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。
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
1.2 微观结构分析
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
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 ℃。
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
3.2 微观结构分析
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
4.2 微观结构分析
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。