AZ80镁合金板材快速气压胀形工艺研究

崔令江，王 刚，王宏伟，张晓蕾

(1.哈尔滨工业大学(威海)材料科学与工程学院，山东威海 264209;2.东风日产乘用车公司，广州 510800)

超塑性气压胀形(SPF)工艺具有成形速度慢、能耗高等缺点，限制了其大规模应用，近年，国外提出了应变速率大于10-2s-1的快速塑性成形(Quick Plastic forming，QPF)，KULAS 等研究了AA5083的 SPF和 QPF成形极限图［1］.FRANETOVIC通过电镀处理模具解决了QPF加工时模具的粘铝问题［2］.KRAJEWSKI研究了润滑对QPF成形性的影响及成形过程中的摩擦问题［3］，文献［4-5］研究了QPF与SPF在变形机理和断裂机理方面的类似和差异.吴泓毅、刘守法等指出位错蠕变将是降低气胀成形变形时间的可能变形机制［6-7］.王刚、崔令江等发现AZ31和ZK60镁合金板材的快速气压胀形时半球件的高度直径比均超过 0.5，且随着壁厚减薄，晶粒组织变细［8-10］.张治朋、张建凯的研究表明，QPF可用于镁合金的正反向气压胀形和气胀微成形中［11-12］.目前，QPF工艺成功用于成形铝合金整体后舱门、引擎罩［13］和镁合金行李箱盖内面板［14］、航空仪表盘［15］等.

AZ80是AZ系列强度最高的镁合金，且价格较低，对其进行快速气压胀形工艺研究可使轻质高强度结构件的生产成为可能，进一步促进镁合金在各领域的应用，但目前尚未见针对变形镁合金AZ80的快速气压胀形技术的研究报道.为此，本文将以AZ80镁合金板材为研究对象，采用半球件自由胀形实验研究板材在不同温度和压强下的快速气压胀形能力，分析半球件和盒形件的壁厚分布规律，并对快速气压胀形过程的断裂模式进行研究，以期为镁合金的应用提供理论依据.

1 实验

1.1 实验材料

实验AZ80镁合金薄板经过等通道转角挤压-冷轧成形.实验所用板料的板厚为1.0和1.2 mm.合金成分如表1所示.

表1 AZ80材料成分

板材原始组织是均匀细小的等轴晶，平均晶粒尺寸为8.8 μm，见图1.

图1 原始显微组织形貌

1.2 实验方法

用半球件自由胀形实验研究镁合金板的快速气压胀形性能，凹模尺寸为:内径80 mm，高度60 mm，入口处圆角半径5 mm;采用1.0 mm厚的AZ80板料.为研究AZ80板快速气压胀形的成形性能，以快速气压胀形结束后胀形件所达到的极限胀形高度来表征成形性能.实验时间以300 s为限.胀形件300 s内破裂时，记录破裂时间，结束实验;未破裂时，时间满300 s即结束实验.

盒形件快速气压胀形凹模尺寸:矩形部分的长宽为70 mm×50 mm，入口处圆角半径为5 mm，矩形转角半径5 mm，凹模内孔处放置一定厚度的矩形垫块时，可以成形不同高度的筒形件，成形原理见图2.盒形件胀形采用1.2 mm厚的 AZ80板料.

图2 盒形件气胀成形原理图

2 结果与分析

2.1 半球件自由胀形

图3为在350℃、0.85 MPa下成形的胀形件照片.图4为不同温度下胀形300 s时胀形高度随气压的变化曲线.

