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        基于ECAP原理對(duì)金屬材料擠壓及固結(jié)工藝的研究

        2019-03-28 09:10:28
        制造業(yè)自動(dòng)化 2019年3期
        關(guān)鍵詞:背壓細(xì)化轉(zhuǎn)角

        (湖北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,武漢 430000)

        0 引言

        ECAP(Equal Channel Angular Pressing,等通道轉(zhuǎn)角擠壓)技術(shù)以純剪切形式在不改變橫截面形狀的條件下對(duì)材料引入大剪切應(yīng)變,廣泛應(yīng)用于制備銅、鋁、鈦等金屬及合金。眾多研究者在ECAP工藝上進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn),研發(fā)出BP-ECAP,F(xiàn)E-ECAP,ECAP-FE,ECAPT、ECAR與ECAP-C等工藝,這些工藝實(shí)現(xiàn)了對(duì)銅、鋁、鈦金屬及合金的劇烈塑性變形,獲得超細(xì)晶結(jié)構(gòu),細(xì)化了晶粒并提高了力學(xué)性能。本文對(duì)ECAP原理以及基于ECAP所衍生的工藝特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要探討。

        1 ECAP工藝

        ECAP剪切原理如圖1所示,其模具由兩個(gè)截面相同、軸線以一定角度相交且完全連接的通道組成,兩通道內(nèi)交角為Φ,外接弧角為Ψ。擠壓過(guò)程中,試樣在壓力作用下向下運(yùn)動(dòng),經(jīng)過(guò)兩通道的交截面時(shí),產(chǎn)生近似理想的純剪切變形。由于不改變材料的橫截面形狀和面積,故可實(shí)現(xiàn)反復(fù)擠壓使各次變形的應(yīng)變量迭加而達(dá)到相當(dāng)大的總應(yīng)變量。 Iwahashi[1]對(duì)總應(yīng)變量的計(jì)算提出以下公式:

        圖1 ECAP剪切原理圖

        根據(jù)等式(1)可知,應(yīng)變值隨內(nèi)外角的增加而減小,模具內(nèi)角φ取值范圍介于60°~157.5°,當(dāng)φ≥90°,應(yīng)變值與內(nèi)角有關(guān)與外角Ψ無(wú)明顯關(guān)系。Nakashima[2]采用四種不同內(nèi)角90°、112.5°、135°以及157°模具于室溫下,采用B路徑對(duì)純鋁進(jìn)行等徑角擠壓,不同角度及擠壓道次下應(yīng)變量如表1所示。

        由此看出,Φ角和Ψ角的變化導(dǎo)致模具結(jié)構(gòu)的變化,直接對(duì)試樣擠壓的流動(dòng)方式、力和等效應(yīng)力的變化產(chǎn)生影響,從而導(dǎo)致不同的微觀組織和力學(xué)性能。研究表明ECAP已實(shí)現(xiàn)對(duì)銅、鋁、鈦粉末及切屑[3,4]的有效固結(jié)及對(duì)棒料的有效細(xì)化。

        表1 不同角度下各擠壓道次應(yīng)變量

        2 BP-ECAP工藝

        BP-ECAP(背壓等通道轉(zhuǎn)角擠壓)是在等通道轉(zhuǎn)角擠壓基礎(chǔ)上于出口處施加背壓,變形過(guò)程施加背壓可有效抑制變形過(guò)程中裂紋的形成和擴(kuò)散,有效降低擠壓溫度,使變形更均勻,晶粒得以細(xì)化。

