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难变形材料等温工艺研究进展

难变形材料等温工艺研究进展

摘要：

难变形材料在轻合金方面主要包括铝合金、镁合金、钛合金。

本文详细介绍了三种难变形轻合金的材料的物理性质、材料内部结构、特点、应用分类和目前材料研究进展。

轻合金如此多优点，但变形困难，本文介绍了三种材料在等温工艺下成型的国内外研究进展。

并对其在未来的发展方向做了展望。

关键词：

难变形；铝合金；镁合金；钛合金；等温工艺；等温挤压；等温锻造；研究进展

Theprogressofresearchaboutdifficultlytransformmaterialisothermalcraft

Wangjingjing

（CollegeofGraduatestudent,YanshanUniversity,Qinhuangdao,Hebei066004,China;）

Abstract:

Thedifficultlytransformmaterialsmainlyincludealuminummetalalloy,magnesiummetalalloyandtitaniummetalalloyinthelightmetalalloy.Thistextintroducedaninternalstructure,characteristics,appliedclassificationofthephysicalproperties,materialsofthreekindsofmaterialsthatisdifficulttotransformlightmetalalloyindetailtomakeprogresswithmaterialresearchcurrently.Lightmetalalloysomanyadvantage,buttransformdifficultly,thistextintroducedthreekindsofmaterialsatisothermalcraft'sbottomtomodelofdomesticandinternationalresearchprogress.Andit'sdidanoutlookinthefutureofdevelopmentdirection.

Keywords:

difficultlytransform;aluminummetalalloy;magnesiummetalalloy;titaniummetalalloy;isothermalcraft;isothermalsqueeze;isothermalforge;progressofresearch

0引言

难变形材料的成型工艺包括粉末冶金锻造，超塑性成型，等温成型。

难变形材料晶粒细化的常用工艺:

粉末冶金,强烈塑性变形,大挤压比挤压,等径角挤压,轧制,旋挤压,限制模压变形。

等温成型工艺指的是将模具加入到与变形材料相同的变形温度，在应变速率为10-2~10-4s-1变形过程中，是坯料与模具温度基本保持不变（坯料在变形过程中保持恒温）的成型方法。

难变形合金材料目前应用比较广泛的是铝合金、镁合金、钛合金三种。

这三种材料都有着相似的特性，密度相对钢材都小的多，结构强度刚度较好，比强度高，力学性能较好。

尤其镁合金、钛合金刚度强度非常出色，这些合金材料是航天航空，低碳环保，节能减排等方向。

下面简单介绍铝合金、镁合金、钛合金材料性能特点：

1、铝合金材料概述

铝镁合金和铝硅合金为主要的铝合金。

铝合金材料的弹性模量约为钢材的三分之一，在结构上重量减轻时刚度大致与之成本比例下降，所以铝合金材料不能用作结构主要承载件。

目前铝合金大量应用在汽车、飞机等领域中，尤其是在汽车中，一辆高档汽车的铝合金用量占到20%还多[1]。

铝合金材料密度约为钢材的三分之一，在强度满足要求的情况下，同一结构的钢质件自重是铝质件的两倍。

铝合金材料的耐腐性好，铝材表面可产生一层的氧化铝保护膜，其表面硬度较高，不易损坏，在大气中有很好的防腐能力。

2、镁合金材料概述

镁合金的减振性好、导热性良好、可回收利用、电磁屏蔽性能好、比强度高、比刚度较高等特点，因此逐渐替代现代工业产品中的其他材料。

在传统的成形过程中，镁合金坯料温度不均匀、坯料降温快、塑性差，使得锻件变形率低，有较大的附加应力，变形过程中易产生裂纹。

在等温状态下成形，其变形温度上下波动的幅度比较小，消除模具激冷和材料应变硬化的影响，成形件尺寸较稳定，工艺再现性好，因而成形后残余应力较小，零件的冷却和热处理变形小。

