低密度镁锂合金性能强化与精密成形技术.pdf

65低密度镁锂合金性能强化与精密成形技术武练梅1易满满！李志亮！卢振？王长瑞3（1北京电子工程总体研究所，北京100854)（2哈尔滨工业大学材料学院，哈尔滨150001)（3南京航空航天大学大学直升机传动技术重点实验室，南京210016)文摘针对轻质高强和近成形复杂结构的技术要求，提出一种基于低密度镁锂合金薄壁筒形件的等温超塑性双向挤压近净成形方法，研究了铸态成形性能、铸态和轧制态在不同温度下的力学性能变化规律。研究结果表明，铸态下延伸率约12%，抗拉强度约145MPa，轧制态下延伸率变化不大，但抗拉强度提升到18 0 MPa以上。采用本论文方法镁锂合金的延伸率和抗拉强度显著提高，分别达到2 1%和2 16 MPa，表明高温大变形过程中，实现了晶粒细化，大量增强相弥散在晶粒内部，起到性能强化作用，成功实现其性能强化和复杂结构件的精密成形。关键词低密度镁锂合金，等温超塑性，双向挤压，抗拉强度，精密成形中图分类号：TG146.22D01:10.12044/j.issn.1007-2330.2023.04.010Performance Enhancement and Precision Forming Technology of Low-density Mg-Li AlloyWU LianmeiYI ManmanLI ZhiliangLU Zhen?WANG Changrui3(1 Beijing Institute of Electronic System Engineering,Beijing100854)(2 School of Materials Science and Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001)(3National Key Laboratory of Science and Technology on Helicopter Transmission,Nanjing University of Aeronautics andAstronautics,Nanjing210016)Abstractt In order to meet the requirements of light weight,high strength and near net forming of a complicatedaerospace component,an isothermal superplastic forward and backward extrusion near net forming method based onthin-walled component of low-density Mg-Li alloy was proposed.The formability of as-cast and the mechanicalproperties of as-cast and as-rolled at different temperatures were studied.The results show that the elongation of as-cast is about 12%,and the tensile strength is about 145 MPa.The elongation of as-rolled has little change,but thetensile strength increases to more than 180 MPa.The elongation and tensile strength obtained by this method aresignificantly improved,reaching 21%and 216 MPa,respectively,which indicates that the grain refinement isrealized in the process of high temperature and large deformation.While many reinforcement phases are dispersed inthe grain,which plays the role of performance enhancement.The performance enhancement and precision forming ofcomplicated structural parts are successful achieved.Key words Low-density Mg-Li alloy,Sothermal superplastic,Forward and backward extrusion,Tensilestrength,Precision forming0引言针对新一代国防武器装备关键结构件高比强度、高比刚度要求，节省燃料消耗、增强火箭的运载能力、提高飞行速度和有效载荷比等成为近几年研究热点，轻质高强合金的使用需求愈发强烈-2 。目前，镁锂合金是世界上最轻的金属结构材料，因具有优良的比强度、良好的导热导电性、优异的机械加工性能和低温成型性能及超轻等优点，成为迅速崛起的新型工程材料3-4。虽然镁锂合金有诸多优点，但是如何发挥其优点，规避其铸造困难，实现工程应用，是目前研究的重收稿日期：2 0 2 1-0 4-10；修回日期：2 0 2 3-0 8-2 2第一作者简介：武练梅，198 1年出生，高级工程师，博士研究生，主要从事结构设计工作。E-mail:宇航材料工艺http:/2023年第4期http:/2023年第4期宇航材料工艺66点。镁锂合金有着熔炼需精确控制、成本高、合金低密度和高强度无法兼得、耐高温性能差、易腐蚀等缺陷。因此，低密度镁锂合金性能强化及其强化机理与精密成形研究具有重要战略意义。ESTRIN等5 对Mg-4Li-1Ca（L X 41）合金进行两步轧制和退火处理，发现合金在比强度、应变硬化能力、延展性方面获得极大提升。这是由于两次轧制处理使合金晶粒得到了细化，退火处理减弱了织构强度。JIA等6 将Mg-16Li-2.5Zn-2.5Er（L Z16 2-2.5Er）合金先下挤压随后进行冷轧，发现合金比强度得到了显著提高。李瑞红等7 对LA91镁锂合金在不同加工状态下的显微组织和力学性能进行了研究，发现轧制态合金较挤压态合金的力学性更好，抗拉强度达17 6 MPa，伸长率达40%。TAKAHIRO等8 通过在通道模头（MDFC)中进行热处理和多方向锻造的工艺组合，制备了具有高强度和塑性变形能力的Mg-Li-Al(LA143)合金。CAO等9)通过多向锻造和轧制（MDFR）制备了新型的双相占主导的细晶粒(5.5m)Mg-6.4Li-3.6Zn-0.37Al-0.36Y合金,得到合金最高拉伸强度为2 8 6 MPa，伸长率为31.8%。