CN113283067A - 铝合金加工工艺优化方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了铝合金加工工艺优化方法及其应用，其中所述优化方法建立了优化模型，所述优化模型通过建立Z参数与材料微观组织的关系来确定合金最适宜的热加工工艺参数，在一些具体实施方式中，所述优化模型通过铝合金在热变形以及热处理过程中的再结晶行为及变形机制获得模型参数，形成一套完整的、系统的、可靠的模型建立方法，使得在生产过程中能够有效控制产品的质量和性能，实现对铝合金特别是Al‑Mg‑Si系铝合金在热锻过程中微观组织和性能的预测及控制，提高了生产效率和产品质量。
Description
技术领域
本发明涉及Al-Mg-Si系铝合金领域，特别涉及一种通过优化热变形参数提高Al-Mg-Si系铝合金晶粒组织均匀性的方法。
背景技术
铝合金，尤其是Al-Mg-Si系铝合金，以其优异的性能，如高的强度重量比、适当的耐腐蚀性、适当的成形性和低成本而被广泛认可。与铸件相比，铝合金锻件具有更高的韧性和抗疲劳性能，这是由于其具有纤维状晶粒结构。因此，它们被广泛应用于航空航天、汽车和火车结构部件，以减轻重量，从而降低燃料消耗。
在Al-Mg-Si合金的加工过程中，通常需要固溶和时效热处理来诱导热变形后的析出强化，但在随后的热处理过程中，变形组织会进一步演化，甚至导致粗晶的形成。在这些合金的高温变形过程中，组织演变是一个动态过程。加工硬化和热软化之间的相互作用随着变形条件，即应变速率、温度和应变的变化而演变，导致位错密度和微观结构的变化。然而，在随后的热处理过程中，微观组织的演变是一个静态过程，热变形后的储能进一步释放，导致晶粒组织的演化。晶粒结构演化的三个阶段，即回复、再结晶和晶粒长大都受变形参数的影响，这些参数对最终产品的性能有着重要的影响。
在热处理过程中，通常会发生静态回复和静态再结晶，晶粒长大只发生在形核阶段之后。在晶粒生长过程中，高角度晶界消除了非再结晶应变基体，消除了晶体缺陷，直至再结晶晶粒相互碰撞，可以进行连续(正常晶粒长大，即一次再结晶)或不连续(异常晶粒长大，即二次再结晶)的碰撞。一般情况下，应尽量避免后者，因为它会导致样品中的少量晶粒在局部区域不连续生长，从而形成尺寸最大的晶粒，现有技术中无法控制热处理过程中铝合金材料的晶粒组织，并且很难预测热处理过程中二次再结晶现象是否会出现，需要通过反复实验获得优化的工艺参数，其过程复杂、实验设计难度大、成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种模型来预测铝合金热处理过程中二次再结晶现象是否会出现，通过优化铝合金加工工艺参数使所得合金产品具有均匀的晶粒组织结构。本发明的目的还在于提供该优化方法的一些应用。
本发明首先提供了如下的技术方案：
铝合金加工工艺优化方法，其包括：通过优化模型获得铝合金加工工艺的优选参数，根据所述优选参数进行加工；其中，所述优选参数为提高铝合金晶粒组织均匀性的参数，所述优化模型基于铝合金晶粒结构参数及Zener-Hollomon参数构建。
根据本发明的一些优选实施方式，所述优化模型构建如下：
α＝β/n1 (6)
DRX Vol.％＝aln Z+b (3)
其中，Z表示温度补偿的应变速率因子、即所述Zener-Hollomon参数，
表示材料的应变速率，σ表示材料流变应力，T表示材料变形温度，A表示结构因子，n1表示应力指数，n表示应变速率敏感指数，Q表示热变形激活能，sinh()表示双曲正弦函数，DRX Vol.％表示材料的再结晶分数，D表示热处理前后的晶粒平均直径，α、β、a、b、a1、a2、b1、b2、c表示拟合系数。
上述模型中，α、β可通过对流变应力和应变速率进行的拟合计算获得；a、b可通过对材料的再结晶分数与Z参数进行的拟合计算获得，a1、a2、b1、b2、c可通过对晶粒平均直径与Z参数进行的拟合计算获得。
根据本发明的一些优选实施方式，所述结构因子A、应力指数n1、应变速率敏感指数n和热变形激活能Q通过如下的多远线性回归模型求解得到：
其中，A1和A2表示回归系数。
根据本发明的一些优选实施方式，所述优化模型中，不同的材料应变速率
材料变形温度T下的材料流变应力σ通过对铝合金的热压缩测试获得。
