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超高強鋁合金（主要指7xxx系鋁合金）具有密度小、高強高韌、加工性能好等特點，不但是航空航天、國防軍工領(lǐng)域的關(guān)鍵輕量化材料，近年來在汽車、軌道交通等行業(yè)的應用需求也越來越迫切。目前，大型7xxx系鋁合金結(jié)構(gòu)零部件的制備，由于這類合金的合金化程度高，偏析和熱裂傾向嚴重，鑄造性能不好，采用傳統(tǒng)鑄造方法很難成型完好的鑄件，通常采用鑄坯-塑性變形-機加工-熱處理工藝路線，存在流程長，制造成本高的問題。

液態(tài)模鍛(也稱擠壓鑄造)綜合了鑄造成形和鍛造加工的特點，是一種流程短、效率高、成本低的綠色成型技術(shù)，具有選材范圍寬、成型變形力小、加工耗能小、鍛件組織均勻且致密、力學性能高等突出優(yōu)點。由于熔體在壓力下凝固充型且發(fā)生局部變形加工而得到所需形狀的鍛件，與傳統(tǒng)壓鑄相比，液態(tài)模鍛成型件補縮更徹底，易于消除各種缺陷；與熱鍛件相比，其成形更容易，成型力小，能夠制備形狀更復雜的零件，因此液態(tài)模鍛技術(shù)研究一直受到國內(nèi)外學者廣泛關(guān)注。隨著近年來半固態(tài)成形技術(shù)及應用研究的不斷深入，集具液態(tài)易成型和固態(tài)高性能雙重優(yōu)點的半固態(tài)流變模鍛成形技術(shù)非常契合這方面的需求，在高強鋁合金近凈成型方面更具發(fā)展?jié)摿Α?/span>

本課題將本研究團隊研發(fā)的電磁控冷熔體處理方法與傳統(tǒng)模鍛工藝技術(shù)相結(jié)合，發(fā)展了高強鋁合金流變模鍛成型方法，開展大型7050鋁合金輪轂流變模鍛成型技術(shù)研究，考察流變成形條件下大型7050鋁合金輪轂不同部位的微觀組織及力學性能的變化規(guī)律，以期為7xxx系鋁合金大型零部件近終成型工程化應用提供技術(shù)依據(jù)。

【研究方法】 

試驗所用7050鋁合金為自主配置，其原料為高純鋁錠、高純鎂錠、高純鋅錠、Al-50Cu、Al-5Zr以及Al-2Sc中間合金，其實測化學成分見表1。

電磁攪拌法具有能量的高密度性和清潔性、優(yōu)越的響應性和可控性、易于自動化、能量利用率高等優(yōu)點，率先實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化并獲得了較為廣泛的商業(yè)應用。采用自主研發(fā)的電磁控冷熔體處理方法(Inter-cooling Annular Electromagnetic Stirring, IC-AEMS) ，其示意圖見圖1。該技術(shù)是將熔體置于交變磁場下，由洛倫茲力驅(qū)動自發(fā)進行圓周運動，產(chǎn)生強剪切作用；同時在熔體中心放置冷卻器，提高熔體的冷卻速度且減輕電磁場的集膚效應，使熔體的溫度場與成分場更加均勻。在進行熔體澆注前，將7050鋁合金熔體在熔體處理裝置中進行IC-AEMS（工作電壓25 V，工作電流24 A，頻率15 Hz）處理，并對收集器內(nèi)處理好的合金熔體做短暫控溫處理，準備澆注。

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流變模鍛用模具結(jié)構(gòu)見圖2，成形件外徑為470 mm，內(nèi)徑為220 mm，高度為120 mm，其中輪輞厚度為30 mm；成型用液壓機及熔煉爐見圖3。在流變模鍛前預熱模具，當模具溫度上升至200 ℃左右時，分開上下模具，在其表面均勻噴涂脫模劑。當經(jīng)IC-AEMS處理后熔體溫度達到澆注溫度時，將收集器內(nèi)熔體定量澆注到模具型腔中，操作液壓機進行流變模鍛，保壓一定時間后將成型件取出，隨空氣冷卻。表2為流變模鍛工藝參數(shù)。

圖2 大型7050輪轂流變模鍛模具示意圖

圖3 流變模鍛用液壓機及熔煉設備

對成型的輪轂進行切割、取樣，并且進行粗磨、細磨、拋光后，采用Zeiss光學顯微鏡觀察金相組織。采用FOUNDARY MASTER PRO直讀光譜分析儀對合金化學成份進行分析。鑄件T6熱處理制度為：固溶450 ℃×2 h+460 ℃×2 h+470 ℃×2 h水淬+時效120 ℃×24 h。力學拉伸性能測試按照國標GB/T228-2002規(guī)定進行加工、測試，拉伸試驗是在CSS-4100電子萬能材料試驗機上進行的，拉伸速率為2 mm/min。

