高強(qiáng)鋁合金半固態(tài)精密成型技術(shù)應(yīng)用研究*

李春林，張志峰，樊建中

(1. 南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039; 2. 北京有色金屬研究總院, 北京 100088)

高強(qiáng)鋁合金半固態(tài)精密成型技術(shù)應(yīng)用研究*

李春林1，張志峰2，樊建中2

(1. 南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039; 2. 北京有色金屬研究總院, 北京 100088)

7000系列高強(qiáng)鋁合金已在航空、航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但這類(lèi)高強(qiáng)鋁合金因合金元素含量高，存在凝固組織粗大且不均勻、合金元素偏析嚴(yán)重、鑄件易開(kāi)裂等問(wèn)題，難以直接鑄造成型。文中開(kāi)展了7075鋁合金環(huán)縫式強(qiáng)電磁攪拌流變制漿及半固態(tài)精密成型技術(shù)的應(yīng)用研究。研究表明，環(huán)縫式強(qiáng)電磁攪拌半固態(tài)精密成型技術(shù)有效提高了7075鋁合金成分均勻性，鑄件組織細(xì)化，熱裂傾向減少明顯，合金的成型性能和零件的力學(xué)性能大幅提高，可以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)鋁合金零件的近凈成型。

半固態(tài)；精密成型；鋁合金；電磁攪拌；漿料制備

引 言

高強(qiáng)鋁合金通常指屈服強(qiáng)度大于500 MPa，化學(xué)成分主要是Al-Zn-Mg-Cu的7×××系鋁合金。這類(lèi)材料屬于可熱處理強(qiáng)化的變形鋁合金，具有較高的比強(qiáng)度和硬度、熱加工性和焊接性能優(yōu)良、斷裂韌性高、抗應(yīng)力腐蝕能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在武器裝備輕量化越來(lái)越苛刻的背景下，用該類(lèi)合金取代部分黑色金屬和其他系列的鋁合金成為航空、航天等領(lǐng)域的必然選擇[1]。但是7×××系鋁合金合金元素含量高，采用傳統(tǒng)液態(tài)成型(如鑄造)時(shí)由于凝固溫度區(qū)間大、收縮嚴(yán)重、微觀組織粗大且不均勻、偏析和熱裂傾向大等原因，致使鑄坯或鑄件的缺陷嚴(yán)重，一般需再經(jīng)過(guò)固態(tài)成型(如鍛造)、機(jī)加工等工序來(lái)成型結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的工件。隨著產(chǎn)品對(duì)集成度和輕型化要求的提高，關(guān)鍵功能部件因重量限制而結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜(特別是內(nèi)腔體)且力學(xué)性能要求較高，如何實(shí)現(xiàn)用7×××系高強(qiáng)韌鋁合金來(lái)高質(zhì)量成型這類(lèi)復(fù)雜構(gòu)件顯得尤為迫切。近年發(fā)展起來(lái)的半固態(tài)成型技術(shù)結(jié)合了液態(tài)易成型和固態(tài)高質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)，契合了這方面的需求。該工藝技術(shù)已被國(guó)際上

公認(rèn)為在金屬近凈成型領(lǐng)域最具發(fā)展?jié)摿2]，而開(kāi)發(fā)先進(jìn)的半固態(tài)漿料制備技術(shù)對(duì)于推廣應(yīng)用半固態(tài)成型技術(shù)顯得尤為重要。

本文研究了環(huán)縫式強(qiáng)電磁攪拌制漿法對(duì)7075高強(qiáng)鋁合金凝固過(guò)程組織和成分的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了某機(jī)載設(shè)備中濾波器、天線座等零件的半固態(tài)壓鑄和擠壓鑄造成型技術(shù)的應(yīng)用研究，以期為半固態(tài)精密成型技術(shù)在軍工領(lǐng)域推廣應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 環(huán)縫式強(qiáng)電磁攪拌制漿方法

