锻造技术在轻金属中的应用

田世伟，江海涛，张业飞，蔺宏涛，张贵华，徐哲

（1.北京科技大学 高效轧制国家工程研究中心，北京 100083；2.湖南省涟源钢铁集团，湖南 娄底 417600；3.湖南湘投金天钛金属股份有限公司，长沙 410006；4.中国船舶工业综合技术经济研究院，北京 100081）

随着科技的进步和社会的发展，各行各业对材料的制备提出了越来越高的要求。在航空航天、汽车、能源等重要领域，轻量化合金如钛合金、铝合金以及镁合金等结构件得到了越来越多的应用[1—3]。

自18 世纪发明自由锻水压机以来，伴随着金属塑性成形理论的不断丰富与完善，锻造已经成为一种先进的制造方式。机械工业中一些对力学性能要求较高的零部件大多采用锻造的工艺进行生产。大型锻件的生产是国家综合实力的体现，大型复杂结构件如国产C919/C929 飞机整体框、潜艇壳体结构、大型运载火箭外壳都需要依靠锻造工艺来完成。自2010 年以来，我国每年的锻件生产量都超过1000 万t，但我国锻件产量中精锻件占比较低，仅为9%，大幅落后于日本的36%和德国的37%，且我国的精锻件多为小型件，品种单一[4]。20 世纪末，美国、日本以及欧洲纷纷制定了中长期的锻造工艺发展规划。2015 年，《中国制造2025》中也对包含锻造在内的先进制造提出了数字化和智能化的要求。

文中将介绍目前锻造工艺以及锻造技术在钛合金、铝合金以及镁合金等轻量化合金零部件上的应用，并对锻造的数字化应用以及未来的发展趋势进行展望。

1 锻造技术

锻造是一种通过对金属坯料施加压力，使其进行塑性变形以获得一定力学性能且符合尺寸要求的加工方法。按照生产工艺的不同，锻造工艺可以分类为：自由锻、模块锻造以及特种锻造。按照锻造温度，又可以将锻造技术分类为：热锻、温锻和冷锻。目前，一种近净成形技术，即精密锻造技术得到了越来越多的应用，其主要包括：等温锻造、多向锻造、热模锻造以及铸-锻复合成形技术等。

1.1 自由锻造

自由锻对设备要求低、操作简单、成本较低。自由锻分为手工自由锻和机器自由锻。手工自由锻依靠人力，利用工具对坯料进行锻打，主要生产小型零部件。机器自由锻根据所使用的设备类型不同，又分为锻锤自由锻和水压机自由锻[5]，但自由锻生产效率和材料利用率较低，产品的一致性较差。

1.2 等温锻造

在常规锻造过程中，毛坯热量散失，接近模具的坯料温度出现下降，导致变形抗力升高，材料的塑性变形能力下降。这一方面对锻压设备提出了更高的要求，另一方面，锻件容易出现开裂等缺陷，造成原材料的浪费。等温锻造作为一种新兴技术，其在锻造过程中，将模具和坯料的温度保持一致，随后通过较低的变形速率成形[6—7]。在变形过程中，坯料处于动态再结晶软化的状态，使变形抗力较低，且获得的微观组织也较为优异。等温锻造对锻压设备和模具也具有较高的要求：锻压设备需要具有良好的调控精度，保证较低的变形速率；模具材料需要在锻造温度下保持足够的强度及力学稳定性，并且不能发生氧化。

1.3 多向锻造

多向锻造技术是一种大塑性变形工艺[8]，锻件在变形过程中载荷加载方向不断改变，即在不同方向上对坯料进行多道次锻造。一般来说，多向锻造温度常常低于再结晶温度，随着锻造方向不断的改变，锻坯内部“死区”得到消除，并且得到组织细小、均匀、各向异性较弱的微观组织。多向锻造过程中的晶粒细化机制主要是形变和热机械变形的诱导作用。多向锻造技术对设备要求不高、适用性较强，可用于制备较大体积的块体材料。

