无模旋压成形微观组织演化研究现状

Research status of microstructure evolution on die-less spinning forming

摘要

随着航空航天领域的发展及科技的进步，无模旋压应用的领域越来越广泛，其无需芯模支撑即可通过旋压的方法获取预成形工件，达到效率高、耗材少的目的。然而，缺少芯模支撑会导致原始坯料在成形过程中的金属流动方向和速度难以确定。对成形工件的微观结构进行研究可以反映宏观上的金属流动及塑性形变，也可以深度揭示旋压成形方法的相关机理。目前，关于无模旋压成形微观组织演化的研究尚少，对其进行总结概述，根据其微观特征分析旋压参数对成形精度的影响；通过微观结构的晶粒取向与晶粒尺寸对旋压工艺过程中金属流动进行细致分析；根据旋压工件的微观结构特点对其力学性能进行研究，有助于揭示旋压工艺的成形机理。

Abstract

With the development of the aerospace field and advancement of science and technology，the application field of die-less spinning is becoming more and more extensive.Pre-formed workpieces can be obtained by spinning without a mandrel support，which can really achieve the purpose of high efficiency and low consumables.However，the lack of mandrel support makes it difficult to determine the direction and speed of metal flow of the original blank during forming process.The study of the formed workpiece microstructure can reflect the metal flow and plastic deformation on the macroscopic level，and it can also deeply reveal the related mechanism of the spin forming method.So far，there are few studies on the evolution of the microstructure of die-less spinning forming，which is summarized in this paper.According to the microanalysis of the influence of the spinning parameters on the forming accuracy； through the microstructure of the grain orientation and grain size of the spinning process to carry out a detailed analysis of the metal flow； according to the microstructural characteristics of the spinning workpiece can be the study of the mechanical properties，which helps to reveal the spinning process.The study of the mechanical properties of the spinning workpiece can help to reveal the forming mechanism of the spinning process.

关键词

无模旋压 / 微观组织演化 / 晶粒 / 金属流动 / 成形精度

Key words

spinning die-less forming / microstructure evolution / grain / metal flow / forming accuracy

旋压是一种先进的塑性成形工艺，由于其具有材料利用率高、制备周期短、表面质量高、加工灵活等优点，被广泛应用于航天、航空及汽车等领域的薄壁件制造中^［1-3］。旋压成形的微观组织变化对材料性能具有显著影响，通过控制旋压成形的工艺参数及改善成形条件，可以优化材料的微观组织结构，进而有效地调控其宏观性能，从而满足不同应用领域的需求。

近年来，采用自主驱动的旋轮进行大尺寸薄壁筒形件成形的研究成为研究热点。Li等^［4］通过光镜图像发现，随着塑性变形的累积，晶粒被逐步压缩和拉长，形成完全均匀、平行分布的纤维组织。Yang等^［5］通过电子背散射衍射分析发现，与完全对称旋压相比，双向非对称自驱反向旋轮旋压成形薄壁筒在旋压工件内、外表面形成的晶粒尺寸更均匀。杨羽^［6］实施了TA2工业纯钛的多道次、中小减薄量旋压工艺实验，使工业纯钛超细晶化，并通过光学手段对其表面微观组织的演化进行分析。Xia等^［7］通过交错旋压方式制造纳米/超细晶粒结构管。Zhan等^［8］、Wang等^［9］研究了分裂旋压成形工件的微观结构，通过多道次剪切旋压能够使晶粒细化，从而提高旋压工件的强度。Yang等^［10-11］通过交错旋压提高钛合金管的强度，并通过光镜观察及XRD纹理分析来表征交错旋压和传统单向旋压成形工件之间的差异。Yuan等^［12］、Hu等^［13］对搅拌摩擦焊获取的管坯进行旋压成形实验，并对旋压件的微观组织及机械性能作了全面分析。秦林新等^［14］研究了温度对成形工件微观组织和力学性能的影响规律。Radovi 等^［15］研究了初始晶粒尺寸和壁厚减薄率对AlMg6Mn合金微观组织、性能和变形行为的影响。