另外，等温状态还可以完成近净成形加工，提高了镁合金的利用率以及锻件的性能。

3、钛合金材料概述

钛合金的密度低（约为4.59／cm）、中温强度良好、比强度高（约为33）位于重要结构材料之首、高温抗蠕变性能好，在军工、民用等很多领域得到非常广泛的应用。

美国钛产量的80%被用于航空航天工业。

传统的锻造过程中，锻造温度对钛合金变形抗力非常重要，为了减少模具对制件件的冷却，锻造速度相对很高。

速度与变形抗力成比例，当高速锻造时，锻件内的金属流动速度很快，毛坯内会产生强烈的内摩擦，从而使得锻件局部温度升高，由于钛合金导热性较差，热量散发慢，造成局部过热，就会出现粗大晶粒的过热组织。

粗大的晶粒影响了锻件的机械性能。

钛合金锻造的温度范围比较窄。

等温状态下成形时，变形温度上下波动的幅度较小，消除了材料应变硬化和模具激冷的影响，成形工件残余应力小，尺寸相对稳定。

1难变形材料研究进展

1.1铝合金材料特性以及分类

目前，铝及铝合金在实际生产中的用量比钢铁金属材料略低。

铝合金是在纯铝中加入某种或几种元素后构成的，铝合金相对于纯铝可以提高硬度、疲劳性能、强度等材料综合性能，适合于制造汽车的安全保险,以及防冲撞系统。

铝合金及其加工材料具有诸多优点，易表面着色、抗冲击性能好、弹性较好、比强度和比刚度高、耐磨、耐腐蚀、导电性能较高、导热形较高、密度小、良好的加工成形性以及高的回收再生性等。

另外，虽然多数铝合金的强度在高温条件下下降很快，在热锻时无氧化皮，表面质量较好，加工余量较小，材料具有耐蚀性无应力裂纹现象。

在低温下，O℃以下铝及铝合金材料的强度反而会增加，是一种优良的低温金属材料。

在大多数场合，铝的性能是不能满足使用要求的，为此，人们将多种合金元素添加到纯铝中，以生产出满足各种用途和性能的铝合金。

根据加工工艺特性和合金元素，可将铝合金分为铸造铝合金和变形铝合金两大类。

这两类合金可用铝合金的二元平衡相图作概要的说明（见图1-1）。

图1-1铝合金的二元相图

共晶温度时的饱和溶解度D点是这两类合金成分的分界点。

在D点右边的为铸造铝合金，不适于压力加工，这样，就使得共晶体在铸造铝合金中的含量较多，对铸型能够进行充分的填充，使得铸件致密，铸造铝合金的塑性降低，在液态时铸造铝合金有较好的流动性。

D点以左为变形铝合金，适于压力加工，变形铝合金的化学成分不高，该合金有较高的塑性。

适于压延及锻造，可得到均匀的单相固溶体组织，这种组织具有较好的变形能力。

以S点为界，成分在S点左侧的为非热处理强化型铝合金，它的固溶体成分不随着温度的变化而变化，这类合金系统的力学性能不能通过热处理方式来提高，而只能用冷作变形来进行强化。

成分在S、D点之间的铝合金，它的固溶体成分不随着温度的变化而变化，属于热处理强化铝合金。

实际上一些元素如锰、镁在铝合金中的含量超过了理论上规定的范围，这与合金元素的本性有关，热处理强化的效果并不明显。

非树铝合金可以使铸造铝合金或是变形铝合金，为增加材料的延伸率提供了基础。

合金元素在基体金属中的溶解度随着温度的降低而降低，所以对于合金来说能够进行淬火时效强化处理。

尤其是位于极限溶解度D点附近的合金，时效强化的效果比较好。

铝合金的具体分类：

铝合金的分类

铝合金的热处理方法：

铝合金有两种热处理的工艺：

退火和强化这两种工艺。

退火工艺有均匀退火，完全退火和去应力退火。

均匀退火可以消除铸锭组织成分的不均匀性；完全退火后可获得最软最冷加工的状态；去应力退火可消除加工硬化及铸件的内应力。

强化处理可以拥有强度低塑性好的优良特性。

这是由固溶处理铝合金中的溶质溶于溶剂的晶格中，经冷却形成固溶体，材料在表现出优良的特性，时效处理后则强度上升塑性下降，它则是从溶液中析出聚合，形成硬化区域，强化工艺是由这两部分组成的。

