等溫復(fù)合鍛造工藝對(duì)2A14鋁合金輪轂組織與力學(xué)性能的影響

余永新，肖代紅，周鵬飛，黃蘭萍，劉文勝

(中南大學(xué) 輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410083)

機(jī)輪輪轂屬于大型客機(jī)的核心構(gòu)件，它不僅承受整個(gè)飛機(jī)的重量，更要承受飛機(jī)著陸時(shí)的巨大沖擊力[1]。輪轂的制造方法主要是鑄造和鍛造，相較于鍛造工藝，傳統(tǒng)的鑄造工藝雖然成本低，但在性能上很難滿足航空工業(yè)對(duì)機(jī)輪輪轂的要求，而鍛造工藝能使鍛件獲得最優(yōu)的流線，并能更好地滿足對(duì)材料的力學(xué)性能要求，制備出性能更佳的輪轂。鍛造工藝一般分為自由鍛和等溫模鍛[2?5]，自由鍛常采用熱鍛，由于模具與鍛件的溫度差異，會(huì)導(dǎo)致鍛件變形不均勻及顯微組織和性能的不均勻性。等溫模鍛是對(duì)模具進(jìn)行加熱并控制溫度，在等溫的環(huán)境下進(jìn)行鍛造，可有效改善溫度差導(dǎo)致的鍛件缺陷。機(jī)輪輪轂主要采用Al-Cu-Mg系鋁合金制備，其中 2A14鋁合金是運(yùn)用較多的一種時(shí)效強(qiáng)化型鋁合金，其成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：3.9%~4.8%Cu，0.4%~0.5%Mg，0.6%~1.2%Si，0.4%~0.8%Mn，Ti＜0.15%，Zn＜0.3%，F(xiàn)e＜0.7%，Ni＜0.1%，余量為Al。該合金具有良好的熱塑性和強(qiáng)度高及服役溫度高等優(yōu)點(diǎn)[6?7]。隨著大型飛機(jī)的發(fā)展，對(duì)于飛機(jī)輪轂的性能要求越來(lái)越高，也促進(jìn)了高強(qiáng)高韌鋁合金材料的發(fā)展[8?9]。關(guān)于鋁合金及其鍛造的研究已有許多報(bào)道，劉文勝等[10]研究發(fā)現(xiàn)變形溫度對(duì)2A14鋁合金組織的動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶影響很大。WANG等[11]研究了累計(jì)應(yīng)變對(duì)2A14鋁合金組織和力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明較高的累積應(yīng)變使得大角度晶界的細(xì)晶和等軸再結(jié)晶晶粒更容易形成。JOSHII等[12]研究發(fā)現(xiàn)，隨著2024鋁合金低溫變形累積應(yīng)變逐漸增加，合金的力學(xué)性能有所提高。朱慶豐等[13]對(duì)鋁合金進(jìn)行了不同鍛造道次的實(shí)驗(yàn)，研究了變形量對(duì)鋁合金組織的影響。張宏偉等[14]通過(guò)研究，確定2A14-T6鋁合金輪轂?zāi)ｅ懠腻懺鞙囟葢?yīng)為400~460 ℃，而開鍛溫度為440~460 ℃。盡管對(duì)鍛造鋁合金已有許多研究，但基本上是采用單獨(dú)的多向鍛或者模鍛，對(duì)于等溫復(fù)合鍛造(即等溫多向鍛后進(jìn)行等溫模鍛)卻鮮有研究。而且雖然國(guó)內(nèi)外都采用鋁合金制備輪轂，但做出來(lái)的成件仍存在性能上的差距，對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的研究很有必要。本文以2A14鋁合金為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行不同道次及不同溫度的等溫復(fù)合鍛造，制備成完好的輪轂鍛坯，通過(guò)觀察輪轂的金相組織以及測(cè)試其力學(xué)性能等，探究等溫復(fù)合模鍛工藝對(duì)2A14鋁合金輪轂組織與性能的影響，為復(fù)合鍛造成形工藝提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用原料為均勻化態(tài)2A14鋁合金(Al-3.9Cu-0.8Mg-0.7Mn-0.7Si-0.2Fe-0.1Zn)。首先在液壓機(jī)上對(duì)合金進(jìn)行不同道次的等溫多向鍛，鍛造溫度為450 ℃，每一道次的變形量為50%。然后將多向鍛造后的坯料線切割成直徑為98 mm、長(zhǎng)度為50 mm的圓柱體，加熱至模鍛所需溫度，保溫一段時(shí)間后，在此溫度下進(jìn)行等溫模鍛，得到一系列輪轂鍛坯。表1所列為輪轂鍛坯的編號(hào)及鍛造工藝。采用線切割取輪轂鍛坯的中間部分為樣品，在490 ℃下固溶1 h后水淬，再進(jìn)行T6時(shí)效處理(160 ℃時(shí)效 12 h)，然后進(jìn)行顯微組織觀察與拉伸性能測(cè)試。

表1 鋁合金輪轂編號(hào)及其等溫復(fù)合鍛造工藝Table 1 Sample number and isothermal compound forging process

