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1、难变形材料等温工艺研究进展摘 要：难变形材料在轻合金方面主要包括铝合金、镁合金、钛合金。本文详细介绍了三种难变形轻合金的材料的物理性质、材料内部结构、特点、应用分类和目前材料研究进展。轻合金如此多优点，但变形困难，本文介绍了三种材料在等温工艺下成型的国内外研究进展。并对其在未来的发展方向做了展望。关键词：难变形；铝合金；镁合金；钛合金；等温工艺；等温挤压；等温锻造；研究进展The progress of research about difficultly transform material isothermal craftWangjingjing(College of Graduate s
2、tudent, Yanshan University, Qinhuangdao, Hebei 066004, China; )Abstract: The difficultly transform materials mainly include aluminum metal alloy, magnesium metal alloy and titanium metal alloy in the light metal alloy. This text introduced an internal structure, characteristics, applied classificati
3、on of the physical properties, materials of three kinds of materials that is difficult to transform light metal alloy in detail to make progress with material research currently. Light metal alloy so many advantage, but transform difficultly, this text introduced three kinds of materials at isotherm
4、al crafts bottom to model of domestic and international research progress. And its did an outlook in the future of development direction.Key words: difficultly transform; aluminum metal alloy; magnesium metal alloy; titanium metal alloy; isothermal craft; isothermal squeeze; isothermal forge; progre
5、ss of research160 引言难变形材料的成型工艺包括粉末冶金锻造，超塑性成型，等温成型。难变形材料晶粒细化的常用工艺:粉末冶金,强烈塑性变形,大挤压比挤压,等径角挤压,轧制,旋挤压,限制模压变形。等温成型工艺指的是将模具加入到与变形材料相同的变形温度，在应变速率为10-210-4 s-1 变形过程中，是坯料与模具温度基本保持不变（坯料在变形过程中保持恒温）的成型方法。难变形合金材料目前应用比较广泛的是铝合金、镁合金、钛合金三种。这三种材料都有着相似的特性，密度相对钢材都小的多，结构强度刚度较好，比强度高，力学性能较好。尤其镁合金、钛合金刚度强度非常出色，这些合金材料是航天航空，低碳
6、环保，节能减排等方向。下面简单介绍铝合金、镁合金、钛合金材料性能特点：1、铝合金材料概述铝镁合金和铝硅合金为主要的铝合金。铝合金材料的弹性模量约为钢材的三分之一，在结构上重量减轻时刚度大致与之成本比例下降，所以铝合金材料不能用作结构主要承载件。目前铝合金大量应用在汽车、飞机等领域中，尤其是在汽车中，一辆高档汽车的铝合金用量占到20%还多1 。铝合金材料密度约为钢材的三分之一，在强度满足要求的情况下，同一结构的钢质件自重是铝质件的两倍。铝合金材料的耐腐性好，铝材表面可产生一层的氧化铝保护膜，其表面硬度较高，不易损坏，在大气中有很好的防腐能力。2、镁合金材料概述镁合金的减振性好、导热性良好、可回收