下面是两种铝合金的的热处理工艺图：

（汽车铝合金材料及其热处理进展）

7050铝合金RRA处理工艺示意图

LY合金FTMT工艺示意图

1.2镁合金材料特点及应用

镁在地壳中的含量相当丰富，在金属含量中位居第三位。

其化学性质活越。

一般存于化合物中。

主要蕴含于岩石和海水中。

其含量及其丰富。

镁是材料中最轻的金属，是钢材料的九分之二，钛的五分之二，铝的三分之二，Mg.Li合金密度甚至小于水的密度。

镁是密排六方的晶体结构。

镁的三个滑移系：

（镁合金等温挤压成形及组织性能变化规律研究）见下图。

密排六方中的三个滑移

镁合金是航空器、航天器和导弹制造工业中使用的最轻金属结构材料。

镁的重量比铝轻，比重为1.8，强度也较低，只有200～300兆帕（20～30公斤/毫米2），主要用于制造低承力的零件。

德国首先生产并在飞机上使用含铝的镁合金。

镁合金具有较高的抗振能力，在受冲击载荷时能吸收较大的能量，还有良好的吸热性能，因而是制造飞机轮毂的理想材料。

镁合金在润滑油、煤油和汽油中非常稳定，适于制造油管、油泵和发动机齿轮机匣，又因在往复和旋转运动中产生的惯性力比较小而被用来制造舵面、舱门、摇臂和襟翼等活动零件。

民用机轰炸机大量使用镁合金制品。

中国稀土资源非常丰富，已于七十年代研制出加钇镁合金，提高室温强度在航天企业中使用也十分广泛。

目前，镁合金在汽车上的应用零部件可归纳为2类。

（1）壳体类。

如发动机前盖、变速箱体、空调机外壳、曲轴箱、阀盖、离合器壳体、气缸盖、仪表板等。

（2）支架类。

如座椅框架、分配支架、转向支架、车镜支架、刹车支架等。

　　根据有关研究，汽车的自重消耗汽车燃料的60%，汽车的自重每降低10%，其燃油效率可提高5%以上；汽车自重每减少100kg，每百公里可减少0.7L左右的油耗，每节约1L燃料可少排放2.5gCO2，每年的总排放量可以减少30%以上。