2 钛合金锻造研究

钛被称为仅次于钢和铝的“第三金属”，钛及钛合金具有良好的性能表现（高比强度、优异的耐腐蚀性能、抗高温、无磁性等），已经在航空航天、汽车工业、化工、能源等行业得到了广泛应用。钛合金的冷加工成形比较难以实现，通常通过热加工成形的方式进行钛合金零部件的制备。钛合金的锻造成形需要在较窄的温度窗口内实现，这是因为温度过低时，钛合金变形过程中容易产生裂纹等缺陷，而当温度过高时，又面临着组织粗大的问题。钛合金的“β锻造”存在塑性差的缺点，可以通过合适的热处理及控冷工艺进行改善。钛合金的“α+β两相锻造”则存在断裂强度低、韧性差的缺点，且加工余量较大。

目前，针对钛合金的锻造技术，科研人员做了大量研究。冯朝辉等[9]利用机械压力机恒载荷精密模锻技术生产了TC4 钛合金全髋关节。在两相区进行锻造后，该髋关节可以省略机加工工序，仅经过表面光饰后就植入人体，且力学性能达到美国医用标准（ASTM F620）。使用精密锻造技术生产的高品质人工关节具有更好的锻造流线、性能以及对人体较低的不良影响。关于钛合金粉末成形，目前李婷[10]报道了一种新型钛合金加工技术——先将钛合金粉末制坯，随后通过精密锻造的方式进行近净成形。Zhao 等[11]通过热模拟压缩试验和热加工图计算得到了Ti-17 粉末压块的理想热加工区间。经过等温锻造后，Ti-17原始粗大晶粒破碎分解，形成大量超细再结晶晶粒并均匀分布在β基体中，使相应的力学性能得到大幅度提升。Luo 等[12]研究了摩擦的存在对钛合金锻造件微观结构的影响，发现当改善润滑条件时，片层状α+β组织受影响较小，而α相含量明显上升，β相含量下降，并且α相和β相的分布均匀性出现下降。Zhang等[13]对选择性激光熔融（SLM）工艺制备的Ti-6Al-4V合金进行了精密锻造，锻造后微观组织中β相含量升高。研究还发现高的应变速率和大变形可以降低组织孔隙率，最大降幅达到74.6%，并改善疲劳性能，同时当经过锻造和水淬后，合金水平与垂直截面之间的显微硬度差异下降，各向异性得到了优化。Zhang 等[14]为了改善具有网络架构的烧结态TiBw/TA15 复合材料的力学性能，对其进行了多向锻造，发现锻造后材料的极限拉伸强度和最大伸长率表现出较好的均匀性，并且相比烧结态分别提升了8.4%和160%。

在钛基合金中，TiAl 合金以低密度、高比强度、优异的抗高温氧化和抗蠕变性能得到了众多科研人员的关注，但由于其基体主要为γ-TiAl（面心四方）及α2-Ti3Al（密排六方）相，其加工性能较差，并且表现出对温度和应变速率的敏感性。TiAl 合金的热机械加工主要包括锻造、挤压和轧制等，其中锻造方法主要有等温锻造和包套锻造。张伟等[15]结合Deform-3D 和热物理模拟，对TiAl 合金的应力、应变以及温度场进行了模拟计算和验证，成功制备出直径大于150 mm 的TiAl 合金圆盘件。Tang 等[16]对比了铸造态和等温锻造态TiAlNbCr 合金的微观组织和氧化性能，发现等温锻造后，TiAlNbCr 合金微观组织得到显著细化，并且锻造后的合金由于较小的晶粒尺寸和组织均匀性，抑制了O 的扩散，相比铸态具有更好的抗氧化性能。Li 等[17]研究发现，TiAl 合金经过单轴锻造和多轴锻造后，近γ相显微组织转变为双相组织。多轴锻造后的组织中发生了比较明显的重复动态再结晶，并表现出良好的力学性能：在750 ℃，屈服强度、抗拉强度以及伸长率分别为623 MPa，697 MPa，4.5%，900℃/0.001 s−1时表现出超塑性，伸长率达到173%。目前，TiAl 合金锻造件已经在航空发动机压气机叶片上得到了应用。

