基于ECAP原理對(duì)金屬材料擠壓及固結(jié)工藝的研究

（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。擠壓過程中，試樣在壓力作用下向下運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過兩通道的交截面時(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，變形過程施加背壓可有效抑制變形過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過程中先通過轉(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，但仍舊存在一定問題：BP-ECAP、FE-ECAP、ECAP-FE等工藝所制得塊體材料長度有限；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ECAP發(fā)展方向。