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超高強(qiáng)鋁合金（主要指7xxx系鋁合金）具有密度小、高強(qiáng)高韌、加工性能好等特點(diǎn)，不但是航空航天、國(guó)防軍工領(lǐng)域的關(guān)鍵輕量化材料，近年來(lái)在汽車(chē)、軌道交通等行業(yè)的應(yīng)用需求也越來(lái)越迫切。目前，大型7xxx系鋁合金結(jié)構(gòu)零部件的制備，由于這類(lèi)合金的合金化程度高，偏析和熱裂傾向嚴(yán)重，鑄造性能不好，采用傳統(tǒng)鑄造方法很難成型完好的鑄件，通常采用鑄坯-塑性變形-機(jī)加工-熱處理工藝路線，存在流程長(zhǎng)，制造成本高的問(wèn)題。

液態(tài)模鍛(也稱擠壓鑄造)綜合了鑄造成形和鍛造加工的特點(diǎn)，是一種流程短、效率高、成本低的綠色成型技術(shù)，具有選材范圍寬、成型變形力小、加工耗能小、鍛件組織均勻且致密、力學(xué)性能高等突出優(yōu)點(diǎn)。由于熔體在壓力下凝固充型且發(fā)生局部變形加工而得到所需形狀的鍛件，與傳統(tǒng)壓鑄相比，液態(tài)模鍛成型件補(bǔ)縮更徹底，易于消除各種缺陷；與熱鍛件相比，其成形更容易，成型力小，能夠制備形狀更復(fù)雜的零件，因此液態(tài)模鍛技術(shù)研究一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注。隨著近年來(lái)半固態(tài)成形技術(shù)及應(yīng)用研究的不斷深入，集具液態(tài)易成型和固態(tài)高性能雙重優(yōu)點(diǎn)的半固態(tài)流變模鍛成形技術(shù)非常契合這方面的需求，在高強(qiáng)鋁合金近凈成型方面更具發(fā)展?jié)摿Α?/span>

本課題將本研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的電磁控冷熔體處理方法與傳統(tǒng)模鍛工藝技術(shù)相結(jié)合，發(fā)展了高強(qiáng)鋁合金流變模鍛成型方法，開(kāi)展大型7050鋁合金輪轂流變模鍛成型技術(shù)研究，考察流變成形條件下大型7050鋁合金輪轂不同部位的微觀組織及力學(xué)性能的變化規(guī)律，以期為7xxx系鋁合金大型零部件近終成型工程化應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。

【研究方法】 

試驗(yàn)所用7050鋁合金為自主配置，其原料為高純鋁錠、高純鎂錠、高純鋅錠、Al-50Cu、Al-5Zr以及Al-2Sc中間合金，其實(shí)測(cè)化學(xué)成分見(jiàn)表1。

電磁攪拌法具有能量的高密度性和清潔性、優(yōu)越的響應(yīng)性和可控性、易于自動(dòng)化、能量利用率高等優(yōu)點(diǎn)，率先實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化并獲得了較為廣泛的商業(yè)應(yīng)用。采用自主研發(fā)的電磁控冷熔體處理方法(Inter-cooling Annular Electromagnetic Stirring, IC-AEMS) ，其示意圖見(jiàn)圖1。該技術(shù)是將熔體置于交變磁場(chǎng)下，由洛倫茲力驅(qū)動(dòng)自發(fā)進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生強(qiáng)剪切作用；同時(shí)在熔體中心放置冷卻器，提高熔體的冷卻速度且減輕電磁場(chǎng)的集膚效應(yīng)，使熔體的溫度場(chǎng)與成分場(chǎng)更加均勻。在進(jìn)行熔體澆注前，將7050鋁合金熔體在熔體處理裝置中進(jìn)行IC-AEMS（工作電壓25 V，工作電流24 A，頻率15 Hz）處理，并對(duì)收集器內(nèi)處理好的合金熔體做短暫控溫處理，準(zhǔn)備澆注。

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流變模鍛用模具結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，成形件外徑為470 mm，內(nèi)徑為220 mm，高度為120 mm，其中輪輞厚度為30 mm；成型用液壓機(jī)及熔煉爐見(jiàn)圖3。在流變模鍛前預(yù)熱模具，當(dāng)模具溫度上升至200 ℃左右時(shí)，分開(kāi)上下模具，在其表面均勻噴涂脫模劑。當(dāng)經(jīng)IC-AEMS處理后熔體溫度達(dá)到澆注溫度時(shí)，將收集器內(nèi)熔體定量澆注到模具型腔中，操作液壓機(jī)進(jìn)行流變模鍛，保壓一定時(shí)間后將成型件取出，隨空氣冷卻。表2為流變模鍛工藝參數(shù)。

圖2 大型7050輪轂流變模鍛模具示意圖

圖3 流變模鍛用液壓機(jī)及熔煉設(shè)備

對(duì)成型的輪轂進(jìn)行切割、取樣，并且進(jìn)行粗磨、細(xì)磨、拋光后，采用Zeiss光學(xué)顯微鏡觀察金相組織。采用FOUNDARY MASTER PRO直讀光譜分析儀對(duì)合金化學(xué)成份進(jìn)行分析。鑄件T6熱處理制度為：固溶450 ℃×2 h+460 ℃×2 h+470 ℃×2 h水淬+時(shí)效120 ℃×24 h。力學(xué)拉伸性能測(cè)試按照國(guó)標(biāo)GB/T228-2002規(guī)定進(jìn)行加工、測(cè)試，拉伸試驗(yàn)是在CSS-4100電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的，拉伸速率為2 mm/min。

