7A04铝合金内环筋挤压成形流线调控研究

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国防军工、航空航天和交通运输等领域对轻量化和高性能装备的需求日益增多,内环筋构件在降低重量和提升性能方面具有显著优势,其成形研究受到了广泛关注。传统成形方法难以保证筋部流线完整,无法满足高承载能力要求,已成为制约装备研制和发展的瓶颈。围绕7A04铝合金内环筋挤压成形中的流线调控问题,本文采用有限元模拟、宏微观测试以及挤压成形试验等方法,研究了挤压道次和挤压方向对7A04铝合金力学性能的影响,揭示了力学性能各向异性微观机理;分析了挤压方式和成形参数对内环筋流线分布及承载能力的影响,提出了内环筋挤压成形流线调控方法,为实现铝合金内环筋构件的整体成形和流线合理分布奠定了基础。挤压道次和挤压方向对7A04铝合金的金属流线、晶粒形貌有明显影响,流线方向和密度的不同使得力学性能表现出明显的各向异性。铸态合金一次挤压晶粒沿挤压方向拉长,具有明显的金属流线;二次挤压金属流线密度明显增加,ED0的流线仍与挤压方向平行,而ED90的流线发生偏转且与挤压方向呈一定角度。二次挤压ED0的屈服强度(YS)和抗拉强度(UTS)0°方向最高,其次为90°;0°和45°方向的塑性(EL)相近,90°方向的EL较差。ED90沿三个方向的YS和UTS相近,90°的EL明显优于0°和45°。7A04铝合金不同道次、方向挤压变形过程中,均发生了连续动态再结晶和不连续动态再结晶。二次挤压后,不同挤压方向的再结晶比例具有明显差异,不连续动态再结晶比例的提高幅度更大。ED90挤压过程中激发了更为剧烈的晶内位错和晶界运动,导致连续动态再结晶和不连续动态再结晶所形成晶粒的面积百分比增加,由晶界运动导致的不连续动态再结晶是主控因素。一次挤压变形后,试样表现出了典型的“铜型”和“黄铜型”特征织构,还有少量的立方织构;二次挤压变形后,不同方向挤压试样表现出不同的织构类型。随着变形道次的增加,总体织构弱化,动态再结晶导致的织构弱化是重要因素。对比分析了不同挤压方式及参数下的内环筋流线演变规律。相比径向挤压,镦挤成形的内环筋流线整体呈对称分布,同时改善了金属流线的涡流程度,内环筋根部的流线分布更均匀,流线密度更大。内径模型(坯料内径与筒壁内径相等)的金属流线会发生方向转变,出现金属流线紊乱现象,内环筋上下表面的流线密度不相同,有明显露头缺陷,增大高宽比可以改变内环筋流线的涡流程度,随高宽比增大涡流角度逐渐减小,较大高宽比(≥3.5)极易产生折叠现象;外径模型(坯料外径与筒壁外径相等)更有利于内环筋的金属流动填充,内环筋上下表面流线密度基本相同,没有明显露头缺陷,且高宽比对流线分布影响不大。初始流线为0°(平行于加载方向)时,金属流线呈涡流状态沿内环筋外形分布,小部分流线平行于筋高方向;初始流线为±45°时,内环筋根部圆角处易产生流线分布不均匀现象,容易造成紊流;初始流线为90°(垂直于加载方向)时,内环筋流线分布均匀,大部分流线平行于筋高方向,筋上下表面易出现露头现象。采用镦挤工艺成形的铝合金内环筋构件,其整体尺寸及表面质量较好,内环筋部位填充饱满,没有明显折叠缺陷,验证了镦挤成形工艺的可行性。不同工艺参数下镦挤成形的内环筋件纵断面流线,表现出与模拟结果相同的分布规律,验证了有限元模拟的准确性。探究了不同工艺参数下成形的内环筋承载能力变化规律,与初始流线为0°相比,初始流线为90°的内环筋抗剪强度提高;外径模型的抗剪强度值随坯料高宽比增大会明显提高;坯料高宽比3.5,外径模型相比内径模型的抗剪强度得到显著提升;铸态和挤压态坯料成形的内环筋抗剪强度无明显差别,表明坯料初始状态对抗剪强度影响较小;内环筋单位面积断裂吸收功,表现出与抗剪强度相同的变化趋势,不同工艺参数下的内环筋流线分布与抗剪强度、单位面积断裂吸收功的变化趋势相吻合。
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