李細(xì)鋒，曹旭東，王 斌，孔得力，蘭曉宸

（1.上海交通大學(xué)，上海 200030；2.北京星航機電裝備有限公司，北京 100074；3.火箭軍裝備部駐北京地區(qū)第六軍事代表室，北京 100074；4.空軍駐北京地區(qū)第二軍代室，北京 100074）

鈦合金因比強度高、耐高溫和耐腐蝕等綜合性能優(yōu)異，常被應(yīng)用于輕量化、高溫和強腐蝕環(huán)境，在航空航天、醫(yī)療和化工等領(lǐng)域得到了廣泛運用。在實際使用中，通常需要將鈦合金坯料加工成各種特殊的形狀，但鈦合金室溫塑性低、成形性差，當(dāng)塑性變形量大時會產(chǎn)生裂紋、嚴(yán)重回彈等缺陷，室溫塑性成形效果不佳，難以滿足航空航天領(lǐng)域復(fù)雜構(gòu)件控形控性的要求[1-2]，因此，經(jīng)常采用高溫成形方法進(jìn)行鈦合金零件的制造。但是高溫成形周期長、工況復(fù)雜、能耗高，成形件晶粒粗大、表面氧化嚴(yán)重；另外，模具材料需滿足耐高溫和耐氧化等要求，顯著增加了制造成本，因此尋求更為節(jié)能環(huán)保、低成本的鈦合金成形方法一直是研究的熱點，電致塑性成形技術(shù)自然進(jìn)入了研究者的視野，近年來得到了快速發(fā)展和廣泛關(guān)注。

Troitskii 于1963年研究表面活化劑時發(fā)現(xiàn)電致塑性效應(yīng)，之后蘇聯(lián)和美國學(xué)者進(jìn)行了部分理論和工程應(yīng)用研究。1978年，以Conrad 為代表的學(xué)者研究了包括鈦合金在內(nèi)的多種金屬的電塑性。近60年的研究表明，在金屬成形過程中通電流，一定程度上可修復(fù)缺陷，促進(jìn)再結(jié)晶，推動位錯和晶界運動，增強金屬塑性。電致塑性效應(yīng)的研究主要集中于4 種機制：焦耳熱效應(yīng)、純電塑性效應(yīng)、磁壓縮效應(yīng)和集膚效應(yīng)。目前，有些研究只能解釋具體的試驗現(xiàn)象，電致塑性效應(yīng)物理機制的各種假說普遍性不足，同時缺乏足夠的電致塑性成形工藝參數(shù)數(shù)據(jù)指導(dǎo)工業(yè)實踐。

本文介紹了鈦合金電致塑性成形的不同技術(shù)和鈦合金電輔助塑性成形工藝的最新進(jìn)展；基于微觀組織和力學(xué)性能兩個方面，分析了鈦合金在脈沖電流作用下微觀機理和宏觀性能之間的聯(lián)系；最后，從焦耳熱效應(yīng)和純電塑性效應(yīng)等物理機制，概述了國內(nèi)外電致塑性理論研究的進(jìn)展和成果。

鈦合金電輔助成形技術(shù)

1 電輔助彎曲

在工件彎曲成形過程中通入電流，利用電流提高鈦合金彎曲成形性能的方法即為電輔助彎曲，圖1 為脈沖電流輔助彎曲示意圖[3]。周強[4]研究了TC4 鈦合金電輔助彎曲變形行為，分析了不同電流密度下成形力與位移的關(guān)系，隨著有效電流密度的提升，穩(wěn)定變形所需的成形力顯著降低，控制脈沖電流的頻率為200Hz，當(dāng)有效電流密度為38.67A/mm2時，電輔助彎曲成形力較無電條件下降了49.01%（圖2）[4]。另外，脈沖電流不僅降低成形力，還有效提高材料延伸率，降低屈服強度，從而有效避免彎曲過程產(chǎn)生裂紋，提升彎曲成形的質(zhì)量。當(dāng)有效電流密度達(dá)到14.00 A/mm2時，彎曲后試樣表面光滑、無裂紋，如圖3 所示[4]。脈沖電流對彎曲回彈角也存在影響，14.00A/mm2電流作用下，彎曲后回彈相對明顯，回彈角為14.1°，隨著有效電流密度的不斷增大，回彈角相應(yīng)減小，當(dāng)電流密度為38.67A/mm2時，回彈角為7.4°，和電流密度為14.00A/mm2時的試樣相比，回彈角減小了47.5%。

