1. 引言
随着精密光学系统朝着轻量化和集成化发展，高精度光学元件材料正逐步应用铝合金替代[1]-[3]。铝合金仅通过金刚石单点车削(Single Point Diamond Turning, SPDT)工艺加工处理，即可直接获得满足光学系统成像质量要求的光学镜面[4]-[6]。单点车削加工后铝合金光学表面的表切削纹路会影响其光学性能，通常铝合金反射镜只能应用于红外波段。为进一步拓展铝反射镜的应用波段，可对铝合金光学镜面进一步抛光[7]。Al-Mg合金具有低密度、优良的力学性能和耐腐蚀性能及可加工性等优异特性，广泛应用于航空航天、新能源汽车以及电子3C等领域[8]-[10]。Al-Mg合金表面经金刚石单点车超精加工后表面粗糙度可实现纳米级精度，被应用于制造光学模具。高精度的光学表面需要材料纯洁度高，晶粒组织均匀细小[11]。因此，需探究适配光学用Al-Mg合金高效率制备工艺。
现代工业铝材生产中挤压材是铝合金产品主要类别之一[12]-[14]。国内研究人员为了提高挤压材性能和产品稳定性开发了多种先进挤压技术，主要有：建立了铸棒梯温加热、温度与挤压速度闭环控制等方法[15]。易幼平等[16]开展了低温挤压对6061铝合金光学反射镜材料残余结晶相和晶粒组织演变的影响，发现降低变形温度，可有效碎化残余结晶相和晶粒尺寸。叶升强等人[17]采用不同的挤压温度对5052-VTi新型铝合金开展了挤压成形试验，发现挤压温度为420℃时，合金力学性能和耐腐蚀性能最优。张秀妹[18]研究了挤压比对5083铝合金组织与性能的影响，发现随着挤压比的增加，增加了晶界平直度，但对晶粒尺寸无明显影响。孙有政[19]等研究了5083铝合金无缝管挤压过程中不均匀变形，导致晶粒组织不均匀，无缝管表层为完全再结晶组织，T/4和T/2位置只发生部分动态再结晶。
目前对光学反射镜用Al-Mg合金挤压研究较少，而挤压温度是热挤压过程中一个重要工艺参数，对挤压材组织和性能具有重要影响，所以有必要对光学用Al-Mg合金的热挤压温度进行研究。本研究开展不同温度下Al-Mg合金的热挤压试验，研究不同挤压温度对其力学性能、微观组织及表面粗糙度的影响，期望为光学反射镜用Al-Mg合金挤压材制造提供优选依据。
2. 试验材料与方法
试验材料是采用半连续铸造工艺生产的Ф205 mm规格Al-Mg铸锭，其化学成分如表1所示。铸锭加热至460℃后保温24 h进行均匀化热处理。均热后的铸锭在2500吨挤压机上进行热挤压，挤压温度分别为350℃、380℃和410℃，挤压比为24，挤压速度1.5 mm/s的工艺条件下，挤压成Ф42 mm的挤压棒材。
Table 1. Chemical composition of Al-Mg aluminum alloy (mass fraction)
表1. Al-Mg合金的化学成分(质量分数)
Si |
Fe |
Cu |
Mn |
Mg |
Zn |
Ti |
Cr |
Al |
0.10 |
0.08 |
0.10 |
0.12 |
4.8 |
0.06 |
0.04 |
0.05 |
余量 |
挤压后得到的棒材采用线切割取样进行微观组织观察和力学性能测试。金相观察样品经过研磨抛光后表面进行阳极覆膜处理，覆膜液为25 g/L氟硼酸溶液。覆膜在25 V恒压模式下进行，覆膜80 s。覆膜完成后样品Axiolab5金相显微镜上进行观察，观察模式为偏光模式。扫描组织样品经过研磨抛光后在TESCAN MIRA 3扫描电子显微镜(SEM)对样品表面进行观察和能谱分析。扫描电镜可直接观察第二相粒子的形貌、尺寸、分布和成分分析等。
力学性能分为室温拉伸和硬度测试。室温拉伸测试样品沿挤压方向切取，在TSE105D微机控制电子万能试验机进行，拉伸速度为2 mm/min，每个挤压温度取三个平行样品，最后取平均值。室温拉伸样品几何尺寸如图1所示。硬度测试在HV-1000AT-CCD维氏硬度计上完成，压头为金刚石，试验载荷为1 kgf，保载时间为10 s，每个样品测5个点后取平均值。表面粗糙度Sa测试在用zygo干涉仪下完成，应用非接触式测量法的白光相移干涉法进行测试，设备测量范围是0.87 mm × 0.87 mm，测试样品中心、1/2半径和边部三点位置后取平均值。
Figure 1. Geometry diagram of tensile sample at room temperature (unit: mm)
图1. 室温拉伸试样尺寸图(单位：mm)
3. 试验结果与讨论
3.1. 挤压温度对力学性能的影响
