滕樹滿，滕海灝

(1.廣西柳州鋼鐵集團(tuán)有限公司，廣西 柳州 545002；2.重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044)

傳統(tǒng)的納米金屬材料加工制備工藝，工藝的關(guān)鍵是將金屬粉體致密化[1]。其基本理論是將材料的微觀組織細(xì)化為幾個(gè)單位后，按一定的規(guī)則進(jìn)行混合與組裝，以生產(chǎn)出超細(xì)晶材料。通過(guò)這種加工工藝獲得的材料具有超高的表面清潔度，純度高，應(yīng)用廣泛。但由于加工成本過(guò)高，這種工藝并未得到廣泛應(yīng)用[2]。

等通道轉(zhuǎn)角擠壓工藝(ECAP)是一種制備金屬塊體超細(xì)晶材料的新熱門成型技術(shù)，該方法作為一種大塑性變形方式，與其他工藝相比，ECAP不改變所加工金屬工件的尺寸和形狀，能直接對(duì)同一金屬材料構(gòu)件進(jìn)行多道次累積應(yīng)變，從而達(dá)到理想的晶粒細(xì)化效果，并獲得均勻的微觀組織[3]。

7075鋁合金具有密度低，塑性良好的特點(diǎn)，如何利用等通道轉(zhuǎn)角擠壓工藝，制備超細(xì)晶7075鋁合金材料是本文探討的重點(diǎn)。本文從理想狀況入手，對(duì)可能影響ECAP工藝的擠壓溫度進(jìn)行考慮，設(shè)置不同的有限元模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值分析，綜合考慮分析各個(gè)擠壓過(guò)程后晶粒的平均尺寸，并根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果優(yōu)化7075鋁合金的ECAP工藝。

1 等通道擠壓實(shí)驗(yàn)原理

ECAP( equalchannel angle pressing)工藝，使塊狀材料經(jīng)過(guò)大的塑性變形后內(nèi)部晶粒組織得到細(xì)化，是目前較為成熟的獲得大角度晶界超細(xì)晶材料的加工工藝方法[4]。ECAP工藝的原理為：通過(guò)對(duì)材料施加一定壓力，使金屬材料在模具兩個(gè)互成一定角度的、相同截面寬度通道內(nèi)發(fā)生劇烈的純剪切變形，從而制備出超細(xì)晶材料。其原理如圖1所示，三維結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1-凸模；2-凹模；3-固定套；4-金屬坯料圖1 ECAP原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of ECAP

圖2 ECAP三維結(jié)構(gòu)圖Fig.2 ECAP three-dimensional structure

本研究是為了尋求更優(yōu)7075鋁合金材料塑性成型工藝而設(shè)立。要求采用等通道擠壓轉(zhuǎn)角工藝，在不改變鋁合金原化學(xué)組成成份的基礎(chǔ)上通過(guò)細(xì)化晶粒從而提高材料的力學(xué)性能，并綜合分析不同擠壓條件尋找最優(yōu)的7075鋁合金工藝參數(shù)。

經(jīng)過(guò)ECAP多道次擠壓后，金屬材料會(huì)產(chǎn)生較大的累積塑性變形，使金屬材料的位錯(cuò)密度增加為原坯料的十多倍以上，會(huì)給材料帶來(lái)以下性能變化：

(1)機(jī)械力學(xué)性能顯著提高[5]。之前的實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過(guò)ECAP擠壓工藝后，晶粒細(xì)化，材料的機(jī)械力學(xué)性能改善。如低碳鋼在晶粒由5μm細(xì)化至1μm的過(guò)程中，其屈服強(qiáng)度增加了260MPa；在第四道次的擠壓后，低碳鋼的晶粒尺寸減小到0.2μm，其屈服強(qiáng)度由307MPa增加到900MPa，抗拉強(qiáng)度則會(huì)由450MPa提升到940MPa，其它力學(xué)性能也有不同程度的提高。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)[6]，在ECAP工藝中，初始道次的材料力學(xué)性能提升最快，而在之后的擠壓道次中，材料性能的改善變得越來(lái)越困難，科學(xué)家Kim團(tuán)隊(duì)的研究證明了這個(gè)觀點(diǎn)。

(2)材料產(chǎn)生超塑性[7]。材料的超塑性是指金屬材料在特定的變形環(huán)境下變形時(shí)，其延伸率可能達(dá)到100%甚至1000%的現(xiàn)象。在已經(jīng)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過(guò)ECAP工藝加工后，Ai-3%Mg-0.2%Sc合金在一定的變形速率下獲得了2280%的延伸率。

2 有限元試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 擠壓過(guò)程有限元實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

進(jìn)行有限元分析實(shí)驗(yàn)的第一步，是利用三維建模軟件分別將等通道擠壓過(guò)程中涉及到的凸模、金屬坯料、凹模建立出。本文采用法國(guó)達(dá)索公司的CATIA軟件建立三維模型。CATIA是一款廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械加工的三維設(shè)計(jì)軟件，它能直觀立體的體現(xiàn)出所設(shè)計(jì)零件的三維結(jié)構(gòu)，而且所展現(xiàn)的模型為全相關(guān)模型，能方便的對(duì)各個(gè)平面上的尺寸進(jìn)行及時(shí)修改，并將修改后的尺寸重新建立三維模型。

