7075鋁合金同步冷卻熱成形研究
陳國亮1,2,陳明和2,王寧2,孫家偉2,王春艷1
（1. 常州機電職業技術學院，常州 213164；2. 南京航空航天大學機電學院，南京 210016）
摘要：對H18態7075鋁合金板料進行同步冷卻熱成形+人工時效處理，研究了其宏觀形貌、回彈量、顯微組織和力學性能，并與傳統冷壓成形后的試樣進行了對比，探究7075鋁合金板料進行同步冷卻熱成形的可行性，分析了該工藝對7075鋁合金成形零件的宏觀形貌、顯微組織和力學性能的影響。結果表明：同步冷卻熱成形工藝適用于7075鋁合金成形零件生產；相對于傳統的冷沖壓+固溶處理工藝，同步冷卻熱成形工藝能在不增加成本的基礎上，顯著降低回彈提高試樣成形精度；同步冷卻熱成形后的7075鋁合金在經過120℃/24h的時效處理以后，其屈服強度和抗拉強度分別為553.98MPa和635.08MPa，滿足相關標準中T6態7075鋁合金的性能要求。
Investigation of Hot Forming Process with Synchronous Cooling for 7075 Aluminum Alloy
CHEN Guoliang1,2，CHEN Minghe2，SUN Jiawei2，WANG Ning2，WANG Chunyan 1
（1. Changzhou Institute of Mechatronic Technology, Changzhou 213164, China； 2. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Mechanical and Electrical College, Nanjing 210016, China.）
Abstract: Hot forming process with synchronous cooling experiments and aging treatment experiment on H18 temper 7075 aluminum alloy sheets were performed. Dimension measuring and tensile tests of final samples were carried out to investigation the influence of hot forming process with synchronous cooling on this aluminum alloy. Results show that hot forming process with synchronous cooling can be applied in the production of 7075 aluminum alloy parts. It will improve dimension accuracy of parts by reduce the springback of parts, and avoid the warp distortion of parts caused by solution treatment. After 120℃/24h aging treatment, the yield strength and tensile strength of 7075 aluminum alloy formed with the hot forming process with synchronous cooling is 553.98MPa and 635.08MPa.The mechanical properties, which are less than the sample formed by traditional technology, but meet relevant standards requirements of 7075-T6.
0 引言
可熱處理鋁合金的同步冷卻熱成形工藝 [1-3]是一種由高強鋼熱沖壓技術[4-6]演化而來的新工藝，該工藝可同時對可熱處理鋁合金板料進行沖壓成形和固溶處理。與冷沖壓技術[7]相比，同步冷卻熱成形工藝在高溫下進行成形，此時可熱處理鋁合金的成形性能得到很大的改善，因此，零件的成形精度較高[8-9]。與傳統溫、熱成形技術[10-11]相比，同步冷卻熱成形工藝只需加熱板料而無需加熱模具，因此能耗較低，而且該工藝可以通過調整板料的加熱時間來控制晶粒尺寸避免出現晶粒過大。與傳統固溶處理技術[12,13]相比，同步冷卻熱成形工藝在封閉的模具中對板料進行快速冷卻，可避免因熱脹冷縮而導致的翹曲變形[14]。由此可見，同步冷卻熱成形工藝可以在提高可熱處理鋁合金成形性能的基礎上，提高零件成形精度、降低縮短生產周期和成本，極具發展潛力。
目前，對可熱處理鋁合金同步冷卻熱成形工藝的研究很少。GARRET等[8]對AA6082鋁合金的同步冷卻熱成形工藝進行了可行性研究；英國帝國理工學院的研究人員研究了同步冷卻熱成形條件下的AA6082[9]、AA2024[14]鋁合金的成形性能和斷裂機理。國內南京航空航天大學的研究人員利用熱成形模擬機對H18態AA6016鋁合金進行了同步冷卻熱成形相關模擬研究，發現AA6016鋁合金的成形性能得到了大幅度提高，成形后的強度較原始狀態有較大提高[1]；另外還發現同步冷卻熱成形工藝可以提高自然時效態AA2024鋁合金強度[15]。作為可熱處理鋁合金的一種，7075鋁合金在航空、航天領域應用廣泛[16-18]，但對于該鋁合金的同步冷卻熱成形工藝未見報道。
為了研究7075鋁合金同步冷卻熱成形的可行性，作者對H18態7075鋁合金進行了同步冷卻熱成形及傳統冷沖壓成形試驗，對比分析了不同工藝制成試樣的回彈量、外觀尺寸、顯微組織，以及人工時效處理后試樣的力學性能。
1 試樣制備與試驗方法
試驗材料為西南鋁業生產的厚度為0.8 mm的H18態7075鋁合金，其主要化學成分為0.38%Si，0.3%Fe，1.6%Cu，0.25%Mn，2.4%Mg，0.26%Cr，5.7%Zn，0.16%Ti，其余Al。用剪板機將H18態7075鋁合金加工成184mm×80mm×0.8mm毛坯，長度方向沿合金的軋制方向。
