7055鋁合金的熱變形行為及擠壓工藝研究

楊純梅，王 燕，曹海龍，田宇興

（1.西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶401326;2.中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司，北京102209）

0 前言

7055 合金屬于Al-Zn-Mg-Cu 系可熱處理強(qiáng)化超硬鋁合金中的典型牌號，是在7050 合金的基礎(chǔ)上增加了Zn 含量、進(jìn)一步降低了Mn 和Mg 含量而開發(fā)出來的。因此，7055 合金比7050 合金具有更高的強(qiáng)度，同時(shí)具有較高的斷裂韌性[1-3]?；谄鋬?yōu)良的綜合性能，7055 合金已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空飛行器承力結(jié)構(gòu)件，而且面向不同領(lǐng)域應(yīng)用的7055合金的加工工藝還在不斷優(yōu)化。

針對7055 合金的熱加工工藝研究已經(jīng)有較多文獻(xiàn)報(bào)道。王向東等[4]基于動態(tài)材料模型和極化互惠模型研究了噴射成形7055 鋁合金的熱變形行為，表明合金在應(yīng)變量為0.7 時(shí)的適宜加工溫度為400～420 ℃，應(yīng)變速率為0.01～0.1s-1。趙曉東等[5]研究了一種與7055 合金成分相近的新型高強(qiáng)鋁合金的熱變形行為，表明組織演變主要是亞晶的形成和完善，熱變形組織演變機(jī)理為動態(tài)回復(fù)和大應(yīng)變幾何動態(tài)再結(jié)晶。黃繼武[6]對7055合金熱加工的研究表明，7055合金在450 ℃以下熱變形組織主要為動態(tài)回復(fù)，在450 ℃以上熱變形組織有動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生，較適宜的熱加工溫度為400 ℃左右。

目前，針對7055 熱變形的研究報(bào)道大部分集中在實(shí)驗(yàn)及理論分析，而關(guān)于熱變形研究和實(shí)際熱擠壓變形工藝優(yōu)化方面的研究鮮有報(bào)道。由于7055 合金的合金化程度高，變形抗力大，擠壓過程既要保證合金的可擠壓性，同時(shí)要兼顧設(shè)備可承受的擠壓力，因此熱擠壓難度大。本文通過熱模擬壓縮實(shí)驗(yàn)對7055 合金的熱變形行為進(jìn)行研究，分析微觀組織的演變規(guī)律，確定該合金的熱加工窗口；同時(shí)結(jié)合工廠試制確定了工業(yè)化7055 合金熱擠壓工藝參數(shù)，其研究結(jié)果對于類似合金的熱加工研究和生產(chǎn)具有極大的參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用的材料為? 162 mm 的7055 鑄錠，其化學(xué)成分列于表1，圖1 是其鑄態(tài)和均勻化態(tài)的金相組織。鑄態(tài)組織為典型的枝晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，粗大相在晶界上連續(xù)分布（圖1（a））；均勻化熱處理后，枝晶組織基本消失，晶界處的可溶粗大相已基本回溶，同時(shí)在均勻化熱處理后的空冷過程中晶內(nèi)有析出相析出（圖1（b））。

表1 7055合金的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

圖1 7055合金顯微組織圖

1.2 試驗(yàn)方法

在均勻化熱處理后的7055 合金鑄錠上切取熱壓縮試樣，尺寸為? 10 mm×15 mm的光滑圓柱。在Gleeble-3500 熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行等溫壓縮實(shí)驗(yàn)，選擇壓縮溫度380～460 ℃、應(yīng)變速率0.001-10s-1、變形量60%。以3 ℃/s 的升溫速率將試樣加熱到相應(yīng)的壓縮溫度，保溫3 min 后，以恒定的速率進(jìn)行壓縮。實(shí)驗(yàn)過程中，溫度由焊在試樣側(cè)面中部的R型熱電偶實(shí)時(shí)測控，以保證變形過程中的恒溫條件。試樣壓縮到預(yù)定的應(yīng)變量后立即水淬，以保留其變形組織。壓縮試樣沿縱向中心剖開進(jìn)行研磨及機(jī)械拋光，拋光后采用混合酸覆膜，并將覆膜樣品置于Leica DFC295 光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行組織觀察。表2所示為熱壓縮試驗(yàn)參數(shù)和樣品編號。

