7A09鋁合金熱膨脹行為及精密鍛件尺寸誤差形成機(jī)理.pdf

1、Al-Zn-Mg-Cu(7xxx)系鋁合金是航空航天領(lǐng)域內(nèi)廣范應(yīng)用的一種結(jié)構(gòu)材料。該系鋁合金鍛件作為主要的承重部件大量地應(yīng)用在飛行器當(dāng)中。近年來(lái),航空模鍛件精密化的發(fā)展趨勢(shì)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(shí)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(shè)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(rùn)滑及熱處理等多個(gè)方面。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于鍛件終鍛成形后

2、冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的尺寸誤差的研究相對(duì)較少,相關(guān)文獻(xiàn)的研究對(duì)象主要為熱鍛件,成形材料多為不同型號(hào)的鋼鐵。盡管取得了較好的理論與實(shí)踐成果,但對(duì)于復(fù)雜鋁合金精鍛件來(lái)說(shuō),其空冷尺寸誤差形成機(jī)理及基于相變過(guò)程的鋁合金熱膨脹機(jī)理仍不具體明確,有相當(dāng)多的理論與應(yīng)用問(wèn)題需要進(jìn)行系統(tǒng)的研究。
　　本文以T6狀態(tài)的7A09鋁合金及其復(fù)雜盤(pán)類(lèi)等溫精鍛件為研究對(duì)象,通過(guò)實(shí)驗(yàn)、理論計(jì)算和有限元分析相結(jié)合的方法,研究了7A09鋁合金在變溫過(guò)程中的熱膨脹行為和復(fù)

3、雜盤(pán)類(lèi)等溫精鍛件空冷尺寸誤差的形成機(jī)理。
　　運(yùn)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(shí)驗(yàn)手段,研究了T6狀態(tài)7A09鋁合金在變溫過(guò)程(升溫與降溫)中的組織演變規(guī)律。通過(guò)理論計(jì)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(chǔ)上，結(jié)合熱膨脹系數(shù)(CTE)測(cè)量結(jié)果,分析了變溫過(guò)程中7A09鋁合金的熱膨脹行為。結(jié)果表明,在T6狀態(tài)下,7A09鋁合金的主要強(qiáng)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(yuǎn)大于 GPII區(qū)的含量。在變溫過(guò)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(zhuǎn)變。組織演變會(huì)引起附加的體積變化,同時(shí)改變合金體系的結(jié)合能水平。合金的熱膨脹系數(shù)隨溫度的變化呈現(xiàn)非線(xiàn)性變化,變化規(guī)律與組織演變過(guò)程密切相關(guān)。附加的體積和能量變化直接影響了熱膨脹曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)。
　　采用熱模擬實(shí)驗(yàn)、透射電子顯微鏡(TEM)、XRD、DSC和C

5、TE測(cè)量相結(jié)合的方法,研究了熱加工工藝參數(shù)和冷卻速率對(duì)7A09鋁合金相變過(guò)程及其熱膨脹系數(shù)的影響。研究結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)熱壓縮變形的7A09合金其線(xiàn)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(guò)程中發(fā)生的主要相轉(zhuǎn)變?yōu)棣?MgZn2)相的析出。晶內(nèi)及晶界處均有η相析出,其中晶內(nèi)析出的η相較多且均在含Cr彌散體的周?chē)魏恕＆窍嗟奈龀隽侩S冷卻速率的增大而減小,而析出轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)間則相對(duì)穩(wěn)定,不隨冷卻速率的變化而發(fā)生明顯的變化。當(dāng)冷

6、卻速率在5～50℃/min范圍內(nèi)變化時(shí),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(yīng)變速率引起了位錯(cuò)密度的差異,導(dǎo)致了熱壓縮變形態(tài)7A09合金熱收縮系數(shù)的變化。
　　通過(guò)有限元法模擬了7A09鋁合金復(fù)雜盤(pán)類(lèi)等溫精鍛件(以下代稱(chēng)目標(biāo)鍛件)的成形過(guò)程,確定了鍛件內(nèi)部的等效應(yīng)變場(chǎng)。采用紅外線(xiàn)熱像儀測(cè)溫實(shí)驗(yàn)和有限元模擬相結(jié)合的方法,確定了目標(biāo)鍛件內(nèi)部溫度梯度的分布情況。結(jié)果表明,在成形過(guò)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(cè)壁區(qū)域。在冷卻過(guò)程中,鍛件各處的溫度梯度均不相同且隨著冷卻時(shí)間的延長(zhǎng)先增大后減小,最大溫度梯度始終出現(xiàn)在凸耳和附近側(cè)壁區(qū)。
　　使用結(jié)構(gòu)光掃描儀測(cè)量了目標(biāo)鍛件的空冷尺寸變化。根據(jù)結(jié)構(gòu)光掃描測(cè)量法和B樣條曲線(xiàn)理論,提出了測(cè)量目標(biāo)鍛件特征尺寸動(dòng)態(tài)變化的方法。通過(guò)分析鍛件的空冷尺寸變化、冷卻后的表面殘余應(yīng)力分布和局部的組織特征,結(jié)合成形過(guò)程、冷卻過(guò)程數(shù)值模擬結(jié)果和7A09鋁合金的熱膨脹機(jī)理,系

8、統(tǒng)研究了目標(biāo)鍛件的空冷尺寸變化規(guī)律和誤差形成機(jī)理。結(jié)果表明,目標(biāo)鍛件中的殘余應(yīng)力包含熱應(yīng)力和相變應(yīng)力兩部分。相變應(yīng)力主要在300～430℃溫度段內(nèi)形成并在隨后的冷卻過(guò)程中產(chǎn)生松弛。目標(biāo)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(guò)程中,鍛件中位錯(cuò)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(dǎo)致較大的相變殘余應(yīng)力在該處形成。相變殘余應(yīng)力的釋放引起了鍛件尺寸的附加變化,導(dǎo)致了