7、利用、电磁屏蔽性能好、比强度高、比刚度较高等特点，因此逐渐替代现代工业产品中的其他材料。在传统的成形过程中，镁合金坯料温度不均匀、坯料降温快、塑性差，使得锻件变形率低，有较大的附加应力，变形过程中易产生裂纹。在等温状态下成形，其变形温度上下波动的幅度比较小，消除模具激冷和材料应变硬化的影响，成形件尺寸较稳定，工艺再现性好，因而成形后残余应力较小，零件的冷却和热处理变形小。另外，等温状态还可以完成近净成形加工，提高了镁合金的利用率以及锻件的性能。3、钛合金材料概述钛合金的密度低（约为4.59cm）、中温强度良好、比强度高（约为33）位于重要结构材料之首、高温抗蠕变性能好，在军工、民用等很多领域得
8、到非常广泛的应用。美国钛产量的80%被用于航空航天工业。传统的锻造过程中，锻造温度对钛合金变形抗力非常重要，为了减少模具对制件件的冷却，锻造速度相对很高。速度与变形抗力成比例，当高速锻造时，锻件内的金属流动速度很快，毛坯内会产生强烈的内摩擦，从而使得锻件局部温度升高，由于钛合金导热性较差，热量散发慢，造成局部过热，就会出现粗大晶粒的过热组织。粗大的晶粒影响了锻件的机械性能。钛合金锻造的温度范围比较窄。等温状态下成形时，变形温度上下波动的幅度较小，消除了材料应变硬化和模具激冷的影响，成形工件残余应力小，尺寸相对稳定。1 难变形材料研究进展1.1 铝合金材料特性以及分类目前，铝及铝合金在实际生产中
9、的用量比钢铁金属材料略低。铝合金是在纯铝中加入某种或几种元素后构成的，铝合金相对于纯铝可以提高硬度、疲劳性能、强度等材料综合性能，适合于制造汽车的安全保险,以及防冲撞系统。铝合金及其加工材料具有诸多优点，易表面着色、抗冲击性能好、弹性较好、比强度和比刚度高、耐磨、耐腐蚀、导电性能较高、导热形较高、密度小、良好的加工成形性以及高的回收再生性等。另外，虽然多数铝合金的强度在高温条件下下降很快，在热锻时无氧化皮，表面质量较好，加工余量较小，材料具有耐蚀性无应力裂纹现象。在低温下， O以下铝及铝合金材料的强度反而会增加，是一种优良的低温金属材料。在大多数场合，铝的性能是不能满足使用要求的，为此，人们将
10、多种合金元素添加到纯铝中，以生产出满足各种用途和性能的铝合金。根据加工工艺特性和合金元素，可将铝合金分为铸造铝合金和变形铝合金两大类。这两类合金可用铝合金的二元平衡相图作概要的说明(见图1-1)。图1-1铝合金的二元相图共晶温度时的饱和溶解度D点是这两类合金成分的分界点。在D点右边的为铸造铝合金，不适于压力加工，这样，就使得共晶体在铸造铝合金中的含量较多，对铸型能够进行充分的填充，使得铸件致密，铸造铝合金的塑性降低，在液态时铸造铝合金有较好的流动性。D点以左为变形铝合金，适于压力加工，变形铝合金的化学成分不高，该合金有较高的塑性。适于压延及锻造，可得到均匀的单相固溶体组织，这种组织具有较好的变
11、形能力。以S点为界，成分在S点左侧的为非热处理强化型铝合金，它的固溶体成分不随着温度的变化而变化，这类合金系统的力学性能不能通过热处理方式来提高，而只能用冷作变形来进行强化。成分在S、D点之间的铝合金，它的固溶体成分不随着温度的变化而变化，属于热处理强化铝合金。实际上一些元素如锰、镁在铝合金中的含量超过了理论上规定的范围，这与合金元素的本性有关，热处理强化的效果并不明显。非树铝合金可以使铸造铝合金或是变形铝合金，为增加材料的延伸率提供了基础。合金元素在基体金属中的溶解度随着温度的降低而降低，所以对于合金来说能够进行淬火时效强化处理。尤其是位于极限溶解度D点附近的合金，时效强化的效果比较好。铝合
12、金的具体分类： 铝合金的分类铝合金的热处理方法：铝合金有两种热处理的工艺：退火和强化这两种工艺。退火工艺有均匀退火，完全退火和去应力退火。均匀退火可以消除铸锭组织成分的不均匀性；完全退火后可获得最软最冷加工的状态；去应力退火可消除加工硬化及铸件的内应力。强化处理可以拥有强度低塑性好的优良特性。这是由固溶处理铝合金中的溶质溶于溶剂的晶格中，经冷却形成固溶体，材料在表现出优良的特性，时效处理后则强度上升塑性下降，它则是从溶液中析出聚合，形成硬化区域，强化工艺是由这两部分组成的。下面是两种铝合金的的热处理工艺图：（汽车铝合金材料及其热处理进展） 7050铝合金RRA处理工艺示意图 LY合金FTMT工
