7136挤压管材头尾性能差异产生原因分析

周保成，毛雪晶，黄东男，董学光，牛关梅

（1.中铝材料应用研究院有限公司，北京 102209；2.西南铝业（集团） 有限责任公司，重庆 401326）

0 前言

7136 铝合金是在7055 铝合金的基础上主要优化Zn 含量和其他合金元素配比得到的新型高强度和耐腐蚀性合金，7136 铝合金常用的塑性加工方法有挤压和轧制等，主要用于飞机，如机翼构件、上机翼蒙皮构件及飞机纵梁等产品[1]。

近些年，对7136 合金的研究方向主要聚焦于固溶、时效和淬火速率对其组织性能的影响研究。王春华等[2]研究了一级、二级和三级固溶制度对耐腐蚀性能的影响。Li等[3]研究了T6和RRA时效制度对7136 铝合金挤压板材微观组织和力学性能的影响。马志民等[4]采用浸入式末端淬火和慢应变速率拉伸实验研究了淬火速率对7136 铝合金应力腐蚀开裂（SCC）敏感性的影响规律。赵帆等[5]研究了针对挤压后的7136 铝合金型材施加一定拉伸变形量后再固溶的方式消除挤压粗晶。

除了上述问题外，7136 铝合金挤压材也存在头尾性能差异较大的问题。例如，实际生产的外径250 mm、壁厚20 mm 的7136-T6511 合金，其铸锭温度为400 ℃，挤压速度为0.2 mm/s，表1 示出了其性能检测结果（圆柱拉伸试样，标距部分直径15 mm，取样位置位于壁厚中心处）。但该问题暂时没有研究报道，本文以7136 铝合金管材为研究对象，通过数值模拟的方式，从挤压工艺角度揭示7136铝合金挤压管材头尾性能差异产生的原因。

表1 实际生产中7136-T6511管材头尾性能

1 研究方法

本文研究对象是外径250 mm，壁厚20 mm 的7136 铝合金管材，该管材由外径630 mm，内径260 mm 的空心铸锭通过模具挤压成形，空心铸锭长度为1 000 mm，工模具尺寸如图1中左侧，模具温度400 ℃，挤压筒和挤压针温度为450 ℃。

图1 管材挤压工模具结构和简化模型

管材挤压过程模拟采用QForm软件，由于管材及工模具在几何和变形上都属于轴对称布置，为了提高模拟速度，管材挤压过程模型简化为轴对称方式建模，管材挤压过程简化模型如图1中右侧。在模型中，7136 铝合金材料的热变形本构模型和动态再结晶模型采用文献[6]测定的参数，挤压模拟热和摩擦边界条件设置采用文献[7]测定的参数。

首先，开展挤压试验和模拟，以验证数值模拟挤压过程准确性，通过比对挤压试验和模拟计算获得的管材再结晶体积分数判定模型是否合理。

然后，模拟不同初始铸锭温度（400 ℃、430 ℃和460 ℃） 和不同挤压速度（0.2 mm/s、0.49 mm/s，0.79 mm/s）管材挤压过程，工艺模拟方案如表2。分析铸锭温度和挤压速度对管材温度场、等效应变场、金属流线和再结晶影响规律，通过分析管材头尾的再结晶差异揭示性能差异产生原因。

表2 模拟的不同工艺方案

2 试验及模拟结果

2.1 数值模拟挤压过程准确性验证

采用相同的工艺（铸锭温度为400 ℃，挤压速度0.2 mm/s）进行挤压试验和模拟，对比分析挤压试验和模拟后的管材再结晶体积分数。对比分析的位置在距离头部和尾部处的800 mm 处纵剖面的中心点（如图2）。试验测定再结晶体积分数的采用EBSD 技术，挤压试验获得的管材EBSD 分析结果如图3所示，由结果可知，无论是管材的头部还是尾部，晶粒沿着挤压方向伸长，沿着管材径向压扁，发生少量再结晶。采用EBSD 测得的头部位置和尾部位置的再结晶体积分数分别为8.56%和7.84%，两处再结晶体积分数基本无差别。试验和模拟的管材再结晶体积分数对比统计结果如表3。由表可知，采用模拟计算的头部和尾部再结晶体积分数分别为7.28%和6.59%，相对于试验的误差分别为-14.9%和-16%，模拟偏差相对较低，说明建立的模型模拟过程较为合理。

