等温复合锻造工艺对2A14铝合金轮毂组织与力学性能的影响

时间：2024-08-31

余永新，肖代红，周鹏飞，黄兰萍，刘文胜

(中南大学轻质高强结构材料国防科技重点实验室，长沙 410083)

机轮轮毂属于大型客机的核心构件，它不仅承受整个飞机的重量，更要承受飞机着陆时的巨大冲击力[1]。轮毂的制造方法主要是铸造和锻造，相较于锻造工艺，传统的铸造工艺虽然成本低，但在性能上很难满足航空工业对机轮轮毂的要求，而锻造工艺能使锻件获得最优的流线，并能更好地满足对材料的力学性能要求，制备出性能更佳的轮毂。锻造工艺一般分为自由锻和等温模锻[2−5]，自由锻常采用热锻，由于模具与锻件的温度差异，会导致锻件变形不均匀及显微组织和性能的不均匀性。等温模锻是对模具进行加热并控制温度，在等温的环境下进行锻造，可有效改善温度差导致的锻件缺陷。机轮轮毂主要采用Al-Cu-Mg系铝合金制备，其中 2A14铝合金是运用较多的一种时效强化型铝合金，其成分(质量分数)为：3.9%~4.8%Cu，0.4%~0.5%Mg，0.6%~1.2%Si，0.4%~0.8%Mn，Ti＜0.15%，Zn＜0.3%，Fe＜0.7%，Ni＜0.1%，余量为Al。该合金具有良好的热塑性和强度高及服役温度高等优点[6−7]。随着大型飞机的发展，对于飞机轮毂的性能要求越来越高，也促进了高强高韧铝合金材料的发展[8−9]。关于铝合金及其锻造的研究已有许多报道，刘文胜等[10]研究发现变形温度对2A14铝合金组织的动态回复和再结晶影响很大。WANG等[11]研究了累计应变对2A14铝合金组织和力学性能的影响，结果表明较高的累积应变使得大角度晶界的细晶和等轴再结晶晶粒更容易形成。JOSHII等[12]研究发现，随着2024铝合金低温变形累积应变逐渐增加，合金的力学性能有所提高。朱庆丰等[13]对铝合金进行了不同锻造道次的实验，研究了变形量对铝合金组织的影响。张宏伟等[14]通过研究，确定2A14-T6铝合金轮毂模锻件的锻造温度应为400~460 ℃，而开锻温度为440~460 ℃。尽管对锻造铝合金已有许多研究，但基本上是采用单独的多向锻或者模锻，对于等温复合锻造(即等温多向锻后进行等温模锻)却鲜有研究。而且虽然国内外都采用铝合金制备轮毂，但做出来的成件仍存在性能上的差距，对其进行进一步的研究很有必要。本文以2A14铝合金为研究对象，通过对其进行不同道次及不同温度的等温复合锻造，制备成完好的轮毂锻坯，通过观察轮毂的金相组织以及测试其力学性能等，探究等温复合模锻工艺对2A14铝合金轮毂组织与性能的影响，为复合锻造成形工艺提供实验依据。

1 实验

实验所用原料为均匀化态2A14铝合金(Al-3.9Cu-0.8Mg-0.7Mn-0.7Si-0.2Fe-0.1Zn)。首先在液压机上对合金进行不同道次的等温多向锻，锻造温度为450 ℃，每一道次的变形量为50%。然后将多向锻造后的坯料线切割成直径为98 mm、长度为50 mm的圆柱体，加热至模锻所需温度，保温一段时间后，在此温度下进行等温模锻，得到一系列轮毂锻坯。表1所列为轮毂锻坯的编号及锻造工艺。采用线切割取轮毂锻坯的中间部分为样品，在490 ℃下固溶1 h后水淬，再进行T6时效处理(160 ℃时效 12 h)，然后进行显微组织观察与拉伸性能测试。

表1 铝合金轮毂编号及其等温复合锻造工艺Table 1 Sample number and isothermal compound forging process

将固溶时效处理后的轮毂抛光，然后进行腐蚀，采用LEICA MEF 4A/M金相显微镜观察不同部位的金相组织，采用附带有 OXFORD型能谱仪的 Nava Nano SEM 230场发射扫描电镜观察显微组织形貌。分别在轮毂的 3个区域截取试样，如图 1所示，按照

GB/T2281—2010金属材料拉伸实验第 1部分室温试验方法的规定加工成拉伸试样，在Instron 3369力学试验机上进行拉伸性能测试，加载速度为 1.00 mm/min，并在Nava Nano SEM 230场发射扫描电镜下观察拉伸断口形貌。

图1 2A14铝合金轮毂的拉伸试样取样位置Fig.1 Location of tensile testing samples

2 结果与讨论

2.1 金相组织

图2 1#和2#轮毂不同区域的金相组织Fig.2 Optical microstructures of different areas of wheel hub 1# and 2#(a), (b), (c) AreaⅠ, Ⅱ, and Ⅲ of wheel hub 1#, respectively;(d), (e), (f) AreaⅠ, Ⅱ, and Ⅲ of wheel hub 2#, respectively

