摘要
针对轻质高强和近成形复杂结构的技术要求，提出一种基于低密度镁锂合金薄壁筒形件的等温超塑性双向挤压近净成形方法，研究了铸态成形性能、铸态和轧制态在不同温度下的力学性能变化规律。研究结果表明，铸态下延伸率约12%，抗拉强度约145 MPa，轧制态下延伸率变化不大，但抗拉强度提升到180 MPa以上。采用本论文方法镁锂合金的延伸率和抗拉强度显著提高，分别达到21%和216 MPa，表明高温大变形过程中，实现了晶粒细化，大量增强相弥散在晶粒内部，起到性能强化作用，成功实现其性能强化和复杂结构件的精密成形。
针对新一代国防武器装备关键结构件高比强度、高比刚度要求，节省燃料消耗、增强火箭的运载能力、提高飞行速度和有效载荷比等成为近几年研究热点，轻质高强合金的使用需求愈发强
ESTRIN
本文采用低密度镁锂合金，通过精密近净成形工艺，实现薄壁筒形件尺寸精度和性能的双提升。通过铸态、锻态和筒形件原位性能对比研究，提出镁锂合金薄壁筒形件等温超塑性双向挤压近净成形工艺方法，拟实现其高精度成形、力学性能显著提升。
采用郑州轻研合金科技有限公司生产的铸态和锻态低密度镁锂合金，主要化学成分如
| Li | Al | Zn | Mg | Mn | Fe | Cu | Ni | Si |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 9.03 | 3.46 | 0.99 | 余量 | 0.021 | <0.01 | <0.01 | <0.01 | <0.01 |
拉伸性能测试在Instron公司生产的Instron 5500R电子万能材料试验机上进行。最大载荷为±200 kN，高温拉伸最高温度为350 ℃，采用引伸计测量变形量。拉伸性能测试试样标距为10 mm，总长度为30 mm。压缩性能测试在DSI科技联合体公司生产的Gleeble-1500D动态热力模拟试验机上进行。Gleeble热压缩模拟试样尺寸为Φ8 mm×12 mm。
以薄壁筒形件为例，进行等温超塑性双向精密挤压近净成形方法研究，成形温度280~350 ℃，研究成形后的形性变化。
通过研究低密度镁锂合金在不同温度和不同加载条件下的压缩变形规律和微观组织形态变化规律，研究低密度镁锂合金变形特性，得出其成形性能规律，其宏观形貌见
图1 室温及高温压缩试样宏观形貌
Fig.1 Macro morphology of compression specimens at room temperature and high temperature
热压缩应力-应变曲线图见
图2 压缩量为50%、70%的应力-应变线
Fig.2 Stress-strain curves with 50% and 70% compression
注： （a）为压缩量50%；（b）为压缩量70%。
图3 低密度合金高温压缩实验试样的微观组织形貌
Fig.3 Microstructure morphology of low-density alloy high temperature compression test sample
注： （a）原始试样；（b）压缩量50%、300 ℃；（c）压缩量70%、300 ℃。
轧制态低密度镁锂合金力学性能见
图4 轧制态低密度合金拉伸性能
Fig.4 Tensile properties of rolled alloy
轧制态镁锂合金进行350 ℃、120 min热处理后取拉伸试样，室温拉伸应力-应变曲线见
图5 热压+热处理试样拉伸曲线图
Fig.5 Tensile curves of hot pressed and heat treated specimens
针对薄壁筒形件锻造比大，要求材料可实现较大变形量，传统锻造方法易出现开裂、起皱等问题，通过等温超塑性双向挤压近净成形薄壁筒形件，同步进行模具内热处理，可显著降低材料变形抗力，大幅提升材料变形量，突破镁锂合金的形变强化和热处理强化机制，提高结构件力学性能。
薄壁筒形件的结构设计需通过数值模拟进一步优化，数值模拟的前提是必须获得基本参数，包括热传导参数、不同温度下屈服应力、材料变形能力等。本模拟选择的挤压方式为正反挤压，建立几何模型时，考虑到模型是轴对称的，选取模型的二分之一进行分析，坯体视为塑性体，模具视为刚体，不考虑其变形问题。镁锂合金筒形件成形正挤压过程的应力场分布云图见
图6 筒形件成形正挤压过程的应力场分布云图
Fig.6 Stress field distribution of tubular workpiece during forward extrusion
注： （a）初始阶段，（b）中间阶段，（c） 最后阶段。
镁锂合金筒形件成形反挤压过程的应力场分布云图见
图7 镁锂合金筒形件成形反挤压过程的应力场分布云图
Fig.7 Stress field distribution of tubular workpiece during back extrusion
挤压成形在200 t专用热成形机上进行，挤压温度约300 ℃，保温2 h后开始正挤压，压力约50 t，压头下行速度约0.05 mm/s，完成后拔出正挤压模头，更换反挤压模头，升温至300 ℃，保温2 h后开始反挤压。成形后筒形件实物见
图8 薄壁筒形件实物图
Fig.8 The physical drawing of a space component
等温超塑性双向挤压近净成形镁锂合金构件纵向切取拉伸试样，室温拉伸应力应变曲线见
图9 构件本体取样性能测试
Fig.9 Sample performance test of forming parts
研究了一种薄壁筒形件的等温超塑性双向精密挤压近净成形方法，成形后结构件力学性能和延伸率远高于铸造态和轧制态，成形后结构件精度控制在0.01 mm以内，为轻质高强需求的薄壁结构提出了一种新的成形途径。
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