擠壓比對Be-50Al合金棒材熱擠壓成形的影響

摘" 要：根據(jù)鈹鋁合金的熱變形性質(zhì)，提出鈹鋁合金熱擠壓成形工藝，并采用有限元方法進(jìn)行仿真研究。對比鈹鋁合金棒材在不同擠壓比條件下的成形載荷及應(yīng)力、應(yīng)變分布。結(jié)果表明，變形所需載荷隨著擠壓比的減小而減??；變形應(yīng)力較大區(qū)域為過渡區(qū)；坯料的應(yīng)變量隨著擠壓比的增大而增大；坯料的應(yīng)變速率隨著擠壓比的增大而增大。

關(guān)鍵詞：Be-50Al合金；熱擠壓；擠壓比；熱變形；應(yīng)變速率

中圖分類號：TG376.2" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）35-0090-04

Abstract： According to the hot deformation properties of beryllium aluminum alloy， a hot extrusion forming process of beryllium aluminum alloy was proposed and simulated by finite element method. The forming loads， stress and strain distributions of beryllium aluminum alloy bars under different extrusion ratios were compared. The results show that： the load required for deformation decreases with the decrease of extrusion ratio; the region with large deformation stress is the transition region; the strain of the billet increases with the increase of extrusion ratio; the strain rate of the billet increases with the increase of extrusion ratio.

Keywords： Be-50Al alloy; hot extrusion; extrusion ratio; hot deformation; strain rate

鈹鋁合金是一種由鈹和鋁組成的合金材料，具有低密度、高強度、高剛度、優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、良好的抗腐蝕性以及結(jié)合了鈹?shù)牡兔芏扰c鋁的易加工性等許多優(yōu)良特性[1]。應(yīng)用最廣泛的Be-38 wt.%Al合金的密度僅為2.1 g/cm3，比鋁輕約22.2%。這一特性使其成為航空、航天等領(lǐng)域的理想材料。除此之外，鈹鋁合金的比強度同樣優(yōu)于鋁合金、鈦合金以及高強鋼。鈹鋁合金在高溫下仍能保持其力學(xué)性能，適用于高溫工作環(huán)境高韌性和抗腐蝕：鈹鋁合金具有良好的韌性和耐腐蝕性，能夠在惡劣環(huán)境中長期穩(wěn)定工作。

熱擠壓技術(shù)是一種將金屬材料加熱至一定溫度后，通過模具施加壓力使其塑性變形并形成所需形狀的加工方法。由于其高效、精確和可重復(fù)性的特點，熱擠壓技術(shù)在航空航天、汽車制造、電子工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。熱擠壓技術(shù)主要依賴于金屬在高溫下的塑性變形能力。當(dāng)金屬被加熱到一定溫度時，其原子間的結(jié)合力減弱，晶格結(jié)構(gòu)變得松散，從而使得金屬具有較好的流動性和塑性。此時，通過施加壓力，金屬可以在模具內(nèi)流動并填充模具型腔，形成所需的形狀。

呂一格等[2]為了縮短制造加工的時間，采用粉末冶金+熱擠壓成形的方式開展了鈹鋁合金的制備。結(jié)果表明，擠壓變形后，鈹顆粒以顆粒狀均勻分布于鋁相之中，并且材料的致密度明顯上升。除此之外，合金的硬度和強度也得到了提高。劉兆剛等[3]采用擠壓成形技術(shù)研究鈹鋁合金擠壓成形的影響因素，并分析了微觀組織結(jié)構(gòu)，檢測了鈹鋁合金擠壓力學(xué)性能。結(jié)果表明，鈹鋁合金熱擠壓成形，力學(xué)性能有明顯改善。上述文獻(xiàn)證明，采用擠壓成形制備鈹鋁合金能夠進(jìn)一步提高鈹鋁合金的力學(xué)性能。

本文采用數(shù)值模擬的方法計算了鈹鋁合金棒材熱擠壓成形過程，對比了不同溫度和不同擠壓比的仿真結(jié)果，得到鈹鋁合金棒材的最優(yōu)擠壓工藝參數(shù)，為鈹鋁合金棒材擠壓模具的設(shè)計、模具材料的選擇和工藝的制定提供了依據(jù)。

1" 建模

采用三維軟件建立零件坯料和模具的三維模型，如圖1所示，然后將三維模型導(dǎo)入有限元軟件，再進(jìn)行前處理。前處理主要是模擬條件的設(shè)置，包括坯料的材料屬性、網(wǎng)格劃分，同時設(shè)置初始條件，包括溫度、擠壓速度等等。設(shè)置完成后，進(jìn)行計算。計算完成后，采用后處理軟件對模擬運算結(jié)果進(jìn)行分析，并對模擬結(jié)果進(jìn)行可視化，獲取成形載荷、應(yīng)力應(yīng)變情況、金屬流動情況等等，為零件成形方案的完善提供有力支撐。

本實驗采用的材料模型為球形粉末態(tài)Be-50 wt.%Al合金，其力學(xué)曲線參考文獻(xiàn)[4]的實驗結(jié)果，獲得了真應(yīng)力-應(yīng)變曲線。經(jīng)過擬合處理，將曲線導(dǎo)入有限元軟件材料庫。

