商用7075铝合金挤压棒材半固态触变成形微观结构与力学性能研究

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半固态成形是在合金半固态温度范围内进行加工的一种近终成形技术,利用非枝晶固相-液相体系优良的变形能力,同时减少合金收缩带来的内部质量问题,有利于制备具有复杂几何结构的高性能零部件,是二十一世纪中比较有前途的一种材料成形加工方法。7xxx系铝合金是一种超高强变形铝合金,且具有优良的综合性能,但是该种材料的加工工序较多、生产周期长、成形零件的强度和精度难以保证。目前7075铝合金型材已获得普遍应用,面临较大尺寸坯料半固态成形的需要以缩短半固态加工流程,本文研究了商用7075铝合金挤压棒材再结晶部分重熔过程中微观结构演变、半固态变形以及成形试样的力学特性。通过研究,主要获得了以下结果:对商用7075铝合金挤压棒材重熔前后的微观结构研究表明:(1)挤压棒材具有典型的沿挤压方向急剧拉长的条带状晶粒,以及条带晶粒间细密的第二相颗粒。但是由于棒料挤压变形量的差异,棒料边部条带晶粒的宽度明显窄于心部条带晶粒的宽度,且第二相颗粒也较细小;(2)DSC结果显示该合金的固液相温度区间为526~645oC,在半固态温度区间均可以获得非枝晶固相晶粒,随着重熔温度和保温时间的增长固相晶粒尺寸明显增加,且保温时间对晶粒粗化的影响更显著;(3)加热工艺参数对半固态铝合金组织均匀性的影响明显,当测量的重熔温度为655℃、保温时间为50 min时,固相晶粒在半固态坯料顶端和底端、边部和心部四个位置的大小分布较为均匀,晶粒的圆整度也较理想。为了考察重熔坯料的触变变形能力,对半固态坯料进行挤压成形,结果表明:(1)变形温度由630oC升至655oC过程中,在相同的变形载荷条件下,半固态合金变形程度有明显增加;(2)半固态合金在成形过程中容易诱发明显的固液分离现象,在变形坯料远端发现被挤出球状液滴;(3)半固态坯料在655℃时的变形过程中,微观结构分布更加均匀,未发现固液分离现象,且粗大的固相晶粒发生进一步晶粒细化现象。为了考察半固态成形件的组织结构对性能特性的影响,对挤压态、固溶时效态试样的拉伸性能进行分析,经比较发现:(1)挤压态试样的重熔温度从630℃提高到655℃后,挤压态试样的抗拉强度由364MPa降低到300MPa,而延伸率由15%提升到17%;(2)对655℃下重熔50min的半固态成形件热处理前后的力学性能发现,经固溶时效处理后的半固态变形试样的抗拉强度为317MPa,延伸率为17.3%,抗拉强度提高约6%,延伸率也没有下降;(3)对断裂试样进行分析,半固态成形试样有明显颈缩,且断口表面有明显韧窝,表现为韧性断裂。通过以上研究,表明商用半固态坯料可以直接用于半固态成形,增大半固态合金液相量会降低力学性能,据分析,合金在半固态变形过程中固相晶粒晶间液相收缩加剧,可致形成微观缩孔缺陷,进而影响其力学性能,取得的阶段性研究成果将为半固态变形技术提供新的理论指导和应用参考价值。
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