根据本发明的一些优选实施方式，所述热压缩测试包括：将所述铝合金加工为圆柱形热压缩试样；通过热模拟机在设定的应变速率和变形温度下进行热压缩测试，获得材料的真应力-真应变曲线，根据所述真应力-真应变曲线获得所述材料流变应力，其中，设定的变形温度为400-550℃,应变速率为0.001-1s-1-1s-1。
根据本发明的一些优选实施方式，所述热压缩测试中，所述试样以2-10℃/s的加热速率加热到所述设定的变形温度，并在压缩前保持3-5分钟。
根据本发明的一些优选实施方式，所述热压缩测试中，设定的变形温度为400℃、450℃、500℃和550℃，应变速率为0.001s-1、0.01s-1、0.1s-1和1s-1。
根据本发明的一些优选实施方式，所述材料的再结晶分数DRX Vol.％及热处理前后的晶粒平均直径D通过热处理及显微观测获得，其中，所述热处理包括：在520-560℃下将进行所述热压缩测试后的试样进行固溶处理1-2小时，其后水冷，然后于150-180℃下进行时效处理8-12h，再水冷；所述显微观测包括：在所述热处理前后，通过电子背散射衍射(EBSD)设备，获得所述再结晶分数和所述晶粒平均直径D。
根据本发明的一些优选实施方式，在所述热压缩测试后，将试样立即进行水淬，且水淬时间不超过0.1s。
本发明进一步提供了上述优化方法的一种应用，为将其用于Al-Mg-Si系铝合金的加工中。
本发明的优化方法可通过优化模型直接获得铝合金加工工艺的优选参数，根据所得优选参数加工得到的铝合金晶粒组织结构均匀，无二次结晶的出现。
在本发明的一些优选实施方式中，通过热压缩及热处理过程，可定量建立铝合金材料在变形和热处理过程中，Z参数与材料的再结晶分数、晶粒尺寸和高低角度晶界的关系，过程简单，且可得到准确的优化结果。
对于铝合金，影响晶粒长大的主要因素是热处理温度和材料的界面能，固溶处理温度一般高于晶粒异常长大的最低温度，因此，通过本发明的优化方法优化热变形工艺可以降低合金的界面能，从而抑制不连续再结晶的发生。
在本发明的应用方法中，Al-Mg-Si系铝合金强度不高，但韧性与抗疲劳性能较好，由于Al-Mg-Si系铝合金是可热处理合金，一般在锻造成型之后都会进行热处理以提高强度，而在热处理过程中极易发生二次再结晶，形成粗大的晶粒，通过本发明的优化方法，可直接根据优化方法获得的最佳参数调节预制坯和模具的温度、上模下压的速率，改变材料储能，极大减少粗晶的生成，得到性能优异的产品。
附图说明
图1为应变速率设为0.001s-1时，获得的不同变形温度下的流变应力曲线图；
图2为应变速率设为0.01s-1时，获得的不同变形温度下的流变应力曲线图；
图3为应变速率设为0.1s-1时，获得的不同变形温度下的流变应力曲线图；
图4为应变速率设为1s-1时，获得的不同变形温度下的流变应力曲线图。
图5为6082铝合金热处理前后再结晶分数和参数Z值之间的关系图。
图6为6082铝合金热处理前后平均晶粒度D和参数Z值之间的关系如图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明进行详细描述，但需要理解的是，所述实施例和附图仅用于对本发明进行示例性的描述，而并不能对本发明的保护范围构成任何限制。所有包含在本发明的发明宗旨范围内的合理的变换和组合均落入本发明的保护范围。
根据本发明的技术方案，一些具体的实施方式首先包括如下的过程：
通过热压缩测试获得材料的真应力-真应变曲线：
具体如：将铝合金样品加工成Φ10×15mm的圆柱形热压缩试样，并放置在热模拟机上进行热压缩测试，获得不同应变速率和变形温度下的材料真应力-真应变曲线。
其中，更具体的：
所述热压缩测试中试样优选以2-10℃/s的加热速率加热到设定变形温度，并在压缩前保持3-5分钟，该实施方式可进一步保证温度分布的均匀性。
所述热压缩测试中，优选设定变形温度为400-550℃,应变速率为0.001-1s-1。
在完成所述热压缩测试后优选将所述试样立即进行水淬，且水淬时间不超过0.1s。
对完成热压缩测试的试样进行热处理：
对不同热变形参数条件下进行热压缩测试后的试样分别进行热处理测试，测试条件可选择如在520-560℃下将试样进行固溶处理1-2小时，其后水冷，然后于150-180℃下进行时效处理8-12h并水冷。
