半固态连续成形Al-Fe合金的工艺参数优化及组织性能分析.pdf

收稿日期:2 0 2 2 1 1 1 8基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 1 8 7 1 1 8 4)。作者简介:张雪飞(1 9 7 2),女,内蒙古包头人,副教授,博士。第3 5卷第4期2 0 2 3年 8月沈阳大学学报(自然科学版)J o u r n a l o fS h e n y a n gU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c e)V o l.3 5,N o.4A u g.2023文章编号:2 0 9 5-5 4 5 6(2 0 2 3)0 4-0 2 7 3-0 6半固态连续成形A l-F e合金的工艺参数优化及组织性能分析张雪飞1,张 越1,张 发1,张 弛2,杜宝怡1(1.沈阳大学 机械工程学院,辽宁 沈阳 1 1 0 0 4 4;2.辽宁工程技术大学 材料科学与工程学院,辽宁 阜新 1 2 3 0 0 0)摘 要:针对A l-F e合金半固态连续成形工艺中挤压轮转速、挤压温度、F e元素质量分数等参数进行优化。结果表明:当挤压轮转速为1 0 rm i n-1、挤压温度为6 9 0、合金中F e元素质量分数为1.0 0%时,可获得较好的A l-F e合金线材质量。采用扫描电镜(S EM)、扫描电镜能谱分析(E D S)及透射电镜(T EM)对半固态连续成形最优工艺条件下制备的A l-F e合金进行微观组织分析,确定了第二相成分,并分析了半固态连续成形工艺对含铁相的细化作用。经拉伸力学性能测试,A l-F e合金线材屈服强度为8 5MP a、抗拉强度为1 4 2MP a、延伸率为3 5%;S EM测试表明拉伸断口形貌为韧性断裂。关 键 词:A l-F e合金;半固态连续成形;工艺参数优化;有限元数值模拟;微观组织形貌中图分类号:T G 4 4 1.8 文献标志码:AO p t i m i z a t i o n o f P r o c e s s P a r a m e t e r s a n dM i c r o s t r u c t u r eP r o p e r t i e so fS e m i-s o l i dC o n t i n u o u s l yF o r m e dA l-F eA l l o yZHANGX u e f e i1,ZHANGY u e1,ZHANGF a1,ZHANGC h i2,DUB a o y i1(1.S c h o o l o fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,S h e n y a n gU n i v e r s i t y,S h e n y a n g1 1 0 0 4 4,C h i n a;2.M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n gI n s t i t u t e,L i a o n i n gT e c h n i c a lU n i v e r s i t y,F u x i n1 2 3 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:T h ep a r a m e t e r ss u c ha se x t r u s i o n w h e e ls p e e d,e x t r u s i o nt e m p e r a t u r ea n dF ee l e m e n tm a s sf r a c t i o ni nt h es e m i-s o l i dc o n t i n u o u sf o r m i n gp r o c e s so fA l-F ea l l o y w e r eo p t i m i z e d.T h er e s u l t ss h o wt h a tg o o dw i r eq u a l i t yo fA l-F ea l l o yc a nb eo b t a i n e dw h e nt h ee x t r u s i o nw h e e l s p e e di s1 0rm i n-1,t h ee x t r u s i o nt e m p e r a t u r ei s6 9 0,a n dt h em a s sf r a c t i o no fF ee l e m e n t i nt h ea l l o y i s1.0 0%.T h em i c r o s t r u c t u r ea n a l y s i so f t h eA l-F ea l l o yp r e p a r e du n d e r t h eo p t i m u mp r o c e s sc o n d i t i o n so fs e m i-s o l i ds t a t ec o n t i n u o u sf o r m i n gw a sp e r f o r m e db ys c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p y(S EM),s c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p ye n e r g ys p e c t r u ma n a l y s i s(E D S)a n dt