半固態(tài)成型工藝的關(guān)鍵是有效制取半固態(tài)合金漿料，而制備半固態(tài)漿料的核心本質(zhì)是解決控制凝固過(guò)程的形核與長(zhǎng)大的技術(shù)問(wèn)題。大量對(duì)高剪切作用下金屬的形核與長(zhǎng)大機(jī)理的研究發(fā)現(xiàn)，晶粒大小與剪切強(qiáng)度密切相關(guān)，剪切強(qiáng)度越大晶粒越細(xì)小。因此，盡管多年來(lái)研究者們提出了多種半固態(tài)漿料制備方法[3-6]，包括物理法和化學(xué)法，但是在大體積高合金化鋁合金漿料制備效果方面都會(huì)大打折扣。

由于電磁攪拌法具有能量的高密度性和清潔性、優(yōu)越的響應(yīng)性和可控性、易于自動(dòng)化、能量利用率高等優(yōu)點(diǎn)，率先實(shí)現(xiàn)了半固態(tài)精密成型的產(chǎn)業(yè)化并獲得了較為廣泛的商業(yè)應(yīng)用。但其不足之處是由于交變電磁場(chǎng)的集膚效應(yīng)，存在攪拌不均勻尤其是大體積熔體攪拌不均勻的技術(shù)瓶頸。為此項(xiàng)目組發(fā)明了環(huán)縫式強(qiáng)電磁攪拌半固態(tài)漿料制備方法，原理示意如圖1所示。

圖1 環(huán)縫式強(qiáng)電磁攪拌半固態(tài)制漿技術(shù)原理示意圖

設(shè)備主要由電磁攪拌器、攪拌坩堝、鋁合金熔體、螺旋冷卻器、漿料收集器等部分組成。在攪拌坩堝中心設(shè)置冷卻器，形成環(huán)形制漿室結(jié)構(gòu)，其作用是充分利用集膚效應(yīng)區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，使熔體在磁場(chǎng)分布相對(duì)均勻的狹窄縫隙內(nèi)受到攪拌，相比傳統(tǒng)電磁攪拌，攪拌的均勻性大幅提高。螺旋結(jié)構(gòu)的冷卻器可顯著增加熔體徑向和軸向的對(duì)流攪拌，能大幅提高剪切強(qiáng)度，熔體的紊流更加劇烈，使合金熔體的攪拌效果非常明顯；此外螺旋結(jié)構(gòu)在增加熔體內(nèi)部散熱功能，實(shí)現(xiàn)多維度均勻冷卻的同時(shí)，還能有效控制液面的穩(wěn)定性，防止卷氣卷渣，因此可制得溫度場(chǎng)和成分場(chǎng)更為均勻的半固態(tài)合金漿料[7-8]。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)采用工業(yè)用7075鋁合金，化學(xué)成分如表1所示。使用差示掃描熱分析儀(型號(hào)SAT409PC)測(cè)定合金的固相線和液相線，分別為477 ℃和640 ℃。

表1 試驗(yàn)合金化學(xué)成分(質(zhì)量百分比) %

成分ZnMgCuCrFeSiTiMnAl含量5．782．331．550．180．240．360．120．27Bal

采用中頻感應(yīng)爐熔化合金原料，熔化合金最大質(zhì)量為25 kg。首先將放有7075合金的石墨坩堝放入中頻感應(yīng)加熱爐中加熱熔化，溫度升高到750 ℃，對(duì)合金熔體進(jìn)行除氣、除渣后，靜置保溫10 min后將合金熔體分別注入預(yù)熱至400 ℃的攪拌坩堝中，對(duì)合金熔體進(jìn)行環(huán)縫式強(qiáng)電磁攪拌半固態(tài)制漿處理，攪拌頻率為50 Hz，攪拌電流為20 A，待熔體溫度降為650 ℃時(shí)停止攪拌，之后將合金熔體澆注到漿料收集器進(jìn)行保溫處理。處理后的漿料直接澆鑄到試驗(yàn)?zāi)＞咧欣鋮s至室溫，或者注入冷室壓鑄機(jī)進(jìn)行壓鑄成型或注入擠壓鑄造成型模腔內(nèi)完成近凈成型。對(duì)成型的試樣和零件進(jìn)行切割、取樣，并且進(jìn)行粗磨、細(xì)磨、拋光和化學(xué)腐蝕(化學(xué)腐蝕劑為低濃度混合酸：2 ml HF，3 ml HCl，5 ml HNO3，190 ml H2O)后，采用Zeiss光學(xué)顯微鏡觀察金相組織。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 高強(qiáng)鋁合金半固態(tài)流變漿料制備

