振动对7055铝合金蠕变时效成形的影响

王 宇， 邓运来， 康建可， 张 劲

(1.中南大学材料科学与工程学院，长沙410083;2.中南大学轻合金研究院高性能复杂制造重点实验室，长沙410012)

蠕变时效成形(Creep Age Forming，CAF)是使金属在低于屈服强度的应力场和热时效温度场共同作用下发生蠕变变形，获得相应的形状和性能的工艺方法［1～3］。利用该工艺成形的构件具有残余应力水平低、构件性能优异、表面质量高等优点，因此被广泛应用于铝合金机翼、整体壁板等构件的制造［4～6］。CAF技术的关键在于能否准确预测构件的回弹量和有效地调控起强化作用的纳米级第二相的析出行为［7］，从而使构件的形状和性能与服役环境相适应。

在铝合金的热时效过程中引入一定幅度的循环载荷，循环载荷应力场与蠕变成形的内应力场相互叠加，当叠加应力大于构件的屈服极限时，构件局部会发生微小塑性变形，从而影响仅依靠蠕变或应力松驰达到成形目的经典蠕变成形过程的变形总量与强化相析出行为［8，9］。本工作前期研究中曾将振动引入2XXX系合金的蠕变时效过程中，结果发现，振动蠕变时效成形能大幅度降低回弹量、缩短蠕变成形的时间、提高试样的强度等力学性能。

然而，关于振动引入对7×××铝合金蠕变时效成形的影响尚未见报道。本研究以7055合金为研究对象，将振动引入7055蠕变时效过程中，探索振动蠕变时效成形对7055合金蠕变时效的回弹量、力学性能和微观组织的影响，可为发展CAF工艺方法提供参考。

1 实验方法

1.1 材料与工艺方法

实验采用自制的弯曲蠕变成形模具，模具的组装如图1所示，主要由凸模(c)、凹模(d)和紧固螺杆(b)组成，装配时板料置于凹模与凸模之间，通过凸模与凹模上设置的紧固螺杆实现板料的贴模定形。

本实验材料为试验室自制的7055铝合金热轧板，其化学成分如表1所示。割取多块尺寸为230mm×130mm×5mm的样品，经470℃/1h固溶+室温水淬火后分为两组，分别在自制的单曲率蠕变时效模具(如图1所示)上进行普通的蠕变时效成形实验(以下简记为SCAF)和振动蠕变时效实验(以下简记为VCAF)，具体实验方案如表2所示。

表1 实验用7055合金化学成分(质量分数/%)Table 1 Chemical composition of the tested 7055Al alloy(mass fraction/%)

图1 自制单曲率模具 (a)模具组装图;(b)紧固板;(c)凸模;(d)铝板与凹模Fig.1 Self-made single curvature die(curvature radius=1000mm)(a)assembly diagram of the die; (b)clamping bolts;(c)upper die;(d)Al sheet and female die

表2 实验方案Table 2 Experimental program

采用自制的振动平台，在7055铝合金时效强化热处理过程中对试样进行振动处理，振动蠕变时效成形试验研究装置如图2所示。振动平台(如图2所示)安装了模具、试样后，试验系统能自动扫描固有频率，然后在亚共振频率下进行振动。经过调试，本研究的振动蠕变时效工艺参数如表3所示。

图2 自制的振动时效炉三维示意图Fig.2 The 3d illustration of the self-made VSR platform

表3 振动时效工艺参数Table 3 The process parameters of VSRmethod

1.2 检测过程和方法

采用ATOS扫描仪测量试样的回弹量。在每个样品上均匀涂上显像剂并分别贴上三个参考点和编码点，然后在平行于样品的方向放置好标尺。用数码相机拍摄参考点和编码点以及样品的照片，并将照片导入TRITOP中，确定参考点和编码点的空间位置，再将得到的*TRI文件导入到ATOS中，用ATOS对样品的形面进行精确测量，为定量表征回弹量的大小，按下式定义回弹率:

式中，d0为模具曲面与初始试样间的最大弦高(如图3所示);dmax为试样回弹后与模具面之间的最大弦高，

图3 试样回弹示意图Fig.3 General view of springback

按照GB/T228—2002标准，使用线切割机将加工出标准室温拉伸试样，在CSS-44100电子万能实验机上进行室温力学性能测试，夹头移动速度为2mm/min。采用XJP-6A型金相显微镜对试验后的样品进行金相组织观察;透射电子显微分析在TECNAIG220型场发射透射电镜上进行，试样人工减薄至80μm左右后，进行电解双喷减薄，腐蚀液为甲醇与硝酸的混合溶液，两者体积比为7∶3。