图2 管材取样示意图

图3 原始铸锭和管材EBSD分析

表3 试验和模拟的管材再结晶体积分数对比（体积分数/%)

2.2 不同挤压工艺条件下材料温度场模拟结果

图4 示出了在挤压温度400 ℃、挤压速度0.2 mm/s条件下，挤压杆行程不同时材料的温度场云图。由图5可知，在整个挤压过程中，挤压出口处温度最高，挤压坯料尾部温度最低，挤压出口处管材内侧点、中心点和外侧点之间的温差小于2 ℃。

图4 挤压温度400 ℃，挤压速度0.2 mm/s，不同挤压行程时的温度场

图5 挤压温度400 ℃，挤压速度0.2 mm/s，挤压行程784 mm时出口处温度场

如图6所示，在不同挤压工艺条件下，挤压出口区域的温度随挤压行程的变化曲线。

在挤压速度为0.2 mm/s条件下，对比铸锭温度分别为400 ℃、430 ℃和460 ℃时的挤压出口处温度。在挤压初期，三种铸锭温度条件下的出口处温度彼此相差约4 ℃。随着挤压过程的进行，当挤压行程达到388 mm附近时，三种铸锭温度条件下的出口温度逐渐接近，直至最后温度相差不大，可以得出铸锭温度对挤压出口处的温度影响较小的结论。导致这种结果的原因可能是挤压速度在0.2 mm/s条件下，在挤压初期，挤压出口处温度的差别主要来自于铸锭的温度差异，但随着挤压过程的进行，挤压筒、挤压模具和挤压针对挤压坯料有热传导作用，这种热传导作用逐渐将坯料加热至接近于挤压模具温度。

在铸锭温度为400 ℃条件下，对比挤压速度为0.2 mm/s、0.49 mm/s 和0.79 mm/s 时材 料 在 挤 压 出口处的温度。随着挤压速度的增大，挤压出口处材料温度的温升越大，三种挤压速度的温升分别为10 ℃、22 ℃和28 ℃，说明挤压速度对温升影响较大。其原因是挤压速度越大，变形导致的热量产生越快，坯料和模具接触的时间越短，模具对坯料的冷却作用越小。

2.3 不同挤压工艺条件下材料等效应变场的模拟结果

测量挤出后管材的内侧、中心和外侧部位的等效应变，具体测量位置如图7所示，不同挤压工艺条件下的等效应变沿长度方向分布如图8所示。所有工艺条件下等效应变分布情况基本相同：心部点应变不随长度变化，大约为3；内侧点应变由头部向尾部先增大后降低，头部应变水平约为9，应变达到最高约18 后，到尾部应变降低到约为15；外侧点应变由头部向尾部一直增大，头部应变水平约为10，尾部应变约为21。

图7 挤压管材取样位置示意图

图8 不同工艺条件下应变沿管材长度方向的分布

2.4 挤压过程材料流线变化过程

如图9 示出了在挤压温度400 ℃、挤压速度0.2 mm/s条件下，挤压杆行程不同时挤压坯料的流线变化。由图可知，随着挤压过程的进行，材料流动区域和死区之间的过渡区域逐渐形成。在管材头部挤出时，流线变形还不太明显，但到管材尾部挤出时，尾部的内侧点和外侧点都有大量的流线聚集现象，说明发生了强烈的塑性变形。

图9 挤压过程材料的流线变化

2.5 挤压动态再结晶

图10 显示了在不同挤压工艺条件下，头部和尾部纵剖面的再结晶体积分数云图（为了方便查看各位置具体数值，采用不连续的离散云图显示）；图11 显示了头部和尾部在横截面上的平均再结晶体积分数对比。在所有挤压工艺条件下，无论是头部还是尾部，中心的再结晶体积分数较低，内侧和外侧的再结晶体积分数较高。