图2为Al-Mg合金经不同温度挤压后棒材的应力应变曲线。由图中曲线可知，Al-Mg合金拉伸变形分为弹性变形、塑性屈服及颈缩断裂三个阶段。变形初期为弹性变形阶段，应力随应变线性急剧上升，但持续时间短。当载荷超过屈服点后进入塑性变形阶段。随形变增加，内部位错密度增大、相互缠结形成位错墙，产生加工硬化。随着形变继续增大，拉伸应力达到最大强度后下降。最终样品内部出现空洞或微裂纹连接，薄弱部位发生颈缩，应力迅速下降直至断裂。
如表2所示为不同挤压温度下合金的室温拉伸性能和硬度统计。350℃挤压棒材的抗拉强度为252 MPa，屈服强度为137 MPa，延伸率为28.5%，硬度为67.5 HV；380℃挤压棒材的抗拉强度为233 MPa，屈服强度为125 MPa，延伸率为31.0%，硬度为65.4 HV；410℃挤压棒材的抗拉强度为225 MPa，屈服强度为116 MPa，延伸率为32.1%，硬度为64.3 HV。由此可知，随着挤压温度的升高，合金的力学性能逐渐降低，延伸率逐渐增大。
Figure 2. Tensile curves of Al-Mg alloy at room temperature under different extrusion temperatures
图2. 不同挤压温度下Al-Mg合金室温拉伸曲线
Table 2. Hardness and room-temperature tensile properties of Al-Mg alloy at different extrusion temperatures
表2. 不同挤压温度Al-Mg合金硬度和室温拉伸性能
挤压温度/℃ |
抗拉强度/MPa |
屈服强度/MPa |
延伸率/% |
硬度/HV |
350 |
252 |
137 |
28.5 |
67.5 |
380 |
233 |
125 |
31.0 |
65.4 |
410 |
225 |
116 |
32.1 |
64.3 |
3.2. 挤压温度对晶粒组织的影响
图3为经不同挤压温度得到的Al-Mg合金棒材横截面和纵截面的晶粒组织。350℃挤压温度下，挤压棒材横截面平均晶粒尺寸为55.0 μm，纵截面平均晶粒尺寸为64.7 μm。380℃挤压温度下，挤压棒横截面平均晶粒尺寸为73.9 μm，纵截面平均晶粒尺寸为72.9 μm。410℃挤压温度下，挤压棒横截面平均晶粒尺寸为88.4 μm，纵截面平均晶粒尺寸为77.1 μm。
铝合金在热挤压加工过程中收到温度场和应力场复合作用下会发生动态再结晶，晶粒得到有效细化。但随着挤压温度的升高，平均晶粒尺寸逐渐增大。这可归因于升高挤压温度后，原子热运动能力增强，晶界迁移能力提高，出现大晶粒吞并周边小晶粒后尺寸增大的现象。晶粒尺寸随着温度升高而增大，很好地对应了力学性能随挤压温度升高而降低。由于再结晶晶粒组织内部位错密度低，晶体学缺陷少，在塑性变形过程中细小等轴晶能够有效协调变形分散应力，避免局部区域因应力集中而过早出现裂纹，从而实现更大程度的塑性变形。因此，不同挤压温度下三种样品断后延伸率均超过25%。
3.3. 挤压温度对第二相的影响
为了探究不同挤压温度对Al-Mg合金中第二相的影响，包括第二相的形貌、分布以及化学组成，对不同挤压温度下棒材样品进行了SEM组织观察和EDS分析，对应的结果分别如图4及表3所示。由图4可知，合金经过热挤压后第二相粒子基本回溶入铝基体，仅存在少量粒子散乱分布。当挤压温度为350℃时，第二相粒子的平均尺寸为2.84 μm，面积分数为0.11%。当挤压温度升高至380℃时，第二相粒子的平均尺寸增大至3.88 μm，面积分数为0.10%。当挤压温度进一步升高至410℃，第二相粒子的平均尺寸增大至4.38 μm，面积分数为0.10%。由此可知，降低挤压温度可有效细化第二相粒子尺寸，但是对面积分数无影响。根据表3的EDS分析结果显示，不同挤压温度下合金第二相粒子的主要组成元素为Mg、Si和Fe。据有关报道可知[20]，这些第二相粒子是含铁复合相(Al5FeSi相)。由于含Fe相熔点较高，且Fe在Al中的溶解度极低，因此无论挤压温度如何升高，这种相都难以溶解或转化，最终以颗粒状残留在基体中。
Figure 3. Grain structure images of extruded rods at different extrusion temperatures, viewed from both longitudinal and cross-sectional perspectives
图3. 不同挤压温度挤压棒纵、截面晶粒组织图
Figure 4. SEM microstructure of extruded rods at different extrusion temperatures: (a) 350˚C; (b) 380˚C; (c) 410˚C