表2 熱壓縮變形參數(shù)和樣品編號

2 結(jié)果與分析

2.1 壓縮試樣宏觀分析

圖2 是熱壓縮后試樣的照片，可見25#試樣出現(xiàn)嚴(yán)重開裂，其變形條件為溫度460 ℃，應(yīng)變速率10s-1；而其他條件下的變形試樣均沒有開裂。這表明460 ℃、10s-1的變形條件不適用于7055鋁合金在缺少體積約束條件下的熱加工；同時(shí)，其它未開裂的試樣還需要進(jìn)一步組織分析其工藝可靠性。

圖2 7055合金熱壓縮后的宏觀照片

2.2 流變應(yīng)力曲線

圖3 是7055 合金在380 ℃、420 ℃和460 ℃條件下熱壓縮的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在相同的變形溫度下，流變應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的增大而增大；在相同應(yīng)變速率條件下，流變應(yīng)力隨著變形溫度的升高而降低。應(yīng)變速率在0.001～0.1s-1范圍內(nèi)，合金處于準(zhǔn)靜態(tài)壓縮狀態(tài)，應(yīng)力表現(xiàn)為穩(wěn)態(tài)流變。當(dāng)應(yīng)變速率達(dá)到1s-1，合金在380～460 ℃變形溫度范圍內(nèi)均出現(xiàn)微小的應(yīng)變硬化。這種微小的硬化行為出現(xiàn)的機(jī)理是：應(yīng)變速率為1s-1時(shí)，壓縮過程在1 s內(nèi)完成，塑性變形引起的位錯增值導(dǎo)致合金發(fā)生宏觀硬化，而相對較快的組織變形無法消減這種硬化趨勢，導(dǎo)致流變曲線隨著應(yīng)變增大而出現(xiàn)硬化現(xiàn)象。當(dāng)應(yīng)變速率達(dá)到10s-1，在應(yīng)變量為0.1～0.2 時(shí)達(dá)到應(yīng)力峰值，隨后出現(xiàn)應(yīng)變軟化。在380 ℃和420 ℃條件下，流變軟化趨勢雖然明顯但并無失穩(wěn)，這是快速加載導(dǎo)致剪切變形的結(jié)果。然而，460 ℃條件下的流變曲線在達(dá)到應(yīng)力峰值后急劇下降，預(yù)示著材料發(fā)生變形失穩(wěn)。圖2中壓縮試樣的宏觀照片也證實(shí)了塑性失穩(wěn)。

圖3 7055合金的熱模擬壓縮真應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.3 熱加工圖

本文采用包含變形激活能Q和變形溫度T的雙曲正弦形式的Arrhenius 修正函數(shù)（公式（1））來表示流變應(yīng)力、應(yīng)變速率和溫度之間的關(guān)系，從而推導(dǎo)7055合金熱變形的功率耗散圖和失穩(wěn)圖。

式中：A、α和n 分別為與溫度無關(guān)的常數(shù)。對公式（1）兩邊取自然對數(shù)的偏微分可得到：

式中：第一項(xiàng)代表ln ε?—ln[sinh（ασ）]關(guān)系曲線的斜率；第二項(xiàng)代表ln[sinh（ασ）]—1/T 關(guān)系曲線的斜率。將合金壓縮變形時(shí)各變形條件下的應(yīng)力值和不同溫度下求得的α參數(shù)代入ln[sinh（ασ）]，對應(yīng)相應(yīng)的應(yīng)變速率和溫度，用線性回歸繪制出ln ε?—ln[sinh（ασ）]關(guān)系曲線和ln[sinh（ασ）]—1/T 關(guān)系曲線，將所得斜率代入公式（2），得到不同變形溫度下的變形激活能及應(yīng)力指數(shù)n。經(jīng)計(jì)算得到合金變形激活能Q=134.7 kJ/mol。

