我国铝合金锻造的现状及未来发展

文／王宝善·陕西宏远航空锻造有限责任公司

我国铝合金锻造的现状及未来发展

文／王宝善·陕西宏远航空锻造有限责任公司

铝合金在我国的制造业中应用十分广泛，是航空航天的主要结构材料。铝合金具有比重小、比强度高、比刚度高、耐应力腐蚀、综合性能好和价格便宜等特点，其产量仅次于钢，居世界第二位。变形铝合金主要用于飞机蒙皮、桁条、隔框、壁板、翼肋、翼梁和尾翼等零部件，铝合金锻件在飞机机翼上的应用如图1所示。

随着飞机性能要求的提高，可靠性的提高，对铝合金零部件的技术要求也越来越高。铝合金锻件的质量一致性、组织均匀性和性能稳定性，也必须通过锻造工艺及质量控制得到进一步的提升。

因此，关注铝合金锻件的生产，应从铝合金挤压棒材及铸锭开始，严格控制。从锻造工艺参数制定、锻造制坯、模锻、热处理检测以及模具制作、润滑剂的使用等等进行研究和控制，减少生产成本；减少人力、物力消耗，缩短加工周期；减少返工和返修，加强铝合金锻件表面控制。提高一次检验合格率，成为铝合金锻造加工所需解决的难题。

图1 铝合金锻件在飞机机翼上的应用

铝合金锻件的现状

铝合金棒材

铝合金中小锻件一般由挤压棒材锻造而成；大型自由锻件或模锻件一般由铸锭经过反复改锻，并经最终自由锻或模锻加工而成。铝合金锻件的质量好坏与其化学成分、纯净度、组织均匀性以及晶粒大小有直接的关系。因此，对铝合金锻件质量控制就必须要控制铝棒或铸锭的内部质量和表面质量，不能存在夹杂、偏析等冶金缺陷，材料表面要光洁完整，不能有裂纹、折叠、气泡、分层等缺陷。

目前，我国铝合金加工厂提供的棒材，在化学成分控制方面基本与国外厂家相当，但在微量元素的控制方面还有一定的差距。表现在力学性能数据分散度较大，而国外的力学性能数据比较稳定，差值较小，近乎一致。由于挤压工艺及挤压筒的不合理，控制不当，经常发现铝合金棒材的低倍组织存在粗晶或粗晶环，有些炉批的粗晶环远大于《GB/T 3191-2010铝及铝合金挤压棒材》规定的不大于8mm的要求。有些炉批的粗晶在整个截面上都有，还有些呈“月牙”状，或几乎一半的截面都有粗晶，使铝合金锻件的生产无法进行，或生产的锻件有粗晶不能满足锻件标准的要求。

国内铝合金棒材表面不光滑，或粗晶环大于标准要求，必须车去一定量后，方可锻造，不但消耗了原材料，增加了人力、物力成本，还增加了生产周期，降低生产效率。

铝合金锻造

铝合金锻造时由于合金的塑性低，锻造过程容易开裂，锻造温度范围窄，一般为100℃左右，因此对加热温度和锻造温度要求更严格。国内一般的铝合金锻造加热炉名义上控温精度为±5℃，而实际上都不能满足使用要求，一般的加热炉控温精度为±10℃，甚至更差，而国外的铝合金加热炉控温精度为±3℃，在这方面我们的炉子制作及温度精度控制还有很长的路要走。铝合金锻件容易粘模，流动性差，对应变速率敏感，因此对铝合金锻件的模具制作、模具润滑、锻造变形程度、变形速率提出了更高的要求。我国铝合金模具光洁度、精度还达不到精锻件要求，存在模具错移，难以满足尺寸公差的要求，难以实现批量生产。例如国外一些铝合金锻件出模角要求小于1.29°（飞机铝合金轮毂），而国内最好的模具出模角为3°以上。目前还没有能力生产1.29°这样小角度的出模角锻件，这主要与铝合金锻造润滑技术、模具表面加工技术和锻造设备（应选择慢速的压力机）有很大关系。

另外，国外铝合金锻件许多面为非加工面，锻件表面处理光亮、完整，给人一个良好的印象；反观国内的铝合金锻件，表面缺陷多、打磨多，且不平整，不像一个完整的模锻件，与国外锻件形成很大的反差。这主要在于我们的整个锻造工艺系统水平低下，主要表现为：①模具设计及加工不合适，精度不高、润滑不好，制坯尺寸不合适或精度不高；②每火次的变形量控制不合理，变形速度过快，产生裂纹、折叠等缺陷；③表面不平，打磨量大，甚至出现裂纹或产生折叠，容易带入到零件中去，产生不良的后果。同时，在铝合金表面处理上、润滑剂的使用上，也需要进行改进与提升，可通过借鉴国际上铝锻件生产厂家的工艺流程、高质量的润滑剂以及喷涂方式、锻件表面处理方式来改进。