图10 纵剖面再结晶体积分数云图对比（剖面左侧为管材内侧）

图11 横截面上平均再结晶体积分数对比

在挤压速度为0.2 mm/s条件下，对比铸锭温度对平均再结晶体积分数的影响：随着铸锭温度的升高，头尾平均再结晶体积分数差异逐渐降低，铸锭温度为400 ℃、430 ℃和460 ℃时，头部平均再结晶体积分数分别为33.7%，31.8%和35.8%，尾部平均再结晶体积分数分别为40.4%，35.5%和36.0%。

在铸锭温度为400 ℃条件下，对比挤压速度对平均再结晶体积分数的影响：随着挤压速度的升高，头尾平均再结晶体积分数差异逐渐增大，挤压速度为0.2 mm/s、0.49 mm/s 和0.79 mm/s 时，头部平均再结晶体积分数分别为33.7%，35.0%和35.8%，尾部平均再结晶体积分数分别为40.4%，49.4%和55.4%。

3 分析与讨论

材料的性能决定于微观组织，微观组织主要包含晶粒和第二相两大方面，两方面互相影响。对于同一根管材，成分和热处理制度相同，但头尾性能却有较大差异。结合上述模拟结果可知，头尾性能差异产生的原因是管材在挤压过程经历的变形量和温度在不断变化，变形量和温度影响了再结晶程度、晶粒尺寸和织构。再结晶不仅对性能产生直接影响，也通过影响7×××合金第二相时效析出和织构间接对性能产生影响[8]。

在挤压温度400 ℃，挤压速度0.2 mm/s 条件下，表1中表明强度和延伸率性能在头部比在尾部低，图11 中表明平均再结晶体积分数在头部比在尾部高。原因是再结晶既导致晶粒尺寸增大也导致沿挤压方向的纤维减少，使强度和延伸率都降低。为了分析对比等效应变和挤压出口温度对再结晶的影响，将模拟的得到各工艺条件下的等效应变、挤压出口温度和再结晶数据进行处理：

第一步：计算挤压管材头部和尾部在整个横截面上等效应变平均值、挤压出口时的温度平均值、再结晶体积分数平均值。

第二步：计算上述各参数平均值在头部和尾部之间的差值。

第三步：将上述差值采用均值方差法[9]进行归一化，使数据转化为均值为0、方差为1 的标准化数据，该数据的数值越大，代表头尾之间的相应参数差异越大。

图12 为按照上述步骤处理后的数据结果，由图可知，头尾出口温度差异和头尾平均再结晶差异具有明显的相关性：随着挤压温度的升高，头尾挤压温度差异越小，再结晶差异越小；随着挤压速度的增大，头尾挤压温度差异越大，再结晶差异越大。

图12 不同挤压工艺条件下头尾参数差异对比

4 结论

通过数值模拟，探究了不同铸锭温度（400 ℃、430 ℃和460 ℃）和挤压速度（0.2 mm/s、0.49 mm/s、0.79 mm/s）对7136 管材挤压过程中的温度、应变、流线和再结晶体积分数的影响，得出如下结论：

（1）挤压速度对挤压模具出口处的管材温度有较大影响。以较低速度（0.2 mm/s）挤压时，挤压模具出口处的管材温度随着挤压过程的进行先增大后保持在与挤压筒和挤压针温度接近的水平；以较高速度（0.49 mm/s、0.79 mm/s）挤压时，挤压模具出口处的管材温度随着挤压过程的进行逐渐增大，挤压速度越高挤压模具出口处的管材温度越高。

（2）铸锭温度对挤压模具出口处的管材温度影响较小。不同铸锭温度条件下，挤压模具出口处的管材温度在挤压过程前期有差异，在挤压过程后期几乎相同。

（3）挤压速度和铸锭温度对挤压后的管材应变几乎无影响。在所有挤压工艺条件下，管材的心部点从头部到尾部应变一直处于同一水平，内侧点应变由头部向尾部先增大后降低，外侧点应变由头部向尾部一直增大。

（4）管材头尾性能差异源于再结晶差异，而管材头尾再结晶差异和挤压模具出口温度差异存在着明显的相关性，所以说管材性能差异来源于挤压过程中管材在挤压出口温度的差异。