7A09鋁合金熱膨脹行為及精密鍛件尺寸誤差形成機理.pdf

1、Al-Zn-Mg-Cu(7xxx)系鋁合金是航空航天領域內廣范應用的一種結構材料。該系鋁合金鍛件作為主要的承重部件大量地應用在飛行器當中。近年來,航空模鍛件精密化的發(fā)展趨勢愈發(fā)明顯,要求在確保組織性能的前提下使鍛件具有更高的成形精度,以期最終實現(xiàn)鍛件的近凈成形。影響精密鍛件精度的主要因素包括:材料的成形性能、成形設備和模具的精度、成形工藝、鍛件和模具的彈性變形(回彈與熱脹冷縮)、潤滑及熱處理等多個方面。目前,國內外學者對于鍛件終鍛成形后

2、冷卻過程中產生的尺寸誤差的研究相對較少,相關文獻的研究對象主要為熱鍛件,成形材料多為不同型號的鋼鐵。盡管取得了較好的理論與實踐成果,但對于復雜鋁合金精鍛件來說,其空冷尺寸誤差形成機理及基于相變過程的鋁合金熱膨脹機理仍不具體明確,有相當多的理論與應用問題需要進行系統(tǒng)的研究。
　　本文以T6狀態(tài)的7A09鋁合金及其復雜盤類等溫精鍛件為研究對象,通過實驗、理論計算和有限元分析相結合的方法,研究了7A09鋁合金在變溫過程中的熱膨脹行為和復

3、雜盤類等溫精鍛件空冷尺寸誤差的形成機理。
　　運用高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)、掃描電鏡(SEM)、差示掃描量熱分析(DSC)等實驗手段,研究了T6狀態(tài)7A09鋁合金在變溫過程(升溫與降溫)中的組織演變規(guī)律。通過理論計算分析了相變所引起的合金體系的體積與能量變化。在上述研究的基礎上，結合熱膨脹系數(shù)(CTE)測量結果,分析了變溫過程中7A09鋁合金的熱膨脹行為。結果表明,在T6狀態(tài)下,7A09鋁合金的主要強化相是η'(MgZn

4、)相和Guinier-Preston II(GPII)區(qū),且合金中的η'相的含量遠大于 GPII區(qū)的含量。在變溫過程中,7A09鋁合金的組織演變主要體現(xiàn)為第二相的析出、溶解與轉變。組織演變會引起附加的體積變化,同時改變合金體系的結合能水平。合金的熱膨脹系數(shù)隨溫度的變化呈現(xiàn)非線性變化,變化規(guī)律與組織演變過程密切相關。附加的體積和能量變化直接影響了熱膨脹曲線的變化趨勢。
　　采用熱模擬實驗、透射電子顯微鏡(TEM)、XRD、DSC和C

5、TE測量相結合的方法,研究了熱加工工藝參數(shù)和冷卻速率對7A09鋁合金相變過程及其熱膨脹系數(shù)的影響。研究結果表明,經(jīng)過熱壓縮變形的7A09合金其線膨脹率未隨工藝參數(shù)的變化而發(fā)生規(guī)律性變化。7A09合金在冷卻過程中發(fā)生的主要相轉變?yōu)棣?MgZn2)相的析出。晶內及晶界處均有η相析出,其中晶內析出的η相較多且均在含Cr彌散體的周圍形核。η相的析出量隨冷卻速率的增大而減小,而析出轉變的溫度區(qū)間則相對穩(wěn)定,不隨冷卻速率的變化而發(fā)生明顯的變化。當冷

6、卻速率在5～50℃/min范圍內變化時,固溶態(tài)和熱壓縮變形態(tài)7A09合金的熱收縮系數(shù)隨著冷卻速率的增大而增大。不同應變速率引起了位錯密度的差異,導致了熱壓縮變形態(tài)7A09合金熱收縮系數(shù)的變化。
　　通過有限元法模擬了7A09鋁合金復雜盤類等溫精鍛件(以下代稱目標鍛件)的成形過程,確定了鍛件內部的等效應變場。采用紅外線熱像儀測溫實驗和有限元模擬相結合的方法,確定了目標鍛件內部溫度梯度的分布情況。結果表明,在成形過程中,鍛件各部分的變

7、形量不同,最大塑性變形集中出現(xiàn)在凸耳和附近側壁區(qū)域。在冷卻過程中,鍛件各處的溫度梯度均不相同且隨著冷卻時間的延長先增大后減小,最大溫度梯度始終出現(xiàn)在凸耳和附近側壁區(qū)。
　　使用結構光掃描儀測量了目標鍛件的空冷尺寸變化。根據(jù)結構光掃描測量法和B樣條曲線理論,提出了測量目標鍛件特征尺寸動態(tài)變化的方法。通過分析鍛件的空冷尺寸變化、冷卻后的表面殘余應力分布和局部的組織特征,結合成形過程、冷卻過程數(shù)值模擬結果和7A09鋁合金的熱膨脹機理,系

8、統(tǒng)研究了目標鍛件的空冷尺寸變化規(guī)律和誤差形成機理。結果表明,目標鍛件中的殘余應力包含熱應力和相變應力兩部分。相變應力主要在300～430℃溫度段內形成并在隨后的冷卻過程中產生松弛。目標鍛件以徑向收縮為主要的尺寸變化形式,各方向徑向尺寸的收縮程度不一致,且凸耳部位有微小畸變出現(xiàn)。在空冷過程中,鍛件中位錯密度和溫度梯度最大的部位η相的不均勻析出現(xiàn)象最為明顯,導致較大的相變殘余應力在該處形成。相變殘余應力的釋放引起了鍛件尺寸的附加變化,導致了