我国铝合金锻件表面粗晶已成为最大的问题，在生产中很难完全消除。这一方面与我们的模具表面粗糙造成合金的流动性差，产生表面粗晶有关；另一方面与原材料本身粗晶也有关系，还与我们的模具预热温度偏低（一般为100～250℃，而国外的模具预热温度在350～400℃）以及锻造温度（始/终锻温度）选择控制、炉温精确控制、变形程度和变形速率有很大的关系。观看国外铝合金锻件表面，即使是很大的自由锻件和模锻件也几乎看不到表面粗晶的存在，很难看见打磨的痕迹；这是由于我们目前铝合金锻造还大量采用锤锻工艺，而国外铝合金锻造大量使用压力机来锻造，其模具型腔表面均匀一致，锻件表面平整光洁，加上润滑剂技术也比我们要好（已采用自动化喷射润滑剂），因此锻件表面几乎看不到粗晶的存在。可见，在铝锻件的表面清理方面我们还有欠缺。

铝合金的热处理及力学性能稳定性

铝合金锻件在经过热处理后，由于在较高温度加热，在锻件表面经常出现气泡，气泡很薄，在水中扒开有气体逸出，气泡有明显分层，内壁呈波纹状，有灰黑色的燃烧产物。同时经常有表面起皮的现象发生，这也是由于模槽表面粗糙，锻造变形过程温度太高、程度太大、速度太快，模具没有润滑或润滑不良及铝合金容易粘模所造成。

这些缺陷的存在使大批铝合金锻件因表面问题而报废，有些需要通过与用户协商，办理让步接收而挽救加工使用，但也给企业造成不良的影响。从铝合金锻件表面的好坏，就可以看出一个企业的工艺技术水平和质量管理水平，就可以看出我们自身的不足。特别是由于锻件的表面质量问题，打磨修复，造成尺寸不符合图纸要求，反复次数多，一次交检合格率低，造成人力、物力的浪费。还有一些因最终尺寸超差不满足使用要求而批量报废，有些铝合金锻件合格率不到50%，这就是我们工艺水平及认识改进不足所造成的。

铝合金锻件力学性能不满足技术标准要求也是在理化检测中经常发生的问题，这一般需要通过补充时效或重复热处理来解决。因此热处理对改善铝合金锻件的组织性能是至关重要的，这就要求对热处理炉的炉温均匀性和精度进行测量，满足使用要求，才可装炉，同时加热温度、加热时间的选择要合适，转移时间要尽可能短，一般选取控温精度能达到±3℃的加热炉，保证一次热处理就能有良好的力学性能，尽量避免重复热处理，以减少能耗，缩短生产周期。

铝合金锻件在企业中的产值占比较小，因此对出现的质量问题不能引起高度的重视，在技术工艺研究、设备改造、锻造过程、热处理过程，没有进行深入系统的分析与思考。特别是在锻造裂纹，锻件粗晶，表面质量及打磨处理，机加工变形与应力裂纹方面缺乏分析研究。对存在的这些问题应该在模具加工精度、润滑剂、加热温度、表面防护与处理等方面进行系统升级与改进，提升铝锻件的质量稳定性，更好的参与国际市场竞争。

对铝合金锻件未来发展的一些建议

⑴优质的铝合金锻件必须要采用优质铝合金棒材，因此铝合金加工厂应加强化学成分控制、棒材的粗晶控制和表面质量控制。尤其是随着飞机制造技术的革新，应加大对7050/7075/7085等高合金成分铝合金的研制，包括铸锭铸造、挤压棒材冶金质量控制，以及预拉伸板材的生产工艺（残余应力大带来后续加工变形大）的控制方面。目前这些超硬铝合金主要靠进口。

⑵利用数控加工技术，提高模具加工的精度和光洁度，加强模具检验技术和方法的控制，探索使用新型润滑剂，提高模具的预热温度，减少铝锻件的快速降温。

⑶加强铝合金锻件表面防护技术研究和表面处理研究，减少打磨修理，提高锻件的表面完整性、尺寸精度。重点开发铝合金锻造用润滑剂，目前国内主要使用各种动物油脂或者化学油脂，生产过程中产生大量烟，不环保，润滑效果也不好。

⑷建立产学研的体系，开发铝合金精锻件，提升表面质量，提高产品合格率。

⑸设计制作控温精度能达到±3℃的加热炉，以便为锻件均匀加热创造良好的条件，保证铝合金组织性能的稳定性、一致性，以便与国际上的先进公司接轨，承担生产更多的铝合金锻件。

⑹加强人才培养与技术交流，建立铝合金加工行业的专家体系队伍，解决存在的问题，利用计算机数值模拟技术，开发研究铝合金锻件的新材料、新工艺、新技术，更好的为我国经济和装备建设服务。