摘要
针对大尺寸5B70锻环性能提高需求，通过对5B70均匀化铸锭进行不同温度和应变速率下的热压缩模拟，获得应力应变数据并拟合了该合金的热加工图，以指导大尺寸锻环成形。从热加工图中得到该合金合适的热变形温度为400~450 ℃，变形速率为0.1/s左右最为合适。根据该加工图，采用相同条件的环锻工艺，制备了5B70铝镁钪合金试验件和尺寸为Ф2 900 mm×Ф2 600 mm×700 mm成品环件，并讨论了热变形工艺对成形件组织和性能的影响。结果表明，铝镁钪合金在该热变形条件下进行塑性变形，没有出现加工失稳等变形缺陷，可获得力学性能和塑性综合表现良好的铝镁钪合金成形件。
热变形是金属材料在加工过程中不可避免的一个问题，研究合金的热变形机理对优化合金在实际生产过程中的工艺参数是有重要意义的。在应变和高温的共同作用下，合金的微观组织是不断发生变化的，这会影响到合金的最终性
所用5B70铝镁钪合金铸锭由东北轻合金有限责任公司提供，合金的主要成分为Al-6Mg-0.4Mn-0.25Sc-0.15Zr。熔炼过程中，Al元素和Mg元素的投放分别采用的是高纯Al和高纯Mg，Sc和Zr等元素的投放采用的是中间合金。铸锭经过双级均匀化退火工艺处理，退火制度是在350 ℃下退火4 h后随炉升温至420 ℃后继续保温4 h。
热压缩模拟实验使用装备了高温环境箱的MTS-810万能电子试验机。实验样品采用从均匀化铸锭的中心区域切割的直径10 mm、高度15 mm的小圆柱体。热压缩采用了300、350、400和450 ℃四个温度，0.001、0.01、0.1s、1和10/s五个变速率。在热压缩开始前，在样品两端涂抹石墨减少样品与试验机之间的摩擦，实验压下量为50%。通过获得的应力应变曲线拟合合金的热加工图，并指导合金锻环的加工，部分压缩样品从中心纵截面刨开，观察金相组织。
通过热加工图确定锻环的加工条件，于无锡派克新材料科技股份有限公司，采用7 000 t压机对5B70合金进行锻造开坯和环锻，铸锭开坯温度设定为440 ℃保温10 h。开坯后进行冲孔，随后再进行环锻工序。环锻分为两步：第一步，工件在环锻前进行10 h以上的保温确保内外温度平衡，环锻起始温度设定为420 ℃，加工环锻总变形量的60%；第二步将锻件置入电阻炉中降低温度至200 ℃保温，再加工剩下40%的环锻变形量。为了确保加工工艺的可靠性，在最终的大尺寸成品环件加工之前，进行了小环试验件的试加工。当小环试验件的加工没有出现缺陷，且性能达标后，采取相同的工艺加工大尺寸成品件。小环试验件的最终尺寸为Φ830 mm×Φ550 mm×120 mm，成品大锻环的最终尺寸为Ф2 900 mm×Ф2 600 mm×700 mm。
金属的热加工图能够直观地表现塑性变形条件与加工性之间的联
图1 热加工图
Fig.1 Hot processing map
从图中可以看出失稳区域主要集中在高于0.1/s的应变速率的区域，且温度越低，失稳区域越大。当时温度降低到300 ℃时，合金的失稳区域已经扩大到0.01/s以上的速率。针对这种情况，选取了三个具有代表性的加工条件的样品来研究在不同理论失稳情况下的合金微观组织变化。选取的三个加工条件分别是350 ℃-1/s、400 ℃-0.1/s和450 ℃-0.01/s（
（a） 350 ℃-1/s
（b） 400 ℃-0.1/s
（c） 450 ℃-0.01/s
图2 热压缩样品纵截面金相图
Fig.2 The metallograph of the longitudinal section of the hot compressed sample
通过以上微观组织的结果可以发现，热加工模拟的效果与实际的微观组织能够相互印证。一般而言，液压机的锻造速率也在0.1/s左右。因此，通过热加工图确定合金开坯和环锻开锻温度需要高于400 ℃。最终将铸锭开坯温度定在440 ℃，经过开坯和冲孔后，环锻第一阶段的开锻温度定在420 ℃，这样既能使得样品拥有较好的塑性，又能保留部分变形组织。而锻造的第二阶段为了保证合金力学性能，所以把温度降低到200 ℃。这是因为高温开坯后，合金的组织已经充分变形，塑性得以提高，出现加工失稳的概率大大降低，不需要继续保持高温。此外，高温加工造成的动态再结晶会抵消部分加工硬化效果，降低材料的力学性能，所以将终锻温度降低，以保留更多的变形组织。基于以上考虑，最终制定了该合金的环锻工艺。
以上述热加工图的实验结果为参考，制定了环锻试加工工艺，并在实际产品选用的大线设备上进行了实验。首先对小尺寸试验环进行了成形。环件取样方向如
图3 锻环的取样方向
Fig.3 Sampling direction of forged ring
从表中可以看出，环件的抗拉强度都在380 MPa以上，屈服强度都在230 MPa以上，且伸长率较高，塑性较好，所有性能均已达标。但是，环件的力学性能在各个方向上还是稍有差异的。其中切向的强度最高，轴向和径向的强度相差不大，稍微低于切向。虽然各个性能之间的差距并不大，但是这与合金的微观组织有密切关系。
（a） 垂直于切向的面
（b） 垂直于轴向的面
（c） 垂直于径向的面
图4 试验环不同面的金相
Fig.4 Metallographs of different faces of the ring
从
大尺寸成品环的各项性能指标如
（a） 垂直于切向的面
（b） 垂直于轴向的面
（c） 垂直于径向的面
图5 成品环不同面的金相
Fig.5 Metallographs of different faces of the ring
结合热加工图和金相结果可以对微观组织的变化进行温习。350 ℃-1/s、400 ℃-0.1/s和450 ℃-0.01/s在热加工图中分别代表失稳区、失稳区与安全区的边界区域和安全区域。金相结果也与热加工图的结果相互佐证——从失稳区域到安全区域，合金样品中的微裂纹和流动性固化现象逐渐减少。在热加工图中，加工失稳区位于低温或高应变率区。这是因为低温对于位错移动是不利的，并且高应变速率意味着位错发生回复的时间不足。因此，在该区域中的样品，其位错会积累到非常高的密度。位错的聚集将阻碍位错的运动，形成局部缺陷集中。同时，在较高的应变率下，由于变形时间较短，在加工期间产生的变形热没有向外传导。因此，在那些低温和高应变速率的样品中往往会出现晶内剪切甚至微裂纹。