13、艺示意图 1.2 镁合金材料特点及应用镁在地壳中的含量相当丰富，在金属含量中位居第三位。其化学性质活越。一般存于化合物中。主要蕴含于岩石和海水中。其含量及其丰富。镁是材料中最轻的金属，是钢材料的九分之二，钛的五分之二，铝的三分之二，Mg.Li合金密度甚至小于水的密度。镁是密排六方的晶体结构。镁的三个滑移系：（镁合金等温挤压成形及组织性能变化规律研究）见下图。密排六方中的三个滑移镁合金是航空器、航天器和导弹制造工业中使用的最轻金属结构材料。镁的重量比铝轻，比重为1.8，强度也较低，只有200300兆帕（2030公斤/毫米2），主要用于制造低承力的零件。德国首先生产并在飞机上使用含铝的镁合金。镁合
14、金具有较高的抗振能力，在受冲击载荷时能吸收较大的能量，还有良好的吸热性能，因而是制造飞机轮毂的理想材料。镁合金在润滑油、煤油和汽油中非常稳定，适于制造油管、油泵和发动机齿轮机匣，又因在往复和旋转运动中产生的惯性力比较小而被用来制造舵面、舱门、摇臂和襟翼等活动零件。民用机轰炸机大量使用镁合金制品。中国稀土资源非常丰富，已于七十年代研制出加钇镁合金，提高室温强度在航天企业中使用也十分广泛。目前，镁合金在汽车上的应用零部件可归纳为2类。 (1）壳体类。如发动机前盖、变速箱体、空调机外壳、曲轴箱、阀盖、离合器壳体、气缸盖、仪表板等。 (2）支架类。如座椅框架、分配支架、转向支架、车镜支架、刹车支架等。
15、 根据有关研究，汽车的自重消耗汽车燃料的60%，汽车的自重每降低10%，其燃油效率可提高5%以上；汽车自重每减少100 kg，每百公里可减少0.7 L左右的油耗，每节约1 L燃料可少排放2.5 g CO2，每年的总排放量可以减少30%以上。所以减轻汽车重量对节省能源和保护环境意义重大，轻量化已成为汽车的必然趋势。 手机电话，笔记本电脑上的屏幕的尺寸年年增大，在它们的枝撑框架和背面的壳体上使用了镁合金。 虽然镁合金的导热系数不及铝合金，但是，比塑料高出数十倍，因此，在电器产品中应用镁合金，能够有效地将内部的热散发到外面。 在内部产生高温的投影仪和电脑等的散热部件和外壳上使用镁合金。就对于电磁波的
16、屏蔽作用而言，在塑料上电镀屏蔽膜的效果好明显不如镁合金，因此，使用镁合金可以减去电镀工序，降低生产成本。 在数码单反相机上的应用镁合金由于密度低、强度较高，具有一定的防腐性能，常用来做单反相机的骨架。一般中高端及专业数码单反相机都采取镁合金做骨架，使其坚固耐用，手感好。如佳能的1D系列、5D系列、7D及10D-50D，尼康的D3系列、D700、Dx00系列及最新的D7000，宾得的K-7及K-5等都是镁合金机身。 镁合金比重在所有结构用合金中属于最轻者，因此，在不减少零部件的强度下，可减轻铝或铁的零部件的重量。镁合金的比强度明显高于铝合金和钢，比刚度与铝合金和钢相当。在弹性范围内，镁合金受到冲
17、击载荷时，吸收的能量比铝合金件大，所以镁合金具有良好的抗震减噪性能。在相同载荷下，减振性是铝的100倍，钛合金的300500倍。电磁屏蔽性佳，3C产品的外壳（手机及电脑）要能够提供优越的抗电磁保护作用，而镁合金外壳能够完全吸收频率超过100db的电磁干扰。质感佳，镁合金的外观及触摸质感极佳，使产品更具豪华感，而且，在空气中更不容易腐蚀。 镁合金的散热相对与合金来说有绝对的优势：根据公式：Q=dvCt 其中Q热量；d=比重；V=体积；C=比热容；t =(t1-t2）变化的温度；当相同体积与形状的镁合金与铝合金，接受相同的热量Q时，二者变化的温度比为：t/t=2.74x0.23/1.81x1.05
18、=1/3；即镁合金为铝合金的1/3；镁合金导热系数54W/mk；铝合金导热系数100W/mk；相差一倍。意味对于相同体积与形状的镁合金与铝合金材料的散热器，某热源生产的热量（温度）铝合金更容易由散热片根部传递到顶部的速度，顶部更容易达到高温。即铝合金材料的散热器根部与顶部的温度差，比镁合金材料的散热器小。这意味着由镁合金材料制作的散热片根部的空气温度与顶部的空气温度温度差，比铝合金材料制作的散热片大，因此加速散热器内部空气的扩散对流，使散热效率提高。因此，相同温度，镁合金的散热时间还不用铝合金的一半。 所以，镁合金是应用于LED及其他灯饰，汽车应用零部件，及其他要求高质量，高强度，高韧性配件的