        BP-ECAP工藝已成功將鋁、鈦合金粉末及切屑進(jìn)行固化[5~7]。Xia[5]采用BP-ECAP(Φ=90°,BP=50MPa)將純鋁粉末于100℃進(jìn)行固化,單道次后實(shí)現(xiàn)完全固結(jié),試樣硬度和拉伸強(qiáng)度分別達(dá)到52.7HV和160MPa。Mcdonald[6](Φ=90°,Ψ=0°)研究顯示,50MPa背壓下,對(duì)Ti-6Al-4V切屑需進(jìn)行高溫(590℃~1000℃)多道次擠壓才能消除切屑邊界從而實(shí)現(xiàn)固結(jié);Shi[7](模具Φ=90°,Ψ=36°)研究表明:Ti-6Al-4V切屑試樣致密性隨背壓增加而升高,當(dāng)背壓由50MPa增至200MPa,其致密性由91.8%增至97.3%,而平均硬度及均勻性則無(wú)明顯變化。背壓對(duì)試樣固化影響體現(xiàn)在兩個(gè)階段:第一階段,進(jìn)入通道的切屑被前壓力壓縮,背壓導(dǎo)致試樣在ECAP剪切之前更加致密化,500℃,背壓為100MPa時(shí),在流動(dòng)平面切屑晶體三叉結(jié)處存在大量的氣孔,切屑平均寬度為65.2μm,背壓增至250MPa,孔隙逐漸閉合,切屑平均寬度為61.5μm;塑性變形階段,背壓100MPa、250MPa時(shí)切屑平均寬度分別為34.3±12.4um、31.3±10.2um。結(jié)果表明切屑寬度隨背壓的增加而減少。

        3 ECAP與其他工藝結(jié)合

        3.1 FE-ECAP與ECAP-FE

        Paydar[8,9]提出了FE-ECAP與ECAP-FE技術(shù),其原理圖如2所示。

        圖2 FE-ECAP與ECAP-FE示意圖[8,9]

        采用FE-ECAP[8]工藝,在單一通道中,試樣連續(xù)經(jīng)過(guò)正向擠出、等徑角擠壓工藝其最終得到真實(shí)應(yīng)變?yōu)?.97,相較于單一ECAP應(yīng)變均值1有明顯提高,塊體材料力學(xué)性能得以增強(qiáng);而試樣在ECAP-FE過(guò)程中先通過(guò)轉(zhuǎn)角的剪切變形繼而擠出,F(xiàn)E工藝為ECAP工藝提供背壓,防止了表面缺陷,塊狀試樣微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能都得以改善。Paydar[9]采用ECAP-FE在200℃對(duì)平均顆粒尺寸約為45um的純鋁粉末進(jìn)行固結(jié),并將其與FE、BPECAP、FE-ECAP工藝試樣性能進(jìn)行比較,如表2所示。

        表2 FE、BP-ECAP、FE-ECAP、ECAP-FE試樣晶粒尺寸及力學(xué)性能對(duì)比

        相較于FE工藝,其他三種工藝試樣微觀組織和力學(xué)性能有所改善,F(xiàn)E-ECAP試樣細(xì)化效果最好,BPECAP試樣UTS最高,而ECAP-FE試樣整體力學(xué)性能最優(yōu)。

        3.2 ECAPT

        ECAPT(等徑角擠扭)是在ECAP和TE兩種工藝上發(fā)展而成的一種新型復(fù)合大塑性變形工藝,在傳統(tǒng)ECAP模具擠出端型腔加工出一段麻花狀帶有螺旋狀形槽L。變形時(shí),材料內(nèi)部將會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)變梯度,劇烈剪切塑性變形同時(shí)在試樣橫、縱截面發(fā)生,試樣被擠出螺旋通道后維持原尺寸形狀不變,可以實(shí)現(xiàn)一次擠壓、多次剪切,極大地提高ECAP超細(xì)晶材料的制備效率. 其原理如圖3所示。

        圖3 ECAPT示意圖[1]

        ECAPT工藝中,螺旋通道長(zhǎng)度L是決定材料變形效果最重要工藝參數(shù)之一。王曉溪[10]通過(guò)模擬確定30mm為最佳值,并采用ECAPT工藝(模具Φ=90℃,Ψ=37℃)對(duì)純鋁燒結(jié)體試樣進(jìn)行擠壓,單道次變形后,試樣整體平均相對(duì)密度由0.8提高至0.98,平均晶粒尺寸約為17.1μm。李萍[11]采用 ECAPT工藝(模具Ф=90°,Ψ=37°,L=15mm),將粒度為 40.6μm的純鋁粉末進(jìn)行擠壓,獲得平均晶粒為0.6um、平均位錯(cuò)角為28.36°、致密度高達(dá) 99.7%的納米塊體,而相同條件下,ECAP固化鋁粉末晶粒尺寸為1.5um。相比ECAP,ECAPT 制備材料具有更大且均勻的有效應(yīng)變,晶粒細(xì)化能力更強(qiáng)、孔隙更小。

