高密度脈沖電流對SiCp/Al板材裂紋的修復作用

易卓勛，賴小明，王博，張加波

中國空間技術研究院 北京衛星制造廠，北京 100094

高密度脈沖電流對SiCp/Al板材裂紋的修復作用

易卓勛，賴小明，王博*，張加波

中國空間技術研究院 北京衛星制造廠，北京 100094

針對SiCp/Al材料塑性低、容易產生裂紋的缺陷，研究了高密度脈沖電流對SiCp/Al板材裂紋的修復作用。采用室溫拉伸方法預制裂紋，在掃描電子顯微鏡(SEM)下標定裂紋后，對試樣進行脈沖電流(電流密度為31.25 A/mm2)處理，對比分析脈沖電流處理前后裂紋形貌，測試電流處理對含裂紋試樣力學性能的影響。結果顯示，脈沖電流處理后，試樣表面尺寸較小的裂紋直接被焊合，尺寸較大的裂紋寬度減小并且尖端出現了熔化現象；對比試樣脈沖電流處理前后的延伸率發現，脈沖電流處理可以使試樣預變形后的延伸率提高38%。采用電-熱-力耦合的數值分析方法求得通電后SiCp/Al板材裂紋附近的電流場、溫度場和應力場，并進行了脈沖電流處理對裂紋修復的機理分析，為脈沖電流修復技術的應用奠定理論基礎。

鋁基碳化硅復合材料；裂紋修復；脈沖電流；延伸率；數值模擬

近年來，隨著SiCp/Al材料在航空航天領域的大量應用，對于這種材料的研究方向也逐漸從材料的制備轉入到了材料的應用。SiCp/Al材料作為一種金屬基復合材料，第二相SiC顆粒的加入使得材料的機械性能得到了顯著的改善，但是由于SiC顆粒與鋁合金基體的變形協調性較差，在變形過程中容易產生裂紋，導致該材料的成形性能較差，二次塑性成形困難[1-2]。裂紋是材料成形研究中一個不可避免的問題，因此研究SiCp/Al材料中阻止或者延緩裂紋擴大的方法具有重要的意義，即：可改善板材坯料的微觀組織，提升材料的成形性能，延長成形零件的疲勞壽命[3-4]。

從目前的研究來看，對裂紋的修復主要是從材料填充、降低裂紋尖端應力集中、在裂紋兩側引入壓應力等幾個方面進行[5-6]。而脈沖電流修復作為一種金屬材料裂紋的專用修復技術，有望同時實現上述3個方面的效果，并且其還具有如下2種特性：① 修復作用不受裂紋的形狀、大小及所處位置的影響；② 對產品正常部位不產生不良影響或者影響可以忽略，不影響產品本身的主要性能[7-8]。近年來，國內外關于脈沖電流修復技術在各種結構材料的研究工作已經全面展開，例如，在脈沖電流止裂方面，國內燕山大學的付宇明等對脈沖電流止裂技術在Al-Mg合金、T10鋼、45鋼、2Cr13鋼和35CrMo鋼等材料上的應用做了大量的實驗和數值模擬研究，取得了較為理想的結果[9-15]；大連理工大學的張洪潮等采用脈沖電流對奧氏體不銹鋼和鎳基高溫合金進行了止裂實驗，發現脈沖電流處理可以細化裂紋尖端的晶粒，使得材料的抗拉強度與延伸率都得到了提升[16-17]。在脈沖電流愈合裂紋方面，日本Nagoya大學的Hosoi等針對316不銹鋼的疲勞裂紋進行了脈沖電流修復實驗，實現了較小裂紋的愈合與較大裂紋面之間的橋接[18-19]。目前脈沖電流對金屬材料裂紋產生的止裂和愈合作用已經被研究人員廣泛地認可，但是對于脈沖電流在金屬材料裂紋附近的作用機理尚無統一的定論。

為了探究脈沖電流修復技術在SiCp/Al板材裂紋的修復效果，本文對比分析了脈沖電流修復前后的板材宏觀力學性能以及表面裂紋的微觀形貌；同時，為了探究電流對SiCp/Al板材裂紋的作用機理，本文采用數值模擬的方法對施加脈沖電流后板材裂紋附近的溫度場、應力場進行了有限元分析。所得結論對脈沖電流止裂技術在成形過程中的應用具有參考價值。