圖1 脈沖電流輔助彎曲示意圖Fig.1 Schematic diagram of pulse current assisted bending

楊文兵[5]對Ti-55 鈦合金電輔助彎折研究同樣表明，無電流作用彎折中Ti-55 鈦合金易彎曲開裂[3]，彎曲內(nèi)角達(dá)到147.4°。在200Hz 占空比25%的脈沖電流作用下，無開裂彎曲角可顯著降低，有效電流密度越大，彎曲性能越好，彎曲內(nèi)角越小，彎曲回彈得到有效抑制（表1[6]）。

解煥陽[6]對金屬板材脈沖電流輔助彎曲回彈情況進(jìn)行了理論分析，根據(jù)平面應(yīng)變的適度模型簡化和Mises 屈服準(zhǔn)則，得到了電輔助彎曲回彈角理論計算公式，對AZ31B 鎂合金板和QP980 鋼板的電輔助彎曲回彈角預(yù)測值與試驗值進(jìn)行了比較，模型預(yù)測曲線在試驗誤差線內(nèi)，模型預(yù)測值與試驗結(jié)果吻合較好。

2 電輔助鐓粗

鈦合金鐓粗過程中樣品在達(dá)到變形極限后如繼續(xù)壓縮，則往往會開裂。Ross 等[7]進(jìn)行了室溫鐓粗、加熱鐓粗和直流電輔助鐓粗的對比研究（圖4 從左至右分別為室溫鐓粗、加熱鐓粗、直流電輔助鐓粗[7]），發(fā)現(xiàn)室溫和加熱鐓粗都出現(xiàn)了裂紋，而電輔助鐓粗效果良好，這表明電致塑性效應(yīng)不是單純的焦耳熱效應(yīng)，還有非熱效應(yīng)，不同于傳統(tǒng)的加熱成形工藝，試驗還表明，在直流電輔助壓縮試驗中，13.7A/mm2的電流密度下，應(yīng)變達(dá)到0.45 時失效；當(dāng)電流密度達(dá)到19.4A/mm2以上時，達(dá)到試驗的量程仍未出現(xiàn)失效。

葉蘇蘇等[8]進(jìn)行了TC4 鈦合金單向壓縮試驗，試圖從微觀組織和性能方面對電輔助壓縮行為做出解釋，試驗發(fā)現(xiàn)無電流時TC4 鈦合金流變應(yīng)力超過1000MPa，而電流作用下流變應(yīng)力可以降低至600MPa 以下；而在溫升速度為10℃/s 的小電流作用下，流變應(yīng)力隨應(yīng)變先快速增大，之后再逐漸降低至穩(wěn)態(tài)，為典型的動態(tài)再結(jié)晶曲線；溫升速度達(dá)到30℃/s 以上的試驗條件下，應(yīng)力峰值低于400MPa，達(dá)峰值后下降不明顯，符合動態(tài)回復(fù)的特征。相同試驗條件下，電流越大，流變應(yīng)力越小。Perkins等[9]對鈦合金的電輔助鐓粗研究也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流密度達(dá)到19A/mm2時，鐓粗直至壓縮極限都不會出現(xiàn)裂紋；電輔助壓縮過程中，出現(xiàn)了塑性和應(yīng)變增加，應(yīng)力反而下降的情況。鈦合金電輔助鐓粗過程中結(jié)束溫度僅為88℃，在此溫度條件下鈦合金所受影響相當(dāng)小，而高溫拉伸研究表明鈦合金在200℃下基本不會表現(xiàn)出顯著的塑性差別，故而否定了焦耳熱效應(yīng)為全部電塑性效應(yīng)的觀點（圖5[7]）。

