粉末金屬及復材熱鍛工藝研究現(xiàn)狀

摘 要：相比于常規(guī)鍛造，熱鍛工藝在鍛造工藝當中應用最為廣泛，更有利于組織內(nèi)部的晶格重組和再結(jié)晶，并能夠更好地細化組織內(nèi)部晶粒，降低氣孔率，提高綜合性能。本文系統(tǒng)地綜述了現(xiàn)階段粉末金屬合金以及復合材料的熱鍛工藝研究進展，介紹了目前采用熱鍛工藝生產(chǎn)制備的粉末金屬及復材，分析了材料在熱鍛工藝下的模擬技術(shù)研究現(xiàn)狀，最后討論了熱鍛工藝的未來發(fā)展方向及后續(xù)研究方向。

關(guān)鍵詞：金屬；熱鍛；復材；數(shù)值模擬

中圖分類號：TG146.11" "文獻標識碼：A" 文章編號：1007 - 9734 （2024） 03 - 0088 - 07

0 引 言

金屬及復合材料在電子通信、汽車以及航空航天等工業(yè)領(lǐng)域應用非常廣泛[1]，其性能影響著我國先進工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，而金屬及復材的生產(chǎn)制備以及相關(guān)加工處理等工藝影響材料的微觀組織，從而進一步影響材料本身的性能。鍛造作為生產(chǎn)環(huán)節(jié)當中應用最為廣泛的一環(huán)，為航空航天、汽車以及其他領(lǐng)域奠定了堅實的基礎(chǔ)[2]，其重要性不言而喻。通過金屬塑性變形鍛造制備出的產(chǎn)品，需要在形狀上滿足需求，并通過塑性變形提升材料的綜合機械性能以達到相關(guān)的性能要求[3]。由于加工技術(shù)的不斷創(chuàng)新，對于相關(guān)材料的加工特性要求也在不斷增加，因此鍛造技術(shù)等工藝也在不斷地優(yōu)化[4]，鍛造工藝的分類更加的細化以滿足性能需求激增的工業(yè)市場?，F(xiàn)如今，大多數(shù)行業(yè)采用的鍛件為熱鍛件，而熱鍛是在鍛造的基礎(chǔ)上，增加一個溫度場進行鍛造[5]，該工藝能夠更好地細化晶粒，組織均勻，綜合性能明顯提升，使得相關(guān)工件能夠服役于更為復雜的環(huán)境，并獲得更長的服役壽命，最終達到節(jié)約成本的目的[6]。因此，本文將對熱鍛工藝、材料及數(shù)值模擬進行簡要介紹，以期為后續(xù)實驗研究與數(shù)值模擬相結(jié)合提供參考。

1 熱鍛工藝

在當前科技創(chuàng)新飛速發(fā)展的洪流中，市場對粉末金屬和復合材料的性能要求也越來越高，采用傳統(tǒng)的鍛造技術(shù)已經(jīng)不能滿足日益增高的市場需要[7]，而熱鍛技術(shù)作為此類材料工業(yè)化生產(chǎn)加工應用最為廣泛的工藝，也在不斷地進行優(yōu)化，即通過熱鍛以及其他形式的鍛造工藝相復合的復合鍛造[8]。

1.1" 熱鍛

熱鍛工藝是在鍛造的基礎(chǔ)上進一步優(yōu)化，相比于常規(guī)鍛造，熱鍛更有利于金屬的晶格重組和再結(jié)晶，并能夠更好地細化組織內(nèi)部晶粒，降低氣孔率，提高綜合性能[9]，圖1為鍛造操作機與熱鍛壓機的設(shè)備圖[10-11]。

國內(nèi)外許多學者通過熱鍛工藝制備出了性能優(yōu)良的試樣，Yasin Alemdag[12]等通過熱鍛工藝制備了亞共晶Al-7Si基合金試樣（含Zn和Cu），其多向熱鍛工藝示意簡圖見圖2。熱鍛工藝使得合金試樣的晶粒更加的細小均勻，增強了合金的屈服強度和抗拉強度，但在一定程度上降低了硬度，并且合金的斷裂方式由脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂。

喬寧寧[13]等成功地在1050℃—1150℃條件下制備了4Cr5W2VSi熱鍛模具鋼，并對所制備的試樣進行了顯微組織觀察、高溫磨損和高溫抗氧化性能測試并與未鍛造試件進行了對比分析（見圖3）。結(jié)果表明在預鍛溫度為1100℃，終鍛溫度為900℃，鍛造比為5的工藝條件下，熱鍛制備試樣的高溫磨損體積幾乎降低一半，相比于未鍛試件，熱鍛制備試樣的高溫抗氧化性能得到很大提升。