        3.3 ECAR與ECAP-C工藝

        ECAR(等徑角軋制)工藝原理如圖4所示。經(jīng)軋輥間產(chǎn)生變形的板材在通過(guò)ECAR后,在變形區(qū)域產(chǎn)生剪切變形,同時(shí)板材受壓應(yīng)力作用,還存在拉伸和壓縮變形。Nam[12]采用ECAR工藝(Ψ=0,Φ=120°)將7050Al合金板材進(jìn)行擠壓,6道次后,平均晶粒尺寸由初始30um細(xì)化為600nm且伴有高度位錯(cuò)。仇治勤[13]采用通道夾角為105°、內(nèi)側(cè)倒角半徑為2mm的ECAR模具,成功制得表面質(zhì)量良好AM60鎂合金板材。試樣沿軋向和橫向的抗拉強(qiáng)度由軋制前的222MPa和268MPa 增加至372MPa和380MPa;屈服強(qiáng)度由156MPa和188MPa 增加至260MPa和265MPa;斷裂延伸率沿軋制方向由9.5%增加到12%。

        圖4 ECAR工作原理示意圖

        Raab[14]提出的ECAP-C(連續(xù)等通道轉(zhuǎn)角擠壓)工藝是將ECAP和Conform相結(jié)合,其基本原理如圖5所示。

        圖5 ECAP-C原理圖

        裝置中心旋轉(zhuǎn)輪帶有凹槽,與凹槽三面相接觸的工件被固定約束模具限制在凹槽內(nèi),受摩擦力驅(qū)動(dòng),隨輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),當(dāng)工件隨輪槽轉(zhuǎn)過(guò)四分之三圓周后,固定約束模在堵頭處阻擋住工件并迫使其在剪切作用下轉(zhuǎn)過(guò)一定角度,實(shí)現(xiàn)連續(xù)等通道轉(zhuǎn)角擠壓。D.V[15]采用ECAP-C工藝于200℃對(duì)直徑為12mm純鈦分別進(jìn)行1、2、4、6、8、10道次擠壓,研究表明:經(jīng)6道次擠壓后,初始晶粒為25um的晶粒細(xì)化為平均晶粒尺寸約為200nm的大角度晶界等軸晶,屈服強(qiáng)度及極限強(qiáng)度為973MPa、1020MPa,相較于擠壓前分別提高了55.68%、34.21%,延展率為13.7較之前有所下降,經(jīng)8、10道次之后力學(xué)性能基本持平,無(wú)明顯變化。

        4 結(jié)論

        ECAP是制備塊狀超細(xì)晶材料的有效工藝,由其衍生的其他工藝通過(guò)對(duì)擠壓轉(zhuǎn)角進(jìn)行一定改進(jìn),已成功實(shí)現(xiàn)對(duì)銅、鋁、鈦金屬的有效細(xì)化及固結(jié),且材料表現(xiàn)出優(yōu)良的力學(xué)性能,但仍舊存在一定問(wèn)題:BP-ECAP、FE-ECAP、ECAP-FE等工藝所制得塊體材料長(zhǎng)度有限;ECAR工藝,板材在模具通道內(nèi)容易發(fā)生失穩(wěn)從而導(dǎo)致板材彎曲乃至斷裂;ECAP-C由于提供擠壓力有限,很難制備大截面塊體材料。因此,開(kāi)發(fā)大塊材料ECAP變形模具及工藝以進(jìn)一步提高細(xì)化晶粒效率,并使ECAP固結(jié)金屬粉末、碎屑更好適用工業(yè)生產(chǎn),得到更高應(yīng)變量是未來(lái)ECAP發(fā)展方向。

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