上述研究均集中于有模旋压成形的微观组织演化。然而，随着旋压技术的不断进步，无模旋压成形工艺的优势逐渐凸显^［2］，无模旋压可以不受芯模约束，生产出多种参数的工件，提高生产效率，同时无需生产多种规格的芯模，从而节约了成本。但由于无模旋压缺乏芯模支撑，旋压成形过程中金属流动的特点具有更多不确定性，其微观结构所体现出来的变化规律会更为复杂。因此，本文对现阶段无模旋压成形体现微观组织特点的相关研究进行总结。

1 边缘约束条件下椭球头形件无模旋压成形

1.1 工艺过程

Imanura等^［18］研究了一种无燕模热旋压钛合金板坯成形技术。Lin等^［16］对边缘约束条件下椭球头形件无模旋压成形展开研究，如图1所示，该工艺由两道次先后完成。第一道次下，板坯被旋压成一个锥形件，此过程板坯发生较大形变；第二道次下，锥形件逐渐扩展成曲母线件，此过程发生的形变较小。在旋压成形开始前，通过固定环将板坯约束在圆柱形支撑夹具上，从而防止金属板坯法兰区的变形和起皱，也可以避免旋压件变形区起皱。利用数控旋压机床进行旋压成形实验，获得薄壁椭球头形旋压工件。

1.2 微观结构分析

Chen等^［17］针对上述成形工艺，深入研究了成形角度、进给率、不同道次夹角对其微观组织的影响，通过EBSD分析，详细讨论了旋压工件内、外表面的微观组织演化。此外，由于不同的摩擦状态和材料流动行为，工件内、外表面的组织均匀性存在差异。因此，采用非均质因子即相对平均偏差来表征微观结构的均匀性。非均匀系数越小，微观组织均匀性越高。实验所采用的材料为5052H32铝合金，通过与Lin等^［16］的研究采用相同的旋压工艺得到成形工件。选择垂直于旋压件壁厚方向进行取样，经机械抛光和电抛光后，在扫描电镜上观察样品。

取两道次之间夹角θ分别为6°、10°、14°，该夹角对旋压件外表面微观组织及晶粒尺寸分布的影响如图2a—2f所示^［17］。当夹角为6°时，晶粒高而细长，且出现了一些破碎的晶粒，细晶粒的面积分数约为0.24；当夹角为10°时，晶粒形态没有明显变化，破碎的晶粒增加，细晶粒的面积分数增加到0.27；当夹角为14°时，晶粒不再进一步伸长，破碎的晶粒增加，细颗粒的面积分数增加到0.29。由图2g—2l可知^［17］，旋压件内表面微观结构的变化与外表面的变化基本一致。随着夹角的增加，材料的变形程度和晶粒碎裂程度也在增加，细晶粒数增加。区别在于，内表面附近的晶粒破碎程度一般都高于外表面。

最终道次进给率对旋压件外表面微观组织及晶粒尺寸分布的影响如图3所示。当进给率为0.8 mm/r时，晶粒被拉长且出现许多破碎晶粒。大多数的晶粒尺寸都小于30 μm；当进给率为2.4 mm/r时，晶粒形态仍无明显变化，但晶粒破碎程度明显增加，因此出现了许多小颗粒。

2 无模热加工剪切旋压成形

2.1 工艺过程

Imamura等^［18］研究了一种无芯模热旋压钛合金板坯成形技术。图4为旋压工作金相观察取样位置及金相图。该无芯模热旋压系统由主轴、尾顶、成形模块、加热模块和测量模块等组成，每个模块的位置都可以由伺服电机来控制。利用感应加热线圈对板坯进行持续加热，成形过程中感应线圈和旋轮同步移动，所以成形部分始终保持在高温环境下。此外，通过辐射温度计和对感应加热电源的反馈控制，可以监测和控制成形区域的温度。

2.2 微观结构分析

在较早的研究中，Imamura等^［18］采用材料为Ti-6Al-4V合金的板坯作为原始板坯。为了降低厚度方向上的温度分布，材料从成形区域的两侧进行加热，成形加热区温度设置为900 ℃。

如图4a所示，分别在旋压工件的非变形部分和热旋压部分选取试样进行金相观察，图4b、4c均为所得到的金相图^［18］。与非变形部分相比，热旋压部分的微观结构体现出更细的晶粒流动。在剪切旋压过程中，热旋压部分的壁厚随壁角的减小而减小。这种塑性变形导致了晶粒流动的细化和加工硬化，因此材料的强度增加而延伸率降低。

