等通道轉角擠壓工藝的發(fā)展現(xiàn)狀
陳念東，張雪飛，曹躍杰，周天國
（沈陽大學機械工程學院，遼寧沈陽110044）
摘要：介紹了ECAE工藝及其工作原理，分析了ECAE技術中的擠壓速度、擠壓溫度和摩擦因數(shù)等對材料的組織以及力學性能的影響，并對ECAE技術今后的發(fā)展方向進行了展望。
關鍵詞：等通道轉角擠壓；超細晶；鋁合金
隨著我國國民經濟的高速發(fā)展，裝備制造業(yè)也迎來了新的生機，以鋁合金為例，2013年，我國的鋁合金擠壓件年產量達1 300萬t，實際產量為1100萬t，遠超過美國的，成為凈出口國。此外，鋁合金在保持了純鋁質輕、導電性良好等特點的基礎上還擁有了許多其他優(yōu)異的性能，如易切削加工、耐腐蝕性強、適用范圍廣、裝飾效果好、花色豐富多樣等特點，因此受到了汽車行業(yè)，飛行器制造業(yè)以及電力行業(yè)為代表的諸多領域的青睞。由于對鋁合金需求量的不斷增加，改善鋁合金性能的相關研究變得越來越多，目前已經取得了一些顯著的成效。細化晶粒能夠有效提高金屬材料的強度和韌性，為了得到細小的等軸狀晶粒結構的微觀組織，目前出現(xiàn)了一類可以有效細化晶粒大小，獲得亞微米甚至納米級尺寸的晶粒，從而獲得具有高強度、超塑性的塊體納米材料的方法一劇烈塑性變形( Severe Plastic Deforma-tlon，SPD)法。等通道轉角擠壓(ECAE)也稱作等徑角擠壓( ECAP)是一種發(fā)展迅速、研究廣泛的SPD技術。本文將著重介紹ECAE工藝及相關工藝參數(shù)對材料性能的影響。
1 等通道轉角擠壓( ECAE)工藝
ECAE于1977年由Segal及其合作者在俄羅斯專利上首次提出并研究，是一種使被加工塊體以獲得純剪切變形的方式實現(xiàn)大塑性變形的擠壓技術。20世紀90年代開始該技術因其在細化晶粒、改善材料性能方面有著獨特的優(yōu)勢，其應用研究范圍不斷拓展，主要表現(xiàn)在塊體納米材料和超塑性材料的制備上。經ECAE變形后，材料的顯微組織被拉長，粗大的晶粒被破碎成一系列具有小角度晶界的亞晶，亞晶界上少量位錯沿一定方向拉長呈帶狀結構，晶粒尺寸明顯從幾百微米細化成幾微米甚至納米級。ECAE變形過程中不改變材料的橫截面形狀，在相對較低的工作壓力下可以實現(xiàn)材料的反復定向、均勻剪切變形和顯著的晶粒細化效果與傳統(tǒng)的制備超細晶材料的方法（如高能球磨法、超細微粉冷合成法等）相比，這種方法避免了高能球磨法研磨過程中可能帶入的雜質以及超細微粉冷合成法制備的超細晶材料中存在的大量微空隙。
目前，已有文獻對ECAE的工作過程及原理進行了描述，如圖1所示，模具中2個具有相同橫截面的通道相連成L形，其相交內模角為φ，外模角為ψ。擠壓時，與通道形狀一致且緊密配合、潤滑良好的試樣放人其中一個通道，試樣在壓力P作用下向下擠壓，從另一個通道中擠出。當經過兩通道的交匯處試樣產生近似理想的純剪切變形。由于變形前后試樣的橫截面形狀和大小不變，故反復擠壓可使各道次變形的應變量累積疊加而得到相當大的總應變量，使材料的性能發(fā)生顯著的變化，形成亞微米晶粒的超細晶組織，達到破碎晶粒、增加儲存能的目的。
1.1模具幾何參數(shù)
根據(jù)Iwahashi等的理論，在試樣與模具內壁完全潤滑的條件下，等通道轉角擠壓產生的累積應變ε。取決于擠壓次數(shù)Ⅳ、兩通道的內模角φ和外模角ψ的大小，即
由(1)式不難看出，在內模角和外模角以及擠壓次數(shù)確定的情況下可計算出累積應變ε,v。相反也可以根據(jù)預計累積應變來調整相應參數(shù)。目前已報道的ECAE變形通道夾角φ最小為60。，最大為157. 50。而Nakashima的研究結果表明：φ=900的模具多道次擠壓后應變累積效果最好。