圖1 同步冷卻熱成形模具示意
Fig.1 Hot Forming mold with Synchronous Cooling
將H18態7075鋁合金毛坯在電爐中加熱到465 ℃，保溫5min，然后快速移入裝在高速液壓機上的同步冷卻熱成形模具（如圖1所示）中進行同步冷卻熱成形并保壓1min，然后取出試樣，接著對試樣進行120℃×24h的人工時效處理。成形后試樣的尺寸如圖1所示。
為了對比分析同步冷卻熱成形工藝對7075鋁合金成形性能及材料性能的影響，還對7075鋁合金毛坯進行了冷沖壓成形+固溶+時效試驗，具體試驗方法如下：分別將H18態和O態7075鋁合金毛坯在如圖1所示的同一套模具中先冷沖壓成形，隨后對試樣進行固溶處理（465 ℃×5min、水淬），最后進行120℃×24h的人工時效處理。其中O態7075鋁合金毛坯是由H18態毛坯在電爐中于400 ℃保溫2.5 h，再經10 h降溫至200 ℃，最后隨爐冷卻獲得。另外，由于先固溶處理再冷沖壓成形最后時效處理的工藝組合在可熱處理鋁合金成形零件的生產中也較為常見，因此作者還選用H18態7075鋁合金毛坯進行了先固溶處理再冷沖壓成形最后人工時效的對比試驗，試驗中固溶處理和冷沖壓成形之間的時間間隔小于30min，其余各工藝參數均同上。為了便于描述，將同步冷卻熱成形+時效工藝，冷沖壓成形+固溶+時效工藝，固溶+冷沖壓成形+時效工藝分別簡稱為1#工藝，2#工藝和3#工藝。
分別在不同工藝獲得的試樣上的R5圓角處截取金相試樣，拋光后，用HF，HCl，HNO3，H2O體積比為2:3:5:190的科爾試劑腐蝕，用 OLYMPUS PME 光學顯微鏡觀察顯微組織。
利用角度尺對不同工藝獲得的試樣上60°彎曲角進行測量，將測得的實際角度與設計角度的差值即為試樣的回彈角。試驗過程中對回彈角的測量緊接著試樣的成形工序。
利用線切割在時效處理后的試樣上截取拉伸試樣，取樣位置和試樣尺寸如圖2所示，拉伸試樣的標距為25.4mm，厚度則利用千分尺測量實際尺寸。在RG2000-20型拉伸試驗機上進行拉伸試驗，拉伸試驗過程中試樣的應變速率為0.00025s-1，拉伸機橫梁運動的控制誤差小于2%。
(a) 取樣位置 (b) 尺寸
圖2 拉伸試樣的取樣位置及尺寸
Fig.2 Sampling location and dimension of uniaxial tensile test specimen：(a) Sampling location （b）Dimension
2 試驗結果與討論
2.1成形精度
不同工藝方案獲得的最終試樣如圖3所示。可以看出，1#工藝（同步冷卻熱成形+時效處理）獲得的試樣外形平整，沒有翹曲；而2#工藝（冷沖壓成形+固溶+時效處理）獲得的試樣，由于固溶處理的冷卻過程中劇烈的熱脹冷縮導致塑性變形，自由形狀區域發生了較大的翹曲；3#工藝（固溶+冷沖壓成形+時效處理）獲得的試樣，雖然在成形過程中消除了部分在固溶處理過程中產生的翹曲變形，但回彈導致試樣兩邊的自由形狀區域仍有部分翹曲變形保留了下來。
（a）1#工藝，H18態 （b）2#工藝，O態 （c）2#工藝，H18態 （d）3#工藝，H18態
圖3 不同工藝成形不同狀態試樣的宏觀形貌
Fig.3 Appearance of samples under different forming process：（a）1# process program, H18 temper; (b) 2# process program, O temper；(c) 2# process program, H18 temper and (d) 3# process program, H18 temper
試驗測得，同步冷卻成形后H18態試樣的回彈角為0.03°，冷沖壓成形后H18態和O態試樣的回彈角分別為2.66°和1.37°，固溶+冷沖壓成形后H18態試樣的回彈角為10.34°。試驗中同步冷卻成形是在高溫下進行彎曲成形，高溫下7075鋁合金的塑性好且屈服強度低，所以所獲得的試樣回彈量最小。而對比試驗中7075鋁合金是在室溫下進行彎曲成形，成形回彈主要受到毛坯材料性能的影響，其中O態毛坯是由H18態毛坯退火得到，屈服強度有所降低，所以冷沖壓成形的回彈角小于H18態毛坯的情況；經過固溶處理以后的7075鋁合金板料，由于大量的合金原子融入Al基體產生固溶強化作用使得屈服強度增加，因此先固溶處理后冷沖壓所得到試樣的回彈角最大。
綜上可見，同步冷卻熱成形后的形狀及尺寸精度明顯優于傳統冷沖壓成形后的。
2.2 顯微組織
由圖4可以看出，在3種工藝下成形后，H18態和O態試樣均已完全再結晶，在α（Al）基體上殘存一些彌散質點，這些質點為未溶解的合金相；4種試樣的顯微組織沒有明顯的不同，晶粒大小、形狀基本一致；殘留相的尺寸、形狀以及分布情況也大致相同。可見，同步冷卻熱成形后試樣的顯微組織與傳統的冷沖壓成形+固溶處理后的相似，將大量的強化相原子融入到了α（Al）基體之中，并在后續的時效處理過程中析出，生成細小的強化相 （MgZn2）。
（a）1#工藝，H18態 （b）2#工藝，H18態
（c）2#工藝，O態 （d）3#工藝，H18態
圖4 不同工藝成形后不同狀態試樣的顯微組織
Fig.4 Microstructures of samples under different forming process：（a）1# process program, H18 temper; (b) 2# process program, O temper；(c) 2# process program, H18 temper and (d) 3# process program, H18 temper
2.3 力學性能
由表1可以看出：1#工藝成形后，H18試樣的抗拉和屈服強度分別為553.96，635.08 MPa，略低于2#和3#工藝成形后的強度；2#和3#工藝成形后，H18態試樣的強度相近，且接近于2#
