7075铝合金同步冷却热成形研究

陈国亮^1,2,陈明和²,王宁²,孙家伟²,王春艳¹

（1. 常州机电职业技术学院，常州 213164；2. 南京航空航天大学机电学院，南京 210016）

摘要：对H18态7075铝合金板料进行同步冷却热成形+人工时效处理，研究了其宏观形貌、回弹量、显微组织和力学性能，并与传统冷压成形后的试样进行了对比，探究7075铝合金板料进行同步冷却热成形的可行性，分析了该工艺对7075铝合金成形零件的宏观形貌、显微组织和力学性能的影响。结果表明：同步冷却热成形工艺适用于7075铝合金成形零件生产；相对于传统的冷冲压+固溶处理工艺，同步冷却热成形工艺能在不增加成本的基础上，显著降低回弹提高试样成形精度；同步冷却热成形后的7075铝合金在经过120℃/24h的时效处理以后，其屈服强度和抗拉强度分别为553.98MPa和635.08MPa，满足相关标准中T6态7075铝合金的性能要求。

Investigation of Hot Forming Process with Synchronous Cooling for 7075 Aluminum Alloy

CHEN Guoliang^1,2，CHEN Minghe²，SUN Jiawei²，WANG Ning²，WANG Chunyan ¹

（1. Changzhou Institute of Mechatronic Technology, Changzhou 213164, China； 2. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Mechanical and Electrical College, Nanjing 210016, China.）

Abstract: Hot forming process with synchronous cooling experiments and aging treatment experiment on H18 temper 7075 aluminum alloy sheets were performed. Dimension measuring and tensile tests of final samples were carried out to investigation the influence of hot forming process with synchronous cooling on this aluminum alloy. Results show that hot forming process with synchronous cooling can be applied in the production of 7075 aluminum alloy parts. It will improve dimension accuracy of parts by reduce the springback of parts, and avoid the warp distortion of parts caused by solution treatment. After 120℃/24h aging treatment, the yield strength and tensile strength of 7075 aluminum alloy formed with the hot forming process with synchronous cooling is 553.98MPa and 635.08MPa.The mechanical properties, which are less than the sample formed by traditional technology, but meet relevant standards requirements of 7075-T6.

0 引言

可热处理铝合金的同步冷却热成形工艺 ^[1-3]是一种由高强钢热冲压技术^[4-6]演化而来的新工艺，该工艺可同时对可热处理铝合金板料进行冲压成形和固溶处理。与冷冲压技术^[7]相比，同步冷却热成形工艺在高温下进行成形，此时可热处理铝合金的成形性能得到很大的改善，因此，零件的成形精度较高^[8-9]。与传统温、热成形技术^[10-11]相比，同步冷却热成形工艺只需加热板料而无需加热模具，因此能耗较低，而且该工艺可以通过调整板料的加热时间来控制晶粒尺寸避免出现晶粒过大。与传统固溶处理技术^[12,13]相比，同步冷却热成形工艺在封闭的模具中对板料进行快速冷却，可避免因热胀冷缩而导致的翘曲变形^[14]。由此可见，同步冷却热成形工艺可以在提高可热处理铝合金成形性能的基础上，提高零件成形精度、降低缩短生产周期和成本，极具发展潜力。

目前，对可热处理铝合金同步冷却热成形工艺的研究很少。GARRET等^[8]对AA6082铝合金的同步冷却热成形工艺进行了可行性研究；英国帝国理工学院的研究人员研究了同步冷却热成形条件下的AA6082^[9]、AA2024^[14]铝合金的成形性能和断裂机理。国内南京航空航天大学的研究人员利用热成形模拟机对H18态AA6016铝合金进行了同步冷却热成形相关模拟研究，发现AA6016铝合金的成形性能得到了大幅度提高，成形后的强度较原始状态有较大提高^[1]；另外还发现同步冷却热成形工艺可以提高自然时效态AA2024铝合金强度^[15]。作为可热处理铝合金的一种，7075铝合金在航空、航天领域应用广泛^[16-18]，但对于该铝合金的同步冷却热成形工艺未见报道。