圖2 有效電流密度對工件彎曲成形力的影響Fig.2 Effect of effective current density on bending force of parts

圖3 電流密度對彎曲工件成形質(zhì)量影響Fig.3 Effect of current density on forming quality of bent parts

表1 不同電流密度作用下Ti-55 鈦合金最小彎曲內(nèi)角Table 1 Minimum bending angles of Ti-55 titanium alloy at different current densities

圖4 鈦合金不同鐓粗試樣Fig.4 Titanium alloy specimens produced by different upsetting processes

圖5 鈦合金鐓粗應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Upsetting stress-strain curves of titanium alloy

3 電輔助拉拔

電輔助拉拔是應(yīng)用最為廣泛的一種電致增塑加工方式，這是由于原有拉拔設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，便于進(jìn)行通電改造。電致塑性效應(yīng)發(fā)現(xiàn)后不久，就開始了電輔助成形技術(shù)的應(yīng)用研究，在金屬拔絲工藝中首先引入電流。電輔助拔絲是在拔絲模前后即金屬絲變形區(qū)中通入脈沖電流[10]，原理如圖6 所示，拔絲速度和單次拔縮率比普通拔絲工藝有顯著提升。

The house has been knocked down.I used to live in the house.

圖6 電輔助拔絲示意圖Fig.6 Schematic diagram of electrically assisted drawing

周巖[11]對TC4 鈦合金電輔助拉拔變形的行為和機理進(jìn)行了研究，結(jié)果表明高能脈沖電流可以促進(jìn)位錯滑移，降低絲材拉拔變形過程中的拉拔力；TC4 鈦合金變形抗力隨電流密度的升高而下降，當(dāng)施加頻率200Hz、峰值電流密度240A/mm2的脈沖電流時，拉拔力降低24%。電輔助拉拔后的絲材具有良好的宏觀與微觀組織均勻性，絲材表面與芯部變形一致，芯部殘余應(yīng)力較小，抑制了絲材筆尖狀斷口的形成。研究表明，電流方向與拉拔方向一致時，拉拔力受電流影響下降更大，這可能是由于電子漂移方向和位錯滑移方向一致導(dǎo)致的；脈沖電流頻率對電輔助拉拔的效果沒有顯著影響。

4 鈦合金環(huán)段電輔助拉深成形

使用冷成形方式制造TC4 鈦合金環(huán)段截面不光順，起皺嚴(yán)重，無法滿足使用要求。作者團隊通過數(shù)值模擬、模具設(shè)計和工藝驗證的方式，提出鈦合金環(huán)段脈沖電流輔助拉深成形工藝（圖7）。對450mm× 275mm×1mm 的TC4 鈦合金坯料使用12V/20000A 的低壓大電流脈沖設(shè)備加以1500A 的脈沖電流和1.5V 電壓，在1min 中內(nèi)升溫到所需的600℃左右，6min 內(nèi)完成鈦合金環(huán)段電輔助成形工序。對比TC4 鈦合金環(huán)段冷成形和電輔助拉深成形結(jié)果，冷成形環(huán)段截面有小的起伏、不光順，起皺明顯；而電輔助成形環(huán)段截面光順，沒有明顯起皺，成形效率高。通過鈦合金環(huán)段尺寸精度的測量，可以看出電輔助成形的精度明顯提高，避免了起皺和回彈大等缺陷（圖8）。

