2A12铝合金半固态触变成形研究

郭晓琳 东 栋 王志敏 姜巨福



2A12铝合金半固态触变成形研究

郭晓琳1东 栋1王志敏1姜巨福2

（1. 北京航星机器制造有限公司，北京 100013；2. 哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨 150001）

利用锻态变形铝合金具有大量等轴晶和高能状态的拉长晶的微观组织优势，提出了锻态变形铝合金直接半固态等温处理制备半固态料坯（WASSIT），实现低成本半固态坯料制备。利用2A12铝合金半固态坯料的制备验证了该方法的可行性。研究发现：利用热轧状态的2A12板材，在620℃半固态等温处理温度，保温时间为25mins，能够制备出晶粒细小、球化程度高的半固态坯料。在此基础上，还成功触变模锻成形了高性能复杂零件。力学测性能测试结果表明，抗拉强度最高为490MPa，延伸率最大为18.2%。

变形铝合金；半固态坯；等温处理；触变成形

1 引言

变形铝合金具有密度小、比强度高、耐蚀性和成形性好、成本低等一系列优点，在航空、航天及兵器工业都有着广泛的应用前景。在众多的轻量化材料中，铝合金以其独特的性能优势成为使用最多的轻量化金属材料。减重的需求也成为航空、航天领域人员的共同宿愿[1，2]。

在铝合金众多制造方法中，铸造工艺简单，可以成形绝大多数形状的零件，但其性能由于工艺本身的缺陷常常不易满足使用要求；而锻造会提高加工成本，且工艺流程长，零件形状也不能太复杂。因此，需要寻找一种工艺简单、成本低廉而性能又能满足使用要求的新方法。20世纪70年代美国MIT的M.C. Fleming提出的半固态触变成形技术具有这一优势[3～5]。半固态触变成形技术是一种继承了铸、锻工艺综合优点的近净成形技术[6～8]。与铸造相比，半固态触变成形技术具有成形温度低、设备寿命长、制件精度高、组织均匀及其力学性能高等优点；与固态锻造相比，它的显著优点是用较小的力、较低的成本一次成形出形状复杂、力学性能接近于锻件的结构零件[9～12]。

航天领域内有这样一类支架类产品，他们既具有复杂的形状又具有较高的力学性能要求。对于这样一类结构件的成形制造问题，铸造虽然能够成形出产品的复杂形状，但是产品的力学性能方面难以满足要求；锻造虽然在产品性能方面有优势，但是难以成形出复杂形状。因为铝合金在半固态下具有层流的充填能力，可以充填成形出复杂形状结构件，而且，半固态触变成形也是在一定高压下进行充填，固相晶粒也会产生塑性变形流动，这对于提升产品的力学性能方面非常有益。所以，对于上述支架类产品半固态触变成形技术具有很好的应用前景。

本文结合变形铝合金自身的微观组织特征及半固态触变成形的技术特点提出了一种锻态的变形铝合金直接半固态等温处理制备半固态坯料方法，并验证该制坯方法的短流程、低成本优势以及半固态触变成形的精密成形性优势。

2 实验过程

2.1 半固态等温处理实验

图1 2A12铝合金DSC曲线

选用2A12锻造铝合金材料，由轧制板材供货。首先研究2A12铝合金在半固态等温处理过程中的微观组织演变规律。利用示差扫描量热（DSC）分析方法研究2A12材料固、液相线温度，以确定2A12材料的半固态温度区间，便于制定半固态等温处理温度。由图1可以看出，2A12铝合金的半固态温度区间为：543～641℃。

在确定具体半固态坯料制备工艺参数之前，还要根据DSC数据结果研究2A12铝合金材料在半固态等温处理条件下的微观组织演变规律，为制定合理的半固态等温处理工艺参数提供技术支撑。将2A12铝合金材料切成8mm×8mm×10mm的长方体，然后将其利用电阻炉加热至不同的半固态温度，保温25min。利用金相显微镜观察不同等温处理温度下的微观组织形貌。

2.2 半固态触变成形实验

选取航天领域某典型零件作为半固态触变成形研究目标，如图2所示。图3是半固态触变挤压模具凸模组装后的宏观照片和铝合金下料后形貌以及半固态坯料制备后形貌。

a 正面 b 背面

a 模具 b 下料后形貌 c 制坯后形貌

利用梯角螺栓将支架半固态挤压模具与液压机固定安装。采用电阻丝加热方式保证模具温度为400℃。实验中使用的通用液压机为5000kN。热处理方面，2A12热处理温度较常规锻抬热处理温度低20℃左右。研究发现对于2A12铝合金半固态触变成形件最优热处理制度（T4）为：470℃固溶1h+自然时效。此外，还采用T6热处理研究其对组织性能的影响规律。具体T6热处理制度为：470℃固溶1h+190℃1h+120℃24h。

