大型7050鋁合金自由鍛件淬火殘余應(yīng)力消減研究

翟瑞志 尹慧 滕樹滿

(1．中國第二重型機(jī)械集團(tuán)德陽萬航模鍛有限責(zé)任公司，四川618000)(2．廣西柳州鋼鐵集團(tuán)有限公司，廣西545002)

由于輕質(zhì)高強(qiáng)的特性，7050鋁合金被廣泛應(yīng)用于各型飛機(jī)構(gòu)件的制造[1]。在實(shí)際生產(chǎn)中，常采用固溶加淬火的熱處理方式來提高7050鋁合金構(gòu)件的強(qiáng)度及斷裂韌性[2]。然而，在淬火過程中，由于內(nèi)外溫度的差異，構(gòu)件將產(chǎn)生熱處理殘余應(yīng)力，對構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性及疲勞壽命帶來顯著影響[3]。為消除殘余應(yīng)力，可在對其淬火后、機(jī)械加工前對其施加一冷變形量(即鋁合金的T7452工藝)，其原理如圖1所示[4]。近年來，借助于有限元計(jì)算的發(fā)展，材料研究者對7050鋁合金-T7452的工藝研究不斷深入，該工藝得到了不斷優(yōu)化[5]。然而深入研究后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有研究更多集中于模鍛件的殘余應(yīng)力消除，對自由鍛件的T7452研究相對較少。

圖1 鋁合金T7452工藝原理圖Figure 1 Process diagram of aluminum alloy T7452

本文以某7050鋁合金自由鍛件為研究對象，該鍛件為規(guī)則的長方體，最大外形尺寸1500 mm×500 mm×200 mm。首先利用熱力學(xué)計(jì)算軟件JMatPro7.0計(jì)算了7050鋁合金的固溶溫度及臨界冷卻速度，并基于該數(shù)據(jù)對該自由鍛件的固溶淬火過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，同時(shí)結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，討論了壓下量、壓下速度、進(jìn)給量等自由鍛件生產(chǎn)工藝參數(shù)對鍛件殘余應(yīng)力消除效果的影響，以期對該類鍛件的T7452工藝參數(shù)優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1 有限元模型的建立

7050鋁合金的化學(xué)成分如表1所示[6]。為了確定7050鋁合金的固溶溫度，將7050鋁合金的化學(xué)成分輸入JMatPro7.0軟件計(jì)算了合金的平衡相圖及過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(CCT曲線)，如圖2、圖3所示。根據(jù)鋁合金的平衡相圖可知，當(dāng)溫度高于472℃時(shí)鋁合金中各析出相均溶于α-Al形成飽和固溶體，提升構(gòu)件的力學(xué)性能。在模擬時(shí)設(shè)置7050鋁合金的固溶溫度為475℃，并保溫5 h。淬火是為了保證冷卻時(shí)各析出相不從固溶體中析出使材料的強(qiáng)度下降。根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算獲得的CCT曲線，η′相的臨界冷卻溫度為2.1℃/s，基于該數(shù)據(jù)對淬火工藝制定的正確性進(jìn)行判斷。此外，還利用JMatPro7.0軟件計(jì)算了7050鋁合金的比熱容、彈性模量等熱物理性能參數(shù)，對基礎(chǔ)材料數(shù)據(jù)進(jìn)行豐富。

表1 7050鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of 7050 aluminum alloy(mass fraction,%)

圖2 7050鋁合金平衡相圖Figure 2 Equilibrium phase diagram of aluminum alloy 7050

圖3 7050鋁合金 CCT曲線Figure 3 CCT curve of aluminum alloy 7050

將鋁合金鍛件從室溫加熱至固溶溫度475℃，隨后置于40℃的氯化鈉冷卻液中進(jìn)行淬火處理。為了消除自由鍛件的熱處理殘余應(yīng)力，對鍛件進(jìn)行分布冷壓變形，所使用的平砧寬400 mm，圓角R80 mm，如圖4所示?；谟邢拊M軟件對上述過程進(jìn)行數(shù)值模擬，有限元參數(shù)設(shè)定如表2所示。

表2 有限元模擬參數(shù)設(shè)置Table 2 Parameter setting of finite element simulation

圖4 冷壓過程示意圖Figure 4 Schematic diagram of cold pressing process

2 模擬結(jié)果分析與討論

2.1 自由鍛件淬火溫度場與應(yīng)力場分布

圖5為自由鍛件淬火完成后表面與心部的溫度場云圖，淬火時(shí)間160 s。由圖5可知，自由鍛件淬火冷卻過程中四角冷卻最快，心部冷卻最慢，經(jīng)過150 s冷卻后，角部溫度降到40～45℃，心部溫度降到50～60℃。分別在表面及心部中心選取一個(gè)參考點(diǎn)(標(biāo)記P1與P2)，觀測兩點(diǎn)的溫度變化曲線，如圖6所示。由圖可知：表面與心部測量點(diǎn)溫度降到100℃需所需時(shí)間分別為30 s和105 s，平均冷卻速度分別為14.3℃/s和2.86℃/s，大于臨界冷卻速度的要求。同時(shí)在降溫過程內(nèi)外最大溫差可達(dá)288℃，據(jù)此分析溫差導(dǎo)致的變形不均勻性是自由鍛件熱處理殘余應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因。

圖5 淬火完成后7050鋁合金自由鍛件溫度場分布云圖Figure 5 Nephogram of temperature field distribution of aluminum alloy 7050 free forging after quenching