2" 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1" 載荷分析

鈹鋁合金棒材熱擠壓成形過程中，載荷先快速增大，然后趨于平穩(wěn)。對比了3種擠壓比模具載荷的變化規(guī)律（圖2），得到：隨著擠壓比的減小，所需載荷逐漸減小。擠壓比11模具擠壓過程所需載荷約為擠壓比2模具的3倍。因此，根據(jù)設(shè)備的實際情況，參考不同擠壓比模具的載荷變化規(guī)律，可設(shè)計匹配的模具。另外，根據(jù)載荷的變化規(guī)律，通過監(jiān)控設(shè)備實際壓力的變化情況，判斷材料的變形階段，推測變形過程是否處于正常狀態(tài)。

2.2" 應(yīng)力分析

材料變形過程中的應(yīng)力分布是擠壓變形關(guān)注的重點，從圖3中可以看出，開始變形階段，過渡區(qū)材料所受壓力較大；而當(dāng)坯料擠入棒材模腔后，坯料前端的應(yīng)力開始降低；最終，坯料前端受力較小，僅受摩擦力影響。因此，在模具設(shè)計方面，變徑區(qū)域受力較大，磨損嚴(yán)重，可通過增加易換裝置，延長整套裝置的壽命，降低成本。

擠壓成形過程中，坯料不同位置所受應(yīng)力不同，這將對其擠壓后組織有較大的影響。取不同擠壓比的不同位置進(jìn)行應(yīng)力分析，如圖4所示，結(jié)果表明：橫截面上靠近模具的位置應(yīng)力上升較快，然后各位置將達(dá)到最大應(yīng)力，最后又開始下降；對比了不同擠壓比模具中坯料的應(yīng)力變化情況，總的變化趨勢相差不大。

2.3" 應(yīng)變分析

擠壓成形技術(shù)不僅能成形工件，還能強化材料性能，擠壓過程的強化主要是變形強化。選擇不同區(qū)域進(jìn)行應(yīng)變分析，如圖5所示。結(jié)果表明：擠壓比越大的，材料的應(yīng)變量越大，擠壓比11模具的應(yīng)變量約為擠壓比2模具的2倍；對于同一坯料，不同區(qū)域材料的變形量相差也較大，因此擠壓變形后各區(qū)域的性能不均一，需后期進(jìn)一步熱處理進(jìn)行性能調(diào)控。

分別對坯料徑向的應(yīng)變進(jìn)行分析，從圖6可以明顯看出，靠近模具位置的坯料最終的應(yīng)變最大，而靠近坯料中心區(qū)域的應(yīng)變最小。對比分析不同擠壓比模具中坯料的變化規(guī)律可以得到，隨著擠壓比的減小，坯料的應(yīng)變量明顯減小，這表明：擠壓比越大，坯料所受的變形量越大，越有利于材料晶粒的細(xì)化以及增加擠壓件的強度，達(dá)到強化材料的效果。

2.4" 應(yīng)變速率分析

應(yīng)變速率是變形能力的關(guān)鍵指標(biāo)，通常變形速率越快，坯料越容易開裂。圖7顯示了不同擠壓比不同位置坯料的應(yīng)變速率變化規(guī)律，可以看出，應(yīng)變速率都具有先增大，后減小的規(guī)律。隨著擠壓比的減小，坯料的應(yīng)變速率明顯減小，這表明：擠壓比越大，坯料在擠壓變形過程中，越有開裂的傾向。因此，需要結(jié)合坯料在不同條件下的變形能力進(jìn)行擠壓比的設(shè)計。

對于鈹鋁合金而言，由于鈹相和鋁相互不相容，呈兩相結(jié)構(gòu)的材料，類似復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。兩相的結(jié)合能力較弱，在變形過程中，對應(yīng)變速率更敏感。因此，在設(shè)計擠壓比模具前，首先要對材料在不同變形速率條件下的變形行為進(jìn)行了解，然后根據(jù)材料的變形行為進(jìn)行模具的設(shè)計，選擇合適的擠壓比，這樣才能有效地避免擠壓過程中表面開裂、棒材不連續(xù)等缺陷問題出現(xiàn)。

3" 結(jié)論

擠壓比對鈹鋁合金棒材熱擠壓成形有較大影響。隨著擠壓比的增大，所需載荷成倍增加，擠壓比11模具所需載荷是擠壓比2模具的3倍；另外，坯料的變形量也更大，擠壓比11模具中坯料的變形量約是擠壓比2模具的2倍；坯料擠壓變形過程中應(yīng)變速率隨著擠壓比的減小而明顯減小。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李軍義，王東新，劉兆剛，等.鈹鋁合金的制備工藝與應(yīng)用進(jìn)展[J].稀有金屬，2017，41（2）：203-210.

[2] 呂一格，代彥明，劉兆剛，等.熱擠壓對鈹鋁合金顯微組織和性能的影響研究[J].稀有金屬與硬質(zhì)合金，2019，47（5）：60-63.

[3] 劉兆剛，王維一，謝垚，等.鈹鋁合金擠壓成形技術(shù)研究[J].湖南有色金屬，2015，31（2）：49-53.

[4] 王晶，王旻，張晨，等.基于球形鈹粉制備的Be-50Al合金熱變形行為研究[J].稀有金屬材料與工程，2023（8）：2901-2908.