1 試驗材料及方法

試驗材料為中科院沈陽金屬所通過粉末冶金+多道次熱軋制備的碳化硅顆粒增強鋁基復合材料板材(厚度為1.6 mm)，其中碳化硅顆粒增強相體積分數為17%。試驗試樣尺寸如圖1所示。

為了在SiCp/Al板材內部預制裂紋，以模擬在變形過程中產生的裂紋，將試樣在CSS-8800型電子萬能拉伸實驗機上進行室溫拉伸，拉伸的應變速率為5×10-4/s。先分別將3個試樣拉伸0.2、0.4、0.6 mm后進行卸載，并在掃描電子顯微鏡(SEM)下對不同變形量預制的裂紋形貌進行觀察。對比不同變形量預制的裂紋形貌后發現，當試樣伸長量為0.6 mm時預制的微裂紋最明顯，較為適合觀察與對比，因此將試樣統一拉伸0.6 mm(變形量為4%)以預制微裂紋。

進行預變形后將試樣分成A、B兩組，每組3個。其中，A組試樣用于對比脈沖電流處理前后的裂紋形貌變化，因此在A組試樣預變形后需對其表面的裂紋進行標定：采用簽字筆在其表面標記出矩形區域，然后在將試樣在掃描電子顯微鏡下進行觀察，在標記的矩形區域內選擇5條尺寸合適、形貌典型的裂紋作為觀察對象，并拍照記錄其位置。

對裂紋進行標定后，采用不同大小的脈沖電流對試樣進行瞬時通電處理，試驗電路如圖2所示。試驗中發現，當脈沖電流超過2 500 A(電流密度為31.25 A/mm2)時，試樣會產生局部高溫，甚至出現熔斷現象，因此本試驗中選擇電流密度為31.25 A/mm2的瞬時電流對A組試樣進行處理。

為了分析脈沖電流處理對SiCp/Al板材裂紋形貌的影響，對脈沖電流處理后的A組試樣再次使用掃描電子顯微鏡進行觀察；重新找到標記區域內的同一條裂紋進行拍照記錄，并與脈沖電流處理前的裂紋形貌進行對比分析。

最后，對A、B兩組試樣進行單向拉伸試驗(室溫，應變速率5×10-4/s)。通過對比電流處理前后試樣的力學性能，來分析脈沖電流處理對含裂紋SiCp/Al板材力學性能的影響。試驗流程如圖3所示。

圖1 電流修復試驗試樣尺寸Fig.1 Size of specimens of current healing test

圖2 電流修復試驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of current healing test equipment

圖3 電流修復試驗流程Fig.3 Program of current healing test

2 脈沖電流處理對裂紋的修復作用

2.1 對SiCp/Al板材裂紋形貌的影響

SiCp/Al板材試樣裂紋的微觀形貌如圖4所示，其中圖4(a)和圖4(c)為經預拉伸變形后板材表面產生的微裂紋，從圖中可以看出，在單向拉伸載荷下，SiCp/Al板材在塑性變形過程中產生的微裂紋一般是在SiC顆粒周圍形核并沿著SiC與鋁合金的界面擴展，這主要是因為SiC顆粒與鋁合金基體變形不協調，容易導致界面脫粘所致。

圖4(b)和圖4(d)為對其進行通電處理后的裂紋的微觀形貌。從裂紋的長度來看，裂紋Ⅰ的長度從通電前的3.414 μm減小到了2.642 μm，縮短了22.6%，裂紋Ⅱ的長度也從通電前的2.558 μm減小到了1.294 μm，縮短了49.4%；從裂紋的寬度來看，裂紋Ⅲ的平均寬度從0.194 μm降低到了0.109 μm，減小了43.8%。對比通電處理前后的微裂紋尺寸可知，對于尺寸較大的裂紋，脈沖電流處理可以使其長度與寬度明顯減小。據此可以推測，對于尺寸比較小的裂紋，電流處理后可以使之直接被焊合。同時，在沒有裂紋的其他區域通電處理前后基本沒有變化，這說明脈沖電流處理在對裂紋進行修復的同時不會對正常的組織造成破壞。