r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p y(T EM)t od e t e r m i n et h es e c o n dp h a s e c o m p o s i t i o na n da n a l y z e t h e r e f i n e m e n t e f f e c t o f t h e s e m i-s o l i ds t a t e c o n t i n u o u sf o r m i n gp r o c e s so nt h eF e-c o n t a i n i n gp h a s e.T h et e n s i l em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h eA l-F ea l l o yw i r es h o w e dt h a tt h ey i e l ds t r e n g t hw a s8 5MP a,t h et e n s i l es t r e n g t hw a s1 4 2MP a,a n dt h ee l o n g a t i o nw a s3 5%,a n dt h eS EMt e s t s h o w e dt h a t t h e t e n s i l e f r a c t u r em o r p h o l o g yw a sd u c t i l e f r a c t u r e.K e yw o r d s:A l-F ea l l o y;s e m i-s o l i dc o n t i n u o u sf o r m i n g;p r o c e s sp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n;f i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a l s i m u l a t i o n;m i c r o s c o p i cm o r p h o l o g yA l-F e合金具有良好的导电、耐热及耐腐蚀等性能,在交通运输、电力线路等工业领域应用广泛13。F e是铝合金中最常见的杂质元素之一,在制备铝合金过程中使用的工艺设备往往是含铁或含钢的,这会导致整个工艺过程中的F e很难去除45。F e元素过多会破坏材料的性能,一般可以通过去除多余的F e来提高铝合金的综合性能6,但在熔体中去除F e的工艺过程复杂且成本较高,近年来有不少研究者已将研究的重点从去除F e转向细化A l3F e(含铁相)。A l-F e合金在半固态连续成形过程中经历了3个阶段:在挤压轮与固定靴座的间隙中发生了剪切变形;在挤压变形区的等通道转角处发生了剪切变形;在扩展挤压模具中发生了剪切变形。等通道转角挤压和扩展挤压属于大塑性变形方法,半固态连续成形有大塑性变形产生的剪切应变和变形热,是一种短流程、近净成形的高效环保技术7。因此将半固态连续成形技术应用于A l-F e合金制备,并对A l3F e(含铁相)进行细化研究具有广泛的发展前景。合理设置半固态连续成形工艺参数对制品质量和均匀性尤为重要,采用数值模拟优化工艺参数,可保证成形过程中挤压温度和挤压轮转速的恒定,从而保证变形区的稳定。本文基于D E F O RM软件进行半固态连续流变挤压A l-F e合金成形2维数值模拟,通过等效应力、等效应变、温度场的分布特征等分析,考察F e元素质量分数、挤压轮转速、挤压温度对A l-F e合金线材质量的影响,为半固态连续挤压成形A l-F e合金细化A l3F e(含铁相)、工艺优化及新产品开发提供依据。1 有限元数值模拟1.1 有限元模型的建立半固态连续成形过程中A l-F e合金的变形属于非线性大变形问题,可用D E F O RM软件进行分析。在实际生产中,挤压轮、凝固靴和挤压模具均采用高强度耐热合金模具钢制成,具有很高的强度和刚度,可视为刚体,而A l-F e合金则视为变形体。半固态连续成形A l-F e合金的变形过程是复杂的3维过程,为了便于简化计算,利用变形的对称性,选取主机剖面建立2维模型。在D E F O RM中新建材料库,将热力学软件计算得到的A l-F e合金的物性数据导入材料库,以增加模拟的可靠性。使用S O L I DWO R K S绘图软件建立半固态连续成形2维数值模拟模型,以D F X格式导入D E F O RM软件中。在模拟过程中,对变形区及热量交换区网格进行局部细分,选用自建材料库的A l-F e合金作为工件,将挤压轮、凝固靴、挤压靴、挡料块和模具作为变形工具。材料选用H 1 3钢,挤压轮温度设置为2 0,模拟实际通冷却水作用下的温度。将合金与模具接触面之间的摩擦设为剪切摩擦,摩擦因数设为0.4。挤压轮的初始转速为1 01 5rm i n-1,挤压轮绕自身轴线匀速转动,初始温度为6 7 06 9 0。将工件与挤压轮和挤压靴设置成完全接触,将工件与挤压靴接触面设置成界面传热,以模拟冷却水对工件温度的影响。依据模拟结果对成形过程中合金在挤压型腔内的速度场、应力场、应变场及流动行为进行分析。1.2 有限元数值模拟优化参数张雪飞等8对半固态连续成形过程中工艺参数进行研究,得到整个成形过程中最终影响制品质量和生产连续性的工艺参数,如挤压温度、挤压轮转速、冷却水流量、挤压比、合金配比等。本文选取可控参数F e元素质量分数、挤压温度和挤压轮转速作为此次模拟实验的研究因素。结合半固态连续成形主机的特点,F e元素质量分数设置为0.7 5%、1.0 0%、2.0 0%,挤压轮转速设置为1 0、1 2、1 5 rm i n-1,挤压温度设置为6 7 0、6 9 0、7 1 0。