龔留奎[14]通過熱鍛制備了Cu-0.77Cr-0.078Zr-0.13Ag合金并對其進行了相關(guān)表征測試，經(jīng)檢測，合金試樣的抗拉強度、導電率、伸長率等性能均有顯著提升。李光磊[15]通過熱鍛工藝制備了3Cr3Mo3VNb熱鍛凸模材料，經(jīng)過實驗驗證對比，制備的3Cr3Mo3VNb熱鍛凸模材料比傳統(tǒng)熱鍛凸模材料使用壽命提升三倍有余。熱鍛工藝同樣在生物相容性材料方面有一定的應用，Satish Jaiswal[16]等人通過多軸熱鍛工藝制備了Mg-3Zn合金，研究了該合金的力學、腐蝕以及生物活性等方面的影響，經(jīng)過三次循環(huán)后，合金內(nèi)部晶粒尺寸明顯細化，屈服強度和抗壓強度都得到了大幅提升，由于細化的晶粒結(jié)構(gòu)提高了合金的耐腐蝕性。通過熱鍛制備的試樣力學性能以及綜合性能得到了明顯的提升，相比于傳統(tǒng)鑄造以及常規(guī)鍛造技術(shù)有著一定的優(yōu)勢。

1.2" 復合鍛造

基于傳統(tǒng)的鍛造技術(shù)以及對于性能要求漸增的市場，采用多種工藝混合處理的復合鍛造技術(shù)或?qū)蔀楹罄m(xù)鍛造工藝發(fā)展的方向[17]。朱帥帥[18]等通過熱鍛結(jié)合溫鍛復合鍛造（1150—1200℃熱鍛（25%變形量）+550℃溫鍛（15%變形量））制備了38MnVS非調(diào)質(zhì)鋼，并對其進行了相關(guān)表征測試。與傳統(tǒng)熱鍛工藝進行金相組織對比（見圖4），試樣的位錯密度增大，使得韌性得到了一定的提升；試樣的抗拉強度為969.6MPa，屈服強度為750.2MPa，斷面收縮率為36.8%，沖擊吸收功為10.7J；平均摩擦系數(shù)維持在0.45，質(zhì)量磨損率4.610—8g/（N·m），為傳統(tǒng)鍛造工藝的62.1%。

合適的鍛造溫度對于最終試樣的組織影響至關(guān)重要。余永新[19]等通過等溫復合鍛造工藝（等溫多向鍛+等溫模鍛）制備了高強高韌 2A14 鋁合金，并對其進行了顯微組織觀察和力學性能測試，結(jié)果表明隨著等溫模鍛的溫度升高，由于終鍛試樣組織內(nèi)晶粒的長大使得試樣的力學性能先升后降低，因此鍛造溫度的合理性對于試樣最終的性能影響不容忽視。盧利平[20]通過采用復合鍛造制備了6061鋁合金汽車轉(zhuǎn)向節(jié)用制品試樣，同時和常規(guī)鍛造試樣進行了磨損和腐蝕性能對比，結(jié)果表明復合鍛造制備試樣性能有了較為顯著的提升。盡管復合鍛造在一定條件下更優(yōu)于熱鍛工藝，但是復合鍛造對于條件的要求更為的苛刻，同時復合的細節(jié)方面仍需進一步研究探索[21]，熱鍛工藝仍是目前的主流，但是不難看出，復合鍛造的發(fā)展?jié)摿τ型麧M足工業(yè)進一步發(fā)展的需求。