所以减轻汽车重量对节省能源和保护环境意义重大，轻量化已成为汽车的必然趋势。

　　手机电话，笔记本电脑上的屏幕的尺寸年年增大，在它们的枝撑框架和背面的壳体上使用了镁合金。

虽然镁合金的导热系数不及铝合金，但是，比塑料高出数十倍，因此，在电器产品中应用镁合金，能够有效地将内部的热散发到外面。

在内部产生高温的投影仪和电脑等的散热部件和外壳上使用镁合金。

就对于电磁波的屏蔽作用而言，在塑料上电镀屏蔽膜的效果好明显不如镁合金，因此，使用镁合金可以减去电镀工序，降低生产成本。

在数码单反相机上的应用

镁合金由于密度低、强度较高，具有一定的防腐性能，常用来做单反相机的骨架。

一般中高端及专业数码单反相机都采取镁合金做骨架，使其坚固耐用，手感好。

如佳能的1D系列、5D系列、7D及10D-50D，尼康的D3系列、D700、Dx00系列及最新的D7000，宾得的K-7及K-5等都是镁合金机身。

镁合金比重在所有结构用合金中属于最轻者，因此，在不减少零部件的强度下，可减轻铝或铁的零部件的重量。

镁合金的比强度明显高于铝合金和钢，比刚度与铝合金和钢相当。

在弹性范围内，镁合金受到冲击载荷时，吸收的能量比铝合金件大，所以镁合金具有良好的抗震减噪性能。

在相同载荷下，减振性是铝的100倍，钛合金的300～500倍。

电磁屏蔽性佳，3C产品的外壳（手机及电脑）要能够提供优越的抗电磁保护作用，而镁合金外壳能够完全吸收频率超过100db的电磁干扰。

质感佳，镁合金的外观及触摸质感极佳，使产品更具豪华感，而且，在空气中更不容易腐蚀。

镁合金的散热相对与合金来说有绝对的优势：

根据公式：

Q=dvC△t

其中Q—热量；d=比重；V=体积；C=比热容；△t=（t1-t2）变化的温度；

当相同体积与形状的镁合金与铝合金，接受相同的热量Q时，二者变化的温度比为：

△t/△t=2.74x0.23/1.81x1.05=1/3；即镁合金为铝合金的1/3；镁合金导热系数54W/mk；铝合金导热系数100W/mk；相差一倍。

意味对于相同体积与形状的镁合金与铝合金材料的散热器，某热源生产的热量（温度）铝合金更容易由散热片根部传递到顶部的速度，顶部更容易达到高温。

即铝合金材料的散热器根部与顶部的温度差，比镁合金材料的散热器小。

这意味着由镁合金材料制作的散热片根部的空气温度与顶部的空气温度温度差，比铝合金材料制作的散热片大，因此加速散热器内部空气的扩散对流，使散热效率提高。

因此，相同温度，镁合金的散热时间还不用铝合金的一半。

所以，镁合金是应用于LED及其他灯饰，汽车应用零部件，及其他要求高质量，高强度，高韧性配件的理想材料。

1.3钛合金材料特点及应用

Ti在地壳中的丰度为0.56%（质量分数，下同），在所有按元素中居第9位，而作为结构材料金属居第4位，比Al、Fe、Mg略低，其储量比常见金属Cu，Pb，Zn储量的总和还多。

我国钛资源非常丰富，储量位居世界首位。

钛合金的高温力学性能，比强度、密度小，抗腐蚀性能、比刚度高、抗疲劳和蠕变性能都很好，综合性能十分优良，是一种很有发展潜力和应用前景的新型结构材料。

近年来，世界钛工业和钛材加工技术得到了飞速发展，在舰艇及兵器等军品制造中和航空航天领域的应用越来越广泛。

钛是二战后于20世纪40年代末至50年代初开始工业化生产并逐步发展起来的一种高性能的重要的金属结构材料。

钛合金由于在600~700℃环境下有良好的综合力学性能,在航空航天工业中显示出极大的应用前景。

钛及钛合金比强度高，高温性能良好，耐腐蚀性能强，生物相容性好，被广泛应用于航空航天、石油化工、制药、制盐、冶金和医疗等行业，因此被誉为全能金属[13]。

钛合金制品生产成本高，且加工条件苛刻，但是如果两种合金进行焊接制备某些构建，不仅能巩固满足大幅度梯度场合的使用，发挥两种合金各自的使用，还能降低生产成本。

随着钛及钛合金的发展，的钛合金已经越来越广泛的运用在航空飞行器上，飞机结构件的钛合金用量不断的增多，过去常用自由锻件毛坯经机械加工，它的材料利用率往往仅有2%~3%。

现经过、等温锻造，使钛合金等难变形材料在相对恒定的变形温度下，在较低的变形速率下成型出形状复杂接近零件的精密锻件。

钛合金的发展：

钛是二十世纪五十年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有耐热性高、耐蚀性好、比强度高等特点而被广泛用于各个领域。

世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。

第一个实用的钛合金是1954年美国研制成功的Ti-6Al-4V合金，由于它的生物相容性、形性、可焊性、塑性、成强度、韧性、耐蚀性和耐热性均较好，而成为钛合金工业中的王牌合金，该合金使用量已占全部钛合金的75％～85％。

其他许多钛合金都可以看做是Ti-6Al-4V合金的改型。

二十世纪五十～六十年代，主要是发展在航空发动机体上使用的结构钛合金和在航空发动机上使用的高温钛合金，七十年代开发出了一批具有耐蚀性能的钛合金，八十年代以来，高强度钛合金和耐腐蚀性钛合金得到了进一步的发展。

耐热钛合金的使用温度已从五十年代的400℃提高到九十年代的600～650℃。

A2（Ti3Al）和r（TiAl）基合金的出现，这使得钛合金在发动机上的使用部位正由发动机的冷端（风扇和压气机）向发动机的热端（涡轮）方向推进。

结构钛合金向高模量、高损伤容限、高强度、高强高韧和高塑性方向发展。

另外，二十世纪七十年代以来，还出现了Ti-Ni-Nb、Ti-Ni-Fe、Ti-Ni等形状记忆合金，并在工程上获得日益广泛的应用。

目前，世界上已研制出了数百种钛合金，最著名的合金有20～30种，如Ti-10-5-3、BT9、Ti-2Al-2.5Zr、Ti-Pd、Ti-Mo-Ni、Ti-5Al-2.5Sn、IMI834、Ti-6242、Ti-1023、Ti-6Al-4V、Ti-1023、Ti-32Mo、BT20、IMI829、SP-700等。