19、理想材料。1.3 钛合金材料特点及应用Ti 在地壳中的丰度为 0.56%(质量分数，下同)，在所有按元 素中居第 9 位，而作为结构材料金属居第 4 位， 比Al、Fe、Mg略低，其储量比常见金属 Cu，Pb，Zn 储量的总和还多。我国钛资源非常丰富，储量位居世界首位。钛合金的高温力学性能，比强度、密度小，抗腐蚀性能、比刚度高、抗疲劳和蠕变性能都很好，综合性能十分优良，是一种很有发展潜力和应用前景的新型结构材料。近年来，世界钛工业和钛材加工技术得到了飞速发展，在舰艇及兵器等军品制造中和航空航天领域的应用越来越广泛。钛是二战后于20世纪40年代末至50年代初开始工业化生产并逐步发展起来的一种高性
20、能的重要的金属结构材料。钛合金由于在600700环境下有良好的综合力学性能,在航空航天工业中显示出极大的应用前景。钛及钛合金比强度高，高温性能良好，耐腐蚀性能强，生物相容性好，被广泛应用于航空航天、石油化工、制药、制盐、冶金和医疗等行业，因此被誉为全能金属13。钛合金制品生产成本高，且加工条件苛刻，但是如果两种合金进行焊接制备某些构建，不仅能巩固满足大幅度梯度场合的使用，发挥两种合金各自的使用，还能降低生产成本。随着钛及钛合金的发展，的钛合金已经越来越广泛的运用在航空飞行器上，飞机结构件的钛合金用量不断的增多，过去常用自由锻件毛坯经机械加工，它的材料利用率往往仅有2%3%。现经过、等温锻造，使
21、钛合金等难变形材料在相对恒定的变形温度下，在较低的变形速率下成型出形状复杂接近零件的精密锻件。钛合金的发展：钛是二十世纪五十年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有耐热性高、耐蚀性好、比强度高等特点而被广泛用于各个领域。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。第一个实用的钛合金是1954年美国研制成功的Ti-6Al-4V合金，由于它的生物相容性、形性、可焊性、塑性、成强度、韧性、耐蚀性和耐热性均较好，而成为钛合金工业中的王牌合金，该合金使用量已占全部钛合金的7585。其他许多钛合金都可以看做是Ti-6Al-4V合金的改型。二十世纪五十六十年代，主
22、要是发展在航空发动机体上使用的结构钛合金和在航空发动机上使用的高温钛合金，七十年代开发出了一批具有耐蚀性能的钛合金，八十年代以来，高强度钛合金和耐腐蚀性钛合金得到了进一步的发展。耐热钛合金的使用温度已从五十年代的400提高到九十年代的600650。A2(Ti3Al)和r（TiAl）基合金的出现，这使得钛合金在发动机上的使用部位正由发动机的冷端（风扇和压气机）向发动机的热端（涡轮）方向推进。结构钛合金向高模量、高损伤容限、高强度、高强高韧和高塑性方向发展。另外，二十世纪七十年代以来，还出现了Ti-Ni-Nb、Ti-Ni-Fe、Ti-Ni等形状记忆合金，并在工程上获得日益广泛的应用。 目前，世界上
23、已研制出了数百种钛合金，最著名的合金有2030种，如Ti-10-5-3、BT9、Ti-2Al-2.5Zr、Ti-Pd、Ti-Mo-Ni、Ti-5Al-2.5Sn、IMI834、Ti-6242、Ti-1023、Ti-6Al-4V、Ti-1023、Ti-32Mo、BT20、IMI829、SP-700等。 钛合金可以分为、+、型合金及钛铝金属间化合物（TixAl，此处x=1）四类。钛合金作为一种新兴材料，已经广泛应用于航空等各领域，航空领域将其作为发动机盘，叶片及飞机骨架一提高发动机的推力和性能；航空材料方面，在开发的是i-55,Ti-17，Ti-6242，Ti-15-3，Ti-10-2-3，Ti-
24、22A1-20Nb-7Ta合金，并且取得了较大的进展。国外研制的合金相比较，屈服强度相当，但是延伸率相差甚远。Ti-15-3合金是一种具有良好的可锻性和冷成型性的新型亚稳型钛合金。该合金在航空、航天等工业中的应用广泛。我国已基本形成了自己的船用钛合金系列，包括Ti-75，TA5， Ti-31，TC4等，并对TC4，TA5，Ti-31，Ti-75进行了工程化研究。我国还对特殊钛合金、钛基复合材料以及医用钛合金、纳米晶材料的研制进行深入的研究，比如有色金属研究院在利用颗粒增强复合材料方面取得了突破性的进展。另外，就新产品和新工艺方面而言，目前大家都在对新工艺进行研究，并取得了一定的进展。在钛的精铸
