《Ultrafast Science》：更快速的高强度铝合金制造工艺被研发
江苏激光联盟导读：
据《Ultrafast Science》，研究人员研究出了一种更快更强的加工工艺，使得更好的铝合金制造成为可能。
材料科学家Mageshwari Komarasamy拿着一捆用先进铝合金制造的管子，这些管子采用成形工艺。来源：Scott Taysom |太平洋西北国家实验室
当福特公司在2014年开始制造以铝合金车身为主的F-150时，这辆受欢迎的卡车轻了约700磅。这一变化旨在提高汽油里程数，并节省燃油泵的费用。在车顶轨、横梁、副车架和其他结构部件等部件上使用先进的铝合金可以节省更多的重量。但很多年来，这一理想并没实现。一是这类合金很贵，另一部分原因是使用传统挤压的制造速度很慢。
最近，研究人员发布了最佳高科技合金产品，采用了一种新的挤压方法，显著提高了制造速度。剪切辅助加工和挤压（或成型）使用的能量显著减少，并且可以以超过传统挤压10倍的速度交付产品，而不会牺牲质量。不仅如此，它还可以改善铝合金7075的机械性能。
合金7075的强度重量比比比典型乘用车中的合金高85%；然而，与常用的“6000系列”合金相比，其制造成本高出约30%。
实验观察到，由于纳米级第二相尺寸和分布的差异，与441°C和120 rpm下的高温挤出相比，341°C和40 rpm下的低温挤出在T6条件下具有优越的材料性能。
“这种价格差异在航空航天应用中是可以接受的，在航空航天应用中，为了获得更好的燃料效率、更好的机动性和更低的发射成本，重量更轻的材料胜过更高的成本。”太平洋西北国家实验室（PNNL）帮助开发形状的材料科学家Scott Whalen如是说，“但在汽车领域，这是我们希望改变的一个限制因素。”
对速度的需要
这种高成本主要是由于合金7075以难以挤压成结构部件而闻名。事实上，7075被广泛认为是所有商用铝合金中最难挤压的。
配置用于从7075坯料挤出圆管的成型工艺示意图
传统的7075挤压工艺进展缓慢，需要费力地用模具冲压固体金属。每分钟仅1到2米（3到6英尺）的缓慢挤压速度加上更高的能量要求，使得7075比6000系列铝合金更昂贵，6000系列铝合金的挤压速度超过每分钟20米（65英尺）。
ShAPE是一种高效节能的挤压工艺，可以生产出更高质量的产品。最近的一项研究表明，ShAPE还可以更快地挤压高强度铝合金。研究结果发表在11月份的《制造工艺杂志》上。
通讯作者Whalen说：“广泛的测试表明，PNNL的工艺可以将这种合金的挤压速度提高约10倍，所用能量约为传统挤压的一半。我们的工艺每分钟可挤压约12米，无撕裂或开裂，而传统挤压仅限于每分钟1至2米，我们的工艺甚至可提高某些材料的性能。”
SEM图像突出显示了形状加工条件下铝基体中明亮的第二相粒子（顶部）。T6热处理导致所有条件下的大量沉淀溶解；观察到成分条纹与挤出方向一致（水平对齐）。不同的加工条件下，第二相分布的宏观变化最小。（底部）。
ShAPE可以挤出强度特性符合重要工业ASTM标准和ASM典型值的管材、线材和棒材。7075合金断裂前的延伸率比传统挤压高50%，这有助于在碰撞过程中吸收能量。获得专利的成型工艺为传统的线性挤压增加了旋转运动，并产生足够的热量加热金属，使其在通过模具时流动和变形，从而形成产品形状。
研究人员说，在较低温度下挤压的能力是ShAPE能够实现7075合金生产率的原因之一，这将在常规挤压中撕裂材料。
重塑制造业的能源使用
除了提高速度外，成型工艺还可以消除常规挤压所需的高能热处理步骤，从而节省7075合金挤压所需能量的50%左右。对于传统挤压，大型金属坯料必须首先在超过400°C（750°F）的温度下热处理大约一天，以使镁和铜等不同元素均匀分布在整个合金中。ShAPE能够在不均匀化的情况下挤出坯料，估计可节省ShAPE挤出产品总成本的5%。
纵向管横截面的EBSD反极图显示T6热处理后晶粒显著增长。成形后的显微组织为等轴1-2μm。以2.5 m/min和426°C挤压的试验1的T6热处理导致毫米级晶粒生长，在挤压方向上表现出伸长。
此外，在传统挤压中，需要在炉中预热，以在挤压前软化钢坯。对于成型，不需要预热，因为所有必要的热量都来自工艺本身。其他挤出后热处理也被取消或减少，从而整体节能50%。
ShAPE提高了挤压速度，同时降低了能源消耗，从而降低了碳排放，这使得轻型7075合金在乘用车市场上具有成本效益。通过提高内燃机驱动汽车的燃油效率和电动汽车的每次充电行驶距离，轻型汽车最终也有助于减少运输部门的碳排放。
来源：Scott Whalen et al, High speed manufacturing of aluminum alloy 7075 tubing by Shear Assisted Processing and Extrusion (ShAPE), Journal of Manufacturing Processes (2021). DOI: 10.1016/j.jmapro.2021.10.003