钛合金可以分为β、α+β、α型合金及钛铝金属间化合物（TixAl，此处x=1）四类。

钛合金作为一种新兴材料，已经广泛应用于航空等各领域，航空领域将其作为发动机盘，叶片及飞机骨架一提高发动机的推力和性能；航空材料方面，在开发的是i-55,Ti-17，Ti-6242，Ti-15-3，Ti-10-2-3，Ti-22A1-20Nb-7Ta合金，并且取得了较大的进展。

国外研制的合金相比较，屈服强度相当，但是延伸率相差甚远。

Ti-15-3合金是一种具有良好的可锻性和冷成型性的新型亚稳β型钛合金。

该合金在航空、航天等工业中的应用广泛。

我国已基本形成了自己的船用钛合金系列，包括Ti-75，TA5，Ti-31，TC4等，并对TC4，TA5，Ti-31，Ti-75进行了工程化研究。

我国还对特殊钛合金、钛基复合材料以及医用钛合金、纳米晶材料的研制进行深入的研究，比如有色金属研究院在利用颗粒增强复合材料方面取得了突破性的进展。

另外，就新产品和新工艺方面而言，目前大家都在对新工艺进行研究，并取得了一定的进展。

在钛的精铸技术和工艺方面，使用了稀土陶瓷型壳工艺和高熔点技术面层陶瓷型壳工艺，航空用钛公共底、后封头和机匣等零件已经开始进行批量的生产；在热加工工艺方面，最近几年的研究主要有关于超塑成型、等温精密模锻、高温钛合金的锻造和精锻等。

近几十年来，新的研究方法得到进一步的发展，如有限元法在热成型过程的模拟研究中取得了突破进展，从而为研究钛合金成型过程中的显微组织变化提供了强有力的分析手段。

2难变形材料等温工艺研究进展

2.1铝合金等温挤压工艺的介绍

2.1.1等温挤压工艺的原理及优点

等温挤压是指铝型材在恒定的出口温度（±10℃）的情况下对铝锭坯进行挤压成形。

通过系统深入地分析挤压过程中热力平衡，并考虑挤压过程中各变量诸如铝锭坯加热温度、挤压速度、挤压比、挤压筒温度及铝型材几何形状等的影响，对挤压过程进行数值模拟分析，得出可用于实际生产的挤压各变量值，用于指导生产。

等温挤压可以提高铝型材生产的产量与质量。

下面介绍LD11铝合金的等温变形工艺：

该合金的化学成分和相组比较复杂，含有铁和镁。

这种合金室温中塑性较差。

高温条件下塑性指标会大大提高，所以可以用等温变形工艺。

实验方法：

金属材料在等温变形时影响流动应力的主要因素是变形温度和变形速率，可对该试件进行等温拉伸和等温压缩。

在等温拉伸试验中，变形温度和应变速率的交互影响，可以选取三个温度及三个应变速率进行试验。

等温压缩试验中可选取八个试验幅度及四个应变速率组合的等温压缩试验方案，测出其应力—应变曲线（LD铝合金等温变形工艺的）

如图2-1所示。

挤压成形极限图描述了挤压过程中挤压温度与挤压速度之间的关系。

等温挤压的基础是挤压成形极限图。

见图2-1

图2-1挤压成型极限图

挤压制件表面质量曲线可以表示为：

，式中，a*与b*为常数。

2.1.2在等温挤压过程中主要影响铝型材出口温度的因素

2.1.2.1锭坯在挤压筒中的热量变化

铝型材挤压时，当加热的铝锭坯被送人预热的挤压筒中时，便开始了复杂的热量变化过程。

热量变化包括以下几部分，如图2-2所示。

（1）铝锭坯在变形区通过变形而产生的热量；

（2）工模具之间（挤压筒、挤压杆、模具）和铝锭坯由于摩擦的作用产生的热量以及铝锭坯在变形死区剪切产生的热量；

（3）铝锭坯挤压过程中本身的热能转换；

（4）工模具之间（挤压筒、挤压杆、模具）与铝锭坯的热量传递；

（5环境与）挤压制品的热量交换。

由于以上的热量变化，铝锭坯在挤压筒中随着变形的进行，温度有上升的趋势。

即靠近模具口处铝锭坯的温度高于靠近挤压垫处铝锭坯的温度。

由图2-2可以看出，通过对挤压过程进行系统、深入地分析和优化后，可以在较高的挤压速度下进行等温挤压（即箭头所指处），同时能避免了产品出现缺陷．且保证了机械性能，生产率得到了提高。