【研究結(jié)果】

采用流變模鍛制備的大型7050輪轂實(shí)物見(jiàn)圖4。鑄件毛坯成型良好，外觀無(wú)砂眼、氣孔、裂紋等缺陷，鑄件表面光滑。

圖4 大型7050鋁合金輪轂流變模鍛件實(shí)物圖

圖5為大型7050鋁合金輪轂縱截面及取樣觀察位置，分別觀察其彩色金相以及測(cè)定其化學(xué)成分。其中a、b、c處分別為輪輻內(nèi)側(cè)、中心、外側(cè)，d、e、f處分別為輪輞頂部、中部、底部。其金相組織見(jiàn)圖6。

圖5 大型7050鋁合金輪轂縱向剖面圖及金相取樣觀察及成分測(cè)定位置

可以看出，大型7050鋁合金輪轂組織未發(fā)現(xiàn)宏觀及微觀缺陷，其晶粒均為細(xì)小的等軸晶，不同位置的晶粒尺寸有所區(qū)別，但不同的位置凝固過(guò)程略有區(qū)別。通過(guò)截線法統(tǒng)計(jì)不同位置的晶粒尺寸，其結(jié)果見(jiàn)圖7。結(jié)合圖6和圖7，可知輪輻內(nèi)側(cè)a點(diǎn)和輪輞底部f點(diǎn)的晶粒尺寸最小，輪輻外側(cè)靠近輪輞的c點(diǎn)晶粒尺寸最大，輪輻中心b點(diǎn)、輪輞頂部d點(diǎn)和中部e點(diǎn)晶粒尺寸相近。晶粒尺寸的變化說(shuō)明a點(diǎn)和f點(diǎn)是最先凝固的位置，此處冷卻速度快，過(guò)冷度高，導(dǎo)致晶粒尺寸較小，a點(diǎn)晶粒尺寸最小達(dá)到45.3 μm；而c點(diǎn)的晶粒尺寸最大，e點(diǎn)的晶粒尺寸也大于d和f點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)上看這兩點(diǎn)屬于厚大部位，且c點(diǎn)晶粒尺寸大于e點(diǎn)，說(shuō)明c點(diǎn)處在熱節(jié)的位置，即熔體最后凝固的區(qū)域，此處冷卻速度慢，過(guò)冷度小，晶粒尺寸相對(duì)其他位置較大，達(dá)到102.7 μm。

(a)a點(diǎn)  (b)b點(diǎn)  (c)c點(diǎn)  (d)d點(diǎn)  (e)e點(diǎn)  (f)f點(diǎn)
圖6 大型7050鋁合金輪轂不同位置的彩色金相組織照片

圖7 圖5中不同取樣位置的平均晶粒尺寸

將圖6中不同位置的試樣通過(guò)直讀光譜儀測(cè)定其化學(xué)成分，其主要溶質(zhì)元素的濃度結(jié)果見(jiàn)圖8?？梢钥闯?，7050的主要溶質(zhì)元素Zn、Mg、Cu的宏觀偏析呈一致性，根據(jù)其取樣檢測(cè)位置，可以發(fā)現(xiàn)離金屬模壁（或耐磨環(huán)）較近先凝固的部位如a點(diǎn)、b點(diǎn)、d點(diǎn)、f點(diǎn)溶質(zhì)元素濃度小于熔體平均濃度，離熱節(jié)較近最后凝固的部位如c點(diǎn)、e點(diǎn)溶質(zhì)元素濃度大于熔體平均濃度，對(duì)于溶質(zhì)分配系數(shù)K< 1的Zn、Mg、Cu元素，這種現(xiàn)象呈正偏析。對(duì)于所有的取樣位置，Zn、Mg、Cu的宏觀偏析率SZn< 2.39%、SMg< 3.14%、SCu< 3.71%，鑄件整體的宏觀偏析率處于較低水平，說(shuō)明熔體電磁均勻化處理明顯改善了大型鑄件的成分場(chǎng)，降低了宏觀偏析的程度。

(a)Zn

(b)Mg 

(c)Cu

圖8 圖5中不同取樣位置的主要溶質(zhì)元素濃

T6熱處理態(tài)下大型7050鋁合金輪轂上不同位置處取樣位置見(jiàn)圖9。本體力學(xué)性能的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

圖9 大型7050鋁合金輪轂力學(xué)性能測(cè)試取樣位置

輪輻處的徑向強(qiáng)度略高于輪輞處的軸向強(qiáng)度，但伸長(zhǎng)率略低于后者。輪輻處的徑向抗剪強(qiáng)度大約是徑向屈服強(qiáng)度的0.57倍，符合工程上0.5~0.577倍左右許用屈服應(yīng)力。結(jié)果可知大型7050鋁合金輪轂流變模鍛件各個(gè)部位的力學(xué)性能比較優(yōu)異，已達(dá)到普通7050鋁合金鍛件的力學(xué)水平，可實(shí)現(xiàn)以鋁代鋼、以鑄代鍛目標(biāo)。

【研究結(jié)論】 

（1）采用基于電磁控冷熔體處理方法發(fā)展的流變模鍛成型技術(shù)可制備出細(xì)晶均質(zhì)、力學(xué)性能達(dá)到常規(guī)鍛件水平的7050鋁合金輪轂鑄件；

（2）流變模鍛成型作為共性技術(shù)，可有望為解決高合金化的高強(qiáng)韌鋁合金大型鑄件直接鑄造成型的技術(shù)難題提供新方法。

【文獻(xiàn)引用】

鄭瀚森，徐永濤，高志華，等.大型7050 鋁合金輪轂流變擠壓鑄造技術(shù)研究[J].特種鑄造及有色合金,2022,42(8);962-965.

ZHENG H S,XU Y T.GAO Z H, et al.Rheo squeezing casting of 7050 aluminum allov large scale wheel[J]. Special Casting & Nonferrous Alloys，2022, 42(8):962-965.