高成形性Al-Fe-Mn合金板材组织性能研究

近年来，新能源汽车开始得到迅速发展和普及，作为新能源汽车重要组成部分动力锂电池产能也得到快速扩张。据统计2021年国内动力锂电池装机容量超过160GWh，预计未来几年仍将爆发式增长。

锂电池结构件一般由壳体和盖板组成，广泛采用铝合金材料冲压成形制备。其中盖板结构较为复杂，其中间防爆片刻痕处厚度仅0.04mm，在电池内部压力过高时可以自动破裂泄压。

3003铝合金板材具有良好的抗腐蚀性、散热性、焊接性及深冲性能，大量用于制造动力电池结构件

。电池盖板采用冲压+激光焊接的工艺，将盖板和防爆片分别冲制后再焊接在一起，制备工艺比较复杂，需要的设备较多且生产效率低，因此造成产品的成本较高。采用整体式加工工艺，直接冲制出含防爆片的盖板结构件，可以简化制备流程，降低产品的成本。然而3003铝合金板材由于性能方面的限制，无法满足这种工艺要求。本文分析研究了一种高成形Al-Fe-Mn铝合金板材，该合金板材和3003板材强度等性能相近，但具有更好的延伸率和杯突值，可以较好的满足一体式冲压工艺要求。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验所用2组Al-Fe-Mn合金板材(H14态)采用如下工艺制备：熔铸→均匀化→热轧→冷轧→中间退火→冷轧，板材最终道次冷轧加工率为20%、板材厚度为1.2mm。用于性能对比的3003合金采用同样的加工工艺，具有和Al-Fe-Mn合金板材相同的状态和厚度。合金化学成分采用光谱仪进行测量，结果如表1所示。

1.2 试验方法

对Al-Fe-Mn合金板材分别沿轧制方向的0°、45°和90°方向进行切割制备拉伸试样，采用Zick/roell-Z100型万能拉伸设备进行测试，用摄影机采集拉伸过程中的应变形貌数据，拉伸速率为0.5mm/min，通过自动分析实验数据以获得材料塑性应变比(r值)及制耳参数(△r值)。另外在板材上切割90mm×90mm的方形试样，通过GBS-60B型杯突试验机进行杯突测量。板材晶粒度和织构采用电子背散射(EBSD)方法进行分析，沿轧制方向切割10mm×10mm的矩形试样，采用机械抛光+电解抛光的方法对试样进行处理，将电解抛光后的试样快速用水及无水酒精清洗，再放入丙酮或乙醇中避免样品表面腐蚀和氧化污染。采用配备EBSD探头的FEI Nova 400场发射扫描电子显微镜进行试验分析，工作电压20kV，工作距离15mm。

2 试验结果及讨论

2.1 板材力学性能

巴西位于拉丁美洲，其发展农业的自然条件比较优越，境内有许多尚未开发利用的平原和草场，常年湿润且降雨量丰富。巴西在早期就确立了“以农立国”的国家发展战略，根据OECD数据库提供的数据显示，巴西2013年GDP约2.47万亿美元，农业增加值占GDP的6%，农产品出口总额为999.68亿美元，同比增长4.3%，占巴西出口总额的41.28%。其中牛肉和玉米的出口额为世界第四，糖和咖啡的出口额为世界第一，说明巴西的农业在其国民经济中占据重要地位，且对整个世界发展有着重要的影响。

2.2 合金微观组织

“呼哧”，卡尔松的两只鼻涕虫缩回了黑洞洞的大鼻孔里，现在他完全忘了足球，脑中只有军事任务。他双目炯炯地说：

研究显示，当Fe+Mn的含量小于1.85时，可以有效的细化板材的晶粒组织。但是当其超过这一含量时，容易形成粗大片状的(FeMn)Al

相，显著降低板材的力学性能和加工性能。该Al-Fe-Mn合金板材中Fe+Mn的含量约在1.8左右，且含有较多的Fe元素，加速Mn从固溶体中析出，生成更大体积百分比的弥散相，如图2所示。从图中可以看出，析出相的尺寸大多在1～5μm，具有明显的细化晶粒的作用，使板材在加工过程中获得了细小的晶粒度，如图3(a)所示。同时细小的析出相使板材在再结晶退火过程中出现明显的促进晶粒形核作用。弥散分布的富Fe相在随后的晶粒长大过程中又起到钉扎晶界，如图3(b)所示。板材晶粒组织细小，再加上合金中作为杂质元素的Si、Cu、Cr、Zn等含量极低，使得其具有相比3003常规合金更高的杯突值和成形性能

。

Al-Fe-Mn合金是热处理不可强化铝合金，Mn元素在铝合金中形成MnAl

，因而铝合金的强度随Mn含量增加而增加。Fe能与Al形成Al

Fe相，也能溶于MnAl

中形成(FeMn)Al

，降低Mn在铝基体中的溶解度。

表3所示为两个样品板材所具有主要织构组分及体积量数。可以发现两个批次试样的织构组分还是存在一定差别。1#试样具有较多高斯(Goss)织构、Cube-ND织构、R织构和P织构，而2#试样则有较多数量的立方织构、黄铜和铜织构，两者含有的S织构体积分数相近。研究显示，铝板材在进行深拉伸时，立方织构和高斯织构主要产生沿轧制方向0°和90°的制耳，而铜织构、黄铜织构及S织构则主要产生45°方向制耳

