2195鋁鋰合金半球殼體旋壓件制備與其組織性能研究

陳永來 溫 濤 朱宏偉 許秀芝 馬鵬程 黃思原 杜志惠

2195鋁鋰合金半球殼體旋壓件制備與其組織性能研究

陳永來 溫 濤 朱宏偉 許秀芝 馬鵬程 黃思原 杜志惠

（航天材料及工藝研究所，北京 100076）

采用有限元方法對2195鋁鋰合金半球殼體旋壓成形進行仿真分析，優化了旋壓成形工藝參數，并采用旋壓方法制備了2195鋁鋰合金半球殼體，通過拉伸、金相等方法分析了旋壓件的組織與性能，結果表明：采用一道次強旋至球面半錐角45°＋多道次普旋成形方案制備的半球形殼體貼胎良好，性能優異。

2195鋁鋰合金；半球殼體；旋壓

1 引言

2195鋁鋰合金因其具有密度低，強度、模量高，焊接性能與低溫性能良好等特點，在航天領域具有廣闊應用前景。2195鋁鋰合金成功地應用于航天飛機超輕型貯箱，使航天飛機的運載能力提高了3.6t[1～3]。此外，“星座計劃”中的戰神I火箭的上面級液氫、液氧貯箱筒段及箱底或頂蓋均采用了2195鋁鋰合金制造，戰神V火箭的液氫、液氧燃料貯箱也將計劃全部采用鋁鋰合金制造[4，5]。

隨著航天技術的發展，旋壓成為制造運載火箭貯箱箱底、大型貯箱箱底頂蓋的先進近凈成形工藝。美國的Atlas系列和Delta系列火箭、日本的H-2B火箭，以及戰神I火箭上面級的貯箱箱底結構都是采用整體旋壓成形+熱處理工藝制造[6，7]。采用整體旋壓成形+熱處理工藝制造貯箱箱底結構已是國外主要運載火箭的首選方案。我國的CZ-3A系列、CZ-5運載火箭推進劑貯箱箱底結構盡管其直徑不大于5m，但仍采用瓜瓣成形，并且其連接工藝為TIG焊[8]，與整體旋壓成形工藝相比，不僅成形精度差，而且制造周期長，生產成本也較高。

為此，本文利用有限元軟件對2195鋁鋰合金半球殼體旋壓成形進行仿真分析，以優化旋壓成形工藝參數，并在此基礎上制備2195鋁鋰合金半球殼體旋壓件，通過拉伸、金相等試驗方法研究旋壓件的組織與性能，確定2195鋁鋰合金半球殼體制備工藝。

2 試驗方法

本試驗所用材料為20mm×1600mm×1600mm的退火態2195鋁鋰合金厚板，其抗拉強度≤240MPa，延伸率≤12%，其化學成分見表1。

表1 2195鋁鋰合金的化學成分 wt%

本試驗首先采用有限元軟件對2195鋁鋰合金半球殼體旋壓成形進行仿真分析，以優化旋壓成形工藝參數，并在此基礎上采用TORC180臥式雙旋輪數控旋壓設備旋制2195鋁鋰合金半球殼體，見圖1。

圖1 TORC180臥式雙旋輪數控旋壓設備

采用材料試驗機進行拉伸性能測試，試樣從2195鋁鋰合金半球殼體上、中、下三個部位截取，并采用金相顯微鏡和透射電鏡觀察樣件顯微組織形貌。

3 試驗結果與分析

3.1 2195鋁鋰合金半球殼體旋壓成形模擬分析結果

采用2195鋁鋰合金板材通過旋壓成形工藝制備940mm 2195鋁鋰合金半球形殼體，由于2195鋁鋰合金最大旋壓極限變薄率為55%，為此針對940mm 2195鋁鋰合金半球形殼體擬采用沖壓預成形毛坯+旋壓終成形方案制備。為減少940mm 2195鋁鋰合金半球形殼體旋壓成形研制風險，首先對其旋壓成形進行模擬仿真，以優化旋壓成形工藝參數。

選用非線性有限元軟件SuperForm/Marc對沖壓后的毛坯建模分析，旋壓過程的模擬需要采用三維模型，對旋壓毛坯采用8節點六面體單元進行網格劃分。尾頂和模具設為剛體，利用軟件提供的Glue功能將尾頂和工件粘合在一起，尾頂和芯模旋轉帶動工件旋轉。旋輪設置為剛體，旋輪攻角為30°，旋輪直徑為400mm，完整幾何模型如圖2所示。芯模和板料之間的摩擦采用庫倫摩擦模型。旋壓坯料為2195鋁鋰合金，模型中定義為彈塑性材料，其楊氏模量75000MPa，泊松比0.38，密度2.71g/mm3。旋壓過程視為300℃絕熱變形。旋輪切向進給速度為1mm/s，按照正弦律設置間隙。

圖2 Φ940mm 2195鋁鋰合金半球形殼體旋壓模型

圖3為按照設計變形軌跡，旋壓248s時的斷面變形情況。圖中虛線為設定的一道次強旋旋壓軌跡，可見，按照圖2所設定的旋輪速度，旋輪運動軌跡與設計軌跡完全吻合。

圖3 248s時旋壓過程斷面視圖

圖4為旋壓489s時，等效變形的分布情況，此時旋壓行程接近半錐角45°。在圖4b中可以清楚看到，此時坯料厚度減薄量較大，旋輪圓角處出現一定程度的金屬堆積，外層的網格變形也較為劇烈。在后繼的模擬中，該處網格畸變嚴重，計算求解收斂困難，模擬時從此處起強旋結束開始普旋。