1.3 挤压轮转速对半固态连续成形工艺的影响图1为不同挤压轮转速的等效应变分布,从图中可以看到,最大等效应变分布在挤压变形区(最大剪切变形处)及挤压模入口处。当挤压轮转速为1 0 rm i n-1时,等效应变最大为4.3 4;当挤压轮转速为1 2 rm i n-1时,等效应变最大为4.9 2,比挤压轮转速为1 0rm i n-1时升高;当挤压轮转速为1 5 rm i n-1时,等效应变最大为4.4 2,比挤压轮转速为1 2rm i n-1时降低。综合来看,不同挤压轮转速下等效应变相差并不大,等效应变的峰值会随着转速的增加而提前出现,在不同挤压轮转速下,1 0 rm i n-1的等效应变最小。图2为不同挤压轮转速温度场的点位追踪,从图中可以看到,挤压轮转速为1 0rm i n-1时的最低温度为6 8 0.3;挤压轮转速为1 2和1 5 rm i n-1的最低温度较高,均超过了最初的挤压温度。因此选取1 0 rm i n-1的挤压轮转速,此时的挤压变形区更稳定,有利于半固态连续成形主机运转。472沈阳大学学报(自然科学版)第3 5卷(a)1 0 rm i n-1(b)1 2 rm i n-1(c)1 5 rm i n-1图1 不同挤压轮转速的等效应变分布F i g.1 E q u i v a l e n t s t r e s sd i s t r i b u t i o nu n d e rd i f f e r e n t r o t a t i o n a l s p e e d so f t h ee x t r u s i o nw h e e l(a)1 0 rm i n-1(b)1 2 rm i n-1(c)1 5 rm i n-1图2 不同挤压轮转速温度场的点位追踪F i g.2 P o i n t t r a c k i n go f t e m p e r a t u r e f i e l dd i s t r i b u t i o na t d i f f e r e n t e x t r u s i o nw h e e l r o t a t i o ns p e e d s1.4 挤压温度对半固态连续成形工艺的影响图3为不同挤压温度的温度场分布点位追踪,从图中可以看到,在相同的挤压轮作用下,不同挤压温度下温度场各有不同,但均在0.1 s进入挤压变形区。当挤压温度为6 7 0时,温度变化较大,不利于半固态连续成形主机运转;当挤压温度为6 9 0和7 1 0时,温度走势基本一致,挤压变形区稳定,但7 1 0温度较高,不利于主机运转。因此,在温度场方面,挤压温度为6 9 0时,最有利于半固态连续成形工艺进程的稳定运行。(a)6 7 0(b)6 9 0(c)7 1 0图3 不同挤压温度的温度场分布点位追踪F i g.3 P o i n t t r a c k i n go f t e m p e r a t u r e f i e l dd i s t r i b u t i o na t d i f f e r e n t e x t r u s i o n t e m p e r a t u r e s图4为不同挤压温度等效应变分布的点位追踪,从图中可以看到,在挤压变形区剪切带处等效应变较大,随着A l-F e合金被挤压、剪切带发生转移,等效应变随之增大,之后随着A l-F e合金被挤出,等效应变走势基本稳定9。在不同挤压温度的等效应变值相差不大,但从不同的点位追踪来看,挤压温度在6 9 0时走势相对比较平缓。因此,单因素分析(等效应变)挤压温度在6 9 0时更适合整个半固态连续成形的工艺过程。1.5 F e元素质量分数对半固态连续成形工艺的影响图5为不同F e元素质量分数的等效应力分布。从图中可以看到,A l-F e合金中F e元素质量分数为1.0 0%时的等效应力最大值相对于F e元素质量分数为0.7 5%和2.0 0%时最小,为1 3 5.1MP a。从572第4期 张雪飞等:半固态连续成形A l-F e合金的工艺参数优化及组织性能分析A l-F e合金进入半固态连续成形主机到将要进入挤压变形区这一阶段,A l-F e合金线材的等效应力由小逐渐增加。当材料进入到半固态连续挤压变形区后应力达到最大,而后在材料进入挤压模后等效应力逐渐减小。(a)6 7 0(b)6 9 0(c)7 1 0图4 不同挤压温度等效应变分布的点位追踪F i g.4 P o i n t t r a c k i n go f e q u i v a l e n t s t r a i nd i s t r i b u t i o na t d i f f e r e n t e x t r u s i o n t e m p e r a t u r e s(a)0.7 5%(b)1.0 0%(c)2.0 0%图5 不同F e元素质量分数的等效应变分布F i g.5 P o i n t t r a c k i n go f e q u i v a l e n t s t r a i nd i s t r i b u t i o na t d i f f e r e n t e x t r u s i o n t e m p e r a t u r e s综合来看,半固态连续成形工艺最优参数:挤压轮转速为1 0rm i n-1;挤压温度为6 9 0;A l-F e合金中F e元素质量分数为1.0 0%。此工艺条件可以保证半固态连续挤压变形区的稳定,提高合金线材的质量和均匀性,因此,在对第2章半固态连续成形A l-F e合金的组织与性能进行分析时,均采用以上最优工艺参数。