AA7055高强铝合金板预冷热冲压成形研究*

2021-10-16岳毓挺冯伟骏李永丰

航空制造技术 2021年17期

岳毓挺，冯伟骏，杨兵，李永丰，何霁

（1.上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室，上海 200240；2.上海交通大学上海市复杂薄板结构数字化制造重点实验室，上海 200240；3.宝山钢铁股份有限公司中央研究院宝武铝业技术中心，上海 201900）

高强度铝合金板材（如7000 系）具有较高的强度，是理想的轻质高强高性能零件用材。但高强度铝合金在常温下成形性差、回弹大，在后期热处理时还有热变形等问题[1]，限制了其在零件制造上的大规模应用。针对此问题，帝国理工大学Lin 等[2]提出了铝合金HFQ（Heat treatment, forming and in-die quenching）成形工艺，利用铝合金在高温下成形性好的特点，在固溶后进行热冲压成形，成形的同时进行冷模淬火，而后进行人工时效以提高强度，兼顾了成形性与强度。

但根据Wang 等[3]对AA2024 的研究，在固溶热处理温度下，AA2024 内部发生的溶质原子富集造成的晶界软化，以及基体软化的问题，会造成材料的延展性能下降，对成形不利。Gao 等[4]研究AA2060 也发现了类似的结果，材料延展性最强的温度要低于其固溶温度。上述研究表明，对于高强铝合金，直接在固溶温度进行成形可能难以实现板材最佳成形性能。为了使高强铝合金在HFQ 工艺中获得更好的成形性，在其固溶阶段后增加一步预冷工艺，设计高强铝合金在其最佳成形温度成形，成为解决问题的一种新思路，其工艺流程对比如图1 所示。在传统HFQ 工艺流程中，板料在固溶后就直接转运至冷模成形，成形时温度接近固溶温度，成形性较差，可能造成开裂等缺陷；而预冷HFQ 工艺则在固溶后先将板料预冷至成形性好的较低温度，能在冷模成形时获得更好的成形性。Li 等[5]基于AA7075 铝合金，针对预冷工艺对热成形的影响进行了试验，开发了材料在热成形增加预冷工序下的宏微耦合材料模型，证明了较低的预冷速率（5℃/s）会造成沉淀物粗大，对成形不利，但未进行零件级别的工艺测试。因此，如何设计预冷温度，保证板材在成形中获得最好的成形性能，不产生开裂、颈缩等成形缺陷，同时满足高性能薄壁零件不同位置材料的高强度和零件整体的服役性能是实现高强铝合金板预冷热冲压成形所面临的主要挑战。

图1 两种工艺流程对比Fig.1 Comparison of two processes

本文基于一种改进AA7055 高强铝合金板材进行预冷热冲压淬火工艺研究，所采用材料的合金元素如表1 所示，新材料提高了合金元素Mg 和Zn 的含量，其T6 态峰值强度达到650MPa。根据现有对AA7055铝合金温热成形的研究[6-8]，其低应变率下最佳成形温度在400℃左右，但由于预冷工艺对材料性能的影响与合金的淬火敏感性有关，而根据对AA7055 淬火敏感性的研究[9]，其鼻尖温度在355℃左右，因此本文选择300℃、350℃以及400℃3 种预冷温度进行研究，并定量分析不同预冷温度下的成形性能。以此为依据，设计不同时效态、不同预冷温度下板材的预冷热冲压淬火成形工艺试验。对实现成形的零件，进行取样和性能测试，分析确定获得高强度性能的工艺因素，为未来的工程应用提供依据和参考。

表1 改进AA7055 合金元素组成（质量分数）Table 1 Improved AA7055 alloy element compent (mass fraction) %

试验及方法

1 板料力学性能试验

由于该种材料预先经过轧制处理，获得板料为F 态（自由加工态），试验前将部分F 态板材按照标准热处理工艺进行固溶处理，在475℃加热炉中保持30min，而后随炉冷却12h，退火处理为O 态板材，然后模拟预冷HFQ 工艺中的固溶和预冷流程，对O 态板材进行力学性能试验。