圖2是7075鋁合金熔體在普通鑄造和環(huán)縫式強(qiáng)電磁攪拌鑄造工藝條件下，漿料溫度為650 ℃條件下澆鑄試樣的顯微組織對(duì)比。由圖可見(jiàn)，普通鑄造的試樣組織晶粒大小不均勻，平均晶粒尺寸較大，約為300 μm；而環(huán)縫式強(qiáng)電磁攪拌處理后試樣的內(nèi)部組織顯示了非常好的晶粒細(xì)化效果，晶粒形態(tài)由粗大的樹(shù)枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的等軸晶，晶粒尺寸明顯減小，大約為60 μm。

圖2 7075鋁合金漿料凝固組織對(duì)比

圖3顯示了普通鑄造和經(jīng)環(huán)縫式強(qiáng)電磁攪拌處理后的7075鋁合金試樣的Zn、Mg、Cu合金元素宏觀分布。定義η為偏析率

式中：Ci為特定位置的溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Ca為平均溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。由圖可見(jiàn)，普通鑄造7075鋁合金試樣的宏觀成分偏析嚴(yán)重，Zn、Mg、Cu元素的最大偏析率分別為9.2%、10.6%和11.5%。而經(jīng)環(huán)縫式強(qiáng)電磁攪拌處理后Zn、Mg、Cu元素的最大偏析率分別為2.16%、3.01%和3.5%，成分偏析程度顯著降低。

圖3 合金元素分布均勻性比較

2.2 高強(qiáng)鋁合金半固態(tài)壓鑄成型

將制備好的7075鋁合金半固態(tài)漿料注入冷室壓鑄機(jī)內(nèi)壓鑄出圖4所示的某機(jī)載設(shè)備中的濾波器零件。該零件為滿足機(jī)載產(chǎn)品重量的嚴(yán)格限制要求，選用了高強(qiáng)鋁合金7075(T6)，內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜且精度要求較高(表面粗糙度1.6 μm，尺寸公差為± 0.08 mm，如圖4(a)所示)；內(nèi)腔壁厚最薄為0.5 mm(如圖4(b)所示)；零件背面散熱筋壁厚為1 mm(如圖4(c)所示)。鑄件固溶時(shí)效強(qiáng)化處理后，分析內(nèi)部的金相組織，發(fā)現(xiàn)組織非常均勻致密，主要由細(xì)小的等軸晶粒組成(如圖4(d)所示)。鑄件經(jīng)X射線檢測(cè)，內(nèi)部未見(jiàn)氣孔、縮松等缺陷(如圖4(e)所示)。

圖4 7075鋁合金流變壓鑄成型的濾波器零件

鑄件經(jīng)2 MPa水壓密封試驗(yàn)，無(wú)滲漏及破損現(xiàn)象；內(nèi)腔表面經(jīng)電鍍銀表面處理，未發(fā)生電鍍過(guò)程因酸堿液等介質(zhì)殘留而引起的腐蝕現(xiàn)象。從鑄件本體不同方向取樣測(cè)試其力學(xué)性能(見(jiàn)表2，試樣1#、2#為橫向取樣，試樣3#、4#為縱向取樣)。由表2可見(jiàn)，零件的力學(xué)性能優(yōu)異，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，實(shí)現(xiàn)了7075高強(qiáng)鋁合金短工藝流程的近凈成型。