2 半固态连续成形A l-F e合金的组织与性能2.1 半固态连续成形A l-F e合金中的第二相图6是半固态连续成形A l-F e合金S EM纵截面扫描第二相微观组织形貌及A、B点处的E D S能谱分析。从图6(a)可以看到,A l-F e合金微观组织中存在大量的第二相:如图6(a)中的A点所示,第二相为球状的组织;如图6(a)中的B点所示,第二相为片状的组织。图6(b)、图6(c)分别为图6(a)中A、B点的E D S能谱分析,从图中可以看到,球状和片状相均由A l和F e元素组成,且球状组织和片状组织均为F e和A l形成的含铁相。(a)S EM672沈阳大学学报(自然科学版)第3 5卷(b)球状组织E D S(A点)(c)片状组织E D S(B点)图6 半固态连续成形A l-F e合金的S E M组织形貌及A、B点处的E D S能谱分析F i g.6 S E Mm i c r o s t r u c t u r eo f s e m i-s o l i dc o n t i n u o u s f o r m i n gA l-F eA l l o ya n dE D Se n e r g ys p e c t r u ma n a l y s i sa t p o i n t sAa n dB图7为半固态连续成形A l-F e合金的T EM组织形貌。由图7(a)可见,组织中分布着长度约为3 5 0n m、宽度约为1 5 0 n m的片状纳米相及半径约为1 0 n m的球状纳米相,结合E D S能谱分析可以确定为A l3F e(含铁相)。由图7(b)可见,A l3F e相弥散地分布在晶界周围,并与组织中的位错呈交互作用1 01 1。与传统铸造A l-F e合金的组织形貌对比发现,传统铸造的合金中含铁相为长条状,尺寸约为5 0m1 2,而半固态连续成形A l-F e合金中存在大量含铁纳米相,这主要是由于半固态连续成形过程中强烈的塑性变形对含F e相的细化作用。(a)A l3F e的形貌(b)A l3F e与位错的交互作用图7 半固态连续成形A l-F e合金中A l3F e相的T E M组织形貌及A l3F e与位错的交互作用F i g.7 T E Mo r g a n i z a t i o na n dm o r p h o l o g yo fA l3F ep h a s ea n d i n t e r a c t i o nb e t w e e nA l3F ea n dd i s l o c a t i o n s i ns e m i-s o l i dc o n t i n u o u s l y f o r m e dA l-F ea l l o y s2.2 半固态连续成形过程中A l-F e合金的性能采用半固态连续成形工艺制备A l-F e合金,并对A l-F e合金进行拉伸力学性能测试。测试结果:半固态连续成形A l-F e合金的屈服强度为8 5MP a;抗拉强度为1 4 2MP a;延伸率为3 5%。图8(a)为本课题组通过半固态连续成形工艺制备的A l-F e合金拉伸断口显微组织形貌,图8(b)为刘昊1 2通过传统铸造工艺制备的A l-F e合金拉伸断口显微组织形貌。从图8(a)和图8(b)对比发现,2种工艺制备的A l-F e合金都属于韧性断裂,但经传统铸造工艺制备的合金断口韧窝密度低于半固态连续成形工艺制备的合金断口韧窝密度,且传统铸造A l-F e合金的韧窝较浅。(a)半固态连续成形(b)传统铸造图8 A l-F e合金拉伸断口显微组织形貌F i g.8 M i c r o s t r u c t u r em o r p h o l o g yo f t e n s i l e f r a c t u r eo fA l-F ea l l o y772第4期 张雪飞等:半固态连续成形A l-F e合金的工艺参数优化及组织性能分析3 结 论1)半固态连续成形工艺最优参数:挤压轮转速为1 0rm i n-1;挤压温度为6 9 0;A l-F e合金中F e元素质量分数为1.0 0%。此工艺参数下制得的A l-F e合金线材具有较好的质量。2)A l-F e合金的微观组织第二相分别为片状组织和球状组织,利用能谱分析(E D S)确定了第二相为A l3F e(含铁相)。片状A l3F e(含铁相)的长度约为3 5 0n m、宽度约为1 5 0n m,球状A l3F e(含铁相)的半径约为1 0n m。3)半固态连续成形A l-F e合金的屈服强度为8 5MP a、抗拉强度为1 4 2MP a、延伸率可达3 5%,半固态连续成形A l-F e合金的拉伸断口组织形貌为韧性断裂。参考文献:1L IR T,MURUGAN V K,D ON G Z L,e ta l.C o m p a r a t i v es t u d yo nt h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c eo fA l-C r-F ea l l o yc o n t a i n i n gq u a s i c r y s t a l sa n dp u r eA lJ.J o u r n a l o fM a t e r i a l sS c i e n c e&T e c h n o l o g y,2 0 1 6,3 2(1 0):1 0 5 4 1 0 5 8.2S T O L YA R OV V V,L A P OVOK R,B RO D OVA I G,e ta l.U l t r a f i n e-g r a i n e d A l-5%F ea l l o y p r o c e s s e d b y E C A P w i