基于Simufact數(shù)值模擬的2A70鋁合金模鍛成形及工藝優(yōu)化

王 哲，林 劍，張 帥，馮曉艷

(陜西宏遠(yuǎn)航空鍛造有限責(zé)任公司，陜西 咸陽 713801)

鋁合金具有比強(qiáng)度高、耐蝕性好以及優(yōu)異的冷熱成型性能，廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶、汽車等現(xiàn)代工業(yè)中[1-3]，根據(jù)其化學(xué)成分及用途采用不同的加工工藝。2070鋁合金(國內(nèi)牌號(hào)LD7)屬于Al-Cu-Mg-Fe-Ni系合金，是目前耐熱性能最好的鋁合金[4-5]。該合金具有優(yōu)異的熱鍛成型性能，應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉輪、鼓風(fēng)機(jī)等部件上[6]。

熱變形參數(shù)對鋁合金組織及性能具有重要影響，高艷華等[7]對2A70鋁合金等溫鍛造溫度與組織及性能的關(guān)系進(jìn)行研究，表明2A70鋁合金在450 ℃進(jìn)行等溫鍛造可獲得均勻細(xì)小的再結(jié)晶晶粒。張所全等[8]研究了2A70鋁合金熱變形行為并建立了熱變形本構(gòu)方程。龔候等[9]對2A70鋁合金過熱處理對組織與性能的影響關(guān)系，表明隨著過時(shí)效溫度及時(shí)間的增加，2A70鋁合金強(qiáng)度性能下降。劉芳等[10]對LD7鋁合金熱變形參數(shù)對組織及的影響關(guān)系認(rèn)為，LD7鋁合金晶粒尺寸隨變形溫度的增加而減小。陳微等[11]采用Deform-3D軟件對2A70鋁合金輪轂鍛造組織缺陷進(jìn)行有限元模擬，得出該鍛件最佳鍛造工藝并進(jìn)行鍛件生產(chǎn)。

目前，國內(nèi)外對2A70鋁合金的研究主要集中在熱加工參數(shù)對性能的影響，而采用模擬軟件對鍛件成型過程以及對組織性能的影響研究較少。本文采用Simufact模擬軟件對2A70鋁合金模鍛件形狀復(fù)雜、各部位材料變形不均勻，組織與性能難以控制、極易產(chǎn)生低倍晶粒不均勻的問題進(jìn)行分析，并提出該模鍛件優(yōu)化工藝，通過實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，對該合金模鍛件的生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及鍛件特征

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

本實(shí)驗(yàn)采用西南鋁業(yè)集團(tuán)公司生產(chǎn)的φ150 mm規(guī)格2A70鋁合金擠壓棒材，采用車床機(jī)加工棒材外側(cè)粗晶環(huán)，低倍組織如圖1所示。由圖1可知，2A70鋁合金擠壓棒材低倍組織為均勻細(xì)小的模糊晶組織，無明顯冶金缺陷。

圖1 2A70鋁合金擠壓棒材低倍組織Fig.1 Macrostructure of 2A70 aluminum alloy extruded bar

本實(shí)驗(yàn)鍛造設(shè)備采用陜西宏遠(yuǎn)航空鍛造有限責(zé)任公司的3T模鍛錘，鍛造完成后垂直分模面進(jìn)行低倍組織檢測。采用帶鋸沿垂直分模面方向進(jìn)行下料，經(jīng)磨床表面加工后采用V(HF)：V(HNO3)：V(H2O)=2:6:92腐蝕液進(jìn)行侵蝕。

1.2 2A70鋁合金模鍛件特征

圖2為2A70鋁合金模鍛件三維數(shù)模，可以看出鍛件外形復(fù)雜，存在凸臺(tái)、細(xì)筋、深凹等部位，導(dǎo)致鍛件各部分成型時(shí)變形量不均勻。中部最細(xì)的高筋僅為R2.5 mm，帶30°斜度；深凹部位寬度僅為8.6 mm，高度為67.5 mm，寬深比>7.8；最小凸臺(tái)寬度為16 mm，高度為38 mm，寬高比>2.4；鍛件長度方向?yàn)閷ΨQ的2個(gè)φ50 mm圓形凸臺(tái)，寬度為180 mm，原材料直徑φ150 mm棒料的變形量>80%。

圖2 2A70鋁合金模鍛件三維數(shù)模Fig.2 3D numerical simulation of 2A70 aluminum alloy die forging

2 結(jié)果與分析

2.1 2A70鍛件有限元模擬及低倍組織分析

根據(jù)鍛件結(jié)構(gòu)及尺寸設(shè)計(jì)相應(yīng)的模具，采用Simufact模擬軟件對鍛件成形過程進(jìn)行模擬以及采用3T模鍛錘進(jìn)行鍛件生產(chǎn)，具體工藝參數(shù)見表1。

表1 2A70鋁合金模鍛工藝參數(shù)Table 1 Die forging process parameters of 2A70 aluminum alloy