在上述热处理完成后，还优选包括：将铝合金锻件取出，进行水冷，进一步的，还优选包括：在锻件冷却后,对锻件进行酸洗，去除表面金属氧化皮，清理表面石墨，得到表面处理的铝合金锻件，所述酸洗的实施方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的酸洗方式即可。
在此过程中，通过显微设备如扫描电镜上搭载的电子背散射衍射(EBSD)设备，获得试样在热处理前后的晶粒结构，并测算出其晶粒结构参数，具体包括试样的热处理前后的再结晶分数DRX Vol.％和晶粒平均直径D，其中再结晶分数可通过Channel 5软件分析EBSD数据即可获得，晶粒平均直径D可通过截距法分析试样的EBSD图可获得。
通过材料的应变速率、变形温度和流变应力间的多元线性回归模型求解得到材料的热变形参数：
更具体的，所述热变形参数可包括结构因子A、应力指数n1、应变速率敏感指数n、热变形激活能Q。
所述多元线性回归模型可设置如下：
其中，
表示材料应变速率，σ表示材料在一定应变值下的流变应力，T表示材料变形温度，A1和A2表示回归系数，α与β表示材料常数，R表示理想气体常数，其值为8.314，A表示结构因子，n1表示应力指数，n表示应变速率敏感指数、Q表示热变形激活能。
获得如下的Zener-Hollomon参数(Z参数)模型：
其中，Z表示温度补偿的应变速率因子，A表示结构因子、n表示应变速率敏感指数、Q表示热变形激活能，σ表示材料应变值为0.6时的流变应力，sinh()为双曲正弦函数、α为材料常数，且α＝β/n1(6)。
获得晶粒结构参数与Z参数的关系模型，包括：
再结晶分数与Z参数的关系模型，如下：
DRX Vol.％＝aln Z+b (3)
其中，DRX Vol.％表示所述热处理前后的再结晶分数，a与b表示根据式(3)进行的线性回归拟合得到的系数。
通过Hall-Petch关系式获得的热处理前后样品平均晶粒度D和Z参数的关系模型，如下：
其中，a1、a2、b1、b2、c表示线性回归系数。
根据晶粒结构参数与Z参数的关系模型获得A1-Mg-Si系铝合金的最佳的热变形工艺，如通过获得各个变形条件下Z参数与样品平均晶粒度，可以建立Z参数与平均晶粒度的关系模型，如公式(4)与(5)，模型中各个系数通过线性回归得到，通过建立的模型可以预测不同工艺参数下的试样平均晶粒度。以及避免热处理后二次再结晶的发生。
实施例1
通过具体实施方式所述的过程确定铝合金优化加工参数，包括：等温压缩实验：
选取纯铝系6082铝合金作为样品，其主要化学成分如下表1所示：
表1：6082铝合金主要化学成分
将该铝合金加工成Φ10×15mm的圆柱形热压缩试样，选用动态热模拟试验机规格为Gleeble-3500，试样两端涂上90％的油酸和10％的石蜡作为润滑剂，以减少摩擦的影响。为了确保温度分布均匀，样品以5℃/s的加热速率加热到设定温度，并在压缩前保持3分钟。在应变速率分别为0.001s-1、0.01s-1、0.1s-1和1s-1，温度分别为400℃、450℃、500℃和550℃的条件下，对圆柱形试样进行等温压缩，样品真应变达到0.9。
实验后会得到流变应力随应变值变化的数据，通过Origin软件将这些数据绘制出来，即可得到0.001s-1、0.01s-1、0.1s-1、1s-1的不同应变速率下的真应力应变曲线，分别如附图1、2、3、4所示。
热处理实验：
将不同变形状态的等温压缩试样在520-560℃下进行固溶处理1-2小时，水冷，然后再在150-180℃下时效8-12h并水冷。
显微组织观察：
利用扫描电镜上搭载的电子背散射衍射(EBSD)设备，观察试样在热处理前后的晶粒结构，获得再结晶分数和晶粒平均直径，本实例中获得的再结晶分数和晶粒平均直径如下表2所示。
表2：试样在热处理前后的再结晶分数和晶粒平均直径
热变形材料常数的求解：
将获得的稳态流变应力及对应的应变速率和变形温度值代入下式中进行二元线性回归：
求解得到热变形材料参数，包括材料参数结构因子A、应力指数n1、应变速率敏感系数n、热变形激活能Q，如下表所示：
表3：6082铝合金二元回归求得的材料参数
