等通道轉角擠壓變形（ECAP）對Al-Mg-Si合金的性能影響

鐘益平

（上海云鑄三維科技有限公司，上海 201109）

目前，鋁鎂硅合金生產的擠壓鋁材料約為三分之二[1，2]。Mg在0.35%wt～1.4%wt范圍內，Si在0.3%%wt～1.3%wt范圍內，隨著傳統鋁鎂硅合金中的鎂和硅含量增加在二者的比例維持不變的情況下，硬質化合物Mg2Si相會隨之增加，所以鎂和硅的含量會限制在小的范圍內，漢字狀或骨架狀的Mg2Si由于其強度高和多尖角對基體的切割很大[3]。

由于內部的切割是使其結果不再均勻，就會使合金的強度和韌性產生變差的影響，其應用就會受到限制。因此能過使第二相減少或彌散就會抑制擠壓過程中晶粒的生長[4]，這對提高合金的力學性能來說是十分重要的。等通道轉角擠壓技術（ECAP）是通過大塑性變形原理，細化合金晶粒，提高合金的綜合性能。擠壓相對其他擠壓方法具有理想純剪切變形、擠壓均勻性變形、強烈的塑性變形、操作簡單污染少等優勢，ECAP變形已廣泛的應用在工業領域、新一代生物醫療領域等。本文選取Al-Mg-Si系鋁合金，對不同路徑開展不同道次試驗，并對其力學性能與微觀組織進行研究。

1 實驗方法

本試驗選取的材料為Al-Mg-Si系合金，使用純鋁、純鎂與純硅以及Al-4.77%Er中間合金。進行熔煉，相應的化學成分如表1所示。最終將試樣加工成直徑11mm，長45mm的圓柱。

本試驗選用為YR81-500T海綿鈦專用液壓機，此壓力機公稱力為5000KN，其工進下程的速度為2.5mm/s～7mm/s，故選取500t的YR81-500T海綿鈦專用液壓機。同時選擇沒有起偏角的模具，其等通道通路的尺寸為12mm，兩通道間的夾角φ=90°，外接過渡圓弧角ψ=0°。

由于實驗為大塑性變形，在擠壓過程中會產生較大的摩擦力，所以對要進行擠壓的試樣、沖頭以及模具內壁均涂上潤滑劑，以達到盡可能減小摩擦的作用。將涂有潤滑劑的試樣放入模具的入口通道中，在室溫下進行勻速擠壓。擠壓道次分別為1道次A路徑、1道次Bc路徑、1道次C路徑、2道次A路徑、2道次Bc路徑、2道次C路徑、3道次A路徑、3道次Bc路徑、3道次C路徑。

2 鋁合金室溫ECAP的組織演變及其對力學性能的研究

2.1 ECAP后形貌的變化

圖2 各路徑各道次顯微硬度比較圖

由圖1可看出，經過一道次的擠壓后，試樣較之前的小圓柱形態發生了明顯的變化，產生了一部分舌頭和舌尾。隨著經過不轉動放入角度的A路徑，外形較一道次擠壓后基本不發生改變，只是較之前一道次擠壓后的試樣產生了更大的舌頭和舌尾，再經過不轉動放入角度的A路徑擠壓后完成三道次，理論上試樣會產生較之前更大的舌頭和舌尾，但由于實際擠壓時，擠壓件在擠壓時，沖頭擠壓到出件位置時，該試件未能正常取出，所以選擇在放入一個試件將原試件擠出，所以該經過三道次A路徑擠壓后的試件，成上圖形貌；經過一道次擠壓后的試樣順時針轉動90°放入模具進行擠壓得出Bc路徑二道次擠壓件，該試件較一道次擠壓出的試件，沒有產生更大的舌頭和舌尾；將擠出件再順時針轉動九十度，放入模具擠壓后得到Bc路徑三道次試件，該路徑擠壓出的試件，所產生的舌頭和舌尾都沒有發生明顯的大小變化；經過一道次擠壓后的試樣轉動180°放入模具進行擠壓得出C路徑二道次擠壓件，因為放入的試樣較之前轉動了180°，所以產生的舌頭和舌尾較之前經過一道次的試樣發生了較小的變化，三道次之后的舌頭和舌尾與二道次基本大小無區別。

