7136挤压管材头尾性能差异产生原因分析_周保成.pdf

0前言7136铝合金是在7055铝合金的基础上主要优化Zn含量和其他合金元素配比得到的新型高强度和耐腐蚀性合金，7136铝合金常用的塑性加工方法有挤压和轧制等，主要用于飞机，如机翼构件、上机翼蒙皮构件及飞机纵梁等产品1。近些年，对7136合金的研究方向主要聚焦于固溶、时效和淬火速率对其组织性能的影响研究。王春华等2研究了一级、二级和三级固溶制度对耐腐蚀性能的影响。Li等3研究了T6和RRA时效制度对7136铝合金挤压板材微观组织和力学性能的影响。马志民等4采用浸入式末端淬火和慢应变速率拉伸实验研究了淬火速率对7136铝合金应力腐蚀开裂（SCC）敏感性的影响规律。赵帆等5研究了针对挤压后的7136铝合金型材施加一定拉伸变形量后再固溶的方式消除挤压粗晶。除了上述问题外，7136铝合金挤压材也存在头尾性能差异较大的问题。例如，实际生产的外径250 mm、壁厚20 mm的7136-T6511合金，其铸锭温度为400，挤压速度为0.2 mm/s，表1示出了其性能检测结果（圆柱拉伸试样，标距部分直径15 mm，取样位置位于壁厚中心处）。但该问题暂时没有研究报道，本文以7136铝合金管材为研究对象，通过数值模拟的方式，从挤压工艺角度揭示7136铝合金挤压管材头尾性能差异产生的原因。表1实际生产中7136-T6511管材头尾性能头部尾部屈服/MPa704718抗拉/MPa723738延伸率/%8.512.51研究方法本文研究对象是外径250 mm，壁厚20 mm的7136 铝合金管材，该管材由外径 630 mm，内径260 mm的空心铸锭通过模具挤压成形，空心铸锭长度为1 000 mm，工模具尺寸如图1中左侧，模具温度400，挤压筒和挤压针温度为450。管材挤压过程模拟采用QForm软件，由于管材及工模具在几何和变形上都属于轴对称布置，为了提高模拟速度，管材挤压过程模型简化为轴对称方式建模，管材挤压过程简化模型如图1中右侧。在作者简介：周保成（1987-），男，河北秦皇岛人，硕士，工程师，主要从事铝合金加工工艺及其数字化技术研究。收稿日期：2022-09-057136挤压管材头尾性能差异产生原因分析周保成1，毛雪晶2，黄东男1，董学光1，牛关梅1（1.中铝材料应用研究院有限公司，北京102209；2.西南铝业（集团）有限责任公司，重庆 401326）摘要：为了分析7136挤压管材头尾性能差异产生的原因，模拟7136管材在不同铸锭温度和挤压速度条件下的挤压过程。在挤压速度为0.2 mm/s时，管材挤压出口处的温度几乎不受初始铸锭温度影响；在铸锭温度为400 时，管材挤压出口处的温度随挤压速度的增大而增大。挤压管材应变不受初始铸锭温度和挤压速度的影响，管材心部应变从头到尾均为3，管材头部的内侧和外侧应变分别为9和10，管材尾部的内侧和外侧应变分别为15和21。挤压管材再结晶情况既受初始铸锭温度影响也受挤压速度影响，在各工艺条件下，管材心部再结晶体积分数从头到尾不超过10%，管材内侧和外侧再结晶体积分数从头到尾在40%80%之间。综合应变、温度和再结晶结果可知，挤压管材头尾性能差异产生的原因是头尾经过挤压出口处的温度不同。关键词：7136铝合金；挤压管材；挤压工艺；头尾性能；再结晶模拟中图分类号：TG379，TP391.99文献标识码：A文章编号：1005-4898（2023）03-0053-06doi：10.3969/j.issn.1005-4898.2023.03.112023年第3期总第272期铝加工工艺技术 53模型中，7136铝合金材料的热变形本构模型和动态再结晶模型采用文献6测定的参数，挤压模拟热和摩擦边界条件设置采用文献7测定的参数。首先，开展挤压试验和模拟，以验证数值模拟挤压过程准确性，通过比对挤压试验和模拟计算获得的管材再结晶体积分数判定模型是否合理。然后，模拟不同初始铸锭温度（400、430 和 460）和不同挤压速度（0.2 mm/s、0.49 mm/s，0.79 mm/s）管材挤压过程，工艺模拟方案如表2。分析铸锭温度和挤压速度对管材温度场、等效应变场、金属流线和再结晶影响规律，通过分析管材头尾的再结晶差异揭示性能差异产生原因。