1.2擠壓路徑
根據(jù)試樣在連續(xù)2次擠壓之間旋轉方向和角度的不同，一般可把ECAE的工藝路線分成4種：第1次擠壓后，坯料不旋轉直接進入下一道擠壓過程，定義為路徑A；第1次擠壓后，第2次將坯料旋轉90。，在第3次擠壓前反向旋轉900，第4次再反向旋轉900，依此類推，定義為路徑B。；每次擠壓后，坯料沿同一方向旋轉900進入下一道擠壓過程，定義為路徑B。；每次擠壓后，坯料旋轉1809進入下一道擠壓過程，定義為路徑C（如圖2）。
關于擠壓路徑對晶粒細化的影響，Iwahashir101等對φ= 90。的純鋁進行了不同工藝路線的研究。結果表明，在形成大角度晶界方面，路線Bc最快，其次是路線C，再次是路線A、B。。陳文杰將完全退火熱處理后的6061鋁合金試樣放入ECAE模具中進行擠壓，并對不同道次試樣的顯微硬度以及抗拉強度進行測量后發(fā)現(xiàn)，隨著擠壓道次的增加，A路徑試樣應變均勻性越來越差，Bc路徑和C路徑應變均勻性都較好。A路徑試樣4道次擠壓后抗拉強度達到226.3 N/mm2，伸長率下降到9. 8%；B。路徑試樣6道次擠壓后抗拉強度達227 N／mi2，伸長率下降到8.9%；C路徑試樣8道次擠壓后抗拉強度達到219N/mm2，伸長率下降到6.3%。從而得出Bc路徑是6061鋁合金ECAE的綜合性能最佳工藝路徑。邊麗萍則通過將Al-10% Mg-4%Si鋁合金在250℃分別以BC_UD2（每2道次Bc路徑擠壓后，試樣倒轉后再按Bc路徑擠壓）和Bc路徑經8道次ECAE擠壓并進行室溫拉伸，結果表明，經改進型路徑B C_UD2擠壓后，材料抗拉強度為331.8 N／mm2．伸長率為23.6%；相比于鑄態(tài)，抗拉強度提高了98.8 %，伸長率提高了約54倍；相比于B．：路徑，材料抗拉強度提高了12%，伸長率提高了56%。
1.3擠壓道次
等通道轉角擠壓技術可以對坯料進行多次的擠壓，由累積應變公式(1)可知，擠壓道次Ⅳ與累積應變s。成正比，即擠壓道次增多的同時累積應變也隨之增加，坯料內部變形加劇，晶粒細化程度增加。吳躍在350℃的條件下對7075鋁合金試樣分別進行1道次、2道次以及4道次路徑A的ECAE后，用金相顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)：ECAE后晶粒細化明顯，1道次擠壓后晶粒細化到26ILm，2道次擠壓后晶粒細化到20 um，4道次擠壓后晶粒則細化到16um。從而說明了經歷的細化程度隨擠壓道次的增加而增加。姜巨福等人對鎂合金在不同道次進行等通道轉角擠壓后力學性能的測試結果表明：試樣的抗拉強度與伸長率同樣隨擠壓道次的增加而增加。Chang等對純度為99.9%的純鋁進行不同道次的ECAE，結果表明，經過4次擠壓后，晶粒的平均尺寸細化至0.8um，此后隨著擠壓次數(shù)的增加，晶粒的幾何尺寸和縱橫比基本保持不變．但晶粒間的向位差隨著擠壓次數(shù)的增加而增大，大角度晶界逐漸增加。郭云飛運用有限元軟件DEFORM-3D對不同道次（1—4道次）不同擠壓路徑工件間推擠式等通道轉角大應變技術進行了模擬后發(fā)現(xiàn)：材料的應變均勻性都隨著擠壓道次增加而降低。
1.4擠壓速度