由此可見，脈沖電流處理可以使含有裂紋的SiCp/2024Al試樣中較小尺寸的微裂紋在極短的時間內完全愈合，并且對較大尺寸的裂紋也有一定的修復作用。同時，由于試樣不含裂紋的區域電阻較小，脈沖電流通過時產生的焦耳熱較少，使得試樣中的正常區域為低溫區，這就保證了試樣的正常區域在進行脈沖電流修復時，其微觀結構和性能基本能夠保持不變。

圖4 脈沖電流處理前后裂紋形貌對比Fig.4 Comparison of cracks’ morphology before and after healing by pulse current

2.2 對含裂紋SiCp/Al板材力學性能的影響

經測試，A、B兩組試樣與原始SiCp/Al板材試樣的機械性能對比如表1所示。圖5為A組試樣和B組試樣的應力-應變曲線對比，其中A3號試樣為SiCp/Al板材在產生4%的預變形后經過脈沖電流處理后再進行單向拉伸的試樣，B3號試樣為SiCp/Al板材在產生4%的預變形后直接進行單向拉伸的試樣。

從A、B兩組試樣的測試結果對比可以看出，預制了裂紋的SiCp/Al板材試樣經過脈沖電流處理以后，試樣的屈服強度明顯降低，抗拉強度也稍有降低，但其延伸率相較于處理前提高了38%，總延伸率也提高了15%。

從屈服強度來看，試樣經過預變形以后，由于晶粒發生滑移、位錯的纏結與塞積、板材內部產生了殘余應力等原因導致了試樣出現了加工硬化的現象，使其屈服強度大幅提高；而當經過脈沖電流處理以后，脈沖電流產生的“電子風力”[2]推動了板材內部的位錯運動，促使板材內部的位錯重新排列，同時，脈沖電流對裂紋的修復作用極大地緩解了板材內部裂紋處的應力集中，大幅降低了預變形產生的殘余應力，這就使得試樣的屈服強度顯著降低，意味著材料更容易發生塑性變形。從延伸率來看，試樣被預制裂紋后，其后續延伸率很低，主要是因為含裂紋的試樣再次加載單向拉應力以后，內部的裂紋會迅速擴大并發展；而含裂紋的試樣經脈沖電流處理以后，脈沖電流對板材內部缺陷的修復作用可以大量減少板材內部的裂紋源，同時也阻礙了裂紋的進一步擴展，因此使得預制裂紋試樣的延伸率大幅提升，意味著材料的塑性變形能力得到了顯著的改善。

表1 拉伸試驗結果Table 1 Results of tensile test

圖5 A3與B3試樣的應力-應變曲線Fig.5 Stress-strain curves of Specimens A3 and B3

這說明，高密度的脈沖電流處理能對含有裂紋的SiCp/Al板材產生較為理想的修復效果，可以明顯提高變形后SiCp/Al板材的塑性，在多道次成形的中間熱處理工藝中有非常大的應用前景。

為了進一步研究脈沖電流處理對SiCp/Al板材裂紋的修復機理，本文采用數值模擬的方法對含有裂紋的SiCp/Al板材通電后的電流場、溫度場和應力場分布進行了數值模擬與分析。

3 SiCp/Al板材裂紋修復的數值模擬

3.1 模擬方法及建模

數值模擬采用Marc Mentat 2012軟件自帶的電-熱-結構耦合分析(Current/Thermal/Structual)進行。采用Marc軟件同時處理電流場、溫度場和應力場3類不同的場方程，從而獲得板材通電后的電流分布、溫度分布和應力分布。

含有裂紋的板材模型及網格劃分如圖6所示。板材模型尺寸設置為240 mm×120 mm，并在其正中央處設置一條4 mm×60 mm的菱形裂紋。模擬中采用的SiCp/Al板材各項材料物性參數如表2所示。由于金屬材料的多項物性參數都與溫度相關，所以在模擬過程中采用的熱傳導系數、導電系數和比熱容等物性參數使用Marc軟件的TABLES定義。