图1管材挤压工模具结构和简化模型表2模拟的不同工艺方案铸锭温度/400430460400挤压速度/mms-10.200.490.792试验及模拟结果2.1 数值模拟挤压过程准确性验证采用相同的工艺（铸锭温度为400，挤压速度0.2 mm/s）进行挤压试验和模拟，对比分析挤压试验和模拟后的管材再结晶体积分数。对比分析的位置在距离头部和尾部处的800 mm处纵剖面的中心点（如图2）。试验测定再结晶体积分数的采用EBSD技术，挤压试验获得的管材EBSD分析结果如图3所示，由结果可知，无论是管材的头部还是尾部，晶粒沿着挤压方向伸长，沿着管材径向压扁，发生少量再结晶。采用EBSD测得的头部位置和尾部位置的再结晶体积分数分别为 8.56%和7.84%，两处再结晶体积分数基本无差别。试验和模拟的管材再结晶体积分数对比统计结果如表3。由表可知，采用模拟计算的头部和尾部再结晶体积分数分别为7.28%和6.59%，相对于试验的误差分别为-14.9%和-16%，模拟偏差相对较低，说明建立的模型模拟过程较为合理。图2管材取样示意图表3试验和模拟的管材再结晶体积分数对比（体积分数/%)头部尾部试验测定8.567.84模拟计算7.286.59误差-14.9-16.0周保成，等：7136挤压管材头尾性能差异产生原因分析工艺技术（a）原始铸锭（b）管材头部中心（c）管材尾部中心图3原始铸锭和管材EBSD分析 542.2 不同挤压工艺条件下材料温度场模拟结果图 4 示出了在挤压温度 400、挤压速度0.2 mm/s条件下，挤压杆行程不同时材料的温度场云图。由图5可知，在整个挤压过程中，挤压出口处温度最高，挤压坯料尾部温度最低，挤压出口处管材内侧点、中心点和外侧点之间的温差小于2。图4挤压温度400，挤压速度0.2 mm/s，不同挤压行程时的温度场图5挤压温度400，挤压速度0.2 mm/s，挤压行程784 mm时出口处温度场如图6所示，在不同挤压工艺条件下，挤压出口区域的温度随挤压行程的变化曲线。在挤压速度为0.2 mm/s条件下，对比铸锭温度分别为400、430 和460 时的挤压出口处温度。在挤压初期，三种铸锭温度条件下的出口处温度彼此相差约4。随着挤压过程的进行，当挤压行程达到388 mm附近时，三种铸锭温度条件下的出口温度逐渐接近，直至最后温度相差不大，可以得出铸锭温度对挤压出口处的温度影响较小的结论。导致这种结果的原因可能是挤压速度在0.2 mm/s条件下，在挤压初期，挤压出口处温度的差别主要来自于铸锭的温度差异，但随着挤压过程的进行，挤压筒、挤压模具和挤压针对挤压坯料有热传导作用，这种热传导作用逐渐将坯料加热至接近于挤压模具温度。在铸锭温度为400 条件下，对比挤压速度为0.2 mm/s、0.49 mm/s 和 0.79 mm/s 时材料在挤压出口处的温度。随着挤压速度的增大，挤压出口处材料温度的温升越大，三种挤压速度的温升分别为10、22 和28，说明挤压速度对温升影响较大。其原因是挤压速度越大，变形导致的热量产生越快，坯料和模具接触的时间越短，模具对坯料的冷却作用越小。图6挤压出口处的温度随挤压杆行程变化2.3 不同挤压工艺条件下材料等效应变场的模拟结果测量挤出后管材的内侧、中心和外侧部位的等效应变，具体测量位置如图7所示，不同挤压工艺条件下的等效应变沿长度方向分布如图8所示。所有工艺条件下等效应变分布情况基本相同：心部点应变不随长度变化，大约为3；内侧点应变由头部向尾部先增大后降低，头部应变水平约为9，应变达到最高约18后，到尾部应变降低到约为15；外侧点应变由头部向尾部一直增大，头部应变水平约为10，尾部应变约为21。图7挤压管材取样位置示意图温度400，速度0.2 mm/s温度430，速度0.2 mm/s温度460，速度0.2 mm/s温度400，速度0.49 mm/s温度400，速度0.79 mm/s挤压出口温度/行程行程/mm/mm2023年第3期总第272期铝加工工艺技术 55（a）速度为0.2 mm/s时，不同温度条件下等效应变沿长度分布（b）温度为400 时，不同速度条件下等效应变沿长度分布图8不同工艺条件下应变沿管材长度方向的分布2.4 挤压过程材料流线变化过程如图 9 示出了在挤压温度 400、挤压速度0.2 mm/s条件下，挤压杆行程不同时挤压坯料的流线变化。由图可知，随着挤压过程的进行，材料流动区域和死区之间的过渡区域逐渐形成。在管材头部挤出时，流线变形还不太明显，但到管材尾部挤出时，尾部的内侧点和外侧点都有大量的流线聚集现象，说明发生了强烈的塑性变形。