鈦合金電致塑性成形的組織性能特征

1 脈沖電流對力學(xué)性能的影響與微觀組織分析

電致塑性效應(yīng)在不同工藝下存在變形方式的差別，但其微觀機理有共性。Li 等[12]利用ImageJ 軟件分析TC4 鈦合金室溫與通電拉伸的相成分，對于原始晶粒尺寸為9.2μm的TC4 鈦合金，當(dāng)有效電流密度為9.03A/mm2時，通電拉伸較室溫拉伸α 相體積分?jǐn)?shù)高4.17%；同樣電流密度下，27.4μm 晶粒尺寸α 相體積分?jǐn)?shù)差距為3.7%。因此，可以推斷，脈沖電流能夠促進(jìn)β→α 相變。相變推動力是脈沖電流減少了相變過程所需的熱力學(xué)激活能，增大了α 相的形核速率。從脈沖電流的作用機制可解釋細(xì)晶鈦合金相變率更高，即細(xì)晶的TC4 鈦合金晶界面積大，一方面，同樣的電流密度下，電流對細(xì)晶鈦合金晶界作用更大，焦耳熱效應(yīng)更明顯；另一方面，晶界面積大提供了更多α 相的形核位置。用X 射線衍射儀XRD 進(jìn)行定量判斷脈沖電流對位錯密度的影響，對于9.2μm 晶粒尺寸的TC4 鈦合金，當(dāng)脈沖電流的有效電流密度為6.36A/mm2、9.03A/mm2和10.48A/mm2時，和室溫拉伸相比，TC4 鈦合金樣品中位錯密度分別降低了19.37%、26.25%和62.07%。結(jié)果表明，隨著有效電流密度的增大，位錯密度不斷降低，導(dǎo)致材料的延伸率提高和流動應(yīng)力降低。

Wang 等[13]對TA15 鈦合金軋制板通電處理研究發(fā)現(xiàn)，不僅在拉伸過程中通脈沖電流可以提高延展性，對于已經(jīng)過常溫軋制的TA15 鈦合金薄板進(jìn)行通電處理，延展性也會提高，而且在通電處理后拉伸方向與延展性之間的關(guān)系被削弱。原始的TA15 鈦合金冷軋板表現(xiàn)出了明顯的各向異性，不同方向的拉伸強度之差最高可達(dá)75MPa，但經(jīng)過最大電流密度為5400A/mm2的作用后，各向異性顯著降低，不同方向之間的拉伸強度之差最高只有5MPa，總伸長率也從1.4%的差距降低到0.1%，如圖9 所示[13]。在斷裂前的脈沖電流處理樣品上發(fā)現(xiàn)了少量的微裂紋，而微裂紋的傳播行為取決于其滑移長度。對于90°的樣品，由于晶粒與拉伸方向垂直，微裂紋受板條狀初生α 相阻擋，因此在晶間發(fā)生了斷裂。隨著電流密度的增加，TA15 再結(jié)晶增加，初生板條狀α 相轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶粒，對于0°和45°的樣品，裂紋擴展通過等軸晶所需的能量減少，更容易因裂紋擴展而斷裂，故總伸長率具有單峰性，隨著最大電流密度的提高先增加后降低。對于90°的樣品，板條狀α 相向等軸α 相轉(zhuǎn)變的過程中，斷裂機制從晶間斷裂變?yōu)榇┚嗔?，會產(chǎn)生裂紋擴展和二次裂紋，所需能量增加，因此隨著最大電流密度的提高，總延伸率變得更高。

圖7 TC4 鈦合金環(huán)段電輔助拉深成形過程Fig.7 Electrically-assisted drawing process of TC4 titanium alloy ring segment

圖8 鈦合金環(huán)段件成形精度測量Fig.8 Forming precision measurement of TC4 titanium alloy ring segment