为了研究7075铝合金同步冷却热成形的可行性，作者对H18态7075铝合金进行了同步冷却热成形及传统冷冲压成形试验，对比分析了不同工艺制成试样的回弹量、外观尺寸、显微组织，以及人工时效处理后试样的力学性能。

1  试样制备与试验方法

试验材料为西南铝业生产的厚度为0.8 mm的H18态7075铝合金，其主要化学成分为0.38%Si，0.3%Fe，1.6%Cu，0.25%Mn，2.4%Mg，0.26%Cr，5.7%Zn，0.16%Ti，其余Al。用剪板机将H18态7075铝合金加工成184mm×80mm×0.8mm毛坯，长度方向沿合金的轧制方向。

图1 同步冷却热成形模具示意

Fig.1 Hot Forming mold with Synchronous Cooling

将H18态7075铝合金毛坯在电炉中加热到465 ℃，保温5min，然后快速移入装在高速液压机上的同步冷却热成形模具（如图1所示）中进行同步冷却热成形并保压1min，然后取出试样，接着对试样进行120℃×24h的人工时效处理。成形后试样的尺寸如图1所示。

为了对比分析同步冷却热成形工艺对7075铝合金成形性能及材料性能的影响，还对7075铝合金毛坯进行了冷冲压成形+固溶+时效试验，具体试验方法如下：分别将H18态和O态7075铝合金毛坯在如图1所示的同一套模具中先冷冲压成形，随后对试样进行固溶处理（465 ℃×5min、水淬），最后进行120℃×24h的人工时效处理。其中O态7075铝合金毛坯是由H18态毛坯在电炉中于400 ℃保温2.5 h，再经10 h降温至200 ℃，最后随炉冷却获得。另外，由于先固溶处理再冷冲压成形最后时效处理的工艺组合在可热处理铝合金成形零件的生产中也较为常见，因此作者还选用H18态7075铝合金毛坯进行了先固溶处理再冷冲压成形最后人工时效的对比试验，试验中固溶处理和冷冲压成形之间的时间间隔小于30min，其余各工艺参数均同上。为了便于描述，将同步冷却热成形+时效工艺，冷冲压成形+固溶+时效工艺，固溶+冷冲压成形+时效工艺分别简称为1^#工艺，2^#工艺和3^#工艺。

分别在不同工艺获得的试样上的R5圆角处截取金相试样，抛光后，用HF，HCl，HNO₃，H₂O体积比为2:3:5:190的科尔试剂腐蚀，用 OLYMPUS PME 光学显微镜观察显微组织。

利用角度尺对不同工艺获得的试样上60°弯曲角进行测量，将测得的实际角度与设计角度的差值即为试样的回弹角。试验过程中对回弹角的测量紧接着试样的成形工序。

利用线切割在时效处理后的试样上截取拉伸试样，取样位置和试样尺寸如图2所示，拉伸试样的标距为25.4mm，厚度则利用千分尺测量实际尺寸。在RG2000-20型拉伸试验机上进行拉伸试验，拉伸试验过程中试样的应变速率为0.00025s^-1，拉伸机横梁运动的控制误差小于2%。

(a) 取样位置       (b) 尺寸

图2  拉伸试样的取样位置及尺寸

Fig.2  Sampling location and dimension of uniaxial tensile test specimen：(a) Sampling location （b）Dimension

2 试验结果与讨论

2.1成形精度

不同工艺方案获得的最终试样如图3所示。可以看出，1^#工艺（同步冷却热成形+时效处理）获得的试样外形平整，没有翘曲；而2^#工艺（冷冲压成形+固溶+时效处理）获得的试样，由于固溶处理的冷却过程中剧烈的热胀冷缩导致塑性变形，自由形状区域发生了较大的翘曲；3^#工艺（固溶+冷冲压成形+时效处理）获得的试样，虽然在成形过程中消除了部分在固溶处理过程中产生的翘曲变形，但回弹导致试样两边的自由形状区域仍有部分翘曲变形保留了下来。