研究發(fā)現(xiàn)擠壓速度對ECAE的結果有影響，姜義在不同的擠壓速度用雙通道擠壓方法對7003鋁合金進行1道次和2道次的大塑性變形，并對顯微組織以及力學性能進行觀測后發(fā)現(xiàn)：隨著擠壓速度增加，晶粒的細化程度呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢，其中擠壓速度為35 mm/s時2道次的細化效果最佳，力學性能達到最好。最小晶粒尺寸達到320 nm�？估瓘姸�、屈服強度以及硬度分別達到431.5N/mm2、426 N/mm2以及136.4 HV。而當擠壓速度達到45 mm/min時，晶粒尺寸增加，分析其原因是應變速率增大，晶體內部的形變儲能進一步增加，伴隨著畸變能和溫度的升高在較短的時間內可能誘發(fā)了回復與再結晶，導致晶粒長大。而Berbon在更早的時候，發(fā)現(xiàn)Al和Al-l% Mg合金在擠壓速度低于10 mm/s時對材料晶粒細化的影響不大，但是在此階段相對慢的速度可以使得合金獲得更加均勻的顯微組織。
1.5擠壓溫度
關于擠壓溫度對ECAE結果的影響，Yamashi-ta等人對Al、Al-3% Mg和Al-3%Mg-0.2% Sc合金從室溫到300℃范圍內使用路線進行擠壓，結果發(fā)現(xiàn)晶粒尺寸隨擠壓溫度的升高而增大。Kim等在200℃、400℃、600℃實現(xiàn)了對純鈦的ECAE變形，結果表明：在變形溫度為400℃時，變形材料獲得了均勻細化的微觀組織。姜巨福在260℃、280℃、300℃、320℃分別對Mg-6Al合金進行ECAE擠壓后，發(fā)現(xiàn)260℃～320℃時被擠壓坯料的力學性能先提高后降低，究其原因是晶粒的細化速度和長大速度平衡的結果。在擠壓溫度從260℃變化到300℃的過程中，開始時晶粒的長大速度遠小于晶粒細化的速度，所以其微觀組織處于細化階段，當達到300℃時，晶粒細化速度和晶粒長大速度達到平衡，此時晶粒尺寸最小，力學性能最好。但擠壓溫度超過300℃后，晶粒長大的速度明顯大于晶粒的細化速度，材料的力學性能下降。
1.6摩擦因數(shù)
同其他的擠壓方式一樣，ECAE的模具同樣會與坯料產生摩擦，而試樣與模具之間的摩擦因數(shù)同樣對試樣的組織以及均勻性產生影響。
許曉靜采用Deform-3D有限元軟件對等通道轉角壓進行動態(tài)計算仿真模擬，并進行ECAE試驗研究，模擬結果表明，試驗和仿真的最大擠壓載荷吻合，剪切摩擦模型適合用于ECAE變形仿真模擬計算；最大擠壓載荷隨著摩擦因數(shù)的增加而增加，不利于模具的安全和量化生產。蔡剛毅對高強鋁合金等通道轉角擠壓過程中摩擦力的作用進行了有限元模擬，結果表明，隨著摩擦因數(shù)的增大，其變形載荷不斷增大，心部應變不均勻程度增大，采用二硫化鉬等潤滑劑改善擠壓潤滑條件則有望減小擠壓載荷，保證模具壽命且可提高晶粒細化程度。而材料平均等效應變則變化不大。馬勇采用同樣的軟件對7075鋁合金等通道角擠壓過程進行數(shù)值模擬，分析了不同摩擦條件下載荷變化、變形行為以及等效應力應變分布情況在后得出了前者相似的結果的同時，發(fā)現(xiàn)了隨著摩擦因數(shù)增加導致擠壓載荷增加的同時試樣內部應變變化加劇。
2 ECAE對材料微觀組織的影響
鋁合金屬于高層錯能面心立方結構的金屬，位錯滑移主導組織演變，細化機制是位錯分割機制。而在ECAE過程中的微觀組織變化過程，可以將其分成如下三個階段：首先試樣在擠壓過程中受到剪切力的作用導致粗大的晶粒內部出現(xiàn)小角度亞晶界；隨后隨著晶粒沿著拉長方向上不斷破碎，亞晶間的取向差不斷增大；最終形成了具有大角度晶界的等軸晶。
王娜在室溫下對高純鋁采用Bc路徑進行不同道次的ECAE后，對其進行宏觀組織觀察，發(fā)現(xiàn)擠壓1道次后組織可觀察到試樣的大部分晶粒直徑不超過300 um，2道次后的晶粒尺寸較第1道次稍有減小；4道次后大部分晶粒尺寸在200 um范圍內，但是分布不均且大小不一;6道次后晶粒尺寸已細化至150 um以內；8道次后晶粒均勻性有所改進，尺寸均小于100 um。而在對其進行TEM觀察時則顯示一次擠壓后，晶粒的運動方向與擠壓軸形成一定的夾角且晶粒被均勻拉長，在運動平面上微結構呈片狀或纖維狀，晶粒內部出現(xiàn)小角度亞晶界。