。当铝板带中不含有织构组织，晶粒取向是完全随机分布的，那么这种情况就是最完美的各向同性材料，在深拉伸过程中不会出现任何制耳。但是实际上，经过热/冷加工的铝板带必然存在织构，但是当这些织构体积比合适时，则出现8个小制耳或不出现制耳，即出现“伪各向同性”，这是深拉伸加工铝板带比较理想的织构组成。

2.3 板材织构分析

织构是多晶体金属材料中出现的择优取向现象，普遍存在于各种加工状态的铝合金材料中，通过织构组织的调控与优化，可以使金属材料获得某些优异的性能表现。铝合金是一种具有高层错能的面心立方结构金属，其板材织构主要分布在α、β两条取向线上，包括加工织构如S织构、铜(Copper)织构、黄铜(Brass)织构等和再结晶织构如立方(Cube)织构、R织构等。这些表征了不同晶粒取向的织构，对板材的深冲成形性能各自具有不同的影响。

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Al-Fe-Mn合金板材的取向分布函数ODF图如图5所示，其中图5(a)和5(b)分别为1#试样和2#试样在φ2=0°、45°、65°和90°的ODF图。从φ2=0°的ODF截面上，可以看出两个Al-Fe-Mn合金板材试样中都存在比较明显的立方织构，立方织构来自中间退火工序，属于再结晶织构，经过进一步冷轧后仍有大量残余织构流入到成品板材。从φ2=45°和65°的ODF截面上可以看到分别存在少量铜织构和S织构，是经过最后一道次冷轧加工产生的。除此之外，两个板材试样中都出现了微量的高斯(Goss)织构，是热轧过程中产生的，并残留到冷轧成品铝板中。

通过金相及EBSD方法对板材的微观组织进行了分析，如图2、图3所示。

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图4所示为通过两组H14状态Al-Fe-Mn合金板材取向图，从图中可以看出，该合金冷轧板晶粒取向主要为001方向，但还有部分晶粒取向为101方向，但1#试样的取向为101方向的晶粒数量不同于2#试样。

制备的Al-Fe-Mn合金板材应力应变曲线如图1所示，合金板材及作为对比的3003-H14合金板材的强度、延伸率及杯突值如表2所示。从测量结果可以看出，两种合金的抗拉强度比较接近，均在150MPa上下。Al-Fe-Mn合金板材的断后延伸率略好于3003合金，其在0

也就是沿着轧制方向具有最大值，90

方向的延伸率最小。在表征板材深冲极限的杯突值方面，Al-Fe-Mn合金板材的埃里克森值平均在8.1左右，而相同状态的3003板材埃里克森值平均只有7.1，远远小于前者。从延伸率和杯突值来看，该Al-Fe-Mn合金板材比3003板材应更容易加工变形较大的复杂结构件。

对于铝合金板材，立方织构与加工织构的合理配比是织构控制的主要方面，有研究表明，S织构与立方织构的最佳体积比为1.67：1时，制耳高度最小。但根据表3的测试结果，Al-Fe-Mn合金板材S织构较少，并不满足上述最佳比例，因此深拉伸过程预计会有较明显制耳现象。

由图4可得随着激光能量的增加，喷溅速度一开始增加，而后又趋于稳定。喷溅速度变化范围约在10m/s量级。激光能量增加，蒸发的材料增加，蒸气引起的反冲压力增加，则使得喷溅速度增加。有研究表明，大激光能量辐照下，气化形式的质量迁移增加，而熔融物质减少，这可能是喷溅速率趋于饱和的原因。

表4为Al-Fe-Mn合金板材和3003板材的r值检测结果，根据结果可知，高成形Al-Fe-Mn合金板材的r值较高，说明该板材在深拉伸时，不易发生因底部厚度减薄而开裂，但是其|△r|值较大，说明板材的各向异性较3003更明显，在深拉伸时容易产生制耳。

对于Al-Fe-Mn合金板材，2#试样同时存在立方织构和S织构，也即预示着在两种织构之间存在过渡组织，对于平衡制耳、减少制耳高度起着重要作用，但立方织构及其与S织构之间的过渡织构有较高的0°和90°方向r值，而S织构在该0°方向的r值较低。可以说，0°方向r值的高低一定程度上取决于过渡织构的强弱，其他织构组分贡献很小。从表3中可以看出，两组试样的立方织构体积比接近，其中2#试样的立方织构稍高，因此二者的0°和90°方向r值非常接近。对应的45°方向，则S织构、黄铜(Brass)织构和铜型织构有较大的r值，织构测试结果显示2#试样存在较多的铜织构和黄铜织构，同时由于两者的S织构体积比相同，因此2#试样的45°方向r值大于1#试样，拉伸加工时也会产生更明显的45°方向制耳。

由于2#有较大的45°方向r值，因此其综合r值大于1#试样。材料拉深成形性能与r值密切相关，板材r值越大，拉深成形时越有利于凸缘的切向收缩变形和减小底部减薄，提高拉深件底部的承载能力，这也解释了2#试样的杯突值高于1#试样的原因。

3 结论

高成形Al-Fe-Mn合金板材具有细小的晶粒组织和优异的综合力学性能，在H14状态下，该合金板材主要由立方(Cube)织构、S织构和铜(Copper)织构组成。与通常使用的3003合金相比，该合金板材成形性能较好，可以用于制作复杂的结构件，从板材织构组成和r值来看，虽然其具有较好的深冲极限，但是各向异性较大，在拉伸时可能会有较明显的制耳。

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