圖6 帶裂紋的板材模型Fig.6 Model for sheet with a crack

表2 SiCp/Al板材的物性參數Table 2 Physical parameters of SiCp/Al sheet

預設物性參數數 值密度/(g·cm-3)2．768屈服強度/MPa150～315泊松比0．282彈性模量/GPa100熱膨脹系數/K-14．3×10-6發射率0．02～0．19熱導率/(W·m-1·K-1)16．71～29．17比熱容/(J·g-1·k-1)2．352～2．568電阻率/(Ω·m)6．5～12．2

3.2 模擬結果與討論

在含有裂紋的SiCp/Al板材兩端通電后，由于裂紋的存在，使得原本均勻的電流場出現極化。在裂紋的尖端處，由于繞流現象的存在使得該處的電流密度急劇上升；而在裂紋的中間部分，由于裂紋的阻隔，出現了一塊電流密度較低的區域。電流場的分布如圖7所示。

電流場的差異分布使得板材不同部位產生的焦耳熱也存在巨大的差異，這將導致板材的溫度場分布也出現極化現象。根據相關文獻的理論推導，含裂紋的薄板通電后在裂紋尖端處的溫度場為[16]

(1)

式中：T0為板材初始溫度；J為脈沖電流的峰值電流密度；a為裂紋的半長；r為距離孔洞或裂紋尖端的距離；λ為材料的熱導率；γ為材料的電導率。由式(1)可知，離裂紋尖端越近的位置溫度越高。

數值模擬也得到了相似的結果，在裂紋尖端附近出現了范圍較小的高溫區，在一定范圍內板材溫度甚至超過了SiCp/Al板材的熔點；而在板材的正常區域，溫度保持在150 ℃以下，如圖8所示。這說明板材在裂紋的尖端可能會發生局部熔化。

同時，由于溫度場不均勻，局部的高溫會在局部地區產生較大的熱膨脹；而板材的正常區域溫度較低，產生的熱膨脹較小，將對高溫區的熱膨脹產生一定的限制。由此產生的熱應力計算公式為[20]

σ(t)=EαΔTmax[θ(t)-l(t)]

(2)

式中：

θ(t)=ΔT(t)/ΔTmax

(3)

l(t)=Δl(t)/Δlmax

(4)

其中：E為彈性模量；α為膨脹系數；ΔTmax為最大溫度變化；ΔT(t)為瞬時溫度變化；Δl(t)為瞬時長度變化；Δlmax為最大長度變化。

由于溫度場不均勻而產生的等效應力云圖如圖9所示。板材正常部位熱應力處于一個較低的水平，而裂紋周圍的應力值可達200 MPa以上。

圖7 通電SiCp/Al板材的電流場分布Fig.7 Distribution of current field of SiCp/Al sheet

圖8 通電SiCp/Al板材的溫度場分布Fig.8 Distribution of temperature field of SiCp/Al sheet

圖9 通電SiCp/Al板材的應力場分布Fig.9 Distribution of stress field of SiCp/Al sheet

脈沖電流放電止裂后裂紋尖端周圍的應力為壓應力。在脈沖電流通過試樣瞬間，由于裂紋的存在，電流在裂紋尖端發生強烈的繞流集中現象，裂紋尖端局部溫度迅速升高到達熔點，而周圍基體溫度變化不大，裂紋前端和周圍其他基體加熱、冷卻速度不一致，在試樣內部產生了很大的溫度梯度，從而導致了由于膨脹和收縮不均勻而產生了熱應力，脈沖電流處理時的升溫速率遠大于隨后的冷卻速率，因而放電過程中形成的壓應力最終保留至室溫狀態。

裂紋尖端熔化的液態金屬在附近的壓應力作用下會往裂紋的中間部分填充，如圖10所示，這對于裂紋的修復來說起到了兩方面的作用：① 熔化的液態金屬被擠入裂紋中部，起到了材料填充修復的作用；② 金屬熔化產生的熔池使得裂紋尖端的曲率半徑迅速增大，可以有效緩解板材再次受力后在裂紋尖端處的應力集中，延緩裂紋的擴展。另外，當裂紋處的熱應力超過材料本身的屈服應力后，裂紋處將會開始發生塑性變形，模擬結果如圖11所示，由此將會使裂紋逐漸變窄。在以上因素的作用下，板材內部較小的裂紋可以直接愈合，較大的裂紋也將被鈍化、壓縮。