根据热加工图结果指导生产的小尺寸试验环和大尺寸成品环的结果也印证了该加工方法的可行性。锻环的微观组织中再结晶分数并不高，且没有发现加工失稳现象。环件成品的力学性能也较为理想。这是因为在初期开坯的温度较高，在热加工过程中发生了动态再结晶，在晶界上形成了细小的晶粒。而在之后的加工步骤中，由于之前开坯使得材料变得更为致密，塑性增强，失稳风险降低，所以可以降低加工温度。锻造温度降低后，动态再结晶情况减弱，变形组织得以保留，因此环件的力学性能也较为理想。而之所以环件的力学性能在各个方向上存在差异（切向的强度最高，轴向和径向的强度稍微低于切向），这是由于晶粒形状的不同导致的。从金相中可以看出，沿着切向的晶粒呈现细长的纤维状，而晶粒在其他方向上的则没有这样的强烈的一致取向，从而造成了切向与其他方向在拉升性能上的差异。但差异很小，且各方向性能均达标，可以认为此次实验证明了该合金大尺寸锻环工艺的可行性，即高温开坯之后在随后的加工过程中逐步降低温度，最终以中温锻造结束。
（1）5B70合金大尺寸铸锭的锻造开坯温度在400 ℃以上，且变形速率在0.1/s左右较为适宜。
（2）高温开坯之后在随后的加工过程中逐步降低温度，最终以中温锻造结束的环锻工艺能获得性能较好的5B70合金成品环件，并且此工艺可以用于生产5B70大尺寸锻环。
（3）5B70锻环在不同取样部分和不同方向上的力学性能有细微差异，但是整体抗拉强度都在380 MPa以上，屈服强度在230 MPa以上，性能稳定且均匀，达到相关标准。
参考文献
POLMEAR I J，Light alloys： Metallurgy of the light metals［M］.Edward Arnold， a division of Hodder Headline PLC. London， 1995. [百度学术]
EZATPOU H R， HADDAD S M， SAJJADI A， et al. Investigation of work softening mechanisms and texture in a hot deformed 6061 aluminum alloy at high temperature［J］. Materials Science and Engineering，2014， 606： 240-247. [百度学术]
CHEN G， CHEN L， ZHAO G， et al. Microstructure analysis of an Al-Zn-Mg alloy during porthole die extrusion based on modeling of constitutive equation and dynamic recrystallization［J］.Journal of Alloys and Compounds， 2017， 710： 80-91. [百度学术]
LIU S， PAN Q， LI M， et al. Microstructure evolution and physical-based diffusion constitutive analysis of Al-Mg-Si alloy during hot deformation［J］. Materials and Design， 2019， 184： 108181. [百度学术]
QIN X， HUANG D， YAN X， et al. Hot deformation behaviors and optimization of processing parameters for alloy 602 CA［J］. Journal of Alloys and Compounds， 2019， 770： 507-516. [百度学术]
JIANG J Y， JIANG F， ZHANG M H， et al. Al3（Sc， Zr） precipitation in deformed Al-Mg-Mn-Sc-Zr alloy： Effect of annealing temperature and dislocation density［J］. Journal of Alloys and Compounds， 2020， 831： 154856. [百度学术]
HUANG H F， JIANG F， ZHOU J， et al. Effects of Al3（Sc，Zr） and shear band formation on the tensile properties and fracture behavior of Al-Mg-Sc-Zr alloy［J］. Journal of Materials Engineering and Performance， 2015， 24（11）：4244-4252. [百度学术]
PRASAD Y V R K， GEGEL H L， DORAIVELU S M， et al. Modeling of dynamic material behavior in hot deformation： forging of Ti-6242［J］. Metallurgy and Materials Transaction A， 1984， 15： 1883-1892. [百度学术]
PRASAD Y V R K， SESHACHARYULU T. Processing maps for hot working of titanium alloys［J］. Materials Science and Engineering A， 1998， 243： 82-88. [百度学术]
ZANG Q， YU H， LEE Y S， et al. Hot deformation behavior and microstructure evolution of annealed Al-7.9Zn-2.7Mg-2.0Cu （wt%） alloy［J］. Journal of Alloys and Compounds， 2018， 763： 25-33. [百度学术]