图2 所示为1#和2#轮毂(分别在450 ℃等温多向锻造3道次和6道次，然后460 ℃等温模锻成形)的3个不同区域(图 1中的Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ区域)的金相组织。从图中发现轮毂的不同区域存在很明显的组织差别，由图2(a)、(b)看出1#轮毂的Ⅰ区域和Ⅱ区域的组织为扁平长条纤维状，而从图 2(c)看出Ⅲ区域趋向于等轴晶粒。这是由于模锻过程中轮毂的3个区域受力的作用所引起的变形量不同而导致组织不同。合金的金相组织主要由灰色和白色区域组成，灰色区域是没有再结晶的组织，另外在图中还观察到一些沿晶界的黑色组织，这是锻造过程中形成的一些再结晶相[15]，不同区域的再结晶情况不一样。锻件金属由于受到变形的作用，使得其中储存大量畸变能，位错密度提高，并加剧了第二相粒子的偏聚和形变热效应，从而使得金属中发生再结晶[16]。而锻造过程中不同的部位与模具之间的受力不同，变形程度不同，因而再结晶情况不一样。对比1#和2#轮毂的金相组织，2#轮毂各区域的金相组织都与1#基本类似，但2#各区域的晶粒都比1#的更为细小，这是由于2#轮毂在等温多向锻过程中变形量增加使得晶粒细化。

图3所示为3#和4#轮毂(450 ℃等温多向锻造6道次，然后分别在430 ℃和480 ℃等温模锻成形)的不同区域金相组织。对比图3和图2可知，这2个轮毂的金相组织与1#和2#的基本类似，从图3(b)可知，3#轮毂Ⅱ区域呈现明显的纤维组织，显示出动态回复的特征，对比2#、3#和4#的金相组织发现，随温度升高，Ⅱ区域的纤维组织减少，并且沿晶界分布的细小再结晶明显增多，这说明随模锻温度升高，合金由动态回复逐渐向动态再结晶转变。从图 3(f)看出，与其它 3个轮毂的Ⅲ区域相比，4#轮毂的Ⅲ区域晶粒明显粗大，这是模锻温度升高导致晶粒长大的结果。

图3 3#和4#轮毂不同区域的金相组织Fig.3 Optical microstructures of different areas of wheel hub 3# and 4#(a), (b), (c) AreaⅠ, Ⅱ, and Ⅲ of 3#, respectively; (d), (e), (f) AreaⅠ, Ⅱ, and Ⅲ of 4#, respectively

对比图2和图3发现，提高等温多向锻的变形量可细化合金晶粒，有利于提高材料的力学性能；而在后续的模锻过程中，提高模锻温度，会使材料中的原子热振动加强，降低原子之间的库仑力，从而使得位错滑移所需的阻力减弱，新的滑移不断产生，加强位错间的相互抵消和重组，细小的亚晶不断合成长大，成为再结晶晶核[17−18]。所以，在锻造过程中，随模锻温度提高，合金的软化机制由动态回复逐渐转向动态再结晶，但锻造温度过高会使最终的晶粒有所长大。

2.2 力学性能

图4所示为1#和2#轮毂的3个不同区域取样进行拉伸试验后的拉伸断口形貌，表2所列为轮毂不同区域的拉伸性能。从图中可看出1#和2#的断口都存在解理面和撕裂坑，呈现出脆性断裂和韧性断裂的混合断裂特征，部分韧窝中还存在二次粒子Al-Cu相以及一些微裂纹，同一轮毂的不同区域韧窝数量、大小、深浅不一，这也与轮毂中存在的残余再结晶相的分布相关。对比1#和2#轮毂的断口，形貌特征虽然基本类似，但从图4(f)看出2#Ⅲ区域的拉伸断口中的韧窝较1#同一区域的更细小且较深，所以2#Ⅲ区域的伸长率达到18.5%的最高值。从表 2看出总体上 2#轮毂的抗拉强度高于1#，但不同部位的性能有所差异，Ⅰ区域的抗拉强度最高，达到491 MPa。从金相组织看出2#轮毂的晶粒小于1#的晶粒，这使得2#的抗拉强度有一定的提高。

图4 1#和2#轮毂不同区域的拉伸断口形貌Fig.4 SEM images of fracture surface of different areas of wheel hub 1# and 2#(a), (b), (c) AreaⅠ, Ⅱ, and Ⅲ of 1#, respectively; (d), (e), (f) AreaⅠ, Ⅱ, and Ⅲ of 2#, respectively

表2 1#和2#轮毂不同区域的拉伸性能Table 2 Tensile properties of wheel hub 1# and 2#

图5所示为3#和4#轮毂的3个不同区域的拉伸断口SEM形貌，表3所列为这2个轮毂的拉伸性能。从图5可见，3#和4#轮毂的断口仍然呈现出脆性断裂和韧性断裂的混合断裂特征，但韧窝大小和数量有所不同，3#的韧窝较浅，韧窝中存在脆性 Al2Cu与Al10Mn5Fe3Cu3化合物相粒子，塑性较差。同时从总体上看，4#轮毂的强度优于3#，其中以4#的Ⅱ区域抗拉强度最高，为 455 MPa。从图 5(e)看出，4#的Ⅰ区域韧窝较深，该区域的伸长率最高，达到18.1%。

图5 3#和4#轮毂不同区域的拉伸断口形貌Fig.5 SEM images of fracture surface of different areas of wheel hubs 3# and 4#(a), (b), (c) AreaⅠ, Ⅱ, and Ⅲ of 3#, respectively; (d), (e), (f) AreaⅠ, Ⅱ, and Ⅲ of 4#, respectively

表3 3#和4#轮毂不同区域的拉伸性能Table 3 Tensile properties of wheel hub 3# and 4#

对比表2和表3所列4个轮毂的拉伸性能发现，提高等温多向锻道次可使 2A14铝合金晶粒细化，从而提高合金的力学性能；随等温模锻温度提高，合金的力学性能先升高后降低，这是因为随温度升高，细小的再结晶组织增多，使得合金的力学性能得以提高，而过高的温度使最终的锻坯组织晶粒有所长大，从而导致力学性能降低。因此确定合理的复合模锻工艺对最终成品的性能很重要。其中2#轮毂(450 ℃等温多向锻造6道次并经460 ℃等温模锻的轮毂)的拉伸性能最佳，抗拉强度达到491 MPa，并且各部位的伸长率都大于12%。