刘旭贺等10 过真空感应熔炼及挤压变形制备了铸态及挤压态的Mg-11Li-3Al-xZr合金，发现铸态合金晶粒粗大，挤压变形过程中发生动态再结晶使晶粒细化，抗拉强度显著提高。DROZD等111对LA43以及LA45合金进行应力松弛试验，揭示了热激活过程机理。结果显示，合金中的Li元素使得基体滑移更为容易，降低了多晶体变形中产生的流动应力。SONG等12 在Mg-Li-Al基合金中加人了Be元素，揭示了强化相对基体晶格畸变和-Mg析出的影响。WANG等13 等发现腐蚀性能和点蚀严重程度主要归因于-Mg基体相的晶化结构。ZENG等14 发现细晶组织提高了合金的力学性能和耐蚀性，使点蚀转变为整体腐蚀。SHI等15 发现添加剂EDTA使得形成的氧化膜薄且均匀,综合耐蚀性能好,Na,B,O,则使得形成的氧化膜厚且致密，抗点蚀能力强，本文采用低密度镁锂合金，通过精密近净成形工艺，实现薄壁筒形件尺寸精度和性能的双提升。通过铸态、锻态和筒形件原位性能对比研究，提出镁锂合金薄壁筒形件等温超塑性双向挤压近净成形工艺方法，拟实现其高精度成形、力学性能显著提升。1实验材料及方法采用郑州轻研合金科技有限公司生产的铸态和锻态低密度镁锂合金，主要化学成分如表1所示拉伸性能测试在Instron公司生产的Instron5500R电子万能材料试验机上进行。最大载荷为2 0 0 kN，高温拉伸最高温度为350,采用引伸计测量变形量。拉伸性能测试试样标距为10 mm，总长度为30 mm。压缩表1低密度镁锂合金的化学成分%(w)Tab.1Chemical composition of experimental alloy%(w)LiA1ZnMgMnFeCuNiSi9.033.460.99余量0.0210.010.010.01 2 0%，2001801601401201006806040200024681012141618208/%图4轧制态低密度合金拉伸性能Fig.4Tensile properties of rolled alloy宇航材料工艺http:/2023年第4期热处理后延伸率显著提升。由于镁锂合金的主要变形机制仍然是晶界滑移，室温条件下晶界滑移会在晶界三角区或增强相与基体相界处产生应力集中，使晶界滑移受到阻碍。随温度升高，原子活动动能增加，依赖于原子间相互作用的临界切应力减弱，点缺陷的扩散加快，位错滑移，材料容易进行塑性变形2001801601401201008060402000246810121416 18208/%图5热压+热处理试样拉伸曲线图Fig.5Tensile curves of hot pressed and heat treated specimens31低密度镁锂合金薄壁筒形件精密成形针对薄壁筒形件锻造比大，要求材料可实现较大变形量，传统锻造方法易出现开裂、起皱等问题，通过等温超塑性双向挤压近净成形薄壁筒形件，同68步进行模具内热处理，可显著降低材料变形抗力，大幅提升材料变形量，突破镁锂合金的形变强化和热处理强化机制，提高结构件力学性能。3.1薄壁筒形件精密成形工艺仿真分析薄壁筒形件的结构设计需通过数值模拟进一步优化，数值模拟的前提是必须获得基本参数，包括热传导参数、不同温度下屈服应力、材料变形能力等。本模拟选择的挤压方式为正反挤压，建立几何模型时，考虑到模型是轴对称的，选取模型的二分之一进行分析，坏体视为塑性体，模具视为刚体，不考虑其变形问题。镁锂合金筒形件成形正挤压过程的应力场分布云图见图6，下模高度310 mm，给定边界条件位移为10 8 mm，时间长度30 s，上压头挤压坏料的模拟过程，所受应力为33MPa，筒形长度为310 mm。(b)注：（a)初始阶段，（b)中间阶段，（c）最后阶段。图6筒形件成形正挤压过程的应力场分布云图Fig.6Stress field distribution of tubular workpiece during forward extrusion镁锂合金筒形件成形反挤压过程的应力场分布云图见图7，上压头高度2 30 mm，给定边界条件位移为8 0 mm,时间长度30 s。图7镁锂合金筒形件成形反挤压过程的应力场分布云图Fig.7SStress field distribution of tubular workpiece during backextrusion3.2薄壁筒形件精密成形工艺及本体性能分析挤压成形在2 0 0 t专用热成形机上进行，挤压温度约30 0，保温2 h后开始正挤压，压力约50 t，压头下行速度约0.0 5mm/s，完成后拔出正挤压模头，更换反挤压模头，升温至30 0，保温2 h后开始反挤压。成形后筒形件实物见图8。成形后尺寸精度可控制在0.0 1mm以内。等温超塑性双向挤压近净成形镁锂合金构件纵向切取拉伸试样，室温拉伸应力应变曲线见图9。在应变速率为1.310-s最大抗拉强度2 16 MPa，最大延伸率为2 5.3%，相比铸态和轧制态性能获得大幅提升。成形温度确保了材料超塑性能的实现，双向挤压过程实现了微观组织的细化和球形化，性能得以提升，同时消除了铸态缺陷，提高了结构产品品质。图：薄壁筒形件实物图Fig.8The physical drawing of a space component250200150中心2 3-1100中心2 3-3中心23-6中心2 4-150中心2 4-3中心2 4-600.000.050.10 0.150.200.250.30图9构件本体取样性能测试Fig.9Sample performance test of forming parts4结论研究了一种薄壁筒形件的等温超塑性双向精密挤压近净成形方法，成形后结构件力学性能和延伸率远高于铸造态和轧制态，成形后结构件精度控制在0.0 1mm以内，为轻质高强需求的薄壁结构提出宇航材料工艺http:/2023年第4期2023年http:/69第4期宇航材料工艺了一种新的成形途径参考文献1】李永兵，马运五，楼铭，等.轻量化薄壁结构点连接技术研究进展J.机械工程报，2 0 2 0，56（6）：12 5-145.LI Y B,MA YW,LOU M.et al.Advances in spot joiningtechnologies of lightweight thin-walled structures J.Journal ofMechanical Engineering,2020,56(6):125-145.2韩钟剑，叶林梅，李兵强，等.镁锂合金在机载电子设备轻量化结构设计中的应用J.舰船电子对抗，2 0 2 0，40(3):104-108.HANZ J,YE LM,LIB Q,et al.Application of Mg-Lialloy to lightweight 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