3 实验结果及讨论

3.1 锻态变形铝合金直接半固态等温处理制备半固态坯

目前，铝合金半固态触变成形技术的主要工业应用是触变压铸、触变锻造和触变挤压[13]。在液压机上进行半固态触变锻造和触变挤压是近些年来重要的发展方向。因为在液压机上进行半固态触变锻造和触变挤压设备投入少，技术成本低，而且成形零件质量高。

而在液压机上进行铝合金半固态触变成形的主要困难就是坯料的制备。搅拌法需要制浆和冷却的设备，会增加使用成本，等温处理法又难以获得合格坯料，因此应变诱导-熔化激活（SIMA）[14～16]和再结晶-重熔（RAP）法有很好的应用前景[17～19]。应变诱导熔化激活该方法是将铸态坯料在再结晶温度以上进行热加工，然后在室温在进行冷加工，再将其加热至半固态温度进行等温处理，从而获得半固态坯料的方法。

图4 锻态变形铝合金等温处理技术示意图

本研究中提出了一种新的变形铝合金半固态坯制备方法，即锻态变形铝合金直接半固态等温处理方法（WASSIT）。该方法的过程为：首先将铸态变形铝合金坯料进行再结晶温度以上的热变形，然后冷却至室温后无需冷加工，再直接加热至半固态温度保温。因为热加工之后的变形铝合金坯料中具有等轴晶和拉长晶。其中拉长晶中存在大量位错缠结和塞积，还存在大量的亚晶界，这些非稳定状态的产物在从室温加热至半固态固相线温度过程中会发生二次的动态再结晶。从而使拉长晶发生微观组织形貌转变，形成大量的等轴晶。这样在半固态等温处理之前，变形铝合金坯料的微观组织形貌就是以大量的等轴晶为主。球化后可以制备高质量的半固态坯料（图4）。

此方法的优势明显。可以利用现有的热轧板材和热挤压棒材根据所触变成形的零件体积和余量进行下料，将其加热至半固态温度等温处理后进行半固态触变成形，这使得半固态坯料制备过程大大缩短。加上半固态坯料的低变形抗力和好的充填能力，使之在成形高性能复杂构件方面极具技术优势。

3.2 A12铝合金半固态坯料制备

图5是2A12铝合金在不同半固态等温处理温度条件下微观组织演变过程。保温时间为25min。当等温处理温度为570℃时，其微观组织中还存在明显的拉长晶粒。这说明当等温处理温度为570℃时，再结晶过程还没有完全完成。需要进一步升高温度来提供再结晶需要的动力。当等温处理温度提升至590℃，其再结晶已经完成，并且有球化趋势。当温度进一步提升，2A12铝合金半固态坯料中固相晶粒尺寸进一步增加，球化效果进一步提升。当温度提升至615℃和620℃时，其微观组织中固相晶粒球化效果已经比较理想。所以结合2A12铝合金在半固态温度下微观组织演变规律和实际操作经验，2A12铝合金半固态等温处理工艺参数确定为：等温处理温度为615℃，保温时间25min。

a 570℃ b 590℃ c 600℃ d 610℃ e 615℃ f 620℃

3.3 典型复杂零件半固态触变模锻实验研究

a 成形零件 b 取样位置

图6是利用锻态变形铝合金直接半固态等温处理制备的2A12铝合金半固态触变模锻的典型复杂零件和取样位置。该零件拔模斜度为1°，没有圆角半径，其成形精密程度高于精锻。这充分证明，半固态触变成形技术具有很好的模具充填能力，能够成形复杂结构零件。图6b是力学性能测试和微观组织分析的取样位置。从构件的底部、侧壁和上部截取试验，进行力学性能测试。

如图7所示，半固态触变挤压成形的2A12铝合金支架热处理前的力学性能达到：抗拉强度为354MPa，延伸率为14.6%。经过T6热处理，成形制件的力学性能达到：抗拉强度大于424MPa，延伸率大于8.8%。经过T4热处理，成形制件的力学性能达到：抗拉强度大于490MPa，延伸率大于18.2%。研究结果表明，对于半固态触变挤压成形的2A12铝合金支架而言，T4热处理工艺较T6热处理工艺更好。因为经过T4热处理之后，半固态触变挤压成形的支架的力学性能更高。所以，对于2A12铝合金半固态触变成形件最优热处理制度（T4）为：470℃固溶1h+自然时效。

a 试样未热处理 b 试样T6热处理 c 试样T4热处理

4 结束语

a. 利用锻态变形铝合金的微观组织优势（等轴晶+拉长晶），提出了锻态变形铝合金直接半固态等温处理制备半固态坯新方法（WASSIT）。该方法能够直接利用现有热轧板材和热挤压棒材直接分割后半固态等温处理获得半固态坯料。该方法成本低，流程短。