將固溶時(shí)效處理后的輪轂拋光，然后進(jìn)行腐蝕，采用LEICA MEF 4A/M金相顯微鏡觀察不同部位的金相組織，采用附帶有 OXFORD型能譜儀的 Nava Nano SEM 230場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察顯微組織形貌。分別在輪轂的 3個(gè)區(qū)域截取試樣，如圖 1所示，按照

GB/T2281—2010金屬材料拉伸實(shí)驗(yàn)第 1部分室溫試驗(yàn)方法的規(guī)定加工成拉伸試樣，在Instron 3369力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，加載速度為 1.00 mm/min，并在Nava Nano SEM 230場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡下觀察拉伸斷口形貌。

圖1 2A14鋁合金輪轂的拉伸試樣取樣位置Fig.1 Location of tensile testing samples

2 結(jié)果與討論

2.1 金相組織

圖2 1#和2#輪轂不同區(qū)域的金相組織Fig.2 Optical microstructures of different areas of wheel hub 1# and 2#(a), (b), (c) AreaⅠ, Ⅱ, and Ⅲ of wheel hub 1#, respectively;(d), (e), (f) AreaⅠ, Ⅱ, and Ⅲ of wheel hub 2#, respectively

圖2 所示為1#和2#輪轂(分別在450 ℃等溫多向鍛造3道次和6道次，然后460 ℃等溫模鍛成形)的3個(gè)不同區(qū)域(圖 1中的Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ區(qū)域)的金相組織。從圖中發(fā)現(xiàn)輪轂的不同區(qū)域存在很明顯的組織差別，由圖2(a)、(b)看出1#輪轂的Ⅰ區(qū)域和Ⅱ區(qū)域的組織為扁平長(zhǎng)條纖維狀，而從圖 2(c)看出Ⅲ區(qū)域趨向于等軸晶粒。這是由于模鍛過(guò)程中輪轂的3個(gè)區(qū)域受力的作用所引起的變形量不同而導(dǎo)致組織不同。合金的金相組織主要由灰色和白色區(qū)域組成，灰色區(qū)域是沒(méi)有再結(jié)晶的組織，另外在圖中還觀察到一些沿晶界的黑色組織，這是鍛造過(guò)程中形成的一些再結(jié)晶相[15]，不同區(qū)域的再結(jié)晶情況不一樣。鍛件金屬由于受到變形的作用，使得其中儲(chǔ)存大量畸變能，位錯(cuò)密度提高，并加劇了第二相粒子的偏聚和形變熱效應(yīng)，從而使得金屬中發(fā)生再結(jié)晶[16]。而鍛造過(guò)程中不同的部位與模具之間的受力不同，變形程度不同，因而再結(jié)晶情況不一樣。對(duì)比1#和2#輪轂的金相組織，2#輪轂各區(qū)域的金相組織都與1#基本類似，但2#各區(qū)域的晶粒都比1#的更為細(xì)小，這是由于2#輪轂在等溫多向鍛過(guò)程中變形量增加使得晶粒細(xì)化。

圖3所示為3#和4#輪轂(450 ℃等溫多向鍛造6道次，然后分別在430 ℃和480 ℃等溫模鍛成形)的不同區(qū)域金相組織。對(duì)比圖3和圖2可知，這2個(gè)輪轂的金相組織與1#和2#的基本類似，從圖3(b)可知，3#輪轂Ⅱ區(qū)域呈現(xiàn)明顯的纖維組織，顯示出動(dòng)態(tài)回復(fù)的特征，對(duì)比2#、3#和4#的金相組織發(fā)現(xiàn)，隨溫度升高，Ⅱ區(qū)域的纖維組織減少，并且沿晶界分布的細(xì)小再結(jié)晶明顯增多，這說(shuō)明隨模鍛溫度升高，合金由動(dòng)態(tài)回復(fù)逐漸向動(dòng)態(tài)再結(jié)晶轉(zhuǎn)變。從圖 3(f)看出，與其它 3個(gè)輪轂的Ⅲ區(qū)域相比，4#輪轂的Ⅲ區(qū)域晶粒明顯粗大，這是模鍛溫度升高導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大的結(jié)果。

圖3 3#和4#輪轂不同區(qū)域的金相組織Fig.3 Optical microstructures of different areas of wheel hub 3# and 4#(a), (b), (c) AreaⅠ, Ⅱ, and Ⅲ of 3#, respectively; (d), (e), (f) AreaⅠ, Ⅱ, and Ⅲ of 4#, respectively

對(duì)比圖2和圖3發(fā)現(xiàn)，提高等溫多向鍛的變形量可細(xì)化合金晶粒，有利于提高材料的力學(xué)性能；而在后續(xù)的模鍛過(guò)程中，提高模鍛溫度，會(huì)使材料中的原子熱振動(dòng)加強(qiáng)，降低原子之間的庫(kù)侖力，從而使得位錯(cuò)滑移所需的阻力減弱，新的滑移不斷產(chǎn)生，加強(qiáng)位錯(cuò)間的相互抵消和重組，細(xì)小的亞晶不斷合成長(zhǎng)大，成為再結(jié)晶晶核[17?18]。所以，在鍛造過(guò)程中，隨模鍛溫度提高，合金的軟化機(jī)制由動(dòng)態(tài)回復(fù)逐漸轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，但鍛造溫度過(guò)高會(huì)使最終的晶粒有所長(zhǎng)大。