在DEFORM-3D軟件的材料庫(kù)中，7075鋁合金的鍛壓溫度區(qū)間為(398.89℃～548℃)。擠壓溫度過(guò)低時(shí)，金屬原子的運(yùn)動(dòng)速率較低，金屬塑性較差，在常規(guī)塑性加工工藝中金屬的變形應(yīng)力較大；若將擠壓溫度設(shè)定過(guò)高，則導(dǎo)致坯料過(guò)熱過(guò)燒。為設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn)，我們保持其它擠壓參數(shù)不變，在鋁合金的擠壓溫度中從低至高選取4個(gè)作為變量設(shè)置4個(gè)對(duì)照實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方案見表1，實(shí)驗(yàn)路徑如圖3所示。

表1 擠壓過(guò)程有限元實(shí)驗(yàn)方案

圖3 ECAP有限元實(shí)驗(yàn)擠壓路徑Fig.3 ECAP finite element experimental extrusion path

2.2 擠壓載荷曲線分析

圖4為擠壓過(guò)程載荷變化曲線。

圖4 400℃時(shí)擠壓載荷曲線Fig 4 Extrusion load curve at 400℃

在擠壓初始階段，載荷較小，這是因?yàn)閯傞_始時(shí)只是鋁合金坯料的頭部發(fā)生了輕微的塑性變形。隨著擠壓步數(shù)的增加，試樣的大部分進(jìn)入凹模的轉(zhuǎn)角處，變形量增加，凸模所受Z向載荷增加。在擠壓的最后階段，已經(jīng)通過(guò)轉(zhuǎn)角的部分金屬塑性變形已完成，載荷相對(duì)穩(wěn)定，且鋁合金坯料已經(jīng)由垂直通道內(nèi)轉(zhuǎn)向水平通道內(nèi)，坯料對(duì)模具型腔表面的壓力降低，摩擦力降低，使得擠壓載荷降低。

2.3 元胞機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

利用DEFORM-3D軟件后處理部分元胞機(jī)模塊，自動(dòng)生成變形后晶粒晶界分布示意圖及晶粒平均尺寸數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 不同溫度下變形晶粒微觀示意圖Fig.5 Micrograph of deformed grain at different temperatures

2.4 工藝參數(shù)優(yōu)化綜合分析

在400℃～500℃內(nèi)，隨著擠壓溫度的升高，再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力逐漸增大，有益于變形晶粒產(chǎn)生再結(jié)晶過(guò)程生成新晶核從而細(xì)化晶粒，使變形后晶粒的尺寸逐漸降低；繼續(xù)增加擠壓溫度，再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力增加至最大值后無(wú)法繼續(xù)增長(zhǎng)，再結(jié)晶細(xì)化晶粒的效果達(dá)到上限值；而經(jīng)再結(jié)晶過(guò)程重新生核的新晶粒在高溫下迅速長(zhǎng)大，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程中晶粒異常長(zhǎng)大的現(xiàn)象，530℃時(shí)的晶粒尺寸變得很粗大，不符合生產(chǎn)要求。

2.5 有限元分析的實(shí)物驗(yàn)證

為檢驗(yàn)本文中所做的有限元分析，進(jìn)行預(yù)生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)，選用的擠壓工藝參數(shù)為：坯料初始預(yù)熱溫度500℃、鍛壓機(jī)成形速度1mm/s，摩擦系數(shù)0.3；實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖6所示。對(duì)變形后的坯料拍攝透射電鏡照片,結(jié)果顯示，7075鋁合金的坯料在經(jīng)歷等通道擠壓過(guò)程后多為大角度晶界，且呈現(xiàn)波浪狀(圖7)。這是因?yàn)樵贓CAP變形前后發(fā)生連續(xù)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程，變形前坯料存在高密度位錯(cuò)纏繞，這使其擁有較大的應(yīng)力場(chǎng)，在ECAP過(guò)程中纏結(jié)的位錯(cuò)重新排列組合形成新亞晶；而亞晶界由于吸收位錯(cuò)的結(jié)果角度不斷變大，最后變成大角度晶界。

(a)壓力機(jī);(b)ECAP模具;(c)試樣圖6 ECAP實(shí)物實(shí)驗(yàn)Fig.6 ECAP physical experiment

圖7 擠壓后微觀組織變化Fig.7 Microstructure change after extrusion

3 結(jié)論

本研究是為尋求最優(yōu)7075鋁合金等通道擠壓工藝。要求采用等通道擠壓轉(zhuǎn)角工藝，在不改變鋁合金原化學(xué)組成成份的基礎(chǔ)上通過(guò)細(xì)化晶粒從而提高材料的力學(xué)性能，進(jìn)行有限元分析經(jīng)驗(yàn)分析；初步設(shè)定7075鋁合金等通道擠壓溫度，進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)，觀察變形晶粒，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的最優(yōu)化；最終確定最優(yōu)工藝參數(shù)為：7075鋁合金坯料初始預(yù)熱溫度500℃、擠壓速度1mm/s、摩擦系數(shù)0.3。