2 熱鍛材料

2.1" 金屬材料

通過在鍛造過程中的加熱，促進了金屬內(nèi)部的再結(jié)晶，提高了金屬的塑性，并提高了金屬的致密性，能夠獲得更好的組織和性能，并在一定程度上降低了能源損耗，節(jié)約了生產(chǎn)成本，實現(xiàn)綠色生產(chǎn)。采用傳統(tǒng)鍛造的金屬，容易產(chǎn)生裂紋，降低使用壽命（見圖5），同時力學性能等略顯不足[22-24]。張家榕[25]等研究了熱鍛制備9Cr－ODS鋼，得到的試樣晶粒細小，同時基體具有高位錯密度（見圖6），而其析出相為Y-Ti-O型氧化物，致密度為99.4%，近乎全致密，并且具備優(yōu)良的塑性，抗拉強度在室溫時為910MPa，700℃時為200MPa，屈服強度在室溫時為750MPa，在700℃時為160MPa。雖然試樣氧化物顆粒有所增大，但是其數(shù)密度略有降低，強度稍顯不足，后續(xù)通過相關(guān)工藝優(yōu)化可能改善強度不足的問題，從而進一步達到優(yōu)化其性能的目的。Huajun Wang[26]通過熱鍛制備了多層金屬（以H13為基底，過渡層為W6Mo5Cr4V2，外層為Ni60A），結(jié)果表明多層金屬試件的彎曲載荷比均勻金屬試件大10%，同時，抗氧化和耐磨損性能良好，具備較好的硬度。高翔[27]等通過多次熱鍛制備出了CoCrNi中熵合金，對其進行了顯微組織觀察和力學性能測試，并與鑄態(tài)合金進行顯微組織對比（見圖7），由于晶粒內(nèi)部產(chǎn)生了高密度退火孿晶，使得合金的硬度得到了提高，組織和基體形成擴展層錯網(wǎng)絡，對合金進行了進一步的強化，因此合金獲得了良好的綜合力學性能，屈服強度達到了380MPa，抗拉強度達到了850MPa，伸長率也得到了大幅度提升，達到了92%，合金表現(xiàn)出了極高的強塑性（強塑積為76.5GPa·%）。金屬材料長期服役于高磨損的環(huán)境下，提高耐磨性能夠延長其服役壽命同時降低安全隱患。王曉震[28]通過多向熱鍛制備了超細晶層狀304L不銹鋼制品，并在不同干燥環(huán)境下研究了試樣的磨損性能，由于組織晶粒更為的細小，因此材料的硬度較高，所以試樣在干燥環(huán)境下的耐磨損性能更優(yōu)異。通過熱鍛工藝制備獲得的金屬試樣，其綜合性能有不可忽視的提升，并在一定程度上延長了服役壽命，且能夠提升一定的工業(yè)生產(chǎn)效率。

2.2" 復合材料

復合材料在航空航天、汽車、醫(yī)療、器械等方面應用廣泛[29]，而熱鍛工藝在復材方面應用也日漸廣泛。金屬基復合材料主要關(guān)注點為力學性能等，而通過熱鍛制備的復材力學性能等方面提升是非?？捎^的，M.DAREINI[30]等通過熱鍛工藝制備了AZ31B合金和AZ31B/1.5vol.%Al2O3納米復合材料，并研究了在靜態(tài)和循環(huán)加載下的顯微組織和力學性能，經(jīng)過兩相對比，熱鍛制備合金試樣力學性能明顯優(yōu)于鑄態(tài)試樣，而鍛態(tài)復材性能則優(yōu)于鑄態(tài)和鍛態(tài)合金。Jin Xueze[31]等設(shè)計了擠壓鑄造Al18B4O33w / 2024Al復合材料的熱鍛工藝，采用緩沖鍛造工藝，有效地提高了材料的應變均勻性和可鍛性，采用雙向鍛造工藝，實現(xiàn)了晶須取向和各向異性，并解釋了晶須取向?qū)秃喜牧蠌姸群蛿嗔褭C制的影響。金屬基復合材料同樣會存在某項性能缺陷導致其整體實用性降低，因此需要強化劑進一步提升性能彌補缺陷。M. Jia [32]通過無閃光熱鍛工藝制備了TiB強化劑來增強Ti-6Al-4V復合材料，結(jié)果表明：無閃光熱鍛TiB增強Ti-6Al-4V復合材料的顯微組織由α晶界片層、α+β片層和細小的針狀TiB顆粒組成，同時也增強了耐磨性等力學性能，擴大了材料的應用范圍。金屬基復合材料性能優(yōu)異，但有些材料的制備工藝較為煩瑣，不利于工業(yè)化生產(chǎn)，而通過一些強化材料能夠達到減少工藝步驟的目的，降低工藝的復雜程度。Ghanaraja S[33]等通過在Al-Mg熔融合金中添加納米氧化鋁顆粒進行攪拌鑄造，然后進行熱鍛制備出納米復合材料，減少孔隙率，消除組織偏析，添加0.75wt%的Al2O3納米復合材料具有較高的硬度；添加0.5wt%的Al2O3納米復合材料具有較高的屈服強度、拉伸強度和伸長率。

而采用熱鍛制備熱電等其他復合材料，其性能提升同樣優(yōu)于傳統(tǒng)制備工藝。王亞光[34]通過熱鍛制備了大塊PBi0.3Sb1.7Te3合金，結(jié)果表明對比商業(yè)化區(qū)溶材料，熱鍛抽料在373K到473K的溫度區(qū)間平均熱電優(yōu)值Ｚ提升78％，最大發(fā)電效率提升了55％。計算單級器件的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，當設(shè)定電壓為２Ｖ，功率為１Ｗ時，器件需求P、N型熱鍛材料連接元件數(shù)目為85，最佳Ｐ型單元的尺寸為1X0.9X0.9mm３，最佳Ｎ型單元的尺寸為1X1X1；汪漫[35]通過粉末熱鍛制備了全致密銅基受電弓材料，結(jié)果表明：經(jīng)實際熱鍛實驗以及密度測試后得到的銅基鍛件相對密度高達99.3%，時效處理后的試樣材料的硬度隨時間的增大先增大后減小，而電導率為先大幅度減小然后略有回升。