图4. 不同挤压温度下挤压棒SEM组织：(a) 350℃；(b) 380℃；(c) 410℃
Table 3. Composition of second-phase particles in extruded rods at different extrusion temperatures in Figure 4 (mass fraction)
表3. 图4中不同挤压温度下挤压棒第二相粒子成分(质量分数)
位置 |
Al |
Si |
Cu |
Mg |
Fe |
Mn |
Zn |
1 |
85.41 |
1.34 |
0.11 |
5.24 |
7.86 |
0.02 |
0.02 |
2 |
84.88 |
1.15 |
0.24 |
4.54 |
9.06 |
0.10 |
0.03 |
3 |
86.71 |
0.57 |
0.13 |
5.46 |
8.00 |
0.02 |
0.01 |
3.4. 挤压温度对表面质量的影响
图5展示了不同挤压温度下Al-Mg合金单点金刚石车削后维表面粗糙度值。由图可知，350℃挤压温度下棒材单点车削后表面粗糙度Sa 0.817 nm；380℃挤压温度下棒材经过单点车削后表面粗糙度Sa 0.908 nm；410℃挤压温度棒材经过单点车削后表面粗糙度Sa 0.995 nm。随着挤压温度的升高，合金表面粗糙度Sa值呈增大趋势。这可归因于高挤压温度(410℃)下，合金强度和硬度较低，单点车削加工时容易黏刀，导致样品表面积聚材料，这些积聚材料在切削过程中与样品表面发生不规则摩擦，直接降低表面粗糙度，导致加工后的表面粗糙度增大。
国外在光学铝反射镜单点车削加工实力领先于国内，如表5所示[1] [7] [21]。国外研究者针对光学铝材料开展超精密加工后，合金表面粗糙度Ra值均为1 nm；而国内研究者采用相同合金开展超精密加工后，合金表面粗糙度Ra值分别为1.149 nm和1.357 nm，这些研究报道所用的铝合金牌号均为6061铝合金(Al-Mg-Si系合金)。相比于国内外光学铝反射镜的研究，本研究使用的光学铝材料为Al-Mg系合金，其仅通过单点车削加工后表面粗糙度Ra值均在1 nm以内。因此，本研究有效拓展了光学铝材料合金系列，并进一步提高了光学铝材料超精密加工后的表面精度。
Figure 5. Surface roughness Sa value of extruded rods after single-point diamond turning at different extrusion temperatures: (a) 350˚C; (b) 380˚C; (c) 410˚C
图5. 不同挤压温度下挤压棒单点金刚石车削加工后表面粗糙度Sa值：(a) 350℃；(b) 380℃；(c) 410℃
Table 5. Parameters of the aluminum mirror made in domestic and abroad
表5. 国内外研制的铝合金反射镜典型参数
研制单位 |
合金牌号 |
加工方法 |
表面质量 |
国防科技大学 |
6061 |
单点车削 + 抛光 |
Ra = 1.149 nm |
中南大学 |
6061 |
单点车削 |
Ra = 1.357 nm |
荷兰ASTRON司 |
RAS6061 |
单点车削 + 抛光 |
Ra = 1 nm |
美国犹他州立大学空间动力学实验室 |
6061 |
单点车削 |
Ra = 1 nm |
4. 结论
(1) 随着挤压温度的升高，Al-Mg合金的力学性能逐渐降低，延伸率逐渐增大。挤压温度为350℃时，挤压棒力学性能最高延伸率最低，抗拉和屈服强度分别为252 MPa和137 MPa，硬度为67.5 HV，延伸率为28.5%；挤压温度为410℃时，挤压棒力学性能最低延伸率最高，抗拉和屈服强度分别为225 MPa和116 MPa，硬度为64.3 HV，延伸率为32.1%。
(2) 挤压温度对Al-Mg合金晶粒组织有明显影响。随着挤压温度升高，合金平均晶粒逐渐增大。挤压温度为350℃时，挤压棒平均晶粒尺寸最小，横截面为55.0 μm，纵截面为64.7 μm；挤压温度为410℃时，挤压棒平均晶粒尺寸最大，横截面为88.4 μm，纵截面为77.1 μm。
(3) 随着挤压温度升高，Al-Mg合金单点金刚石车削后表面粗糙度Sa值逐渐增大。挤压温度为350℃时，挤压棒车削后表面粗糙度最低，Sa值为0.817 nm；挤压温度为410℃时，挤压棒车削后表面粗糙度最高，Sa值为0.995 nm。