Stolyarov[14]研究了Ti49.4Ni50.6形狀記憶合金通電軋制過程中的組織性能變化，證實了脈沖電流可提升此種含鈦合金的延展性[13]。對于8 道次ECAP（等徑彎曲通道變形）方法制備此形狀記憶合金，軋制過程中通脈沖電流可將斷裂應(yīng)變從0.59 提升至1.91，提高了223.7%。利用透射電子顯微鏡（TEM）觀察了電塑性軋制后的微觀組織（圖10），發(fā)現(xiàn)當(dāng)電輔助軋制效應(yīng)較為明顯時，微觀組織得到細(xì)化，此合金中初始相組成也會發(fā)生變化，在電輔助軋制后進(jìn)行X 射線分析，發(fā)現(xiàn)β 相的占比從10%～15%減少至1%～2%。

宋輝[15]進(jìn)行的研究表明，脈沖電流對微觀組織的影響與普通退火完全不同，冷作硬化經(jīng)脈沖電流處理后，呈現(xiàn)單應(yīng)變硬化系數(shù)（n）值或雙n值，不會出現(xiàn)退火后的3 階段冷作硬化行為。TA1 鈦合金隨著電流密度的增大，板條組織分?jǐn)?shù)逐漸增加，當(dāng)電流密度提高到7.96×103A/mm2時，平均溫升可以達(dá)到764℃，形成魏氏體組織，但與普通熱處理形成的粗大魏氏體不同，脈沖電流作用形成的魏氏體組織較為細(xì)小[14]。脈沖電流處理時間非常短，可看作是絕熱過程。由于塑性變形時金屬電阻的分布并不完全均勻，局部電阻值較高，會導(dǎo)致溫升不均勻；同時電流在缺陷處也會發(fā)生繞流，因此局部區(qū)域的溫度將遠(yuǎn)高于平均值，容易超過TA1鈦合金的α→β 相轉(zhuǎn)變溫度（882℃），且脈沖電流帶來的升溫速度可達(dá)106℃/s 的數(shù)量級。因為形核率與過熱度之間存在正相關(guān)性，此時α→β轉(zhuǎn)變迅速發(fā)生，而高溫時間較短，相變擴散不充分，形成的β 相不均勻。當(dāng)脈沖電流處理結(jié)束后，溫度降低時，沿β 相晶界發(fā)生反向的β→α 相變，此種相變速度較快，形成了馬氏體相變，α 相以板條狀在β 相晶粒內(nèi)產(chǎn)生，故而能觀察到片層組織。而當(dāng)電流密度稍低，例如電流密度為7.22×103A/mm2時，平均升溫值遠(yuǎn)未能達(dá)到相變點，在溫度較低的區(qū)域發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象較多，形成細(xì)小的等軸晶組織，片層組織含量低，如圖11 所示[15]。

2 脈沖電流對鈦合金預(yù)制缺陷和耐腐蝕性能的影響

圖9 TA15 鈦合金試樣通電處理后不同方向的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.9 Stress-strain curves of TA15 after energization treatment at different directions

圖10 鈦合金電輔助軋制微觀組織Fig.10 Microstructure of titanium alloy after electrically-assisted rolling and annealing

李細(xì)鋒等[16]研究了不同頻率脈沖電流作用下鈦合金預(yù)制缺陷的變化情況。TC4 薄板在常溫下預(yù)變形拉伸10%后，內(nèi)部存在均勻分布的亞微米級孔洞，孔洞所占體積分?jǐn)?shù)約為2.21%。控制脈沖電壓40V 和通電時間30s 對預(yù)變形試樣分別進(jìn)行不同頻率的通電處理，頻率為120Hz時，孔洞數(shù)量開始減小，單個孔洞尺寸也有減??；頻率為140Hz 時，孔洞變化趨勢延續(xù)，并且程度顯著加劇，形狀趨于球形；當(dāng)頻率繼續(xù)升高為160Hz 時，孔洞所占體積分?jǐn)?shù)反而減少，且局部區(qū)域出現(xiàn)大尺寸孔洞，如圖12 所示[16]。