采用熱鍛制備的復合材料更能滿足市場需求，綜合性能得到了明顯的提升，但是通過熱鍛制備復材仍然較少，仍需后續(xù)進一步地深入探索，進行進一步的完善。

3 數(shù)值模擬

熱鍛過程中的塑性變形等微觀組織演變對于試樣的性能有著至關(guān)重要的影響，正確的工藝能夠得到較好的組織，獲得良好性能的試樣。而影響實驗的因素有很多，通過對實驗過程的影響因素進行一定程度的模擬預測，能夠有效地減少實驗中的誤區(qū)，減少不必要的實驗試錯，達到綠色節(jié)能、降低成本的目的[36-37]。因此，進一步探索工藝、組織與性能之間的關(guān)系，對于獲得優(yōu)良性能樣品有著決定性的作用。

3.1" 熱鍛模型構(gòu)建

通過建立適當?shù)哪Ｐ鸵约胺椒軌蛴行У販p少實驗的影響因素，提高實驗的準確性、效率等。劉君[38]等對微觀組織演變模型、材料的本構(gòu)方程及產(chǎn)品的機械性能與微觀組織的關(guān)系進行了系統(tǒng)闡述，并對金屬熱鍛成型過程中的組織演變的數(shù)學模型進行了簡介，為數(shù)值模擬技術(shù)與實驗相結(jié)合提供了一定的理論參考；陳飛[39]通過將宏觀尺度和介觀尺度相結(jié)合，建立了金屬材料非連續(xù)熱變形過程微觀組織演變模擬方法，能夠?qū)﹀懠?nèi)部不同物質(zhì)點對應的信息演變進行一定的預測，對金屬材料熱鍛過程組織演化建模提供了參考。薛丹丹[40]通過DEFORM-3D模擬結(jié)果與正交試驗兩相結(jié)合，優(yōu)化了工藝參數(shù)，最終提出了制坯、預鍛、終鍛3步成形方法，獲得了理論工藝的最佳參數(shù)組合，并通過實驗生產(chǎn)驗證了數(shù)值模擬的準確性。通過適當?shù)哪Ｐ蜆?gòu)建對于性能等方面可以提供一定的參考與預估，尹慧[41]通過JMatPro 7.0對熱鍛模具用鋼55NiCrMoV7的平衡相組成，CCT曲線等熱物理參數(shù)性能進行了模擬預估，并對該材料的相關(guān)數(shù)據(jù)進行了計算繪制，預測了馬氏體轉(zhuǎn)變溫度等相關(guān)材料參數(shù)，為熱鍛模的熱處理工藝提供了相關(guān)參考參數(shù)。通過正確的熱鍛模型構(gòu)建能夠在很大程度上降低實驗的錯誤率，大大降低實驗的成本。

3.2" 熱鍛工藝參數(shù)模擬與優(yōu)化

工藝條件影響著顯微組織，而適當?shù)墓に噮?shù)又決定著工藝的正確性，因此通過適當?shù)臄?shù)值模擬結(jié)合實驗能夠更為簡便地確定最佳的工藝參數(shù)范圍。汪漫[35]采用模擬分析軟件Deform-3D，模擬銅基燒結(jié)材料在粉末鍛造中的成形致密過程，通過有限元模擬分析軟件構(gòu)建了熱鍛模具及預成形坯3D模型圖（見圖8），獲得了熱鍛最優(yōu)工藝參數(shù)組合，同時對鍛造過程的鍛造能量密度進行了有限元模擬，在307.6 J/cm3的鍛造能量密度下，獲得的復合材料的致密化最佳，密度分布均勻性最佳，并且對設(shè)備磨具等折損最低。方軍[42]等通過對熱鍛工藝參數(shù)的數(shù)值模擬分析，結(jié)合單道次和多道次熱鍛工藝對比，最終采用多道次熱鍛工藝制備出了GH4169 高溫合金螺栓，獲得了試樣性能優(yōu)良的最佳熱鍛工藝參數(shù)。