圖4 所示為7055 合金的功率耗散圖和失穩(wěn)圖。功率耗散最大值出現(xiàn)在高溫、低應(yīng)變速率條件下；而變形失穩(wěn)出現(xiàn)在高應(yīng)變速率條件下。從失穩(wěn)圖來看，失穩(wěn)區(qū)出現(xiàn)在高應(yīng)變速率區(qū)間，尤其是應(yīng)變速率10 s-1條件下。失穩(wěn)區(qū)的功率耗散值最小，在高速變形時(shí)產(chǎn)生的較多熱量來不及散出，使局部區(qū)域溫度明顯升高，材料高溫區(qū)間塑性降低，最終導(dǎo)致失穩(wěn)開裂。

從功率耗散圖來看，合金的可加工范圍較大，功率耗散值的變化較小，說明該合金的加工性能較好。但金屬在高溫下變形時(shí)，可能產(chǎn)生再結(jié)晶晶粒組織；如果熱變形需要控制再結(jié)晶，最終的工藝的選擇還需要結(jié)合組織觀察而確定。

圖4 7055合金熱變形失穩(wěn)圖和功率耗散圖

2.4 熱壓縮組織分析

圖5～圖9是不同壓縮條件下變形組織的覆膜金相照片。如圖5所示，在380 ℃條件下變形時(shí)，隨著應(yīng)變速率從0.001s-1增大到10s-1，晶界由平直狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢鸂顟B(tài)、由拉長的晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)閿嗬m(xù)的晶粒狀態(tài)，尤其是在高應(yīng)變速率10s-1條件下，晶界的彎曲和剪斷更加明顯，但是沒有顯現(xiàn)出明顯的再結(jié)晶組織。如圖6～圖8 所示，400 ℃、420 ℃、440 ℃條件下的變形組織與380 ℃條件下的變形組織相似。作者認(rèn)為，在380～440 ℃下的變形以動態(tài)回復(fù)為主，隨著應(yīng)變速率的增大，集中在壓縮試樣中心的應(yīng)變增大，出現(xiàn)幾何動態(tài)再結(jié)晶趨勢，這與文獻(xiàn)[5]的結(jié)論類似。然而從圖5～圖9的金相組織來看，這種幾何動態(tài)再結(jié)晶的比例很小，變形組織依然是動態(tài)回復(fù)組織。

圖9 是合金在460 ℃時(shí)的變形組織。由此可見，相比于其他較低溫度的組織，應(yīng)變速率為0.001s-1和0.1s-1下的動態(tài)回復(fù)因溫度的升高而更加明顯，晶粒多邊化明顯加強(qiáng)。然而，當(dāng)應(yīng)變速率為10s-1時(shí)變形組織出現(xiàn)開裂，如圖9（c）箭頭所示，大部分為晶間開裂。其主要原因是快速變形引起升溫而導(dǎo)致材料超出了最佳的塑性區(qū)間。文獻(xiàn)[4]表明噴射成型的7055 合金在480 ℃、1s-1的條件下同樣出現(xiàn)晶間開裂，盡管噴射成型的鑄錠和本文研究的半連續(xù)鑄錠有所區(qū)別，但類似的結(jié)論表明7055 合金在高溫、高應(yīng)變速率變形時(shí)將在晶界開裂，失去可塑性加工的能力。

文獻(xiàn)[6]表明，7055 合金在450 ℃以下熱變形時(shí)，熱變形組織主要為動態(tài)回復(fù)，在450 ℃以上熱變形有動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生，這與本文觀察到的不完全一致。一方面，這種差異與變形量有關(guān)；另一方面與合金中彌散析出相有關(guān)。文獻(xiàn)[8-9]表明，合金中的彌散析出相對位錯和亞晶界具有很強(qiáng)的釘扎作用，會嚴(yán)重阻礙合金變形過程中再結(jié)晶的發(fā)生。這種彌散相抑制再結(jié)晶的行為已經(jīng)普遍被接受。本研究采用的7055 合金中含有大量的Al3Zr 等彌散析出相，能夠產(chǎn)生抑制再結(jié)晶的作用，這可能是本實(shí)驗(yàn)中7055合金的熱變形組織主要為動態(tài)回復(fù)的原因。