25、技术和工艺方面，使用了稀土陶瓷型壳工艺和高熔点技术面层陶瓷型壳工艺，航空用钛公共底、后封头和机匣等零件已经开始进行批量的生产；在热加工工艺方面，最近几年的研究主要有关于超塑成型、等温精密模锻、高温钛合金的锻造和精锻等。近几十年来，新的研究方法得到进一步的发展，如有限元法在热成型过程的模拟研究中取得了突破进展，从而为研究钛合金成型过程中的显微组织变化提供了强有力的分析手段。2 难变形材料等温工艺研究进展2.1 铝合金等温挤压工艺的介绍2.1.1 等温挤压工艺的原理及优点等温挤压是指铝型材在恒定的出口温度(10)的情况下对铝锭坯进行挤压成形。通过系统深入地分析挤压过程中热力平衡，并考虑挤压过程中各
26、变量诸如铝锭坯加热温度、挤压速度、挤压比、挤压筒温度及铝型材几何形状等的影响，对挤压过程进行数值模拟分析，得出可用于实际生产的挤压各变量值，用于指导生产。等温挤压可以提高铝型材生产的产量与质量。下面介绍LD 11铝合金的等温变形工艺：该合金的化学成分和相组比较复杂，含有铁和镁。这种合金室温中塑性较差。高温条件下塑性指标会大大提高，所以可以用等温变形工艺。实验方法：金属材料在等温变形时影响流动应力的主要因素是变形温度和变形速率，可对该试件进行等温拉伸和等温压缩。在等温拉伸试验中，变形温度和应变速率的交互影响，可以选取三个温度及三个应变速率进行试验。等温压缩试验中可选取八个试验幅度及四个应变速率组
27、合的等温压缩试验方案，测出其应力应变曲线（LD铝合金等温变形工艺的）如图2-1所示。挤压成形极限图描述了挤压过程中挤压温度与挤压速度之间的关系。等温挤压的基础是挤压成形极限图。见图2-1图2-1挤压成型极限图挤压制件表面质量曲线可以表示为：，式中，a*与b*为常数。2.1.2 在等温挤压过程中主要影响铝型材出口温度的因素2.1.2.1 锭坯在挤压筒中的热量变化铝型材挤压时，当加热的铝锭坯被送人预热的挤压筒中时，便开始了复杂的热量变化过程。热量变化包括以下几部分，如图2-2所示。(1)铝锭坯在变形区通过变形而产生的热量；(2)工模具之间（挤压筒、挤压杆、模具）和铝锭坯由于摩擦的作用产生的热量以及
28、铝锭坯在变形死区剪切产生的热量；(3)铝锭坯挤压过程中本身的热能转换；(4)工模具之间（挤压筒、挤压杆、模具）与铝锭坯的热量传递；(5环境与)挤压制品的热量交换。由于以上的热量变化，铝锭坯在挤压筒中随着变形的进行，温度有上升的趋势。即靠近模具口处铝锭坯的温度高于靠近挤压垫处铝锭坯的温度。由图2-2可以看出，通过对挤压过程进行系统、深入地分析和优化后，可以在较高的挤压速度下进行等温挤压(即箭头所指处)，同时能避免了产品出现缺陷且保证了机械性能，生产率得到了提高。图2-2铝锭坯在挤压过程中的热量交换2 铝型材出口温度的主要影响因素挤压制品的出口温度对于产品的质量至关重要，和上面的热量变化有关。假设
29、引起挤压制品的出口温度升高的热量由挤压型材表面与模口处模具的摩擦产生的热量、变形功产生的热量以及铝锭坯与挤压筒表面摩擦产生的热量组成，通过变形功可以近似地计算挤压制品出口温度的升高值。事实上，当温度升高时高，合金内的原子运动加剧，振幅便会增大，晶格常数也会增大，弹性模量相应的减小，位错运动的位错阻力减小。变形抗力就会减小，当应变速率提高时，合金内部的位错密度会增大，但是过程时间短暂，位错的反应不充分，不利于软化过程的完成，使得变形力提高，有利用于晶格的长大。利用上诉的试验例证，对LD11合金进行等温成形，以下为锻件的实物照片。 活塞锻件2.2 镁合金等温锻造工艺的研究进展2.2.1 国外镁合金
30、等温锻造的进展镁的储量丰富，随着科技的发展，能源的缺失，金属材料的需求量不断增加，越来越多的人关注对镁合金的发展。镁合金拥有诸多的优点，与铸造镁合金相比，经过塑性变形后的合金在组织上有更多的优点，具有更高的强度和高的延伸率等优点，所以在军事，航天，电子汽车等会组多领域有更广泛的应用起来。俄罗斯航空工业部的主要研究院，包括航空材料研究院(BNAM)、轻合金研究院(BHJIC)、航空工艺研究院(HNAT)、发动机工艺和生产组织研究院(HNNI)等单位对镁合金的等温模锻进行了较多研究，产品已被多种发动机和飞机所采用。据1998年Rozak等报道，已有人对镁合金的多工步精密锻造成形技术进行了研究，并制