但并不是所有的實驗都能夠通過數(shù)值模擬技術(shù)得出最佳的工藝參數(shù)，還需要我們通過一定的方法對模擬出的參數(shù)進行優(yōu)化。段海龍[43]通過Deform-3D建立了42CrMo齒輪鋼動態(tài)再結(jié)晶模型，同反應速率時，溫度越高，動態(tài)再結(jié)晶越早；同應變時，溫度越高，DRX體積分數(shù)越高。進一步通過響應面法優(yōu)化加工參數(shù)，最終的數(shù)值模擬出最佳工藝參數(shù)組合。通過響應面法對模擬分析的工藝參數(shù)進行進一步的優(yōu)化，得出了最佳的工藝參數(shù)。而通過模擬與實驗結(jié)合分析，同樣能夠達到對工藝參數(shù)進行優(yōu)化的目的，并能夠驗證模擬方向的準確性。郭晶玉[44]等通過Deform-3D對Ti55531鈦合金扭力臂熱鍛成形工藝和模具進行了研究與試驗，其鈦合金扭力臂鍛造工藝示意見圖9，并利用正交試驗結(jié)果對過程做了更進一步的完善，從而得到最佳鍛造工藝參數(shù)組合，即鍛造溫度為820℃，鍛造速度為25 mm/s，模具溫度為350℃，獲得的鍛件平均晶粒尺寸標準差為0.110μm，最大成形載荷為1690 t，最終通過實驗制備出了性能優(yōu)良的鈦合金扭力臂，對最佳工藝參數(shù)進行了驗證。

基于互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展與應用，在實驗方面也得到了相當大的收益。通過正確的數(shù)值模擬技術(shù)對實驗工藝參數(shù)進行了一定范圍的預測，能夠確定實驗的最佳工藝參數(shù)范圍，并能夠進一步優(yōu)化，同時與實驗相結(jié)合對其進行驗證。

4 發(fā)展趨勢

現(xiàn)如今，熱鍛工藝應用非常廣泛，尤其是應用于金屬材料以及復材，后續(xù)有望成功應用于其他材料，比如陶瓷材料等。但通過熱鍛工藝制備的材料性能仍有不足，因此熱鍛工藝的優(yōu)化或者與其他技術(shù)的結(jié)合具有重要意義。未來對于熱鍛工藝的展望主要有以下兩個方面：

（1）單一的鍛造工藝后續(xù)已經(jīng)不足以滿足市場需求。因此采用多種鍛造工藝甚至其他生產(chǎn)工藝進行復合鍛造，或?qū)⒊蔀楹罄m(xù)熱鍛及鍛造工藝發(fā)展的方向。

（2）采用宏觀數(shù)值模擬技術(shù)和實驗相結(jié)合的方法能夠有效地預測金屬及復材內(nèi)部的微觀組織演變，建立合適的數(shù)學模型，能夠預測其內(nèi)部可能的缺陷，可以更直接地得到最佳熱鍛工藝參數(shù)以及影響因素，從而有效縮短熱鍛實驗設(shè)計周期，減少人力、物力和財力的投入，從而提高生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率。但是兩者的實際聯(lián)系以及誤差的不確定性仍需進一步研究探索。

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責任編校：陳 強，裴媛慧

Research Status of Hot Forging Process of Powder Metal and

Composite Materials

ZHAO Chaojie1， GAO Yang1， GAO Ka2， ZHAO Wei3， SUN Dejian1， JIANG Xiaohui2

（1. School of Materials， Zhengzhou University of Aeronautics， Zhengzhou 450015， China；

2. School of Mechanical Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China；

3. General Practice department， Shanghai Hospital， Shanghai 200433， China）

Abstract： Hot forging process is the most widely used forging process. Compared with conventional forging， hot forging is more conducive to lattice reorganization and recrystallization within the structure. Otherwise， hot forging can better refine the internal grains of the structure， reduce porosity and improve comprehensive properties. In this paper， the research progress of hot forging process of powder metal alloys and composites at present was systematically summarized. The classification of powder metals and composites prepared by hot forging process was introduced. The research status of simulation technology of materials under hot forging process was analyzed. Finally， the following research direction and future prospect of the existing hot forging process were put forward.

Key words： metal materials; hot forging; composite material; numerical simulation

收稿日期：2022-12-12

基金項目：國家自然科學基金（51904277）；河南省高等學校青年骨干教師計劃項目（2020GGJS171）;清華大學先進材料教育部重點實驗室開放課題（ADV22-20）

作者簡介：趙超杰，河南濮陽人，碩士研究生，研究方向為 W-Ti合金濺射靶材。

*通訊作者：高 卡，河南漯河人，副教授，主要研究方向為粉末冶金及增材制造結(jié)構(gòu)—功能一體化材料。