2.2 不同ECAP擠壓路徑對顯微硬度的影響

表2為不同路徑不同道次的顯微硬度值和與其對應的折線圖（圖2）。可知，原始試件經過一次等通道轉角擠壓后硬度從50.64HV增加到74.21HV，每個路徑隨著道次的增加硬度都有所增加，二道次A路徑硬度為86.99HV，Bc路徑硬度為85.54HV，C路徑硬度為85.92HV；三道次A路徑硬度為88.72HV，Bc路徑硬度為81.92HV，C路徑硬度為86.17HV。由數據可知經過二道次擠壓后A路徑的硬度最大，C路徑次之，再為B路徑，三道次擠壓后B路徑硬度最高，A路徑次之，再為C路徑。其中由首次經過等通道轉角擠壓后硬度增加的尤為明顯，之后隨著路徑的增加硬度都有所增加。經過三道次的擠壓后性比沒作擠壓之前大概增加了75%左右。

表2 各道次各路徑的硬度值

2.3 不同ECAP擠壓路徑對組織的影響

圖3 為Al-Mg-Si系合金經過不同路徑ECAP后的微觀組織照片，放大倍數為500倍。

圖3 不同路徑各道次顯微微觀組織

圖4 室溫ECAP不同道次后C路徑后的力學性能

從圖3中可以發現，經過二道次擠壓后的試件與經過一道次擠壓后的試件相比，Si顆粒發生了明顯的細化和彌散，由較大的黑顆粒形態轉變成較小的黑顆粒形態，由于其內部組織的變化由大顆粒的形態轉化成小顆粒均勻彌散在組織中，使其強度能夠得到些許的增加；同樣經過二道次擠壓后的試件與經過一道次擠壓后的試件相比，其中的Mg2Si相也發生了較為明顯的彌散和細化。整體上通過二道次擠壓后的試樣比經過一道次的試樣，一道次金相上的組織形態較為集中，而經過二道次后的組織形態，就呈現出較為分布均勻的形態；在二道次C路徑中能較為明顯的看到被拉長的晶粒。而三道次擠壓后試樣的顯微組織形態較二道次后的相比，基本沒有較大的Si顆粒存在在組織中，Mg2Si相也被細化彌散在晶界中，晶粒也較之前的組織有了細化的現象。

可以明顯的發現經過兩道次擠壓后的合金相比經過一道次的合金，合金中的Si顆粒和Mg2Si中間相發生了較為明顯的碎化細化和彌散；經過三道次的擠壓后，合金中的Si顆粒已經發生明顯的碎化細化，Mg2Si相也被細化彌散在晶界中，且內部晶粒也產生了細化。

2.4 不同ECAP擠壓路徑對力學性能的影響

圖4為該合金經過不同ECAP工藝下的室溫力學性能測試結果。從圖中可以看出，未經過等通道轉角擠壓之前的試樣，經MMS-100熱力模擬實驗機壓縮后，其屈服強度隨著壓縮比的增加，發生了先增大后減小的趨勢，其屈服強度峰值大概在370MPa左右，平均屈服強度大概在200MPa左右；經過一道次的擠壓后，整體屈服強度有了極為明顯的增加；一道次后的試樣在熱力模擬實驗機壓縮時，其屈服強度隨著壓縮比的增加，發生了先增加后減小的走勢，其屈服強度峰值大概在650MPa左右，平均屈服強度大概在550MPa左右；而經過三道次C路徑擠壓后的強度發生了明顯的下降且趨于平穩，其屈服強度隨著壓縮比的增加，發生了穩定增加的形勢，其屈服強度峰值大概在200MPa左右，平均屈服強度大概在190MPa左右。經過一道次擠壓后，材料屈服強度較處理前有較大幅度的提高，但經過三道次C路徑的擠壓后屈服強度較一道次發生了降低。

3 結論

（1）等通道轉角擠壓后硬度增加的尤為明顯，材料屈服強度較處理前有較大幅度的提高，之后隨著路徑的增加硬度都有所增加。

（2）二道次擠壓后比經過一道次組織形態較為集中，經二道次后組織形態，呈現出較為分布均勻的形態。三道次擠壓后試樣的顯微組織形態較二道次后的相比，晶粒有了細化的現象。

（3）Al-Mg-Si 合金在室溫下經 ECAP 擠壓處理后，其組織發生劇烈塑性變形，隨著道次的增加其內部組織發生了明顯的細化，Si顆粒和Mg2Si相分布的更加彌散，晶粒更加細化，組織更加均勻。