31、定了合理的锻造温度和精整温度。2001年，为了开发MD镁合金外壳，演葆夫等研究了镁合金薄壁件的热锻成形，成形温度在300400之间，所用材料为1.O2.0mm的AZ31B镁合金板材，设备用的是油压机。2002年，Journal of Material Processing Technology(材料加工技术)和Magnesium Technology(镁合金技术)发表了变形镁合金锻造方面的研究论文，内容涉及AZ31和AZ61镁合金板材的等温可锻性，AZ31镁合金的正挤压和反挤压等。Matsumoto等在土耳其第37届国际冷锻会议上宣读了其研究论文，他们将环形坯料ZK60镁合金(Mg-6zn-0
32、5Zr)夹入温度为150300的模具中，通过弹簧支撑上模对坯料施加小载荷，研究ZK60镁合金反挤压过程中原始坯料形状和冲头压力之间的关系曲线。德国镁合金工程中心材料研究所GKSS研究中心Swiostek等21进行了工业用AZ80、ZK30镁合金及通过细化晶粒改良的可锻镁合金的典型模锻实验研究，锻造温度在300450之间，使用油基润滑剂，得到如图2-3所示的不同锻件，并对锻件的纤维组织与显微组织进行了分析，其纤维组织如图2所示，由图2-4可知，该镁合金坯料中的晶粒沿塑性流动的主变形方向被拉长，留下了明显的变形条纹。这些锻件的体积和厚度都很小，其中的关键是要对其变形温度和变形程度进行合理地控制。图
33、2-3 镁合金锻件的实物照片图2-4 镁合金锻造后的典型纤维组织在2005年第8届国际塑性加工会议上，德国勃兰登堡工业大学设计与制造系Dtiring等发表了关于AZ31和AZ80镁合金等温锻造的研究成果，实验温度在300400之间，所用润滑剂为油基石墨悬浮液，所得挤压件如图3所示。图2-5 实验挤压件的实物照片2.2.2 国内镁合金等温锻造的进展目前，主要采用等温锻造技术来生产重要的镁合金航天航空零件，例如大型直升机上机匣。哈尔滨工业大学吕炎等人在二十世纪九十年代中期就MBl5镁合金上机匣等温锻造工艺进行了研究。该锻件具有比较复杂的几何形状，它的中间部分是轮毂，有四个凸耳不均匀的分布在外周，此
34、外，外周还有六条窄而高的加强筋沿径向分布，最大高宽比达9.2，体积沿周向呈分布且分布不均，因此成形十分困难。该上机匣要求晶粒细小均匀，cb大于等于300MPa。除此之外，由于零件在使用的时候，四个凸耳对转矩具有传递的作用，所以对于凸耳处的金属要求其分布形式为流线形，分模面不能在该处设置。他们对进行上机匣等温锻造研究试验用的等温精锻模进行了介绍。如图2-6所示。模具采用电阻加热，凹模采用镶块式组合结构，在四个凸耳处设置四个镶块。他们成功研制出了满足生产需要，符合力学性能、显微组织及几何形状要求的MBl5镁合金上机匣锻件，见图2-7，该锻件的几何尺寸大，水平投影面积大概为0.4m2，是史无前例的国
35、内报道的最大的镁合金模锻件。2000年以后，镁合金管材挤压工艺及组织性能的研究AZ31B镁合金挤压工艺研究和AZ31B镁合金的温锻成形性能研究在国内成为变形镁合金研究的主流。张青来等人通过分流挤压的方法对AZ31B镁合金进行了挤压实验，并生产出了AZ31B薄壁镁合金管材，所制得管材的表面基本上不会出现横裂纹、烧损等缺陷。自行车的三角架就可以用该镁合金管材来制造。图2-6 上机匣等温锻造模具结构图国内不少高等院校重视研究镁合金的等温成形，许多学校的硕士生的选题都以研究镁合金为主要内容，特别有一些学校，如上海交通大学等单位培养的博士生也在研究镁合金的等温锻造。张先进行了挤压筒加热情况下的ZK60镁
36、合金的反挤压实验，反挤压加工后实验试样的断面形状如图2-8所示。在200300间进行挤压，挤压件的底厚可以达到1mm，同时实验试样的内外表面都没有缺陷发生，表面状态良好。图2-7 上机匣锻件图图2-8 反挤压试样断面形状(300，底厚l mm)C2李海江对数值模拟和镁合金挤压成形工艺进行了研究，在Gleeblel500型热-力学模拟试验机上对不同温度和变形速率条件下的AZ31镁合金圆形断面和矩形断面的薄壁空心型材、实心棒料的挤压成形工艺进行了研究，从而确定了AZ31镁合金挤压成形工艺参数，对挤压变形力的变化规律进行了分析，在此基础上再将BP神经网络技术应用进来，建立起AZ31镁合金材料本构关系