孔洞彌合機制一般認(rèn)為有兩種，一種是原子的擴散填充，脈沖電流促進(jìn)原子填入孔洞中，孔洞尖端處電流環(huán)路作用集中，焦耳熱效應(yīng)明顯，孔洞尖端在脈沖電流下具有更高的彌合，因此孔洞有球化趨勢；另一種是熱壓合機制，孔洞區(qū)域電阻較大，焦耳熱較高，膨脹趨勢更明顯，焦耳熱導(dǎo)致材料內(nèi)部發(fā)生膨脹，而孔洞外側(cè)基體限制了孔洞向外的膨脹，故而孔洞向內(nèi)膨脹，處于熱壓縮狀態(tài)。對于孔洞在160Hz 電流下反而體積擴大、占比增加的現(xiàn)象，研究者解釋為原子在到達(dá)孔洞表面前，就被更高頻率的電流轟擊導(dǎo)致離開，因此，為了彌合和減少孔洞，應(yīng)當(dāng)選取最佳的脈沖電流頻率，并非頻率越高越好。

圖11 TA1 鈦合金在不同脈沖電流密度作用下的微觀組織Fig.11 Microstructure of TA1 titanium alloy under different pulse current densities

圖12 試樣預(yù)拉伸后經(jīng)脈沖電流處理后的內(nèi)部顯微孔洞分布（脈沖電壓40V，通電時間30s）Fig.12 Void distribution in pre-stretch specimens after pulse current treatment (pulse voltage of 40V, charging time of 30s)

脈沖電流頻率對退火態(tài)TC4 鈦合金耐腐蝕性能的影響體現(xiàn)出與對孔洞影響類似的單峰性，在200Hz 電流下，耐腐蝕性能最佳，不同頻率電流作用的樣品中α 相和β 相占比有顯著不同。究其原因，姜軍等[17]分析認(rèn)為是溫度不同引起的。200Hz時，最高溫度為457℃，退火態(tài)TC4中的少量亞穩(wěn)相α′和α″開始轉(zhuǎn)變?yōu)棣?β 相，β 相數(shù)量增加，體積分?jǐn)?shù)從29.36%增加到35%，此過程相當(dāng)于短時的穩(wěn)定化處理，使TC4 的組織更加穩(wěn)定。頻率增加到300Hz 時，溫度達(dá)到728℃，TC4 開始發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶，由于溫度相對較低，結(jié)晶不充分，產(chǎn)生大量處于結(jié)晶預(yù)備期的亞晶粒和胞狀亞結(jié)構(gòu)，這些亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)活性較高，更容易被腐蝕，而由于Al對擴大α 相區(qū)有顯著作用且擴散較快，所以α 相的再結(jié)晶形核和長大速率高于β 相，此時β 相的體積分?jǐn)?shù)只有20.69%，顯著低于未經(jīng)電流作用下的β 相含量。頻率繼續(xù)增加到400Hz，溫度升高至792℃時，觀察到鑲塊式的再結(jié)晶晶粒，從α 相向β 相的轉(zhuǎn)變開始發(fā)生，β 相體積分?jǐn)?shù)達(dá)到23.18%，受腐蝕更為嚴(yán)重。當(dāng)頻率繼續(xù)升高到500Hz 時，溫度達(dá)到851℃，接近β 相變點，TC4 中含有V元素，V 含量高的區(qū)域β 相含量快速提升，通電處理結(jié)束后冷卻則會形成過冷β 相和大量的亞穩(wěn)相α′和α″，無擴散相變還會導(dǎo)致ω 相的形成，β相體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了38.27%，這些亞穩(wěn)態(tài)組織更容易作為形核基體發(fā)生點蝕，因此TC4 的耐腐蝕性能已經(jīng)急劇下降。

鈦合金電致塑性效應(yīng)機理

目前從物理機制上，電致塑性通常被認(rèn)為由焦耳熱效應(yīng)、磁壓縮效應(yīng)、集膚效應(yīng)和純電塑性效應(yīng)4 個方面構(gòu)成，其中集膚效應(yīng)和磁壓縮效應(yīng)占比很小，且相關(guān)研究不多。Okazaki等[18]給出了高頻電流作用下集膚效應(yīng)深度δ的計算公式：