图9挤压过程材料的流线变化2.5 挤压动态再结晶图10显示了在不同挤压工艺条件下，头部和尾部纵剖面的再结晶体积分数云图（为了方便查看各位置具体数值，采用不连续的离散云图显示）；图11显示了头部和尾部在横截面上的平均再结晶体积分数对比。在所有挤压工艺条件下，无论是头部还是尾部，中心的再结晶体积分数较低，内侧和外侧的再结晶体积分数较高。在挤压速度为0.2 mm/s条件下，对比铸锭温度对平均再结晶体积分数的影响：随着铸锭温度的升高，头尾平均再结晶体积分数差异逐渐降低，铸锭温度为400、430 和460 时，头部平均再结晶体积分数分别为33.7%，31.8%和35.8%，尾部平均再结晶体积分数分别为40.4%，35.5%和36.0%。在铸锭温度为400 条件下，对比挤压速度对平均再结晶体积分数的影响：随着挤压速度的升高，头尾平均再结晶体积分数差异逐渐增大，挤压速度为0.2 mm/s、0.49 mm/s和0.79 mm/s时，头部平均再结晶体积分数分别为 33.7%，35.0%和35.8%，尾部平均再结晶体积分数分别为 40.4%，49.4%和55.4%。图10纵剖面再结晶体积分数云图对比（剖面左侧为管材内侧）203040506070?400?0.79mm/s?400?0.49mm/s?460?0.2mm/s?430?0.2mm/s?/%?400?0.2mm/s图11横截面上平均再结晶体积分数对比温度400温度430温度460温度400温度400速度0.2mms-1速度0.2mms-1速度0.2 mms-1速度0.49mms-1速度0.79mms-185.077.069.061.053.045.037.029.021.013.05.0头部尾部速度0.2 mm/s，内侧速度0.49 mm/s，内侧速度0.79 mm/s，内侧等效应变/mm速度0.2 mm/s，外侧速度0.49 mm/s，外侧速度0.79 mm/s，外侧各速度条件下心部应变各速度条件下心部应变头部管材长度头部管材长度/mm/mm尾部尾部头部管材长度头部管材长度/mm/mm尾部尾部温度400，内侧温度460，内侧温度430，内侧等效应变/mm温度430，外侧温度400，外侧温度460，外侧各速度条件下心部应变各速度条件下心部应变头部平均再结晶体积分数尾部平均再结晶体积分数再结晶体积分数/%挤压工艺挤压工艺温度400速度0.2mm/s温度430速度0.2mm/s温度460速度0.2mm/s温度400速度0.49 mm/s温度400速度0.79 mm/s周保成，等：7136挤压管材头尾性能差异产生原因分析工艺技术 563分析与讨论材料的性能决定于微观组织，微观组织主要包含晶粒和第二相两大方面，两方面互相影响。对于同一根管材，成分和热处理制度相同，但头尾性能却有较大差异。结合上述模拟结果可知，头尾性能差异产生的原因是管材在挤压过程经历的变形量和温度在不断变化，变形量和温度影响了再结晶程度、晶粒尺寸和织构。再结晶不仅对性能产生直接影响，也通过影响7合金第二相时效析出和织构间接对性能产生影响8。在挤压温度 400，挤压速度 0.2 mm/s 条件下，表1中表明强度和延伸率性能在头部比在尾部低，图11中表明平均再结晶体积分数在头部比在尾部高。原因是再结晶既导致晶粒尺寸增大也导致沿挤压方向的纤维减少，使强度和延伸率都降低。为了分析对比等效应变和挤压出口温度对再结晶的影响，将模拟的得到各工艺条件下的等效应变、挤压出口温度和再结晶数据进行处理：第一步：计算挤压管材头部和尾部在整个横截面上等效应变平均值、挤压出口时的温度平均值、再结晶体积分数平均值。第二步：计算上述各参数平均值在头部和尾部之间的差值。第三步：将上述差值采用均值方差法9进行归一化，使数据转化为均值为0、方差为1的标准化数据，该数据的数值越大，代表头尾之间的相应参数差异越大。图12为按照上述步骤处理后的数据结果，由图可知，头尾出口温度差异和头尾平均再结晶差异具有明显的相关性：随着挤压温度的升高，头尾挤压温度差异越小，再结晶差异越小；随着挤压速度的增大，头尾挤压温度差异越大，再结晶差异越大。