板材力学性能试验基于接触加热测试平台[10]进行（图2），该平台可实现对板材固溶后实施不同预冷温度并在恒定温度下完成力学性能测试。该平台主要由加热铜块、夹具框架、滑轨、加热棒、K 型热电偶和温控箱组成，其中铜块将紧密贴合到测试试样上，完成预冷温度的施加，然后配合Zwick/Roll Z100 型材料试验机进行拉伸试验。测试首先通过温控箱配合热电偶对铜块内加热棒进行反馈控制，使得铜块加热保温至预先设置温度。然后将试样夹持在试验机上，材料测试试样尺寸如图3 所示，释放高温弹簧使得固溶加热铜块与试样保持夹紧。由于接触加热导热速率很快，试样很快升温至预定温度，保温一定时间待试样标距段区域固溶后，通过滑轨移动夹具，使得设定为不同预冷温度的成形加热铜块紧贴试样。此时试样标距段两端凸起部分正好在观察变形开孔位置，利用全场应变测量系统（Digital image correlation，DIC）获取试样标距段的位移数据，计算得到应变信息。最后，将同步加载力数据与DIC 测试的应变数据相匹配，得到该预冷温度条件下的材料高温拉伸力学性能。

图2 接触加热高温测试平台Fig.2 High temperature test platform with contact heating device

图3 力学性能测试试样尺寸（mm）Fig.3 Specimen size of mechanical properties test (mm)

由于接触加热可以提供更快的升温速度，大幅减少了升温时间，且有利于避免生成较大中间相以减少合金溶解时间[1]。根据Zhang 等[11]对AA7075 铝合金接触加热固溶的研究，在加热速度为15.8℃/s 时，固溶时间已经可以减少到40s。本文所用试验平台采用铜块接触加热的方式，利用高温弹簧提供一定的接触压力，传热速度大大增加。根据本课题组前期试验，该平台对板材加热速度能达到50℃/s，冷却速度能够达到-8℃/s。所以铝板在该平台上利用高温加热铜块进行接触加热固溶，10min 便可以达到完全固溶的效果，而预冷阶段，在成形铜块处夹持20s时间便能保证板材均匀降温到铜块设定温度。因此试验方案定为：O态试样在475℃加热铜块固溶处理10min，然后转移至成形加热铜块预冷，分别在300℃、350℃、400℃的预冷温度下保温20s 后，迅速进行拉伸试验，拉伸速度设置为0.5mm/s，设置应变率为0.02s-1。

2 特征件工艺试验

基于长度缩比后的防撞梁件模具进行典型结构件试制，其目标零件尺寸如图4 所示，目标零件截面为W 形特征截面，实际成形时零件两侧还有约30mm 的法兰部分。由于成形时外侧壁部分材料流动阻力小，外侧壁位置主要为弯曲变形，而内侧壁部分材料流动阻力大，为拉延成形，与顶面过渡区交界位置为应变最大位置，最容易发生开裂。基于该模具对材料进行增加预冷工序的HFQ成形测试，同样采用接触控温平台对零件坯料进行预冷控温，以模拟增加预冷工艺的HFQ 工艺流程。

图4 防撞梁件尺寸（mm）Fig.4 Size of anti-collision beam (mm)

根据传统HFQ 的工艺流程，首先将尺寸为250mm×200mm×1.6mm的铝合金零件坯料放置于保温475 ℃的高温加热炉中30min 进行固溶处理。固溶完成后，将铝合金零件坯料置于铜块接触控温平台上进行预冷保温，预冷温度分别设置为300℃、350℃以及400℃，在接触控温平台上保压保温10s，将坯料温度由固溶温度降温到设定预冷温度。预冷完成后，将板料迅速转移冷模上进行合模冲压成形，冲压速度276mm/s，获得成形件。最后将工件转移至185℃炉子中烘烤20min，进行人工时效处理，提升零件强度。

试验过程中零件坯料的温度变化曲线如图5 所示。

同时进行空冷条件下的成形测试，将固溶后坯料放置于冷模上空冷预冷15～20s 后进行冷模成形。试验中发现，若铝合金坯料经过F 态退火处理成O 态后进行预冷HFQ 成形，坯料经过退火处理后表面会变粗糙，改变了成形时的摩擦条件，而F 态坯料直接进行预冷HFQ 成形时表面更加光滑。因此选择了F 态和O 态两种初始状态的坯料进行成形试验对比，同时为了验证预冷工艺的必要性，对F 态坯料进行传统HFQ 工艺试验，坯料固溶后无预冷直接放在冷模上进行冲压，冲压速度保持不变，并与增加预冷工艺下的试制件进行对比。