式中，f為電流頻率；ρ為電阻；μ為磁導(dǎo)率。焦耳熱效應(yīng)和純電塑性效應(yīng)是電致塑性效應(yīng)的主要構(gòu)成部分。

集膚效應(yīng)和磁壓縮效應(yīng)占比較低，電致塑性的宏觀效果主要由焦耳熱效應(yīng)和純電塑性效應(yīng)組成。雖然對純電塑性效應(yīng)有待進(jìn)一步研究，但電輔助成形方法已經(jīng)得到實際應(yīng)用，計算電致塑性效應(yīng)的綜合作用效果很有必要，可以直接優(yōu)化電輔助成形工藝參數(shù)，提高生產(chǎn)效率。

Li 等[19]從能量角度進(jìn)行了電致塑性效應(yīng)的推導(dǎo)，建立了電流作用下的塑性應(yīng)變率表達(dá)式：

式中，為指前因子；ΔG為吉布斯自由能；kb為玻爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度；x為平均位錯量；Ne為自由電子的數(shù)量；n為金屬離子量；E0為絕對零度時的費米能量；ΔE為金屬中自由電子能量增加值；t為電流作用時間；τ為電子的平均弛豫時間。

1 焦耳熱效應(yīng)

電流通過金屬時會產(chǎn)生熱效應(yīng)，而溫升導(dǎo)致塑性提高，其原理與熱成形相近。脈沖電流加熱階段遵循如下的溫升規(guī)律[20]：

式中，T為坯料溫度；t為通電時間；R為電阻率；C為比熱容；ρ為密度；Ip為峰值電流；D為脈沖電流的占空比；S為橫截面積，單位均采用國際單位制。容易判斷，通過提高電流密度（即提高Ip/S），溫升速率將以二次函數(shù)的形式迅速上升，脈沖電流加熱開始階段升溫曲線證實了這一點，如圖13 所示[20]。

Ng 等[21]相似的焦耳熱計算公式：

式中，ρ、c、d、J、tp分別為材料的電阻率、比熱、密度、電流密度和電流持續(xù)接觸時間。

焦耳熱效應(yīng)是電致塑性效應(yīng)的組成部分，能產(chǎn)生與加熱鈦合金相似的效果，但電流加熱鈦合金坯料更高效快速，有利于鈦合金電輔助成形技術(shù)的應(yīng)用。

2 純電塑性效應(yīng)

圖13 不同電流密度下TC4 鈦合金的加熱開始階段升溫速率Fig.13 Temperature increase rate of TC4 titanium alloy during the beginning stage of heating under different current densities

雖然有研究者認(rèn)為金屬的電致塑性效應(yīng)主要為焦耳熱，但從鈦合金研究的結(jié)果看，純電塑性效應(yīng)不僅存在，而且相當(dāng)顯著。Molotskii[22]提出了自旋電子理論，而Conrad 等[23]早在1989年就給出位錯對電子的散射過程中，通過電子對位錯的反作用力來計算電流對位錯產(chǎn)生的作用力（電子風(fēng)）的理論計算結(jié)果：