| A(S-1) | n<sub>1</sub> | α | n | Q(kJ/mol) |
| 1.58×1011 | 7.66 | 0.0353 | 5.67 | 185.47 |
Z参数的求解：通过上述材料参数，根据式(4)获得材料的Z参数模型。
通过式(5)所示的Z参数与热处理前后再结晶分数的关系式获得的6082铝合金热处理前后再结晶分数和Zener-Hollomon参数Z值之间的关系图如附图5所示。
通过式(6)、(7)获得热处理前后样品平均晶粒度D和Zener-Hollomon参数Z值之间的关系，如附图6所示。
通过图6可以看出，在热处理后，当lnZ>28时候晶粒组织发生明显改变，即发生二次再结晶形成粗晶组织，由此确定6082铝合金最佳的热变形工艺为lnZ<28的时候，即应变速率小于0.1s-1，变形温度大于500℃。
以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.铝合金加工工艺优化方法，其特征在于：包括：通过优化模型获得铝合金加工工艺的优选参数，根据所述优选参数进行加工；其中，所述优选参数为提高铝合金晶粒组织均匀性的参数，所述优化模型基于铝合金晶粒结构参数及Zener-Hollomon参数构建。
2.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于：所述优化模型构建如下：
α＝β/n1 (6)
DRXVol.％＝alnZ+b (3)
其中，Z表示温度补偿的应变速率因子、即所述Zener-Hollomon参数，
表示材料的应变速率，R表示理想气体常数，σ表示材料流变应力，T表示材料变形温度，A表示结构因子，n1表示应力指数，n表示应变速率敏感指数，Q表示热变形激活能，sinh()表示双曲正弦函数，DRXVol.％表示材料的再结晶分数，D表示热处理前后的晶粒平均直径，a、β、a、b、a1、a2、b1、b2、c表示拟合系数。
3.根据权利要求2所述的优化方法，其特征在于：所述结构因子A、应力指数n1、应变速率敏感指数n和热变形激活能Q通过如下的多远线性回归模型求解得到：
其中，A1和A2表示回归系数。
4.根据权利要求2所述的优化方法，其特征在于：所述优化模型中，不同的材料应变速率
材料变形温度T下的材料流变应力σ通过对铝合金的热压缩测试获得。
5.根据权利要求4所述的优化方法，其特征在于：所述热压缩测试包括：将所述铝合金加工为圆柱形热压缩试样；通过热模拟机在设定的应变速率和变形温度下进行热压缩测试，获得材料的真应力-真应变曲线，根据所述真应力-真应变曲线获得所述材料流变应力，其中，设定的变形温度为400-550℃,应变速率为0.001-1s-1-1s-1。
6.根据权利要求5所述的优化方法，其特征在于：所述热压缩测试中，所述试样以2-10℃/s的加热速率加热到所述设定的变形温度，并在压缩前保持3-5分钟。
7.根据权利要求6所述的优化方法，其特征在于：所述热压缩测试中，设定的变形温度为400℃、450℃、500℃和550℃，应变速率为0.001s-1、0.01s-1、0.1s-1和1s-1。
8.根据权利要求4所述的优化方法，其特征在于：所述材料的再结晶分数DRXVol.％及热处理前后的晶粒平均直径D通过热处理及显微观测获得，其中，所述热处理包括：在520-560℃下将进行所述热压缩测试后的试样进行固溶处理1-2小时，其后水冷，然后于150-180℃下进行时效处理8-12h，再水冷；所述显微观测包括：在所述热处理前后，通过电子背散射衍射设备，获得所述再结晶分数和所述晶粒平均直径D。
9.根据权利要求4所述的优化方法，其特征在于：在所述热压缩测试后，将试样立即进行水淬，且水淬时间不超过0.1s。
10.权利要求1-9中任一项所述的优化方法在Al-Mg-Si系铝合金加工中的应用。
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| CN111879627A (zh) * | 2020-06-18 | 2020-11-03 | 闽南理工学院 | 铝合金热变形微观组织和性能预测模型的构建方法 |
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