7055高强铝合金大型环件轧制技术研究

陈增奎;周卫卫;范新中;陈浩;涂光纯

【摘 要】To obtain high-strength large unitary product of 7055 aluminum alloy, a study was carried out on the rolling process of high-strength 7055 aluminum alloy large annulus. It designed technological parameters for 7055 aluminum alloy large annulus like rolling temperature and compression ratio, prepared test blanks, conducted soluted-aged technique thermal treatment for the rolled large annulus, and also analyzed grain microstructure and mechanical property. The 7055 aluminum al-loy large annulus got the annular orientation, axis orientation, diametral orientation tensile strength of over 580 MPa, elongation of over 8%, and the diameter ofΦ2000 mm. The study realizes the application of high-strength large unitary product of 7055 aluminum alloy that meets development requirement.%目的：获得7055高强铝合金大型整体构件。方法开展了7055高强铝合金大型环件轧制技术研究，制定了7055高强铝合金环件轧制温度、轧制压缩比等工艺参数，制备了轧制试验坯料，对轧制后的大型环件进行了固溶时效强化热处理，并分析了显微组织和力学性能。结果通过研究，最终获得了切向、径向、轴向三向的抗拉强度均高于580 MPa，伸长率均大于8%，尺寸规格为Φ2000 mm级的7055高强铝合金大型环件。结论成功获得了满足研制需求的7055高强铝合金大型整体构件。

【期刊名称】《精密成形工程》

【年(卷),期】2016(007)004

【总页数】5页(P16-20)

【关键词】7055铝合金;大型环件;轧制;显微组织;力学性能

【作 者】陈增奎;周卫卫;范新中;陈浩;涂光纯

【作者单位】中国运载火箭技术研究院，北京 100076;北京精密机电控制设备研究所，北京 100076;中国运载火箭技术研究院，北京 100076;首都航天机械公司，北京 100076;首都航天机械公司，北京 100076

【正文语种】中 文

【中图分类】TG339

长期以来，Al-Zn-Mg-Cu系高强铝合金被广泛用于飞机机身、机翼梁、机舱壁板和高强度火箭结构件等的制造［1_5］。7系超高强铝合金通过高合金化元素，提高铝合金的强度，是强度最高的铝合金系列，其中7055铝合金是可达到的强度最高的热处理铝合金。除强度高之外，7055铝合金还有高比模量、高韧性等特点［6_9］。7055铝合金较小尺寸的材料制备及加工成形方面的技术已经成熟，并在国内外航天航空领域均有应用［9_12］。

目前，采用喷射成形较锭坯稳定地制造7055铝合金轧制大型环件的研究较少

［11_15］。本文主要采用喷射成形锭坯的7055铝合金轧制切向、径向、轴向三向的抗拉强度均高于580 MPa、延伸率均大于8%、尺寸规格为Φ2000 mm级的大型环件，满足了研制需求，为7055合金在航天大型结构件上的应用提供了技术支撑。

1.1 轧制温度

对7055铝合金进行了热压缩模拟试验，温度区间为200～450 ℃，变形速率分别为0.01， 0.1， 1.0 s-1，试验结果如图1所示。

由图1可以看出，7055铝合金强度对变形温度较为敏感，在3种不同的变形速率下，7055铝合金在350～450 ℃的温度范围内，随着变形量的增加，变形抗力基本保持不变，加工硬化与动态再结晶过程保持平衡，材料最易发生塑性变形，因此 350～ 450 ℃为7055铝合金的轧制温度范围。同时，考虑到自由轧制过程为完全开放的成形系统，材料不受模具的保护，直接与空气接触，表面温度损失较大，容易造成材料的温度分布不均匀，故将终锻温度提高 30 ℃，控制为 380 ℃，对工装、模具预热，预热温度为400 ℃。

制定的7055铝合金的轧制热加工工艺参数：始轧温度为（455±5）℃；终轧温度为（380±10）℃；保温系数为2 min/mm；保温时间300 min；轧制火次为1火次；吊装方式为水平吊装；冷却方式为空冷。

1.2 轧制压缩比

环件轧制的压缩比设计是轧制技术的重要参数，合理的压缩比能够利于轧制过程的顺利进行，利于降低轧制环件的表面凹坑、材料折叠等过程缺陷。压缩比λ按照工艺系统的

要求，当λ=0.60时，是最佳的轧制区间，轧制转变点变化幅度最小，对应的轧制变形程度最为均匀。而λ=0.60多为工艺设计的理想状态，实际生产或试验中，由于材料类别、制坯规格、公差余量等各项要求，只能使 λ值趋近最佳状态。对于本课题的轧制件环件，设计计算的压缩比为λ=0.52，与理想值相差12.9%，属于工艺允许范围。