圖4 旋壓489s時累積等效塑性變形分布

為此，模擬過程中將半球旋壓分成3個階段，即3個道次，各道次旋輪運動如圖5所示。第一道次旋輪軌跡按照設定旋壓至517s，然后開始普旋，第二道次旋壓339s時，旋輪返回第二道次開始的位置，進行強旋，即第三道次旋壓。采用三道次旋壓，各道次已變形部分的貼模性較好。

圖5 Φ940mm 2195鋁鋰合金半球形殼體三道次旋壓方案

圖6所示為不同進給比下，工件內外側沿母線方向的等效塑性變形分布情況?？梢?，旋輪進給比降低后，殼體外層的等效變形顯著減小，而內側等效變形基本不受進給比的影響。圖7所示為旋輪在不同進給比下旋壓過程中的工件下緣軸向位移情況?？梢?，進給比降低后，旋壓過程中殼體下緣的軸向位移同樣也是波動增大，但波動幅度有所減小，說明減小進給比有利于提高旋壓過程中坯料的貼模性，有利于旋壓尺寸精度的提高。

圖6 不同進給比的變形分布

圖7 不同進給比下工件下緣軸向位移

根據數值模擬的結果，940mm 2195鋁鋰合金半球形殼體旋壓成形方案為一道次強旋至球面半錐角45°+多道次普旋成形，在第一道次強旋時，初始階段可采用較大的進給比，進給比可為2～3mm/r，然后逐漸降低進給比到1.5mm/r。當旋壓至半錐角45°左右時，強旋結束普旋開始，此時適宜的進給比為2～3mm/r。

3.2 2195鋁鋰合金半球形旋壓件制備

圖8a為采用800t雙動壓機通過多工步沖壓預成形的2195鋁鋰合金毛坯。圖8b為采用一道次強旋至球面半錐角45°+多道次普旋成形方案制備的2195鋁鋰合金貯箱殼體，第一道次強旋至球面半錐角45°處，后經2～3道次普旋后，減小了道次強旋變形量，減小了旋輪前材料堆積，材料貼模良好，其中在旋壓距口部30mm時，可設置旋輪提前旋出，使口部形成一段法蘭翻邊，有利于后續車加工車削工藝定位臺階。由圖可知，采用一道次強旋至球面半錐角45°+多道次普旋成形方案制備的半球形殼體貼胎良好，未出現反擠、隆起等缺陷。

圖8 2195鋁鋰合金樣件形貌照片

表2為940mm 2195鋁鋰合金半球形旋壓件的尺寸檢測結果?？梢?，旋壓后的半球壁厚精度較高，不同高度帶的壁厚差均小于0.50mm。

表2 2195鋁鋰合金旋壓件壁厚實測值 mm

3.3 2195鋁鋰合金半球形旋壓件組織性能分析結果

表3為2195鋁鋰合金旋壓件熱處理后室溫力學測試結果。由表可知，2195鋁鋰合金旋壓件經過熱處理后，其力學性能可以達到m≥540MPa，0.2≥500MPa，≥6%，這表明2195鋁鋰合金旋壓件匹配合適的熱處理工藝可以獲得良好強韌性。

表3 2195鋁鋰合金旋壓件T6處理后室溫力學性能測試結果

圖9為2195鋁鋰合金半球形殼體不同部位的顯微組織形貌。由圖可知，2195鋁鋰合金旋壓件不同部位的組織形貌未有區別，因旋壓變形均呈現為纖維狀。從2195鋁鋰合金旋壓件不同部位顯微組織TEM照片可以看出，其強化相以{111}a面析出的片狀T1相為主，并有少量θ′相，而且各部位析出相特征差異相對較小，這也與2195鋁鋰合金旋壓件不同部位力學性能測試結果相差不大的特征相符。

圖9 2195鋁鋰合金旋壓件顯微組織形貌

4 結束語

a. 采用一道次強旋至球面半錐角45°+多道次普旋成形方案制備的半球形殼體貼胎良好，未出現反擠、隆起等缺陷。旋壓后的半球壁厚精度較高，不同高度帶的壁厚差均小于0.50mm。

b. 2195鋁鋰合金旋壓件匹配合適的熱處理工藝，其力學性能達到m≥540MPa，0.2≥500MPa，≥6%，具有良好的強韌性。

c. 2195鋁鋰合金旋壓件強化相以{111}a面析出的片狀T1相為主，并有少量θ′相，而且各部位析出相特征差異相對較小。

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Study on Microstructure and Mechanical Properties of 2195 Al-Li Hemispherical Shell Formed by Spinning

Chen Yonglai Wen Tao Zhu Hongwei Xu Xiuzhi Ma Pengcheng Huang Siyuan Du Zhihui

(Aerospace Research of Materials and Processing Technology, Beijing 100076)

The simulation analysis of spinning forming of 2195 Al-Li alloy hemispherical shell is studyed by finite software in this paper. The 2195 Al-Li alloy hemispherical shell is prepared with optimized spinning process parameters, whose microstructure and mechanical properties are analysed by the stretching test and metallographic observation. The results show that the 2195 Al-Li alloy hemispherical shell formed through spinning has less profile deviation and better mechanical properties by using strong spinning with one pass and ordinary spinning with multi-pass, and strong spinning finished until half cone angle of 45°.

2195 Al-Li alloy；hemisphere；spin

2018-10-26

陳永來（1972），博士，材料學專業；研究方向：有色金屬材料與加工工藝（包括鋁/鋁鋰合金、鈦合金等材料應用技術研究）。