓角處的成形，使材料更容易貼模，盡可能成形出形狀比較好的成形件.

3 結(jié)論

1)快速氣壓脹形時，半球件脹形高度與變形溫度和變形氣壓有關(guān);溫度越高，脹形所需的氣壓越低;在成形極限內(nèi)，脹形氣壓越大，脹形高度越大.AZ80板材的最佳脹形溫度為 350℃，在0.8 MPa下恒壓脹形300 s可獲得38 mm的最大脹形高度.

2)在相同溫度、相同氣壓下脹形，半球件的脹形高度隨著脹形時間的增加而增加，二者之間呈冪指數(shù)的關(guān)系.

3)采用1.2 mm厚的板材在350℃下脹形300 s可脹形成功高度達20 mm以上的盒形件.

4)AZ80鎂合金氣壓脹形時的斷裂為韌性斷裂.

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