2.1 轧制坯料制备

为避免喷射成形锭坯的裂纹倾向性，提高塑性变形能力，对喷射锭坯采用变形速率较慢的镦粗、挤压等多道次充分变形，提高原始材料的致密度，细化晶粒尺寸，使大部金属间化合物固溶于材料基体，改善晶界强度，以提高材料轧制性能。

轧制试验坯料制备过程中，采取多道次的挤压、镦粗、马杠扩孔方式，细化晶粒，改善组织。在镦粗、扩孔过程中，由于7055铝合金对自由锻造的冲击载荷较为敏感，因此严格保证变形温度分布的均匀性，对锻造设备的上下砧面、工装以及扩孔所用的马杠预热至 400 ℃以上，同时，工序间坯料重新加热至 450 ℃并进行保温，消除塑性变形硬化。环轧试验件坯料进行了4次镦粗变形，1次挤压变形，2次扩孔变形，道次变形量最小为 110%，最大为265%，总的累积变形量约为1100%，轧制试验坯料的制备方法见表1。

制备的轧制试验坯料如图 2所示，尺寸规格为Φ950 mm×Φ550 mm×150 mm。

2.2 轧制过程

轧制过程主要分为 5个阶段，对应轧制环件的轧制曲线及轧制过程分别如图3和图4所示：阶段0为原始坯料Φ950 mm；0～1阶段为初始咬合整圆过程，即主辊、锥辊、

抱辊与环件坯料咬合接触，并对环件的圆度校圆，同时核算真实的压缩比；1～2阶段为工艺转变点，在咬合阶段的基础上，环件的圆度得到调整，表面温度因吊装、装机过程中的损失在变形热效应的作用下得到补偿，为下一步的轧制做好了准备；2～3阶段为工艺过渡阶段，由坯料变形为过渡环件，此时的变形程度最为剧烈，外径增压了693 mm，亦是轧制的关键阶段，需要合理的轧制力与速度进给匹配，实现环件的轧制过渡，轧制过程中在环件上下表面、内外圆面以及圆角位置出现卷料、折叠、凹坑时，需要进行必要的人工干预；3～4阶段为过渡终了阶段，环件此时的表面温度以及外圆直径快速升高和长大，需要重新变化轧制进给速率，以保证过渡阶段的顺利完成；4～5阶段为轧制终了阶段，环件已接近尺寸要求，直径变大后的轧制风险也随之增大，此阶段需要对环件的圆度、高度进行修整，校正椭圆以及去除端面凹坑。

轧制的7055铝合金大型环件如图5所示，尺寸规格为Φ2000 mm×Φ1794 mm×112 mm。

对轧制后的大型环件进行了固溶时效强化热处理，固溶时效热处理参数为：470 ℃×4 h，水冷；120 ℃×4 h，空冷。对环件的切向、径向、轴向三向试样进行金相显微组织观察，轧制试验件三向显微组织如图6所示。

由图 6可以看出，切向、径向的显微组织相对较为均匀细化，而轴向显微组织极度不均匀，并有大量的条状未破碎组织存在。原因是：在轧制过程中，切向、径向得到充分的挤压塑性变形，晶粒细化，而轴向尺寸仅从150 mm变形至110 mm，变形量相对较小，并且在轧制过程中伴随摩擦热与挤塑变热效应的综合作用，晶粒长大，故晶粒不均匀，且相对粗大。

轧制试验件的切向、径向、轴向力学性能如表2所示。由表 2可知，轧制试验件的切向、径向、轴向三向的抗拉强度均高于 580 MPa，延伸率均大于8%，其中切向和径向性能较高，轴向性能最低。根据Hall-Petch公式，即σs=σ0+Kd-1/2，d值越大，强度越低，因轴向晶粒相对粗大，故轴向强度相对较低。

制定的7055高强铝合金环件轧制的温度参数：始轧温度为455 ℃，终轧温度为380 ℃，轧制压缩比为0.52。

对喷射成形锭坯进行了4次镦粗变形，1次挤压变形，2次扩孔变形，制备的轧制试验坯料尺寸为Φ950 mm×Φ550 mm×150 mm。

经过5个阶段的制过程，轧制的7055高强铝合金大型环件尺寸规格为Φ2000 mm×Φ1794 mm×112 mm。

7055高强铝合金环件轧制的试验件，切向、径向、轴向三向的抗拉强度均高于580 MPa，伸长率均大于8%。其中，轴向性能较低，原因为轴向变形量相对较小，晶粒不均匀，且相对粗大，导致了力学性能偏低。

【相关文献】

［1]薛永春. 金属等温成形工艺［M］. 北京： 机械工业出版社，1992. XUE Yong-chun. Isothermal Metal Forming Processes［M］. Beijing： Mechanical Industry Press， 1992.