37、。他们还通过DEFORM-3D模拟软件对镁合金管材挤压成形进行数值模拟，数值模拟计算结果与AZ31镁合金管材挤他们还通过压成形试验的变化过程非常吻合。2004年，中北大学王智文等对不同的变形温度和变形速率下AZ31镁合金变形性能进行了研究。实验温度为200400，变形速率为0.0110s-1，变形量80，加热速度为3s,在加热到设定的变形温度后，再保温5min，然后进行压缩实验；变形之后进行水冷，并得出AZ31镁合金流变应力与应变速率的关系图、流变应力预测值与实际值之间的关系。王德林等针对AZ31镁合金轿车轮毂等温挤压成形，应用有限元法数值模拟技术，分析了轿车轮毂预成形、底部成形和翻边成形三道
38、工序的挤压成形过程以及模具结构和工艺参数对挤压过程的影响规律。李国俊等研究了镁合金散热器的等温成形工艺。他们采用等温精密成形的模具与毛坯一同合模后放人低温电阻炉内加热，炉内带有空气强制循环装置，可保持炉温均匀，使炉内温度差不超过l0。出炉后毛坯和模具在室温下快速放入液压机成形。设计了液压机用镁合金等温成形试验模架，该模架固定在压机工作台上，周边围有硅酸棉保温材料，并装有热电偶温控装置，温度控制在8之内，以平衡AZ31镁合金加热坯料、模具与环境交换的热量。模具、等温装置、压力机结构简图如图2-9所示。图2-9 等温精密成形模具、等温装置、压力机结构简图2005年重庆工学院胡亚民等人研究了AZ61
39、A镁合金压缩后的显微组织。通过对试样断面显微组织的分析可知：在室温下进行压缩时所得的显微组织滑移线密度比较大，甚至出现明显的宏观裂纹组织和滑移纹路，塑性较差；在300进行压缩时，在试样的车加工刀痕上发现有横向裂纹的产生，并进一步扩大，而绝大多数的刀痕上并未产生裂纹；400压缩时，在试样车加工刀痕上发现有更多的横向裂纹的产生和扩大；而在500下的显微组织虽然产生的裂纹源较少但裂纹源扩展却非常快。进行比较后可知，在300进行压缩时塑性比其他温度要好得多。图2-10是他们2005年上半年开发的镁合金等温复合挤压件实物。从2006年初开始，镁合金电动螺丝刀刀柄等温挤压成形工艺由重庆工学院与江苏某厂联合
40、开发并研制成功，他们所生产的镁合金电动螺丝刀刀柄，见图2-11。镁合金电动螺丝刀刀柄的成形件力学性能良好，符合使用要求，在生产实践中代替铝合金是很有可能的。图2-10 镁合金等温复合挤压件实物照片图2-11镁合金电动螺丝刀刀柄挤压件实物照片镁合金的成形工艺方法（AZ31变形镁合金等温变形力学特性的研究）试验方案的制定，用热力学模拟试验机对不同温度和变形速率下的镁合金进行研究。试验段额实际温度有表面的热电偶测量，结构有反馈得到，根据结果控制系统。加入润滑剂降低摩擦，减少对真实应力的影响。试验过程中，温度控制在200度到400度之间，变形速率在0.01S-1 到10S-1 试验过程中，在加热到一定
41、的温度时，保温一段时间大约几分钟，然后在进行压缩试验。变形后进行冷却，可进行水冷。 压缩试验图微观组织的分析，通过应力应变曲线的分析，应力随真实应变的增加迅速上升，出现最值后降低，个峰值与流动应力的差与变形温度成一定的比例，随着它的上升而减小。说明镁合金发生了动态和动态再结晶，软化作用加强。镁合金的流动应力是动态再结晶型的，变形速率对流动应力的影响。温度对其的影响有很重要的影响。当材料的温度升高时，变形抗力下降，变形温度决定了应力的大小。预测值与真实值图 应力应变曲线2.3 钛合金等温挤压工艺的研究进展2.3.1 国外钛合金等温锻造的进展低应变速率等温锻造能够使合金的显微组织质量得到显著的改善
42、。在国外的一些科研项目中，生产高质量的薄饼状件时就是采用得等温锻造技术。工业化规模等温锻造大型铸锭的工艺已经由德国的GKSS研究人员已经建立起来了，如直径270mm，长250mm的（TiAl）铸锭在2+相区内采用单级等温锻造可以加工成直径达400mm的薄饼状件23。等温锻造铸锭可以制备适合零件锻造的组织细小均匀的材料。闭模锻造在1165-1205温度区间内由等温锻造单个工序完成，获得充型完整的叶片样品，通过砂轮切割可以去除锻造飞边，锻造叶片表面光洁度和尺寸精度高。Millet等和Brooks等对1(TiAI)基合金锻造过程中的显微组织变化和相应的流变特性进行了报道，其中Brooks等对燃气涡轮