結(jié)合壓縮曲線、熱加工圖和金相組織分析，初步確定了7055 的熱變形溫度不應(yīng)高于450 ℃，最好選擇在420～450 ℃之間，應(yīng)變速率應(yīng)控制在0.001～0.1s-1之間。

圖5 7055合金在溫度380 ℃條件下的變形組織

圖6 7055合金在溫度400 ℃條件下的變形組織

圖7 7055合金在溫度420 ℃條件下的變形組織

圖8 7055合金在溫度440 ℃條件下的變形組織

圖9 7055合金在溫度460 ℃條件下的變形組織

2.5 擠壓工藝驗(yàn)證

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析，開展了工業(yè)化擠壓驗(yàn)證。熱壓縮試驗(yàn)研究結(jié)果表明，合金較佳的變形溫度在420～450 ℃之間，應(yīng)變速率應(yīng)控制在0.001～0.1s-1之間。為了進(jìn)一步研究實(shí)際擠壓工藝，擠壓溫度選取了相對較寬的溫度范圍（400 ℃、420 ℃、430 ℃、440 ℃、460 ℃），鑄棒在感應(yīng)爐內(nèi)加熱保溫。由于擠壓速度增大引起擠壓力增大，為了保證在特定噸位的擠壓機(jī)上安全擠出，選取較低的應(yīng)變速率：0.001s-1、0.003s-1、0.005s-1、0.006s-1、0.007s-1，對應(yīng)的擠壓速率依次為：0.3 m/min、0.5 m/min、0.7 m/min、0.9 m/min、1.0 m/min。工業(yè)化鑄錠采用與熱壓縮試樣相同的均勻化熱處理工藝。擠壓比采用20，擠壓筒溫度410 ℃，擠壓試驗(yàn)結(jié)果列于表3。

表3 7055合金擠壓型材工業(yè)試驗(yàn)

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，擠壓溫度在400～460 ℃時(shí)均具有可擠壓性，但隨著擠壓速率的升高，擠壓工藝窗口逐漸減小，這與熱模擬壓縮得到的結(jié)論一致。

擠壓溫度在400 ℃、420 ℃、430 ℃時(shí)，型材均可擠出，但溫度較低時(shí)擠壓力較大；溫度較高且擠壓速率較大時(shí)，盡管未開裂但表面發(fā)白，這主要是由于擠壓速率較快，擠壓熱塑性變形不均，使得表層金屬承受較大的摩擦力和附加拉應(yīng)力導(dǎo)致的。如果擠壓速率過大，擠壓溫度偏高，當(dāng)瞬時(shí)應(yīng)力超過金屬抗拉強(qiáng)度時(shí)就會產(chǎn)生擠壓裂紋。

圖10 不同溫度、不同擠壓速率下的7055合金擠壓型材表面情況

擠壓溫度為440 ℃和460 ℃、對應(yīng)的擠壓速率分別為0.9 m/min 和0.7 m/min 時(shí)，型材表面已出現(xiàn)發(fā)白的現(xiàn)象；速率提高至1.0 m/min，型材出現(xiàn)明顯的裂紋。綜合熱模擬試驗(yàn)與組織分析、熱加工圖以及熱擠壓工藝驗(yàn)證，確定了7055 合金較佳的擠壓溫度為420～440 ℃，擠壓速率為0.3～0.7 m/min。

3 結(jié)論

（1）在溫度380～460℃范圍內(nèi)，應(yīng)變速率在0.001～0.1s-1間時(shí)，合金表現(xiàn)為穩(wěn)態(tài)流變；應(yīng)變速率為1s-1時(shí)，合金發(fā)生流變硬化。當(dāng)變形溫度為460 ℃、應(yīng)變速率為10s-1時(shí)，合金發(fā)生嚴(yán)重的塑性失穩(wěn)。

（2）對熱變形工藝參數(shù)進(jìn)行工業(yè)化驗(yàn)證，確定了7055 合金較佳的擠壓溫度為420～440℃，擠壓速率為0.3～0.7 m/min。

（3）本文通過熱模擬壓縮試驗(yàn)研究，結(jié)合工廠試制確定了7055 合金熱擠壓工藝參數(shù)，對于類似合金的熱加工研究和生產(chǎn)具有極大的參考價(jià)值。