镁合金多向转接头等温成形数值模拟及实验研究

张 浩，张绪虎，杜志惠，单德彬，王少华，朱秉诚

(1.中国运载火箭技术研究院，北京 100076;2.航天材料及工艺研究所，北京 100076;3.哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨 150001;4.空间物理重点实验室，北京 100076)

随着航天飞行器对减重需求的日益迫切，具有优异比强度、比刚度的高强耐热镁合金在航天领域的应用越来越广泛［1-7］.卫星天线支撑架用多向转接头也采用了高强耐热镁合金进行制造.该部件属多侧枝类复杂结构件，若采用方形锻造坯料直接机械加工的方法制造，材料的利用率不足10%，将产生严重的原材料浪费，并且生产效率低下、成本高昂.

等温模锻成形［8-10］是提高此类复杂结构件力学性能、材料利用率、加工效率的有效方案.但是，该多向接头属于多侧枝非对称结构，该类锻件成形过程中金属流动规律复杂，侧枝充填困难，容易出现折叠、充不满等缺陷，而且锻后脱模困难.

本文设计了分瓣组合模具，并采用有限元法对等温锻造工艺进行了有效的优化设计，最终采用铸锭热挤压、两步等温成形的工艺路线，成功的研制出了高强耐热镁合金多向转接头锻件.为高强耐热镁合金在航天飞行器的成功应用奠定了技术基础.

1 多向转接头成形工艺分析及模具设计

图1(a)为多向转接头三维模型图.根据零件的工艺特点，综合考虑材料、锻造加工、机械加工各环节的成本因素，设计的锻件最终形状如图1(b)所示.零件的材料利用率约为52%，相比于机械加工的不足10%提高了5倍左右.根据多向转接头模锻件的三维模型，设计了相应的模具型腔.为便于锻件脱模，采用分瓣模的方式水平向分模.模具整体造型图如图1(c)所示.

图1 多向转接头及其锻件、模具三维模型

2 多向转接头成形工艺数值模拟分析

通过对多向转接头成形过程进行有限元数值模拟，研究不同工艺方案对成形过程的影响，分析成形过程中的金属流动行为，研究锻造缺陷的形成原因及控制措施，从而得出优化的成形工艺方案指导锻造实验.

2.1 有限元模型建立及模拟方案的确定

为了研究材料在塑性变形过程中的流动行为，设定了不同的导套形状以及锻造方案进行模拟对比.最终坯料形状拟定为圆柱形坯料.此外，还分别选择两种导套形状和锻造方案，具体方案设计如表1所示.

表1 模拟方案

2.2 导套形状的确定

方案1是采用方形冲头及导套对圆柱形坯料进行成形，一次成形出零件整体外形.下压过程中，冲头的速度设定为恒定的2 mm/s，总的下压时间76 s，行程152 mm.

方案1的特点在于直接成形出零件的各个部分，坯料在锻造过程中只加热一次，有助于保持材料较高的力学性能，并能成形出完整的零件，不存在折叠等表面缺陷.但其缺点在于:首先，由于导套截面积较大，材料上部与凹模接触面积过大，导致大部分载荷不能有效的传递到需要变形的部位.第三，最终成形阶段，为了充满型腔，载荷极具增长(图2)，容易对模具产生伤害.因此，导套形状不宜采用方形.

图2 圆柱形坯料成形过程载荷-时间曲线

2.3 锻造方案的确定

方案2采用圆形导套及冲头进行零件的成形，也是采用一次下压的方案成形出最终锻件.方案2的优点在于，同样采用一次加热成形的方案，对材料力学性能造成的损失较小.相对于方案1，缩小了导套的截面积，整个锻造过程时间缩短，同时减小了坯料与冲头之间的传力面积，使得载荷更为有效的作用于填充部位.成形的零件形状完整，不存在表面和内部的折叠缺陷.

其不足之处在于，由于一次成形出锻件的转接头和上部的腹板，而在整个充填过程中，腹板的成形是在三向管道充型过程中完成的，使得在腹板已经成形后，依然有大量金属向下流入模膛，这就导致了成形腹板处金属流线被切断形成穿流缺陷(图3)，影响锻件性能.

方案3是采用二次下压的方案，分步完成整个锻件的成形，即先成形出三向管道部分，而后成形腹板.这样就能有效防止出现方案2中的流线被切断问题.

成形第一步，即转接头部分成形，第一步过程与方案2相似，只是在成形过程中少了成形腹板的过程，因此，整个变形所用的时间更短，成形时的载荷分布状况基本相同，在填充接头末端角部时，载荷上升，完成填充.成形第二步，即镦粗成形出腹板部分，这个过程所需的变形量不大，上部是一个简单的镦粗变形，其对加载和模具的要求较低.

图3 方案2成形流线情况

方案3的优点在于，结合了方案1和方案2的一些特点，有效的减小了载荷，成形锻件外形完整，并且没有内部缺陷存在.通过以上模拟分析，可以看出，采用两次锻造的分步成形方案，能有效降低成形载荷并获得良好的流线分布，是成形该零件的理想方案.而锻件的力学性能，需通过后续的热处理工艺进行调整，以达到使用的要求.