【研究結(jié)果】

采用流變模鍛制備的大型7050輪轂實物見圖4。鑄件毛坯成型良好，外觀無砂眼、氣孔、裂紋等缺陷，鑄件表面光滑。

圖4 大型7050鋁合金輪轂流變模鍛件實物圖

圖5為大型7050鋁合金輪轂縱截面及取樣觀察位置，分別觀察其彩色金相以及測定其化學成分。其中a、b、c處分別為輪輻內(nèi)側(cè)、中心、外側(cè)，d、e、f處分別為輪輞頂部、中部、底部。其金相組織見圖6。

圖5 大型7050鋁合金輪轂縱向剖面圖及金相取樣觀察及成分測定位置

可以看出，大型7050鋁合金輪轂組織未發(fā)現(xiàn)宏觀及微觀缺陷，其晶粒均為細小的等軸晶，不同位置的晶粒尺寸有所區(qū)別，但不同的位置凝固過程略有區(qū)別。通過截線法統(tǒng)計不同位置的晶粒尺寸，其結(jié)果見圖7。結(jié)合圖6和圖7，可知輪輻內(nèi)側(cè)a點和輪輞底部f點的晶粒尺寸最小，輪輻外側(cè)靠近輪輞的c點晶粒尺寸最大，輪輻中心b點、輪輞頂部d點和中部e點晶粒尺寸相近。晶粒尺寸的變化說明a點和f點是最先凝固的位置，此處冷卻速度快，過冷度高，導致晶粒尺寸較小，a點晶粒尺寸最小達到45.3 μm；而c點的晶粒尺寸最大，e點的晶粒尺寸也大于d和f點，在結(jié)構(gòu)上看這兩點屬于厚大部位，且c點晶粒尺寸大于e點，說明c點處在熱節(jié)的位置，即熔體最后凝固的區(qū)域，此處冷卻速度慢，過冷度小，晶粒尺寸相對其他位置較大，達到102.7 μm。

(a)a點  (b)b點  (c)c點  (d)d點  (e)e點  (f)f點
圖6 大型7050鋁合金輪轂不同位置的彩色金相組織照片

圖7 圖5中不同取樣位置的平均晶粒尺寸

將圖6中不同位置的試樣通過直讀光譜儀測定其化學成分，其主要溶質(zhì)元素的濃度結(jié)果見圖8?？梢钥闯?，7050的主要溶質(zhì)元素Zn、Mg、Cu的宏觀偏析呈一致性，根據(jù)其取樣檢測位置，可以發(fā)現(xiàn)離金屬模壁（或耐磨環(huán)）較近先凝固的部位如a點、b點、d點、f點溶質(zhì)元素濃度小于熔體平均濃度，離熱節(jié)較近最后凝固的部位如c點、e點溶質(zhì)元素濃度大于熔體平均濃度，對于溶質(zhì)分配系數(shù)K< 1的Zn、Mg、Cu元素，這種現(xiàn)象呈正偏析。對于所有的取樣位置，Zn、Mg、Cu的宏觀偏析率SZn< 2.39%、SMg< 3.14%、SCu< 3.71%，鑄件整體的宏觀偏析率處于較低水平，說明熔體電磁均勻化處理明顯改善了大型鑄件的成分場，降低了宏觀偏析的程度。

(a)Zn

(b)Mg 

(c)Cu

圖8 圖5中不同取樣位置的主要溶質(zhì)元素濃

T6熱處理態(tài)下大型7050鋁合金輪轂上不同位置處取樣位置見圖9。本體力學性能的檢測結(jié)果見表3。

圖9 大型7050鋁合金輪轂力學性能測試取樣位置

輪輻處的徑向強度略高于輪輞處的軸向強度，但伸長率略低于后者。輪輻處的徑向抗剪強度大約是徑向屈服強度的0.57倍，符合工程上0.5~0.577倍左右許用屈服應力。結(jié)果可知大型7050鋁合金輪轂流變模鍛件各個部位的力學性能比較優(yōu)異，已達到普通7050鋁合金鍛件的力學水平，可實現(xiàn)以鋁代鋼、以鑄代鍛目標。

【研究結(jié)論】 

（1）采用基于電磁控冷熔體處理方法發(fā)展的流變模鍛成型技術(shù)可制備出細晶均質(zhì)、力學性能達到常規(guī)鍛件水平的7050鋁合金輪轂鑄件；

（2）流變模鍛成型作為共性技術(shù)，可有望為解決高合金化的高強韌鋁合金大型鑄件直接鑄造成型的技術(shù)難題提供新方法。

【文獻引用】

鄭瀚森，徐永濤，高志華，等.大型7050 鋁合金輪轂流變擠壓鑄造技術(shù)研究[J].特種鑄造及有色合金,2022,42(8);962-965.

ZHENG H S,XU Y T.GAO Z H, et al.Rheo squeezing casting of 7050 aluminum allov large scale wheel[J]. Special Casting & Nonferrous Alloys，2022, 42(8):962-965.