图3 350℃，0.85 MPa下的胀形件

图4 胀形300 s时胀形高度和胀形气压关系曲线

图4表明，最终的胀形高度与变形条件即变形温度和变形气压有关.温度越高，胀形所需的气压越低.由于是在不同温度下，采用不同的气压进行实验，因此，不能直接比较温度对胀形高度的影响，只能通过观察胀破前一些未胀破件的高度来判定哪个温度对AZ80板材来说是比较合适的温度.由于在图4的3条曲线中，曲线上最后一点的气压和高度为胀形时间不足300 s的胀破件的参数，因此，在对比时不需要考虑最后一点的影响.在350℃时，未破胀形件的最大高度为38 mm，高径比H/r=0.95，而在300和400℃时，未破胀形件的最大高度分别为26和31 mm，高径比H/r为0.65和0.785，要小于350℃时的高径比.因此，根据结果可以得出在350℃时，材料的塑性要比另两个温度时要好，胀形的高度较大，板材的胀形性能好.表明AZ80板材存在着最佳胀形温度，约在350℃附近.

由图4的3条曲线还可看到，在相同温度下，胀形件未胀破时，随着气压的增大，胀形高度增加，也就是说，在成形极限内，胀形气压越大，胀形高度越大.从图4还可以看出，当采用较高的气压胀形时，在不到5 min的时间内即胀破，但胀形高度仍有所增大，表明有希望采用更短的时间进行胀形.但并不是说气压越大，胀形高度就会越高，事实上，当气压过大时，高度可能会变小，这是因为气压过大时，胀形材料的应变速率很大，使金属的流动速度过快，导致很早就产生破裂，胀形高度反而会很小.

图5显示了各种温度下胀形气压和胀破时间的关系，不论在多高温度下，随着胀形气压增大，胀形件破裂时间变小，这是因为随着胀形气压的增大，应变速率增加，达到同一应变所需的时间缩短，且随着应变速率的增加，作为应变速率敏感性材料的AZ80板材的塑性也随之下降，导致提早破裂.

图5 胀形气压与破裂时间的关系曲线

图6是板厚为1.2 mm，胀形高度为20 mm盒形件断口的扫描电镜照片.从图6可以看出，AZ80镁合金气压胀形时的断裂为韧性断裂，断口中存在尺寸大小不同的韧窝，在较大的韧窝周围密集着尺寸较小的韧窝，且韧窝底部存在夹杂物或第二相粒子.目前对于显微空洞或微孔的成核方式，存在不同的看法，但多数观点认为，由于材料中的夹杂物、第二相粒子、晶界、位错堆积区等区域应变不连续，从它们的自由表面处生成大量的显微空洞;另外，当材料受到剧烈形变时，也会产生显微空洞，最后导致韧窝断裂.韧窝特征表明空洞的形核、生长和聚集是断裂的微观机制.

图6 盒形件的断口形貌

2.2 盒形件胀形实验

盒形件胀形温度为 350℃，初始气压为0.8 MPa，与半球件自由胀形获得最大胀形高度的参数相同.胀形加载曲线见图7，图8是所获得的20 mm高的盒形件.胀形时间以300 s为限.胀形件在300 s内破裂时，用秒表记录破裂时间，结束实验;未破裂时，时间满300 s即结束实验.

图7 胀形加载曲线

图8 胀形后的盒形件

由图8可以看出，采用1.2 mm厚的板料时，胀形件的贴模性能良好，可以胀形出外形与凹模型腔非常相近的盒形件.盒形件圆角半径较大，是因为最终的气压过小所致.当后续所加气压增大时，圆角的成形会更加完善，前期低气压主要使盒形件初步成形，中心部位贴模，后期采用较大的气压，主要是为了圆角处的成形，使材料更容易贴模，尽可能成形出形状比较好的成形件.

3 结论

1)快速气压胀形时，半球件胀形高度与变形温度和变形气压有关;温度越高，胀形所需的气压越低;在成形极限内，胀形气压越大，胀形高度越大.AZ80板材的最佳胀形温度为 350℃，在0.8 MPa下恒压胀形300 s可获得38 mm的最大胀形高度.

2)在相同温度、相同气压下胀形，半球件的胀形高度随着胀形时间的增加而增加，二者之间呈幂指数的关系.

3)采用1.2 mm厚的板材在350℃下胀形300 s可胀形成功高度达20 mm以上的盒形件.

4)AZ80镁合金气压胀形时的断裂为韧性断裂.

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