［2]CHENG Yong-qi， CHEN Zhen-hua， XIA Wei-jun， et al. Microstructures and Mechanical Properties of AZ31 Magnesium Alloy Sheet Processed by Equal Channel Angular Rolling［J］. The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2005， 15（9）：1369-1375.

［3]伍态宾， 孔凡新， 赵治国. 2A12铝合金薄壁壳体的近净成形加工技术研究［J］. 锻压技术， 2009， 34（4）： 105—109. WU Tai-bin， KONG Fan-xin， ZHAO Zhi-guo. Study on Near-net-shape Forming Process of Thin-wall Shell Body Made for 2A12 Aluminium Alloy［J］. Forging Technology，2009， 34（4）： 105—109.

［4]CHANDRASEKARAN M， YONG Ming Shyan John. Effect of Materials and Temperature on the Forward Extrusion of Magnesium Alloys［J］. Materials Science and Engineering A， 2004， 381： 308—319.

［5]朱光明， 杜凤山， 孙登月， 等. 板带轧制变形区内摩擦力分布的有限元模拟［J］. 冶金设备. 2005， 21（2）： 1—4. ZHU Guang-ming， DU Feng-shan， SUN Moon. Finite Element Simulation of Strip Rolling Deformation Zone Friction Distribution［J］. Metallurgical Equipment， 2005，21（2）： 1—4.

［6]王德尊. 金属力学性能［D］.哈尔滨工业大学， 1993： 6—38. WANG Zun-de. Mechanical Properties of the Metal Statue［D］. Harbin： Harbin Institute of Technology， 1993： 6-38.

［7]CHENG Y Q， CHEN Z H， XIA W J， et al. Effect of Channel Clearance on Crystal Orientation Development in AZ31 Magnesium Alloy Sheet Produced by Equal Channel Angular Rolling［J］. Chin J Nonferrous Met， 2007， 184（1）： 97—101.

［8]IWANAGA K， TASHIRO H， OKAMOTO H， et al. Improvement of Formability from Room Temperature to Warm Temperature in AZ-31 Magnesium Alloy［J］. J Mater Process Tech， 2004， s155-156（1）： 1313—1316.

［9]OGAWA N， SHIOMI M， OSAKADa K. Forming Limit of Magnesium Alloy at Elevated Temperature for Precision Forging［J］. Machine Tools and Manufacture， 2002，42： 607—614.

［10]朱光明， 杜凤山， 孙登月， 等. 板带轧制变形区内摩擦力分布的有限元模拟［J］. 冶金设备. 2005， 21（2）： 1—4 ZHU Guang-ming， DU Feng-shan， SUN Deng-yue， et al. Finite Element Simulation of Strip Rolling Deformation Zone Friction Distribution［J］. Metallurgical Equipment，2005， 21 （2）： 1-4.

［11]PALANISWAMY H， NGAILE G， ALTAN T. Finite Element Simulation of Magnesium Alloy Sheet Forming at Elevated Temperatures［J］. J Mater Proc Techn， 2004， 146（1）： 52—60.

［12]KUBOTA K， MABUCHI M， HIGASHI K. Review Processing and

Mechanical Properties of Fine-grained Magnesium Alloys［J］. Journal of Materials Science， 1999，34： 255—2262.

［13]CHEN F K， HUANG T B， CHANG C K. Deep Drawing of Square Cups with Magnesium Alloy AZ31 Sheets［J］. Int J Machine Tools & Manuf， 2003， 43（15）： 1553.

［14]赵永忠， 朱启建， 李谋渭. 中厚板控冷过程有限元模拟及在生产中的应用［J］. 冶金设备，2001（6）： 12-15. ZHAO Yong-zhong， ZHU Jian， LI Mou-wei. Finite Element Analysis of Plate Temperature Field in the Process of Controlled Cooling and the Application in Production［J］. Metallurgical Equipment，2001（6）： 12-15.

［15]TAKUDA H， YOSHII T， HATTA N. Finite-element Analysis of Formability of a Magnesium-Based Alloy AZ31 Sheet［J］. J Mater Proc Techn， 1999， 29（8）： 135. 2016-05-24