43、发动机翼片的等温锻造进行了研究。采用有限元法建立了流变应力模型，对（TiAl）合金的锻造加工过程中的显微组织演化和流变软化特性进行了分析。2.3.2 国内钛合金等温锻造的进展我国在二十世纪七十年代末期开始对等温锻造工艺进行研究，经过几十年的实践研究，取得了一定的成果。北京航空材料研究院的杨洪涛等人分别在低于和高于相变点的温度(930和950)下对TC6台金进行了环形件的成形，从而确定了变形参数对TC6钛合金性能、组织的影响，得出结论：TC6合金在+两相区成形，得到的组织为等轴组织；而在稍高于相变点的单相区变形，显微组织为网篮状组织TC6合金近锻造和+两相区锻造的常规高温、室温力学性能没有明显差
44、异。采用近锻造可在不影响TC6合金力学性能的情况下提高它的可锻性24。北京科技大学的朱磊等人通过Gleeblel500上试验机的热模拟压缩实验，分析了TC11合金的高温变形特性，采用非线性回归方法建立了Kumar型的TC11合金的材料本构关系。A，n为材料特性参数；B0，B1，B2，B6均为常数。根据多元非线性回归的基本理论，采用最小二乘法拟合的方法，得出Q-76763 kJmol，B0=78.43NPa，B1=68.7359，B2=5.0374，B3=0.5102，B4=-2.1989，B5=6.0549，B6=-0.065并对该本构模型在热加工参数范围的延拓性进行了分析。结果表明，该模型具
45、有良好的数值稳定性和延拓性及较高的描述精度并对TC11合金的涡轮盘的等温锻造工艺进行模拟工艺设计，结果表明该材料模型能够满足工程实用要求。宝山钢铁股份有限公司特殊钢分公司的孟庆通等人通过对等温锻造工艺、锻造毛坯的形状和模具结构及TCl7合金整体叶盘的锻件图进行了研究，根据叶片的零件数据，得出了简化之后的叶片部分的三维零件图，模具采用开式锻结构，通过使用计算机有限元进行模拟缩短了试验周期，然后对实物进行了锻压，得到良好的组织如图2-12，表明采用等温锻造工艺可生产出外形尺寸精确、表面光洁的钛合金整体叶盘等温锻件，锻件金属流线分布合理，性能、组织满足要求。图2-12 Tcl7合金整体叶盘高倍组织3
46、 难变形材料未来主要研究方向3.1 铝合金材料未来主要研究方向目前对于超高强铝合金的研制，基本上是沿着高强度-高韧性、耐腐蚀、高韧性、高强度-低韧性、高强度方向进行的。同时，对于热处理状态的研发则是沿着T6-T73-T76-T736(I74)-T77方向进展的；材料的合金化程度日渐升高是在合金设计方面的突出特点，Fe和Si等杂质元素的含量逐渐降低，同时微量过渡族元素的添加也逐渐合理化。最终，不仅铝合金材料的强度得到大幅度的提高，而且铝合金材料仍然具有优良的综合性能。3.2 镁料未来主要研究方向发展高韧性、高强度的镁合金是镁合金材料未来的一个研究方向。在提高镁合金材料的韧性方面主要是降低合金中A
47、l的含量。然而在提高镁合金材料的强度方面主要是提高合金中Zn的含量，另外就是把稀土作为主要的添加元素加入到合金中，镁合金材料的应用范围是由它的韧性和强度的提升程度决定的。 2)提高镁合金材料的耐腐蚀性能。Fe、Cu、Ni等金属杂质元素对于镁合金的耐蚀性具有十分显著的影响。要想提高镁合金的耐蚀性关键是降低镁合金中杂质含量。3)提高镁合金耐热性。用来提高镁合金耐热性能的重要元素有稀土等已开发的耐热镁合金中所采用的合金元素主要有稀土元素(RE)和硅(Si)，但是稀土合金的高成本是其被广泛应用的一大阻碍。3.3 钛合金材料未来主要研究方向为了进一步扩大钛合金材料的应用范围，就需要降低钛合金材料在制备以及加工过程中所需的成本；开发并应用短流程、高效的钛合金加工技术，如钛带连续加工技术，单次冷床炉熔炼直接轧制技术等；发展近净成形技术，包括喷射成形、精密铸造、粉末冶金、精密模锻等；钛合金材料应用的推广，包括生物用钛、汽车用钛及建筑用钛等。开发新型钛合金材料，扩大钛合金应用领域，民用市场。钛在民用市场的两大应用领域，即汽车工业用钛合金和生物医用钛合金的进展步伐加快，将会很快成为未来钛的两大应用领域。参考文献1辛亚兵. 铝合金主梁结构设计与力学性能研究 湖南大学硕士学位论文,安徽大学2009,05-04.2付传锋, 张