3 铝合金锻造研究

在汽车和航空航天应用中，对轻量化的需求不断增长，以提高燃料效率并减少温室气体排放。铝合金由于比强度高、耐腐蚀性良好、切削加工性能优异而在航空航天和汽车工业中广泛应用。铝合金具有良好的塑性，可进行复杂结构件的成形，加工余量较小，显著提升材料利用率并降低成本。

Kumer 等[18]通过多轴锻造技术对Al6082 合金进行小应变强化，锻造后的合金表现出良好的强度和塑性，这主要是由于生成了尺寸约411 nm 的超细晶粒，出现了大量动态再结晶晶粒以及析出了“β”相。针对某型号武器中2Al2 铝合金直接切削加工制备，材料利用率不高的问题，王自启等[19]利用镦粗和反挤压相结合的工艺进行精密成形，使毛坯质量由550 g 下降到190 g，大幅提升了材料的利用效率。张翔等[20]利用有限元对影响6061 铝合金多向锻造成形过程的工艺参数（变形速度、变形温度、变形道次等）进行了研究，发现铝合金坯料在锻造过程中心区域金属呈现“八”字形流动特征，随着锻造道次增加，变形均匀度不断上升。有限元模拟结果与实际测试结果相符合，准确性得到了验证。Mathew 等[21]研究了Al-4.5Cu 和Al-4.5Cu-5TiB2（质量分数）的半固态锻造，EBSD和纳米压痕研究表明，半固态锻造导致复合材料中的晶粒动态再结晶并且细化，从而导致合金的硬度和弹性模量显著增加。周裕杰等[22]对2014 铝合金分别进行了多向锻造和多向锻造+热处理，发现2014 铝合金经过不同处理后，微观组织都得到细化，抗拉强度分别为538.6 MPa 和527.3 MPa，并且材料的抗滑动磨损性能得到了显著提升。于瑞等[23]使用Deform 软件对7075 铝合金汽车差速器外壳的等温锻造过程进行数值仿真，发现突变过渡部位出现等效应力的极大值，确定了最佳锻造温度为425 ℃。余永新等[24]利用等温多向锻造+等温模锻这一复合锻造工艺对2A14铝合金轮毂进行制备，发现随着锻造温度的升高，变形机制由动态软化向动态再结晶转变，同时还得到了最佳的变形工艺参数：在450 ℃进行等温多向锻造6次，随后在460 ℃下进行等温模锻，轮毂抗拉强度达到491 MPa，伸长率达到12%。Tilak 等[25]研究了不同锻造温度和应变量对粉末烧结Al7075 合金内部粒子形态、间隙率、硬度等的影响，发现在0.8Tm和0.92应变量下可以有效去除锻造过程中的氧化层。Shin等[26]对Al-6Mg（质量分数）合金挤压棒在室温下的可锻性进行了评价，设计了一种用于双轴交替锻造系统的八角杆形模具，如图1 所示。锻件的抗拉强度随着锻造次数的增加而显著增加，并且微观结构中显示出孪晶和位错团的形成。

图1 用于双轴交替锻造的八角杆状模具和工件的示意图Fig.1 Schematic diagram of octagonal rod-shaped die and workpiece for biaxial alternate forging