表2 7075鋁合金流變壓鑄成型試樣的力學(xué)性能

2.3 高強(qiáng)鋁合金半固態(tài)擠壓鑄造成型

圖5(a)為7075鋁合金半固態(tài)擠壓鑄造成型的某機(jī)載天線座傳動(dòng)件，該構(gòu)件為主傳力件，力學(xué)性能要求較高。為滿足輕量化的要求，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且局部壁厚約2 mm。零件半固態(tài)擠壓鑄造成型后，經(jīng)X射線檢測(cè)內(nèi)部未見(jiàn)鑄造缺陷。圖5(b)為零件金相組織，可見(jiàn)晶粒尺寸細(xì)小、均勻、致密且形貌圓整。

圖5 流變擠壓鑄造構(gòu)件及內(nèi)部組織

表3為鑄件力學(xué)性能檢測(cè)數(shù)據(jù)(試樣5#、6#為橫向取樣，試樣7#、8#為縱向取樣)。由表可見(jiàn)，該零件力學(xué)性能優(yōu)異，各項(xiàng)指標(biāo)均高于流變壓鑄成型的零件，也大幅優(yōu)于相同牌號(hào)與熱處理狀態(tài)的預(yù)拉伸板材(GJB 1741A—2008《鋁合金預(yù)拉伸板材規(guī)范》)。

表3 7075鋁合金流變擠壓鑄造成型試樣的力學(xué)性能

3 結(jié)束語(yǔ)

環(huán)縫式強(qiáng)電磁攪拌制漿法能有效提高整個(gè)合金熔體溫度場(chǎng)和成分場(chǎng)的均勻性，使得7075高強(qiáng)鋁合金的鑄造性能得到顯著改善，熱裂傾向減少，晶粒組織明顯細(xì)化，鑄件組織致密，鑄造缺陷大幅減少，實(shí)現(xiàn)合金的近凈成型。

環(huán)縫式強(qiáng)電磁攪拌制漿技術(shù)與傳統(tǒng)壓鑄、擠壓鑄造等工藝實(shí)現(xiàn)了有效對(duì)接，解決了傳統(tǒng)高強(qiáng)變形鋁合金不能直接鑄造成型的技術(shù)難題，研制出滿足設(shè)計(jì)要求的軍工關(guān)鍵輕量化零件。通過(guò)進(jìn)一步的工藝優(yōu)化，該技術(shù)有望在軍工領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)批量應(yīng)用，極具廣闊的市場(chǎng)潛力。

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李春林(1974-)，男，高級(jí)工程師，主要從事工藝總體研究與設(shè)計(jì)工作。

Applicaiton Research on Semi-solid Precision Forming Technology ofHigh Strength Aluminum Alloy

LI Chun-lin1，ZHANG Zhi-feng2，F(xiàn)AN Jian-zhong2

(1.NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China;2.GeneralResearchInstituteforNonferrousMetals,Beijing100088,China)

7000 series aluminum alloy with high strength has been widely used in industries such as aerospace, aviation and so on. Due to its high content of alloy elements, the solidification structure is non-uniform and coarse and alloy elements segregation is serious, resulting in being crack when such alloys are cast, so it is considered to be impossible to cast directly. In this study, the application research of the electromagnetic stirring slurry making technology and the semi-solid precision forming technology of 7075 aluminum alloy are performed. Results show that the semi-solid precision forming technology can effectively improve the homogenization of alloy elements, refine the microstructures of die-casting and squeeze casting parts, improve the forming performance of the alloy, greatly reduce the hot cracking tendency and improve the mechanical properties of alloy parts. Therefore, the near-net-shape of the alloy parts can be realized.

semi-solid; precision forming; aluminum alloy; electromagnetic stirring; slurry making

2016-03-15

TG249.2+6

A

1008-5300(2016)03-0049-03