式中，ρd/Nd為單位長度位錯的電阻率；e為電子電荷；ne為電子密度。從量子力學(xué)的角度Conrad 也給出相應(yīng)的計算方式：

式中，α為常數(shù)，在0.25～1.0 之間；b為柏氏矢量；pf為費米動量；ve為電子源移速度；vd為位錯運動速度。

Ti-7Al（Al 原子分?jǐn)?shù)為7%）合金分別在室溫，0.5×103A/cm2、間隔100ms的方波脈沖電流和0.5×103A/cm2連續(xù)電流作用下拉伸，盡管與其他研究相似，脈沖電流作用下的延伸率最高（圖14）[23]，但拉伸時室溫的樣品強度和延展性比連續(xù)電流作用下的樣品更高，考慮到連續(xù)電流焦耳熱效應(yīng)更明顯，而電子風(fēng)力只有2.8Pa，影響微弱，試驗現(xiàn)象的產(chǎn)生原因仍有待分析。該研究還表明脈沖電流并不改變位錯的類型，卻會顯著改變其形態(tài)和分布。對室溫和脈沖電流作用下工程應(yīng)變5%的兩種樣品進(jìn)行TEM分析，發(fā)現(xiàn)室溫作用下的樣品具有顯著的平面滑移特征；脈沖電流作用下的樣品則具有多向位錯網(wǎng)絡(luò)，且在釘扎或位錯交叉處顯現(xiàn)出交滑移至其他平面，增強了交滑移，產(chǎn)生波狀位錯形態(tài)。另一方面，孿晶產(chǎn)生被認(rèn)為是三維加工硬化模式的結(jié)果而非產(chǎn)生的原因，脈沖電流增強了孿晶。通過分析Ti-7Al 合金的電塑性行為，證明了脈沖電流極大地改變了缺陷的結(jié)構(gòu)，從局部平面滑移到均勻波滑移[24]。

圖14 Ti-7Al 合金在不同條件下的力學(xué)和熱測量Fig.14 Mechanical and thermal measurements of Ti-7Al alloy at different conditions

Magargee 等[25]對商業(yè)純鈦的研究得出了不同結(jié)論，強制風(fēng)冷到40℃后，商業(yè)純鈦在電輔助單向拉伸中的力學(xué)行為與無電流下的室溫拉伸差別很小，說明商業(yè)純鈦的純電塑性效應(yīng)非常小，這與Ti-7Al 合金的研究結(jié)果明顯不同（圖15）。

圖15 商業(yè)純鈦電輔助拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線（有強制風(fēng)冷和無風(fēng)冷）Fig.15 Electrically-assisted tension stress-strain curves of commercial pure titanium (with forced air cooling and without air cooling)

結(jié)論與展望

（1）電輔助成形由于可以直接快速加熱坯料，因此在工業(yè)應(yīng)用上有較好的應(yīng)用前景，目前已經(jīng)在電輔助彎曲、拔絲和軋制工藝中得到應(yīng)用，可以進(jìn)一步推廣到其他成形工藝中。電輔助成形技術(shù)是將傳統(tǒng)成形工藝與脈沖電流外能場相復(fù)合，是對現(xiàn)有成形方法的補充與改善。眾多研究表明，電輔助成形不同于傳統(tǒng)的熱成形工藝，在降低成形力、提高成形極限與精度等方面比傳統(tǒng)熱成形具有更佳效果。

（2）電致塑性效應(yīng)主要包括焦耳熱效應(yīng)和純電塑性效應(yīng)。由于純電塑性效應(yīng)的存在，鈦合金的電致塑性效應(yīng)可以優(yōu)化其組織性能，修復(fù)變形帶來的損傷和缺陷，可以應(yīng)用于組織性能修復(fù)領(lǐng)域。目前對于純電塑性效應(yīng)的機理與定量計算還沒有形成統(tǒng)一的觀點和測試方法，這也是電致塑性成形技術(shù)的研究方向。

（3）電輔助成形技術(shù)是單一外加能場，隨著成形技術(shù)的發(fā)展，將多個能場耦合在一起，開展多能場制造技術(shù)的研究也是今后的研究方向。例如將電場與電磁場復(fù)合，開展鋁合金材料的板管快速高效成形；將超聲場與電場復(fù)合，開展鋁合金或鎂合金的擴散連接成形，突破鋁合金或鎂合金氧化膜問題阻礙其擴散連接技術(shù)發(fā)展的瓶頸。將多能場耦合制造，實現(xiàn)1+1 大于2 的作用效果，從而將多能場制造推廣到更多的領(lǐng)域，解決目前難變形材料制造領(lǐng)域的技術(shù)難題。