-2.5-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.52.0?400?0.79mm/s?400?0.49mm/s?460?0.2mm/s?430?0.2mm/s?400?0.2mm/s图12不同挤压工艺条件下头尾参数差异对比4结论通 过 数 值 模 拟，探 究 了 不 同 铸 锭 温 度（400、430 和460）和挤压速度（0.2 mm/s、0.49 mm/s、0.79 mm/s）对7136管材挤压过程中的温度、应变、流线和再结晶体积分数的影响，得出如下结论：（1）挤压速度对挤压模具出口处的管材温度有较大影响。以较低速度（0.2 mm/s）挤压时，挤压模具出口处的管材温度随着挤压过程的进行先增大后保持在与挤压筒和挤压针温度接近的水平；以较高速度（0.49 mm/s、0.79 mm/s）挤压时，挤压模具出口处的管材温度随着挤压过程的进行逐渐增大，挤压速度越高挤压模具出口处的管材温度越高。（2）铸锭温度对挤压模具出口处的管材温度影响较小。不同铸锭温度条件下，挤压模具出口处的管材温度在挤压过程前期有差异，在挤压过程后期几乎相同。（3）挤压速度和铸锭温度对挤压后的管材应变几乎无影响。在所有挤压工艺条件下，管材的心部点从头部到尾部应变一直处于同一水平，内侧点应变由头部向尾部先增大后降低，外侧点应变由头部向尾部一直增大。（4）管材头尾性能差异源于再结晶差异，而管材头尾再结晶差异和挤压模具出口温度差异存在着明显的相关性，所以说管材性能差异来源于挤压过程中管材在挤压出口温度的差异。参考文献1孙文会.热处理工艺对新型7136铝合金组织性能的影响D.北京：北京有色金属研究总院，2014.2王春华，王峰，王凤良，等.多级固溶对7136-0.35La铝合金组织与性能的影响J.金属热处理，2021，46（9）：124-128.3LI H，JIA L，Huang J，et al.Precipitation behavior andproperties of extruded 7136 aluminum alloy under differentaging treatmentsJ.Chinese Journal of Aeronautics，2021，34（2）：612-619.4郑鹏程，马志民，刘洪雷，等.淬火速率对7136铝合金微观组织和力学性能的影响J.中国有色金属学报，2021，31（9）：2348-2356.5赵帆，何颖，张志豪.消除7136铝合金固溶热处理粗晶环的新方法：应变固溶J.材料导报，2021，35头部平均再结晶差异尾部平均出口温度差异头尾平均应变差异头尾参数差异归化数值挤压工艺挤压工艺温度400速度0.2mm/s温度430速度0.2mm/s温度460速度0.2mm/s温度400速度0.49 mm/s温度400速度0.79 mm/s2023年第3期总第272期铝加工工艺技术 57（14）：14079-14083.6牛关梅，李伟，吕丹，等.7136铝合金型材挤压过程动态再结晶演变模拟和实验研究J.塑性工程学报，2021，28（9）：86-93.7Mahmoodkhani Y，Wells M A，Parson N，et al.Numeri-cal modelling of the material flow during extrusion of alu-minium alloys and transverse weld formationJ.Journal ofMaterials Processing Tech，2014，214（3）：688-700.8彭国胜.变形和热处理对Al-Zn-Mg-Cu系超强铝合金组织和性能的影响D.长沙：中南大学，2012.9马立平.统计数据标准化无量纲化方法现代统计分析方法的学与用（三）J.北京统计，2000（3）：34-35.Analysis of the causes of the difference between the head and tailproperties of 7136 extruded pipeZhou Baocheng1,Mao Xuejing2,Huang Dongnan1,Dong Xueguang1,Niu Guanmei1(1.Chinalco Materials Application Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 102209;2.Southwest Aluminum(Group)Co.,Ltd.,Chongqing 