對2A70模鍛件垂直分模面部位熱變形過程中等效應(yīng)變及3T模鍛錘鍛造后低倍組織進(jìn)行分析。按照等效應(yīng)變可將鍛件分為3個(gè)部位，如圖3(a)所示，其中a為外側(cè)邊緣部位的小變形區(qū)(變形死區(qū))，該部位等效應(yīng)變≤0.2；b為中心變形區(qū)域，等效應(yīng)變約為0.3～0.8；c為垂直分模面靠近邊緣位置的大變形區(qū)，等效應(yīng)變>0.8。與此對應(yīng)垂直分模面部位低倍組織也呈現(xiàn)相似的晶粒分布，如圖3(b)所示，外側(cè)邊緣部位的小變形區(qū)(變形死區(qū))呈粗晶，中心均勻變形區(qū)呈均勻細(xì)小的再結(jié)晶晶粒，大變形區(qū)為粗大晶粒。

鋁合金在熱加工過程中易發(fā)生晶粒異常長大的現(xiàn)象，粗大晶粒一般分布在變形量小(臨界變形區(qū))或變形量大和變形劇烈的部位[12]。在臨界變形區(qū)進(jìn)行變形，在后續(xù)加熱過程中晶粒異常長大，形成粗晶(圖3(b)中等效應(yīng)變<0.2的位置)。

在變形程度高、金屬流動(dòng)相對劇烈的區(qū)域，在變形晶粒內(nèi)部存在高的維持密度，位錯(cuò)之間相互纏結(jié)，再結(jié)晶儲(chǔ)存能較高，并且在形變織構(gòu)的作用下，晶粒位相趨于一致，在后續(xù)熱處理過程中完成再結(jié)晶過程且晶粒長大，形成粗大晶粒(圖3.2b中等效應(yīng)變>0.8的位置)[13-15]。因此在2A70鋁合金鍛造過程中等效應(yīng)變應(yīng)處于0.3～0.8范圍內(nèi)，可避免產(chǎn)生粗晶現(xiàn)象，形成均勻細(xì)小的再結(jié)晶晶粒。

由圖3(b)中還可以看出，在鍛件低倍組織中位于鍛件下模位置也出現(xiàn)了粗晶現(xiàn)象，這一方面是由于變形死區(qū)造成的；另一方面由于鍛件與模具接觸，造成熱量散失。高丙坤等[16]通過對模具溫度對鋁合金的影響關(guān)系表明，隨著模具溫度的升高，鍛件表面粗晶層厚度降低，因此在后續(xù)工藝優(yōu)化中應(yīng)提升模具溫度。

圖3 2A70鋁合金模鍛件垂直分模面位置等效應(yīng)變(a)和低倍組織(b)Fig.3 Equivalent strain(a)and macrostructure(b) of 2A70 aluminum alloy die forging at vertical parting surface

2.2 工藝優(yōu)化及驗(yàn)證

根據(jù)上述研究，通過改進(jìn)坯料尺寸以及將鍛造方式由一火次成形改為預(yù)鍛和終鍛兩火次成形的鍛造方案，并將模具溫度提升至350 ℃。根據(jù)外形特點(diǎn)將坯料形狀由原先的棒狀優(yōu)化為大頭和小頭兩個(gè)部位，見圖4。

圖4 優(yōu)化后坯料形狀Fig.4 Optimized blank shape

圖5為采用優(yōu)化后坯料進(jìn)行預(yù)鍛后垂直分模面部位等效應(yīng)變分布及低倍組織。由圖可知，預(yù)鍛應(yīng)變分布均勻，且應(yīng)變基本處于0.2～0.5之間。從低倍組織可以看出，采用本坯料進(jìn)行預(yù)鍛，低倍組織均勻且無明顯粗晶現(xiàn)象。

圖5 2A70鋁合金模鍛件預(yù)鍛垂直分模面位置等效應(yīng)變(a)和低倍組織(b)Fig.5 Equivalent strain(a) and macrostructure(b) of 2A70 aluminum alloy pre-die forging at vertical parting surface

圖6為采用預(yù)鍛荒坯料進(jìn)行鍛造垂直分模面部位等效應(yīng)變及低倍組織?？梢钥闯?，采用本荒型進(jìn)行模鍛，其等效應(yīng)變與預(yù)鍛等效應(yīng)變分布特征相同，且最終模鍛件低倍組織均勻且細(xì)小，無明顯粗大晶粒。采用本方案進(jìn)行2A70鋁合金模鍛件生產(chǎn)，可獲得均勻細(xì)小晶粒的鍛件，該方案合理可行。

圖6 2A70鋁合金模鍛件終鍛垂直分模面位置等效應(yīng)變(a)和低倍組織(b)Fig.6 Equivalent strain(a) and macrostructure(b) of 2A70 aluminum alloy final die forging at vertical parting surface

3 結(jié)論

本文采用Simufact模擬軟件對2A70鋁合金模鍛件成形過程進(jìn)行模擬以及采用3T模鍛錘對該鍛件進(jìn)行生產(chǎn)，研究了該鍛件垂直分模面位置等效應(yīng)變對低倍組織的影響，結(jié)果表明：

1)2A70模鍛件垂直分模面部位低倍組織晶粒與Simufact軟件進(jìn)行變形模擬后等效應(yīng)變具有相同分布特征；

2)2A70鋁合金在較大變形和臨界變形范圍內(nèi)均產(chǎn)生粗大晶粒，最優(yōu)變形窗口等效應(yīng)變?yōu)?.2～0.8；

3)采用優(yōu)化后的坯料尺寸及鍛造工藝參數(shù)可生產(chǎn)出均勻細(xì)小晶粒的2A70鋁合金模鍛件。