3 高强耐热镁合金等温锻造成形试验

3.1 铸锭挤压开坯

采用Φ250 mmMg9Gd3Y1Zn1Zr合金铸锭，在50 000 kN卧式水压机上进行正挤压变形，得到Φ100 mm的挤压棒材，挤压比为6，变形温度380℃，挤压速度5 mm/s.图4为挤压现场照片.

图4 镁合金棒材热挤压现场照片

3.2 锻件等温成形

试验在50000 kN锻压机上进行.变形温度为380℃，下压速率为2 mm/s，选用石墨润滑.根据有限元数值模拟结果，采取两步成形的方案.先成形出下端三向管道的部分，再成形出上端的腹板.在第一次下压时，精确控制下压量，以免锻件充型后压力过大，压坏模具.下压量为110 mm.第一次成形，基本将三向管道部分充满，如图5所示.之后将零件的飞边去掉，再将零件进行打磨抛光，以备第二次成形.通过第二次模锻成形腹板部位，在此阶段下压量的计算值应为35 mm.锻造后零件图如图6所示.零件充型完整，达到设计要求.

图5 第一次成形后的锻件

图6 两次下压成形的镁合金转接头锻件

4 多向转接头锻后热处理组织及性能研究

在多向转接头锻件上截取试样进行200℃不同时间的时效处理，拉伸实验的结果列入表2.

表2 力学性能

由表2中的数据可以看出，在T5状态的下5组性能数据的平均值除延伸率外均高于锻后未处理的状态，其中时效后的材料的抗拉强度和屈服强度得到了明显的提高.在200℃时效时间为63 h时达到时效的峰值，此时的锻件组织具有最优的综合力学性能.在该时效制度下，材料的室温抗拉强度达到了 411 MPa，屈服强度达到331 MPa，延伸率达7.3%.当时效时间为80 h时已出现明显的过时效现象，试样的抗拉强度及延伸率均出现了一定程度的下降.

5 结论

1)根据数值模拟的结果，最优化的方案为:圆形导套、两次下压的工艺方案.采用此方案可以成功的锻造出性能优良的多向转接头模锻件.

2)优化的时效处理制度为200℃ ×63 h.在该时效制度下，材料的室温抗拉强度达到了411 MPa，屈服强度达到331 MPa，延伸率达7.3%

［1］TOSHIJI M，MASASHI Y，HIROYUKI W，KENJI H.Ductility enhancement in AZ31 magnesium alloy by controlling its grain structure ［J］.Scripta Mater，2001，45(1):89-94.

［2］丁文江，付彭怀，彭立明，等.先进镁合金材料及其在航空航天领域中的应用［J］.航天器环境工程，2011，28(2):103-109.DING Wen-jiang，FU Peng-huai，PENG Li-ming，et al.Advanced magnesium alloys and their applications in aerospace［J］.Spacecraft Environment Engineering，2011，28(2):103-109.

［3］LIU Zheng，ZHANG Kui，ZENG Xiao-qin.Theory basis and application of magnesium matrix light alloy［M］.Beijing:China Machine Press，2002:9

［4］MORDIKE B L.Magnesium properties applications potential［J］.Mater Sci Eng A，2001(302):37-45.

［5］ZHANG Kui，LI Xing-gang，LI Yong-jun，et al.Effect of Gd content on microstructure and mechanical properties of Mg-Y-RE-Zr alloys［J］.Trans Nonferrous Met Soc China，2008(18):z1

［6］马鸣龙，张 奎，李兴刚，等.GWN751K镁合金热压缩实验研究［J］.材料科学与工艺，2010，18(6):868-872.MA Ming-long，ZHANG Kui，LI Xing-gang，et al.Hot compression deformation behavior of GWN751K magnesium alloy［J］.Materials Science ＆ Technology，2010，18(6):868-872.

［7］罗小萍，张敏刚，柴跃生，等.铸态 AZ81镁合金ECAP态组织与性能研究［J］.材料科学与工艺，2012，20(3):72-76.LUO Xiao-ping，ZHANG Min-gang，Chai Yue-hua，et al.Microstructure and mechanical properties of cast AZ81 magnesium alloy processed by equal channel angular pressing［J］.Materials Science＆ Technology，2012，20(3):72-76

［8］张艳秋，徐福昌，王 冠，等.复杂盘饼类铝合金锻件等温成形缺陷分析［J］.锻压技术，2008，33(5):10-14.ZHANG Yan-qiu，XU Fu-chang，WANG Guan，et al.Defects analysis of aluminum alloy disk forging with complex shape in isothermal f orging［J］.Forging ＆Stamping Technology，2008，33(5):10-14.

［9］杨 平，单德彬，高双胜，等.筋板类锻件等温精密成形技术研究［J］.锻压技术 ，2006(3)::55-58.YANG Ping，SHAN De-bin，GAO Shuang-sheng，et al.Research on isothermal precision technology of rib-web forging parts［J］.Forging ＆ Stamping Technology，2006(3):55-58.

［10］黄树海，赵祖德，肖远伦，等.镁合金等温成形技术研究及其应用［J］.精密成形工程，2009(3):7-13.HUANG Hai-shu，ZHAO Zu-de，XIAO Yuan-lun，et al.Research and applation of isothermal forming technology of magnesium alloy［J］.Journal of netshape forming engineering，2009(3):7-13.