t hb a c k p r e s s u r eJ.M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g:A,2 0 0 3,3 5 7(1/2):1 5 9 1 6 7.3A S HR A F I H,E NAYA T I M H,EMA D IR.T r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so fn a n o s t r u c t u r e d A l/A l1 2(F e,V)3S ia l l o y sJ.A c t aM e t a l l u r g i c aS i n i c a(E n g l i s hL e t t e r s),2 0 1 5,2 8(1):8 3 9 2.4L I UY L,L UO L,HAN C F,e ta l.E f f e c to fF e,S ia n dc o o l i n gr a t eo nt h ef o r m a t i o no fF e-a n d M n-r i c hi n t e r m e t a l l i c si nA l-5 M g-0.8 M na l l o yJ.J o u r n a l o fM a t e r i a l sS c i e n c e&T e c h n o l o g y,2 0 1 6,3 2(4):3 0 5 3 1 2.5Z HAOQR,Q I ANZ,C U IXL,e t a l.I n f l u e n c e so fF e,S i a n dh o m o g e n i z a t i o no ne l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t ya n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fd i l u t eA l-M g-S i a l l o yJ.J o u r n a l o fA l l o y sa n dC o m p o u n d s,2 0 1 6,6 6 6:5 0 5 7.6D U J,S H I Y T,Z HOU M C,e ta l.E f f e c t o f S r o n g r a i n r e f i n e m e n t o f M g-3%A la l l o y c o n t a i n i n g t r a c e F e b yc a r b o n-i n o c u l a t i o nJ.J o u r n a l o fM a t e r i a l sS c i e n c e&T e c h n o l o g y,2 0 1 6,3 2(1 2):1 2 9 7 1 3 0 2.7 张雪飞,周天国,温景林.热处理工艺对单辊搅拌冷却成形A l-M g-S c合金组织和力学性能的影响J.中国有色金属学报,2 0 1 0,2 0(9):1 6 8 6 1 6 9 1.Z HAN GXF,Z HOUTG,WE NJL.E f f e c t so fh e a t t r e a t m e n to nm i c r o s t r u c t u r e 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r o n-c o n t a i n i n g p h a s ei n A l-F ea l l o ya n di t se f f e c to n m i c r o s t r u c t u r ea n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sD.S h e n g y a n g:N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y,2 0 1 9.1 1NA R AYANANLA,S AMU E LFH,G RU Z L E S K I JE.D i s s o l u t i o no f i r o n i n t e r m e t a l l i c s i nA l-S i a l l o y s t h r o u g hn o n e q u i l i b r i u mh e a t t r e a t m e n tJ.M e t a l l u r g i c a l a n dM a t e r i a l sT r a n s a c t i o n sA,1 9 9 5,2 6(8):2 1 6 1 2 1 7 4.1 2 刘昊.等通道转角挤压A l-F e合金微观组织及力学性能研究D.沈阳:东北大学,2 0 1 7.L I U H.I n v e s t i g a t i o no nm i c r o s t r u c t u r e a n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o fA l-F e a l l o yp r o c e s s e db ye q u a l-c h a n n e l a n g u l a r p r e s s i n gD.S h e n g y a n g:N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y,2 0 1 7.【责任编辑:智永婷】872沈阳大学学报(自然科学版)第3 5卷