4 镁合金锻造研究

镁合金是最轻的金属结构材料（约为钢的25%，铝合金的63%），具有良好的导热性、减震能力、电磁屏蔽性能，易于回收利用等诸多优点，被称为21世纪新型绿色金属结构材料，但是镁合金的加工制备受到其塑性差的限制。镁合金为密排六方结构，室温变形时可动滑移系较少而难以变形。在高温变形时，又面临着氧化及晶粒粗化的问题。目前镁合金零部件多为压铸成形，存在一些缩孔、气孔等缺陷且晶粒组织较为粗大，力学性能不佳。

为了在优化结构、实现轻量化的同时保证镁合金力学性能，科研人员对镁合金的锻造成形做了大量研究。权高峰等[27]利用等温超塑性挤压模锻成形工艺制备了镁合金轮毂，经过模锻成形及热处理后，各力学性能指标高于铸造镁合金及铸造铝合金轮毂（比铝合金轮毂节能16%），并且表现出良好的抗疲劳性能以及优良的表面处理技术适应性。徐文臣等[28]利用模拟与实验相结合的方式对Mg-9Gd-3Y-0.6Zn-0.5Zr 合金等温锻造制备薄腹高筋支架构件进行研究，并发现增大侧壁筋及腹板连接处的圆角及加设活动阻尼块能消除由于抽料不足导致的缺陷。李理等[29]利用等温锻挤复合成形技术制备了Mg-9Gd-4Y-0.4Zr 合金薄壁锥管，并对3 种不同锥度的锻坯进行优化设计。韩修柱等[30]利用Deform 软件对高强韧稀土镁合金筋板类构件进行了优化设计，使金属在沿楔形面进行流动的同时进行筋部的充填，制备出抗拉强度和伸长率分别为371 MPa 和4.07%的精锻件。

镁合金锻造过程中微观组织也受锻造方式、锻造工艺的影响，并进而影响力学性能。吴远志等[31]研究了不同锻造方式对ZK21 镁合金微观组织和力学性能的影响，发现改变锻造方向能够提升合金的累积应变。单向锻造时，微观组织不均匀，双向锻造和三向锻造时分别获得平均晶粒尺寸为0.3 μm 的超细晶和粗大再结晶组织以及平均尺寸为0.3 μm 的细小再结晶晶粒，且都表现出良好的力学性能。Wang 等[32]利用变腔液态模锻技术对Mg-5Zn-1Y-0.6Zr 合金进行了研究，发现变腔液体锻造后，组织中枝晶沿着变形方向拉长，第二相粒子破碎分解。在350 ℃进行变形时具有最高的抗拉强度351.5 MPa，450 ℃进行变形时具有最佳的伸长率为7.15%。Park 等[33]研究了预冷锻对挤压成形Mg-8Sn-1Al-1Zn 合金微观组织和力学性能的影响，发现在10%变形量内，微观组织中再结晶区域比例分数以及拉伸性能随着预冷锻变形量上升而逐渐上升，如图 2 所示。李磊等[34]对冲锻成形Mg-3Mn-0.5Ti-0.3V 合金的工艺进行研究，发现镁合金锻件的冲击吸收功受反顶力、压边力及锻造温度的影响比较大，并优化得到理想的冲锻工艺为：以3.5 kN 压边力和4 kN 反顶力，在380 ℃进行锻造成形。张浩等[35]设计了分瓣组合模具，结合有限元分析软件对镁合金陀螺仪支架进行了等温锻造工艺的研究。在凸模下压行程中，根据金属的流动变形填充情况，将成形过程划分为5 个阶段。通过合理的坯料形状和成形工艺设计，成功锻造出陀螺仪锻件。

图2 不同预冷锻变形量下镁合金组织及力学性能Fig.2 Microstructure and mechanical properties of the extruded magnesium alloys with different deformation amount of cold pre-forging