b. 利用锻态变形铝合金直接半固态等温处理方法成功制备了高质量的2A12铝合金半固态坯料，研究了不同处理温度条件下坯料的微观组织演变规律。最终确定参数为：加热温度620℃，保温时间25min。

c. 利用WASSIT方法制备的2A12变形铝合金半固态坯成功触变模锻成形了典型复杂高性能零件。零件T4处理的抗拉强度达到490MPa，延伸率达到18.2%。

1 石其年，熊惟皓. 铝合金在汽车中的应用与发展[J]. 材料与表面处理技术. 2006 (12)：55～58

2 张钰. 铝合金在航天航空中的应用[J]. 铝加工，2009(3)：50～53

3 Spencer D B. Rheology of liquid-solid mixtures of lead-tin [D]. USA: MIT, 1971

4 Spencer D B, Mehrabian R, Flemings M C. Rheological behavior of Sn-15 pct Pb in the crystallization range[J]. Metall Trans B 1972, 3:1925～1932

5 Flemings M C. Behavior of metal alloys in the semisolid state[J] Metall Trans B 1991, 22A:957～981

6 Plato Kaprnos. Semi-solid metal processing-a process looking for a market[J]. Solid State Phenomena. 2008, 141～143:1～8

7 罗守靖，姜巨福，杜之明. 半固态金属成形研究的新进展、工业应用及其思考[J]. 机械工程学报，2003，39(11)：52～60

8 Jufu Jiang, Ying Wang, Yuanfa Li, et al. Microstructure and mechanical properties of the motorcycle cylinder body of AM60B magnesium alloy formed by combining die casting and forging[J]. Materials & Design, 2012, 37:202～210

9 Jufu Jiang, Ying Wang, Xi Nie, et al. Microstructure evolution of semisolid billet of nano-sized SiCp/7075 aluminum matrix composite during partial remelting process[J]. Materials & Design, 2016, 96:36～43

10 Jufu Jiang, Ying Wang. Microstructure and mechanical properties of the rheoformed cylindrical part of 7075 aluminum matrix composite reinforced with nano-sized SiC particles[J]. Materials & Design, 2015, 79:32～41

11 Kiuchi M, Kopp R. Mushy/Semi-Solid Metal Forming Technology-Present and Future[J]. CIRP Ann Manuf Techn 2002, 51:653～70

12 康永林，毛卫民，胡壮麒. 金属材料半固态加工理论与技术[M]. 北京：科学出版社，2004

13 毛卫民，钟雪友. 半固态金属成型技术[M]. 北京：机械工业出版社，2004

14 Young K P, Kyonka C P, Courtois J A. Fine Grained metal composition. US4415374[P], 1982-03-30

15 Saklakoglu N, Saklakoglu I E, Tanoglu M, et al. Mechanical properties and microstructural evaluation of AA5013 aluminum alloy treated in the semi-solid state by SIMA process[J]. J Mater Process Technol, 2004, 148:103～107

16 Lee Sang-Yong, Lee Jung-Hwan, Lee Young-Seon. Characterization of Al 7075 alloys after cold working and heating in the semi-solid temperature range[J]. J Mater Process Technology, 2001, 111:42～47

17 Kirkwood D H, Sellars C M, Elias Boyed L G. Thixotropic materials. European Patent 0305375[P], 1992-10-28

18 Atkinson H V, Burke K, Vaneetveld G. Recrystallisation in the semi-solid state in 7075 aluminium alloy[J]. Mater Sci Eng A, 2008, 490:266～76

19 Atkinson H V, Liu D. Microstructural coarsening of semi-solid aluminium alloys[j]. Mater Sci Eng A, 2008, 496:439～46

Semi-solid Thixoforming Research on 2A12Aluminum Alloy

Guo Xiaolin1Dong Dong1Wang Zhimin1Jiang Jufu2

(1. Beijing Hangxing Machinery Manufacturing Co., Ltd，Beijing 100013；2. School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001)

The semi-solid billet was prepared by the forging wrought aluminum alloy semi-solid isothermal treatment (WASSIT) directly because there is large amount of equiaxed grains and high energy elongated grains in the forging wrought aluminum alloy. The semi-solid billet was prepared at low cost in this way. The method was verified by the experiment. It is found that the semi-solid billet with fine grain sizes and highly spheroidization could be prepared by using the 2A12 hot rolling plate with condition at 620℃ for 25mins. On this basis, the high performance complex parts are formed by the thixoforming forging forming successfully. The test results of mechanical properties show that the maximum tensile strength is 490MPa, the maximum elongation is 18.2%.

wrought aluminum alloy；semi-solid billet；isothermal treatment；thixoforming

郭晓琳（1980），博士，材料加工专业；研究方向：热成形及技术创新。

2017-11-20