图2-2铝锭坯在挤压过程中的热量交换

2铝型材出口温度的主要影响因素

挤压制品的出口温度对于产品的质量至关重要，和上面的热量变化有关。

假设引起挤压制品的出口温度升高的热量由挤压型材表面与模口处模具的摩擦产生的热量、变形功产生的热量以及铝锭坯与挤压筒表面摩擦产生的热量组成，通过变形功可以近似地计算挤压制品出口温度的升高值。

事实上，当温度升高时高，合金内的原子运动加剧，振幅便会增大，晶格常数也会增大，弹性模量相应的减小，位错运动的位错阻力减小。

变形抗力就会减小，当应变速率提高时，合金内部的位错密度会增大，但是过程时间短暂，位错的反应不充分，不利于软化过程的完成，使得变形力提高，有利用于晶格的长大。

利用上诉的试验例证，对LD11合金进行等温成形，以下为锻件的实物照片。

活塞锻件

2.2镁合金等温锻造工艺的研究进展

2.2.1国外镁合金等温锻造的进展

镁的储量丰富，随着科技的发展，能源的缺失，金属材料的需求量不断增加，越来越多的人关注对镁合金的发展。

镁合金拥有诸多的优点，与铸造镁合金相比，经过塑性变形后的合金在组织上有更多的优点，具有更高的强度和高的延伸率等优点，所以在军事，航天，电子汽车等会组多领域有更广泛的应用起来。

俄罗斯航空工业部的主要研究院，包括航空材料研究院（BNAM）、轻合金研究院（BHJIC）、航空工艺研究院（HNAT）、发动机工艺和生产组织研究院（HNNI）等单位对镁合金的等温模锻进行了较多研究，产品已被多种发动机和飞机所采用。

据1998年Rozak等报道，已有人对镁合金的多工步精密锻造成形技术进行了研究，并制定了合理的锻造温度和精整温度。

2001年，为了开发MD镁合金外壳，演葆夫等研究了镁合金薄壁件的热锻成形，成形温度在300～400℃之间，所用材料为1.O～2.0mm的AZ31B镁合金板材，设备用的是油压机。

2002年，《JournalofMaterialProcessingTechnology（材料加工技术）》和《MagnesiumTechnology（镁合金技术）》发表了变形镁合金锻造方面的研究论文，内容涉及AZ31和AZ61镁合金板材的等温可锻性，AZ31镁合金的正挤压和反挤压等。

Matsumoto等在土耳其第37届国际冷锻会议上宣读了其研究论文，他们将环形坯料ZK60镁合金（Mg-6％zn-0．5％Zr）夹入温度为150～300℃的模具中，通过弹簧支撑上模对坯料施加小载荷，研究ZK60镁合金反挤压过程中原始坯料形状和冲头压力之间的关系曲线。

德国镁合金工程中心材料研究所GKSS研究中心Swiostek等[21]进行了工业用AZ80、ZK30镁合金及通过细化晶粒改良的可锻镁合金的典型模锻实验研究，锻造温度在300～450℃之间，使用油基润滑剂，得到如图2-3所示的不同锻件，并对锻件的纤维组织与显微组织进行了分析，其纤维组织如图2所示，由图2-4可知，该镁合金坯料中的晶粒沿塑性流动的主变形方向被拉长，留下了明显的变形条纹。

这些锻件的体积和厚度都很小，其中的关键是要对其变形温度和变形程度进行合理地控制。

图2-3镁合金锻件的实物照片

图2-4镁合金锻造后的典型纤维组织

在2005年第8届国际塑性加工会议上，德国勃兰登堡工业大学设计与制造系Dtiring等发表了关于AZ31和AZ80镁合金等温锻造的研究成果，实验温度在300～400℃之