圖6 自由鍛件內(nèi)外測量點(diǎn)溫度變化曲線Figure 6 Temperature variation curves of internal and external measuring points of free forging

圖7(a)～(d)分別為自由鍛件在淬火后的等效應(yīng)力云圖及沿X、Y、Z方向的應(yīng)力分布圖，由圖可知，自由鍛件淬火完成后等效應(yīng)力主要分布于289～331 MPa區(qū)間，X、Y、Z方向上的應(yīng)力分別分布于-403～95.7 MPa、-433～-332 MPa及-427～-327 MPa區(qū)間，X方向上的應(yīng)力要顯著小于Y、Z方向。這是因?yàn)殄懠赬方向上的尺寸顯著小于Y、Z方向，內(nèi)部熱量從X方向散失更快，溫差較小，進(jìn)而使X方向的熱處理殘余應(yīng)力更小。

(a)等效應(yīng)力 (b)X方向應(yīng)力

2.2 冷壓后殘余應(yīng)力的分布規(guī)律

如圖8(a)(b)分別為分步冷壓后的等效應(yīng)力分布云圖與等效應(yīng)變分布云圖。根據(jù)云圖可知，分步冷壓后自由鍛件的應(yīng)力分布呈現(xiàn)“魚鱗狀”，這是由于冷壓時(shí)鋁合金的非均勻變形造成的。淬火完成后自由鍛件的平均等效應(yīng)力值約為296 MPa，冷壓結(jié)束后自由鍛件的平均等效應(yīng)力約為148 MPa，下降約50%。結(jié)果表明采用分布冷壓工藝能有效降低7050鋁合金自由鍛件殘余應(yīng)力，提升鍛件的尺寸穩(wěn)定性及服役壽命。

2.3 冷壓工藝參數(shù)優(yōu)化

為了優(yōu)化冷壓工藝設(shè)計(jì)，結(jié)合自由鍛生產(chǎn)的設(shè)備特點(diǎn)，采用控制變量的研究方法，研究了冷壓壓下量、上砧壓下速度、進(jìn)給量等工藝因素對7050鋁合金自由鍛件殘余應(yīng)力消減的影響規(guī)律。

圖9(a)反映了冷壓壓下量與自由鍛件等效應(yīng)力均值的關(guān)系。隨著冷壓變形量的增加，自由鍛件等效應(yīng)力均值呈現(xiàn)先減小再上升的趨勢，且選擇3%壓下量時(shí)等效應(yīng)力有最小值。這是由于冷壓變形量過小時(shí)，模具壓下施加的應(yīng)力無法與熱處理殘余應(yīng)力進(jìn)行有效抵消，鍛件仍保留有較大的熱處理殘余應(yīng)力；而加大冷壓變形量，塑性變形應(yīng)力在卸載后無法完全消除轉(zhuǎn)化為加工殘余應(yīng)力，使鍛件的等效應(yīng)力均值增大。對于該自由鍛件，在生產(chǎn)時(shí)可選擇3%的冷壓變形量消除淬火殘余應(yīng)力。

(a)等效應(yīng)力 (b)等效應(yīng)變量

(a)冷壓變形量 (b)壓下速度 (c)進(jìn)給量

圖9(b)展示了上砧壓下速度與等效應(yīng)力均值的關(guān)系。相較于冷壓變形量的影響規(guī)律，冷壓速度對等效應(yīng)力均值的影響不明顯，考慮到過大的冷壓速度會(huì)增大成形載荷、降低模具壽命，而過過小的冷壓速度將延長生產(chǎn)時(shí)間，降低生產(chǎn)效率，因此在生產(chǎn)時(shí)可選擇設(shè)備可移動(dòng)速度的中間值進(jìn)行生產(chǎn)。

圖9(c)展示了平砧進(jìn)給量與鍛件等效應(yīng)力均值的關(guān)系。等效應(yīng)力均值與進(jìn)給量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，這是因?yàn)槠秸柙谙聣簳r(shí)主要依靠圓角與鋁合金接觸，對于同一自由鍛件，增大進(jìn)給量將降低平砧壓下的面積，部分區(qū)域未得到有效變形，淬火殘余應(yīng)力未得到有效消除導(dǎo)致自由鍛件整體的等效應(yīng)力均值增大。在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)應(yīng)根據(jù)鍛件的尺寸選擇合適的進(jìn)給量，提升消減效果的同時(shí)不降低生產(chǎn)速度。

3 結(jié)論

本研究基于材料熱力學(xué)軟件JMatPro7.0對7050鋁合金的析出相進(jìn)行了計(jì)算，應(yīng)用塑性成形有限元模擬軟件DEFORM模擬了某7050鋁合金自由鍛件的固溶、淬火及冷壓過程，結(jié)論如下：

(1)當(dāng)溫度大于472℃后各相溶于α-Al中形成過飽和固溶體，為防止脫溶在淬火冷卻時(shí)應(yīng)使7050鋁合金的冷卻速度大于2.1℃/s；

(2)在降溫淬火過程中自由鍛件內(nèi)外最大溫差可達(dá)288℃，溫差導(dǎo)致的變形不均勻性是自由鍛件熱處理殘余應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因；

(3)對自由鍛件施加冷塑性變形可以顯著降低淬火殘余應(yīng)力，采用3%的變形量、200 mm的進(jìn)給量可以最大程度的消除淬火殘余應(yīng)力。