结果与讨论

1 不同预冷温度下板料力学性能结果

试验获得的O 态材料固溶后预冷至不同温度下的真应力-真应变曲线见图6，根据式（1）选取材料均匀变形段数据进行Hollomom 本构方程参数计算，将应力σ与应变ε数据取以10 为底对数后进行线性拟合，获得拟合线条的斜率与截距，转换后得到不同温度下的K与n值。同时计算材料断裂时总位移量ΔL，按照式（2）除以标距段L计算其最大延伸率Δδ。统计计算结果如表2所示，根据计算结果，材料在预冷至350℃时n值最大，且延伸率最高，因此可预见其在350℃预冷温度下成形性最好。

2 成形工艺试验结果与分析

根据表3 预冷HFQ 工艺的试验结果，F 态坯料在300℃、350℃、400℃以及冷模上空冷预冷15s 条件下均能完好成形。而O 态坯料在试验中预冷至300℃、400℃以及冷模上空冷预冷20s 条件下都无法成形，成形件过渡区与内侧壁交界处都已经有裂缝产生，在成形性最好的350℃预冷温度下，工件相同位置也已经发生颈缩。O 态坯料与F 态坯料成形性差异巨大的原因可能有两点：（1）由于O 态坯料是经过退火处理获得，成形时其表面质量较差，改变了摩擦条件；（2）该新材料热处理流程的不同造成成形时的内部组织有差异。

图5 试验温度曲线Fig.5 Temperature curve in experiment

图6 材料测试与参数拟合Fig.6 Material test and parameter fitting

表2 拟合参数与最大延伸率Table 2 Fitting parameters and maximum elongation

表3 特征件成形试验结果Table 3 Results of forming experiment of the characteristic parts

根据如图7 所示的结果，在传统HFQ 工艺流程下，F 态坯料在固溶后直接冲压时，整体碎裂根本无法成形。对比预冷HFQ 工艺试验结果，固溶温度坯料成形性在预冷后得到了巨大提升，证明了对于高强铝合金材料，在传统HFQ 工艺中增加一步预冷工艺能够避免其在固溶温度附近成形性差造成的成形困难。

3 特征件局部强度性能测试结果

由于成形件不同位置在冷模成形时的冷却温度路线不同，为了测试成形件不同位置的材料力学性能，选用尺寸为120mm×200mm×1.6mm的F 态坯料，在同一模具上、相同预冷HFQ 工艺参数下对其进行成形试验，在每个成形件上对位于法兰、外侧壁、内侧壁以及中间顶面上等7 个典型位置进行单拉试样切割，典型位置为特征件上的平面或斜面位置以保证厚度均匀，单拉试样采用美标ASTM-E8/E8M-11[12]的尺寸要求，具体尺寸如图8 所示，成形件与试样切割位置示意如图9 所示。测量并记录每根切割试样厚度数据，发现试样上厚度变化不大，然后在Zwick 万能试验机上配合DIC 全场应变测试系统进行单拉试验，拉伸速度设置为1.5mm/min，计算获取试样应力、应变数据，计算获得每根试样的最大抗拉强度如图10 所示。

观察不同预冷条件下成形件的7 个典型位置抗拉强度，在冷模上空冷15s 条件下与300℃预冷条件下的抗拉强度比较接近，是由于坯料在冷模上空冷时法兰部分与冷模接触，传热速度比较快，坯料温度下降较快，成形时已经接近300℃。比较不同预冷条件成形件上试样2、试样3、试样5 及试样6 的抗拉强度与该材料T6 态强度差值，统计其与峰值强度的差值如表4 所示，发现在350℃预冷条件下，强度恶化最为严重，最大抗拉强度差值达到242.78MPa。且试样2、试样6 所在外侧壁位置的抗拉强度要大于试样3、试样5 所在的内侧壁位置。

根据AA7055 淬火敏感性数据[9]，其材料硬度降低到最大硬度90%时的温度时间曲线如图11 所示。由于其淬火敏感鼻尖温度在355℃附近，因此在预冷HFQ 工艺中，将预冷温度设定至350℃并保持10s 时，恰好在鼻尖温度附近停留保温，溶质原子脱溶速度最快，成形时温度曲线最先越过硬度90%转化曲线，导致成形后在人工时效阶段强化相析出不足，造成其强度恶化最为严重。强度恶化的原因也与时效时间有关，工件试制时人工时效选择20 min 的时效时间可能太短，造成强化相未完全析出。由于在不同预冷温度下保温时间越长，溶质原子脱溶越多，在成形时工件内侧壁要晚于外侧壁接触冷模，在预冷温度附近停留时间更长，所以其强度要低于外侧壁位置。