此外，Yoshihide等^［19］为了验证大尺寸Ti-6Al-4V合金板无芯模热旋压的可行性，完成了多组成形实验，并进行了金相观察和EBSD分析。所选用的原始板坯是直径为900 mm、厚度为30 mm的Ti-6Al-4V合金板坯，设置旋轮路径壁角及预成形工件的锥角为34°，成形高度为170 mm，成形加热区温度设置为950 °C。成形过程及所得到的热旋压工件如图5所示^［19］（单位：mm）。

图6 为热旋压工件的光镜图^［19］。所观察部分包括：顶部（旋轮接触侧）、中部（围绕厚度中心的中间部分）及底部（顶部侧的相对侧）。图6中垂直方向（Z方向）表示原始坯料的厚度方向，径向方向（R方向）表示成形过程的倾斜方向。如图6所示，在热旋压部分的成形方向上可见晶粒流动。图6b和图6c分别显示了非变形部分和热旋压部分的光镜图。由非变形部分的微观结构可以看出，原始坯料的微观结构包括晶粒尺寸约10 μm的α晶粒、小部分垂直于材料厚度方向的细长的β晶粒，从其微观结构可以看出，原始坯料的微观结构包括晶粒尺寸约为10 μm的α晶粒、小部分垂直于材料厚度方向的细长的β晶粒，其微观结构在厚度方向上较为均匀。而热旋压部分的微观结构则沿厚度方向分布。因此，在顶部，表面粗糙度增加，α晶粒的延伸方向是无序的。在旋压工件的中部和底部位置，α晶粒的厚度和长度沿成形方向逐渐减小。

通过EBSD 分析，非变形部分和热旋压部分在圆周向方向（θ方向）的晶粒取向如图7 所示^［19］，所分析的部位与光镜观测的部位一致。通过光镜观察到非变形部分的微观结构在坯料厚度方向上是均匀的，因此只对坯料非变形部分的顶部进行EBSD分析。由于轧制条件，非变形部分和热旋压部分的纹理均主要表现为［0001］//θ，但观察到一些具有其他取向的细等轴晶粒，这种趋势在旋轮接触区域的顶部可以明显观察到。与中部相比，顶部的α晶粒在沿着倾斜方向（成形方向）具有更明显的伸长。基于EBSD结果，采用5°偏角计算机分析确定α相的平均晶粒尺寸。由此可以看出，热旋压件α相的平均晶粒尺寸比非变形部分更小（图8 ^［19］）。在顶部也同样呈现这一趋势，这被认为是材料经过迅速冷却及旋轮摩擦导致的。该无芯模热旋压工艺所得到的工件根据正弦定律估计的壁厚减薄率约为44%，严重减薄的现象可以归因于成形过程中发生的动态再结晶，这是由热加工过程中的高应变引起的，导致产生了不同取向的更细的晶粒，如图7所示。本文所有被观察的区域中，α和β的体积分数小数比约为0.95∶0.05。

从成形工件的微观结构和EBSD分析结果可以看出，热旋压部分的微观结构显示晶粒沿成形方向流动且晶粒尺寸减小。因此，热旋压部分较高的疲劳应力可以归因于晶粒流动和晶粒细化的影响。从上述所有结果综合判断，使用高导热性材料作为工具来冷却材料及通过提高转速来增加摩擦力也许是有效的。

3 带底部法兰的杯形零件楔入式旋压成形

Liu等^［20］对AZ31合金进行了热压缩实验，分析了其流动行为和微观组织演化，并建立了微观组织演化模型。通过考虑微观组织对应力的影响，建立了一个与微观组织特征相关的综合本构模型，并通过楔入式旋压成形工艺对该模型进行应用。

3.1 工艺过程

楔入式旋压是一种新的成形工艺，通过将旋压和剪切相结合，可以成形出一个带底部法兰的杯形零件。在此过程中，原始坯料通过旋轮的进给分裂成倾斜的杯壁和水平法兰，如图9a所示^［20］，图9b为旋轮的螺旋轨迹示意图。