2.2 力學(xué)性能

圖4所示為1#和2#輪轂的3個(gè)不同區(qū)域取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)后的拉伸斷口形貌，表2所列為輪轂不同區(qū)域的拉伸性能。從圖中可看出1#和2#的斷口都存在解理面和撕裂坑，呈現(xiàn)出脆性斷裂和韌性斷裂的混合斷裂特征，部分韌窩中還存在二次粒子Al-Cu相以及一些微裂紋，同一輪轂的不同區(qū)域韌窩數(shù)量、大小、深淺不一，這也與輪轂中存在的殘余再結(jié)晶相的分布相關(guān)。對(duì)比1#和2#輪轂的斷口，形貌特征雖然基本類似，但從圖4(f)看出2#Ⅲ區(qū)域的拉伸斷口中的韌窩較1#同一區(qū)域的更細(xì)小且較深，所以2#Ⅲ區(qū)域的伸長(zhǎng)率達(dá)到18.5%的最高值。從表 2看出總體上 2#輪轂的抗拉強(qiáng)度高于1#，但不同部位的性能有所差異，Ⅰ區(qū)域的抗拉強(qiáng)度最高，達(dá)到491 MPa。從金相組織看出2#輪轂的晶粒小于1#的晶粒，這使得2#的抗拉強(qiáng)度有一定的提高。

圖4 1#和2#輪轂不同區(qū)域的拉伸斷口形貌Fig.4 SEM images of fracture surface of different areas of wheel hub 1# and 2#(a), (b), (c) AreaⅠ, Ⅱ, and Ⅲ of 1#, respectively; (d), (e), (f) AreaⅠ, Ⅱ, and Ⅲ of 2#, respectively

表2 1#和2#輪轂不同區(qū)域的拉伸性能Table 2 Tensile properties of wheel hub 1# and 2#

圖5所示為3#和4#輪轂的3個(gè)不同區(qū)域的拉伸斷口SEM形貌，表3所列為這2個(gè)輪轂的拉伸性能。從圖5可見，3#和4#輪轂的斷口仍然呈現(xiàn)出脆性斷裂和韌性斷裂的混合斷裂特征，但韌窩大小和數(shù)量有所不同，3#的韌窩較淺，韌窩中存在脆性 Al2Cu與Al10Mn5Fe3Cu3化合物相粒子，塑性較差。同時(shí)從總體上看，4#輪轂的強(qiáng)度優(yōu)于3#，其中以4#的Ⅱ區(qū)域抗拉強(qiáng)度最高，為 455 MPa。從圖 5(e)看出，4#的Ⅰ區(qū)域韌窩較深，該區(qū)域的伸長(zhǎng)率最高，達(dá)到18.1%。

圖5 3#和4#輪轂不同區(qū)域的拉伸斷口形貌Fig.5 SEM images of fracture surface of different areas of wheel hubs 3# and 4#(a), (b), (c) AreaⅠ, Ⅱ, and Ⅲ of 3#, respectively; (d), (e), (f) AreaⅠ, Ⅱ, and Ⅲ of 4#, respectively

表3 3#和4#輪轂不同區(qū)域的拉伸性能Table 3 Tensile properties of wheel hub 3# and 4#

對(duì)比表2和表3所列4個(gè)輪轂的拉伸性能發(fā)現(xiàn)，提高等溫多向鍛道次可使 2A14鋁合金晶粒細(xì)化，從而提高合金的力學(xué)性能；隨等溫模鍛溫度提高，合金的力學(xué)性能先升高后降低，這是因?yàn)殡S溫度升高，細(xì)小的再結(jié)晶組織增多，使得合金的力學(xué)性能得以提高，而過(guò)高的溫度使最終的鍛坯組織晶粒有所長(zhǎng)大，從而導(dǎo)致力學(xué)性能降低。因此確定合理的復(fù)合模鍛工藝對(duì)最終成品的性能很重要。其中2#輪轂(450 ℃等溫多向鍛造6道次并經(jīng)460 ℃等溫模鍛的輪轂)的拉伸性能最佳，抗拉強(qiáng)度達(dá)到491 MPa，并且各部位的伸長(zhǎng)率都大于12%。

3 結(jié)論

1) 采用等溫復(fù)合鍛造工藝制備 2A14鋁合金輪轂，隨等溫模鍛成形溫度升高，合金中的動(dòng)態(tài)回復(fù)逐漸向動(dòng)態(tài)再結(jié)晶轉(zhuǎn)變。

2) 總體上看，提高等溫多向鍛道次可提高輪轂的拉伸性能，在450 ℃等溫多向鍛6道次的條件下，隨等溫模鍛的溫度升高，輪轂的拉伸性能先升高后降低，其中以460 ℃等溫模鍛成形的輪轂性能最佳，最高抗拉強(qiáng)度達(dá)到491 MPa，伸長(zhǎng)率大于12%。