401326,China)Abstract:In order to analyze the reason of the difference between the head and tail properties of 7136 extruded pipe caused by extrusion process,the extrusion process of 7136 pipe under different ingot temperature and extrusion speed was simulated.When the extrusion speed is 0.2mm/s,the temperature at the extrusion outlet of the pipe is almost not affected by the initial ingot temperature.Whenthe ingot temperature is 400,the temperature at the extrusion outlet increases with the increase of extrusion speed.The strain of extruded pipe is not affected by the initial ingot temperature and extrusion speed.The strain in the center of the pipe is 3 from head totail,the strain in the inner and outer sides of the pipe head is 9 and 10,and the strain in the inner and outer sides of the pipe tail is 15and 21,respectively.The recrystallization of extruded pipes is affected by both the initial ingot temperature and the extrusion speed.Under each process condition,the recrystallization volume fraction of the pipe core is not more than 10%from head to tail,and the recrystallization volume fraction of the inner and outer sides of the pipe is between 40%and 80%.Key words:7136;extruded pipe;extrusion process;the properties of head and tail;recrystallization simulation明泰铝业：再生铝项目具有较大的优势，未来将会产生绿色溢价5月16日，明泰铝业在公司业绩说明会上表示，随着国内外对碳减排的重视，公司再生铝项目具有较大的优势，未来将会产生绿色溢价。铝资源作为一种国家战略物资，具有稀缺性的特点。再生铝是由废旧铝和废铝合金材料或含铝的废料，经重新熔化提炼而得到的铝合金或铝金属。生产再生铝与生产等量的原铝相比，1 t再生铝可节省34 t标准煤，节水14 m3，减少固体废物排放20 t，能耗仅为电解铝能耗的3%5%。工信部等三部门于2022年11月中旬印发了有色金属行业碳达峰实施方案，提出建设绿色制造体系，其中一项工作为发展可再生金属行业“到2025年再生铜、再生铝产量分别达到400万吨、1 150万吨，再生金属供应占比达24%以上”。据明泰铝业2022年年报披露，报告期内义瑞新材年产36万吨再生铝项目投产，公司再生铝保级利用产能超100万吨。丸红：截至5月底日本三大港口铝库存环比续降1.2%外电6月16日消息，日本丸红商事（Marubeni Corp）周五公布的数据显示，截至5月底，日本三大主要港口的铝库存较前月减少1.2%，至35.4万吨，4月底为35.84万吨。周保成，等：7136挤压管材头尾性能差异产生原因分析工艺技术/信息报道 58