2 结果与讨论

2.1 回弹量

图4为120℃VCAF处理和SCAF处理下样品的回弹量变化情况，从图中可以看出，随时效时间的增加，VCAF处理和SCAF处理均能使试样的回弹量逐渐降低。相比于SCAF试样，引入振动后的VCAF试样的回弹明显降低。时效3h时，振动时效使得试样回弹下降了 7.5%;时效 24h时，回弹下降12.3%。说明蠕变时效过程中施加少量次数的振动就能够使得试样回弹出现较明显的下降，振动次数的增多可以增加试样回弹的下降程度。此外，从曲线的变化趋势上可以发现，两种类型试样的回弹下降逐渐平缓，均表现出逐渐饱和的趋势。

蠕变时效成形过程中，铝合金试样在弯曲变形产生的内应力和时效温度的条件下蠕变，产生应力松弛。这个过程中蠕变量越大，产生的应力松弛也越大，回弹后试样保留的塑性变形越多，即回弹量越小。因此，根据图4中的结果，蠕变时效过程中加入振动后降低了回弹量，对成形的影响表现为增加了试样蠕变量，即一种等效的应力松弛作用。

图4 SCAF和VCAF样品的回弹量变化情况Fig.4 Springback evolution curves of SCAF samples and VCAF samples

图5 强度变化曲线Fig.5 The strength evolution curves during the aging process

2.2 力学性能

图5为两种处理工艺下样品的屈服强度和抗拉强度随时间变化的曲线。图中可见，两种试样的屈服强度和抗拉强度均经历了先增大后减小的过程。相比于蠕变时效SCAF试样，引入振动的蠕变时效VCAF试样的屈服强度与抗拉强度达到峰值的时间提前，并有较明显的提高。当时效至9h时，VCAF试样达到峰值，屈服强度615MPa，抗拉强度为641MPa;当时效至24h时，SCAF试样达到峰值，且屈服强度599MPa，抗拉强度为622MPa。由此，可见振动时效的引入，可使蠕变时效试样的峰值屈服强度提高约 15MPa，抗拉强度提高20MPa。

从微观角度上分析，强度可以用以下公式表示［10，11］:

其中，σ0为基体固有强度，σss为固溶处理对强度的贡献，σdis为位错强化，σppt为析出相强化。在本文的实验条件下，可认为SCAF处理和VCAF处理后合金的σ0和σss值相同。由图7可知，经9h VCAF处理后的样品，析出相的数量以及析出相的密集程度都比SCAF样品大，因此VCAF处理后σppt的值比SCAF处理大，所以样品VCAF3表现出较高的强度。在具有盘状析出相的可热处理强化铝合金的时效过程中，沉淀相的强化作用主要来自于奥罗万绕过机制，位错绕过第二相粒子所需要的力可以用下式表示［12］:

图6 金相组织对比Fig.6 Opticalmicrographs showing the grains structure of samples (a)VCAF5(b)SCAF5

式中，μ为剪切模量，b为柏氏矢量，λ为粒子间距。在析出相的长大过程中，析出相的数量降低且间距增大，根据公式(4)可知，位错绕过第二相所需要的力逐渐减小，因而σdis和σppt由的值也随之降低，因此VCAF试样的强度也逐渐下降，并且低于SCAF试样。

2.3 微观组织

如图6所示为7055铝合金在120℃下VCAF5试样与SCAF5试样的金相组织照片。通过对比可以发现，两种状态下的金相组织都基本上保持着扁状的轧制形态，晶粒尺寸与形貌均无明显差异。

图7 试样的晶内析出相及相应选取衍射花样Fig.7 The precipitatesmorphology of the tested samples treated by different process(a)SCAF1;(b)SCAF3; (c)SCAF5;(d)VCAF1;(e)VCAF3;(f)VCAF5

图7为VCAF和SCAF样品分别在不同处理时间(3h、9h、24h)的＜001＞方向晶内明场相及对应的选区衍射花样，一般认为［13］，7×××系铝合金的主要强化相η'(MgZn2)相，在时效过程中的析出顺序为SSS→GP区→η'相→η相。时效9h后(图7b、7e)均可以观察到大量的析出相析出，并VCAF试样较SCAF试样中的析出相呈现出更加致密的特点。另外，时效24h后，VCAF5试样中出现η相(如图7)，表明VCAF5试样开始进入过时效，这与力学性能的变化相吻合。

3 结论

(1)振动的引入，在与SCAF处理相同的时间下，降低了回弹量，在经24h处理后，VCAF5试样回弹量较SCAF5试样降低了12.3%;振动的引入对成形的影响表现为增加了试样蠕变量，即一种等效的应力松弛作用。

(2)在120℃下，相比于蠕变时效SCAF试样，引入振动的蠕变时效VCAF试样的屈服强度与抗拉强度达到峰值的时间提前，并使峰值强度提高7%。

(3)振动的引入，使VCAF试样中第二相数量增多并且分布更加弥散。但VCAF试样中出现η相的时间提前。

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