5 锻造过程数值模拟仿真

随着社会发展，对金属材料的锻造成形提出了越来越多的要求，而主要依赖于经验的传统锻造工艺及模具设计方法已经渐渐落后于时代。目前，使用有限元及其他相关大型软件在计算机上进行仿真计算以模拟实际锻造过程已经成为新的研究热点。在计算机上进行数值模拟可以节省大量的人力、物力，以低成本、短周期的优势完成锻造成形过程的设计。通过建模，可以对锻造过程中的金属流动、应力场、应变场、温度场、应变速率场、摩擦条件等进行精确计算，预测可能出现的质量问题及缺陷，并提出改进或者优化方法，从而提高锻件质量。

王石磊等[36]使用Pro/E 软件对汽车盘毂件和模具进行三维成形，通过有限元软件对锻造过程中的载荷条件、温度条件以及摩擦条件等进行了分析与优化，修正了精密模锻工艺。Wang 等[37]通过数值模拟与实验研究相结合的方法，研究了实际心轴锻件内孔的变形均匀性和内孔偏心度的控制措施，并提出了一种对称的翻转式心轴锻造工艺，以代替现有的顺序式翻转工艺，大大提高了变形均匀性。He 等[38]使用有限元软件对大型AZ80 镁合金支撑梁的模具结构和成形参数进行了计算并实验成形（如图3 所示）。通过半封闭模具和多级变速的等温锻造，生产了大型镁合金支撑梁的模锻件。模锻件显微组织细小且分布均匀，力学性能优异，并用作直升机部件。韩风等[39]对汽车轮毂模锻过程中进行了模拟分析，发现提升上模芯圆角半径可以降低载荷并减少磨损，提升上模芯的使用寿命。Rajive 等[40]使用商用软件（ANSYS）对盘头螺栓上的锻造过程进行仿真，讨论了如何确定锻模中不对称截面的应力分布，并讨论了这些应力对模具磨损的影响以及锻件的流动特征。Deshak 等[41]使用Deform 3D 软件对模具和坯料尺寸进行优化，优化后的载荷需求从1600 t 降低到539 t。王彦菊等[42]使用Gleeble-3800 对GH4066 合金进行了热物理模拟压缩，建立了材料本构模型、再结晶模型以及晶粒生长模型，结合有限元分析，对涡轮盘锻造工艺区间进行了优化。Chand 等[43]利用有限元模拟，研究了烧结锻造态铝合金预成形坯在成形过程中的有效应变速率、有效应力、有效应变、平均模具负荷、总能量耗散和流速的分布等，模拟结果与实际结果相符合。

图3 有效应力分布示意图Fig.3 Schematic dliagram of effective stress distribution

6 展望

国防军工以及民用汽车、能源工业的发展需要先进制造技术的支撑，未来合金的锻造成形有着以下几个发展趋势。

1）锻造逐渐由毛坯生产向最终零件成形的方向发展。锻件产品逐渐精密化、复杂化，这对生产工艺以及质量控制提出了更苛刻的要求。可以通过补偿锻造系统对生产过程中的弹性变形进行补偿优化，结合新型工艺，对不同用途、加工特点的零部件进行成形制造。

2）锻造成形向着多种加工工艺复合的趋势发展，形成了类如：镦粗+挤压、多向锻造+模锻等复合工艺，以满足锻件所需的力学性能条件并提升锻件质量。

3）在模具的设计以及制造方面，应结合CAD/CAE/CAM 等技术，缩短模具研发周期，同时，应用先进的模具加工技术，提升模具精度及表面质量，选择合适的模具润滑方式，以改善工件成形质量，开展模具修复技术研究，并提升模具的使用寿命。

4）生产设计制造过程的智能化，利用计算机辅助进行锻造过程的模拟计算，根据不同的应用场景开发相应的建模、算法等并进行优化，提升生产制造效率；更新锻造设备，提升锻造的自动化水平，缩短材料成形周期，压低制造成本；锻造成形的仿真除了传统的温度场、应力场和应变场外，还应结合锻件的微观组织场，以优化锻件的组织，减少后续的热处理工艺，达到降低能耗的目的，实现锻造行业的绿色可持续发展。