隨著擠壓次數(shù)增多，晶粒沿拉長方向被破碎，亞晶界及晶粒內部的位錯激增，使得亞晶之間的位向差增大，造成再結晶晶核增多。肖代紅制備了新型的Al-Cu-Mg-Ag耐熱鋁合金，通過顯微組織觀察發(fā)現(xiàn)鑄錠的金相組織鑄錠很明顯為樹枝狀組織，平均晶粒大小為250 um，主要相組成為a-Al與Al2 Cu相。合金經過均勻化處理及熱擠壓變形后的組織合金明顯為纖維組織，晶粒仍較為粗大，垂直擠壓方向平均為45 um。陳家欣室溫下采用Bc路徑對7003鋁合金進行等通道轉角擠壓加工，采用金相顯微鏡進行觀察后發(fā)現(xiàn)經400℃退火的金相照片中試樣基本為等軸晶，晶粒大小為60um—90um；試樣經ECAE 1
道次擠壓后，晶粒被剪切變形拉長，細化效果較難看出；2道次擠壓后，有較明顯的細化效果，其中部分晶粒已經碎化至10um以下，但分布不均勻，尚有部分晶粒還沒有得到細化，整體晶界不明顯，雖可看到一定的取向性，但未形成大角度晶界。而在4道次擠壓后，大尺寸晶�；救勘黄扑�，其中晶粒尺寸細小均勻，平均晶粒尺寸在3um以內。另外在TEM觀察中可看到，擠壓兩道次后，平均晶粒尺寸發(fā)生明顯細化，但是分布并不均勻。同時在晶粒中出現(xiàn)了一系列的亞晶，即這些亞晶均只具有小角度晶界，且這些亞晶均被拉長，形成了亞晶帶；試樣經2道次擠壓后，位錯密度很高，位錯相互纏結在一起。
3 ECAE對材料力學性能的影響
盧蘋蘋采用雙通道等通道擠壓對7003鋁合金力學性能的進行測試后表明，擠壓2道次后試樣的抗拉強度由338.3 N／mm2提高到431.5 N/mm2；屈服強度經2道次擠壓后由260 N/mm2提高到426 N/mm2。隨著擠壓速度的增大，試樣斷后伸長率的變化總體上均呈現(xiàn)下降的趨勢。當擠壓速度為25 mm/min時，1道次擠壓后伸長率最小，經2道次擠壓后的顯微硬度由原樣退火態(tài)的73.5 HVo，02提高到136.4 HVo．02，且強度以及顯微硬度均在擠壓速度為25 mm/min~ 35 mm/min時達到了最大值。趙小蓮在室溫下以Bc路徑對工業(yè)純鋁擠壓8道次后發(fā)現(xiàn)：擠壓到第6道次后，其抗拉強度、屈服強度均達到最大值，抗拉強度達185 N／mm2，屈服強度為124 N/mm2，與未擠壓的相比，分別提高了約185 %、138%，塑性由擠壓前的28. 8%下降到10%，4道次后硬度達到最高由52 HV上升至99 HV。
4 結束語
經過近幾十年的不懈努力，ECAE技術已經到了日漸成熟的地步，其簡單的模具構造以及通過簡單的擠壓方式獲得超細晶晶粒的特點，使其已經成為目前發(fā)展最為迅速、研究最為廣泛的大塑性變形技術之一。ECAE技術特點鮮明，優(yōu)勢明顯，然而該工藝中仍然存在一些不容忽視的問題，例如，因其自身結構的特點以及機械化程度不高而導致的生產效率低下，可進行加工的材料尺寸有限導致在加工過程中造成的材料浪費比較嚴重，擠壓過程由于摩擦力較大造成模具的磨損加劇從而影響模具的使用壽命等。隨著鋁合金產品應用范圍的不斷擴大，ECAE技術正在經歷更進一步的改進。有限元分析軟件的引入使用，以及在傳統(tǒng)工藝基礎上對相關參數(shù)進行的優(yōu)化分析使得更多性能優(yōu)異的新型材料不斷問世，然而關于ECAE對金屬材料耐熱性以及導電性影響的研究目前還相對缺乏。因此，借助有限元分析軟件對相關工藝參數(shù)進行優(yōu)化后對材料進行擠壓加工，進而獲得滿足不同需求條件的新型材料，已經成為未來ECAE技術的主要研究方向。
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