AZ31板坯被径向压缩，导致动态再结晶和孪生行为。楔入式旋压过程中的应力状态和微观组织演变与热压缩试验相似，有限元模型如图9c所示，同时实施了该工艺的旋压成形实验。图10为旋压杯形零件旋压实验与仿真结果壁厚分布曲线^［20］。

3.2 微观结构分析

图11为旋轮进给量分别为5 mm和30 mm时仿真和实验中孪生分数和动态再结晶的比较^［20］。如图11a、11c 所示，当旋轮进给量为5 mm时，相同位置孪生分数和动态再结晶的仿真结果分别为0.152和0.873，实验结果分别为0.151和0.859。如图11b、11d所示^［20］，当旋轮进给量为30 mm时，整个杯壁几乎完全被动态再结晶且孪生被消耗，模拟相同位置的孪生分数和动态再结晶的仿真结果分别为0和1.00，实验结果分别为0和0.984。综上所述，该模型能准确预测被旋压件的变形行为和微观组织分数。

将该模型应用于楔入式旋压成形的有限元模拟，并对旋压件的厚度和微观结构分布进行了较好的预测。在旋压的后期，整个杯壁被完全动态再结晶是本文的重要发现。

4 采用球冠形旋轮的锥形件无模旋压成形

4.1 工艺过程

Jia等^［21］提出以球冠形旋轮代替传统旋轮进行截顶锥形件的无模旋压。设计了一套适用于截顶锥形件旋压成形的旋轮路径，使用PS-CNCSXY5旋压机进行旋压实验。所使用的原始板坯材料为2024-O铝合金，板坯的直径和厚度分别为150 mm和2.1 mm，旋压工件及其几何尺寸如图12所示^［21］。该工艺的显著优势体现在使用球冠形旋轮可以抑制无模旋压经常出现的严重壁减薄现象，为了更全面地揭示该工艺的成形机理，本文对成形件的微观组织进行研究。

4.2 微观结构分析

分别在截顶锥形件锥壁及原始板坯上沿厚度方向取样，利用光学显微镜观察样本的微观结构。带有边界的晶粒微观结构对比如图13所示^［21］，采用GB/T 6394-2017对两种粒度等级进行评价，旋压件和原始板坯的粒度均为9 级。这意味着虽然旋压过程中板坯发生变形，但晶粒尺寸并未随变形过程而减小，这与使用球冠形旋轮所成形的工件没有发生严重的壁变薄的宏观现象相一致。

在旋压成形过程中，随着板坯法兰区被球冠形旋轮的外缘向下推移，更多的金属沿周向流动并堆积，如图14所示^［21］。球冠形旋轮极大地削弱了材料沿旋轮前进方向的流动。因此，在使用球冠形旋轮的情况下，无模旋压的厚度减少非常小。然而，在周向方向上堆积的材料会产生更大的周向压应力。为验证在周向上存在残余应力积累，将旋压件切样，并通过XRD通过切开旋压工件来检测残余应力。分别在锥顶和锥壁的横截面上选择6个测试点，锥顶不参与变形，其上的应力可以看作是板坯的初始状态应力。根据周向残余应力的测量值可知，周向上残余应力表现为压应力，且明显大于锥顶。残余应力的实验结果证实了在使用球冠形旋轮进行旋压成形过程中，金属随着周向积累和挤压沿旋轮的运动方向流动，导致材料的硬化和强化，而没有在厚度方向上进行晶粒细化。

5 结论

本文综述了通过无模旋压成形获得的零部件的微观组织演化及工艺参数对微观组织的影响等方面的研究进展，将不同旋压参数所成形的旋压件的微观结构进行对比，根据其微观组织演化规律获得优化后的旋压参数；通过微观结构的晶粒取向与晶粒尺寸可以对旋压工艺过程中的金属流动进行细致分析；根据旋压工件的微观结构特点可以对其力学性能进行研究，有助于揭示旋压工艺的成形机理。现阶段有关无模旋压成形微观组织的研究主要集中于热加工工艺，对于冷成形无模旋压，晶粒尺寸变化较小且几乎不发生相变，因此微观组织在变形过程中无明显变化。

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基金资助

国家自然科学基金(52275355)