圖10 裂紋尖端應力分布Fig.10 Distribution of stress field around crack tip

圖11 裂紋附近板材在電流方向上的位移Fig.11 Displacement in current direction near crack

4 結 論

采用高強度脈沖電流對試樣進行裂紋愈合處理，研究了脈沖電流處理對裂紋尖端的形貌、力學性能的作用規律；采用電-熱耦合和熱-力耦合的分析方法，模擬裂紋尖端的溫度場、應力場分布情況，探討了脈沖電流實現裂紋止裂、愈合的機理，得出如下結論：

1) 通過對比脈沖電流處理前后裂紋的形貌，脈沖電流對SiCp/Al板材的裂紋有明顯的止裂與愈合作用，脈沖電流處理可使裂紋長度縮短20%～40%、平均寬度減小40%左右。

2) 高密度的脈沖電流對含裂紋的SiCp/Al板材具有修復和增塑效果，預變形量為4%的試樣在經過31.25 A/mm2的脈沖電流處理后，延伸率提高了38%。

3) 根據電-熱耦合仿真分析結果，脈沖電流在裂紋前端繞流集中，釋放大量的焦耳熱，使得裂紋尖端局部溫度升高，甚至發生局部熔化，而試樣其他部位的電流密度相對較低，因此，脈沖電流裂紋止裂過程只影響裂紋部位，對無損傷的基體作用很小。

4) 根據了熱-力耦合仿真分析結果，脈沖電流放電瞬間在裂紋前端產生了強大的熱應力，應力值可達200 MPa以上。在試樣冷卻后，裂紋前端的殘余應力場呈現為壓應力，該應力場保證了裂紋止裂效果的長期有效性。

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EffectofhighdensitypulsecurrentonhealingofcracksofSiCp/Alcomposites

YIZhuoxun,LAIXiaoming,WANGBo*,ZHANGJiabo

BeijingSpacecrafts,ChinaAcademyofSpaceTechnology,Beijing100094,China

InordertosolvetheproblemthatSiCp/Alcompositesislowinplasticityandpronetocrack,SpecimensofSiCp/Alcompositeswithdrawingcracksareusedtoperformhealingexperimentbyhighdensity(31.25A/mm2)pulsecurrenttreating.Afterpre-crackingwithmechanicaltensileatroomtemperature,theScanningElectronMicroscope(SEM)figuresofthecrackstakenbeforeandafterthehealingarecompared.Theeffectsofpulsecurrenttreatingonthemechanicalpropertiesarestudied.Experimentalresultsshowthatthelocalclosure,thedecreaseinwidthandlocalmeltingaroundthecracktipareobservedafterahighdensitypulsecurrentwasappliedtoaspecimen.Thespecificelongationofthespecimenwiththecrackincreasesby38%afterhealing.Basedonthecoupledcurrent-thermal-structuraltheory,anumericalsimulationmethodisproposedtostudytheelectriccurrentfield,thetemperaturefieldandthestressfieldaroundthecrackoftheSiCp/Alsheet.Basedontheresultsofnumericalsimulation,themechanismofhealingcrackwithpulsecurrentisstudiedtoprovidesomefoundationforapplicationofhighdensitypulsecurrenthealingtechniques.

SiCp/Alcomposites;crackhealing;pulsecurrent;elongation;numericalsimulation

2017-02-28；Revised2017-04-18；Accepted2017-07-03；Publishedonline2017-07-201554

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10.7527/S1000-6893.2017.221197

V461

A

1000-6893(2017)11-221197-08

2017-02-28；退修日期2017-04-18；錄用日期2017-07-03；< class="emphasis_bold">網絡出版時間

時間：2017-07-201554

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易卓勛, 賴小明, 王博, 等. 高密度脈沖電流對SiCp/Al板材裂紋的修復作用J. 航空學報，2017,38(11):221197.YIZX,LAIXM,WANGB,etal.EffectofhighdensitypulsecurrentonhealingofcracksofSiCp/AlcompositesJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2017,38(11):221197.

(責任編輯：徐曉)