等徑角擠扭變形過(guò)程中純鋁粉末材料的顯微組織與力學(xué)性能

王曉溪， 李 萍， 薛克敏， 王 雪， 張 翔

(合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥230009)

近年來(lái)，隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展，涌現(xiàn)出了許多新型的結(jié)構(gòu)和功能材料。塊體超細(xì)晶材料(Ultrafine grained materials，UFG)因具有獨(dú)特的物理和力學(xué)性能，逐漸引起了廣泛的關(guān)注和研究?？傮w來(lái)說(shuō)，塊體超細(xì)晶材料的制備技術(shù)可分為兩大類，即“自上而下”細(xì)化法與“自下而上”合成法。其中，以前者中的大塑性變形法(Severe plastic deformation，SPD)最為常見(jiàn)和典型［1～4］。

等徑角擠扭(Equal channel angular pressin and torsion，ECAPT)是在等徑角擠壓(Equal channel angular pressing，ECAP)和擠扭(Twist extrusion，TE)基礎(chǔ)上發(fā)展而成的一種新型復(fù)合大塑性變形工藝［5～8］。該工藝綜合了ECAP和TE兩種變形的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)在傳統(tǒng)ECAP模具的水平段型腔內(nèi)加工出螺旋狀型槽，可在不改變?cè)嚇訖M截面形狀和尺寸的前提下，增加變形材料內(nèi)部的靜水壓力和單道次的應(yīng)變量。因此，在材料可加工性能允許的條件下，試樣的多道次重復(fù)變形成為可能，晶粒細(xì)化程度和變形均勻性均能得到顯著的改善。然而，由于ECAPT工藝變形過(guò)程十分復(fù)雜，且模具加工制造難度較大，目前有關(guān)該工藝的系統(tǒng)研究，國(guó)內(nèi)外鮮有報(bào)道。

傳統(tǒng)的粉末塑性加工技術(shù)由于變形溫度較高且工序繁瑣，往往伴有材料的高溫氧化和晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象，很難制備出高致密度和性能優(yōu)良的塊體材料。相反，利用大塑性變形過(guò)程中所提供的高靜水壓力和大剪切變形，可使粉末材料基體發(fā)生均勻變形的同時(shí)內(nèi)部孔隙得到有效的收縮［9～13］。這對(duì)于以粉末材料為原料，合成和制備高性能的塊體超細(xì)晶材料提供了一種新途徑。

為此，本工作在200℃條件下對(duì)純鋁粉末進(jìn)行了4道次ECAPT變形實(shí)驗(yàn)研究。在組織性能測(cè)試分析的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了ECAPT變形過(guò)程中微觀組織和力學(xué)性能的演變情況，并探討分析了ECAPT變形的晶粒細(xì)化機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用純鋁粉末的主要成分(Mass fraction/%)為:Fe＜0.6，Cu＜0.05，Si＜0.3，其余為Al。原始純鋁粉末顆粒呈近球形，其在掃描電鏡下的形貌如圖1所示。采用激光粒度測(cè)試儀測(cè)得粉末的平均粒徑約為40.6μm。

為避免變形過(guò)程中擠壓材料被污染，同時(shí)提高粉末材料的塑性變形能力，選用致密純鋁作為包套材料，并配以相應(yīng)尺寸的包套塞子。

圖1 純鋁粉末顆粒的SEM形貌Fig.1 SEM micrograph of pure Al particles

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

ECAPT模具結(jié)構(gòu)如圖2所示。模具內(nèi)角為90°，外角為37°，橫截面旋轉(zhuǎn)角為90°，橫截面尺寸為10mm×10mm，螺旋通道長(zhǎng)度為15mm。采用A路徑(相鄰道次間試樣位置不發(fā)生旋轉(zhuǎn))對(duì)純鋁粉末-包套進(jìn)行4道次等溫?cái)D壓，變形溫度為200℃，變形速率為1mm/s。為減小變形過(guò)程中的摩擦，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用MoS2進(jìn)行潤(rùn)滑。

1.3 測(cè)試分析

變形結(jié)束后，線切割去除外部包套。從變形坯料中心部位切取若干個(gè)試樣進(jìn)行測(cè)試分析。

EBSD樣品取自試樣橫截面(X)，經(jīng)機(jī)械拋光后再進(jìn)行電解拋光，以消除試樣表面的氧化層和應(yīng)力層。拋光液成分為20mL高氯酸+180mL無(wú)水乙醇，拋光電壓為20V，拋光時(shí)間為20～35s。采用JSM-7001F熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡配備的SEMEBSD系統(tǒng)進(jìn)行EBSD測(cè)試分析。測(cè)試時(shí)，樣品臺(tái)相對(duì)于入射電子的傾角為70°。根據(jù)各變形條件下晶粒形貌和尺寸的不同，將線掃描區(qū)域的面積分別設(shè)定為100μm×80μm(步長(zhǎng)為0.2μm)和60μm× 40μm(步長(zhǎng)為0.15μm)。測(cè)試結(jié)束后，采用EDAXOIM軟件包對(duì)所測(cè)得的相關(guān)晶體學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

圖2 ECAPT工藝示意圖Fig.2 Schematic of ECAPT processing

平行于試樣橫截面(X)切割0.5mm厚的薄片，將TEM樣品機(jī)械減薄至80μm后沖成φ3mm的小圓片，再進(jìn)行雙噴減薄。電解液為硝酸甲醇溶液(3∶7)，電解電壓為12～15V，電流控制在35～50mA，溫度為-30℃。采用JEM-2100F透射電子顯微鏡對(duì)不同變形條件下的微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，測(cè)試電壓為200kV。

采用MH-3型顯微維氏硬度計(jì)分別測(cè)試變形試樣三個(gè)不同平面上(X，Y和Z面)的顯微硬度，施加載荷為25g，加載時(shí)間為10s。每個(gè)試樣至少測(cè)量10個(gè)硬度值，取其算術(shù)平均值。

室溫下采用排水法對(duì)不同變形道次下的試樣進(jìn)行相對(duì)密度測(cè)試，檢測(cè)試樣的體積約為2cm3。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 EBSD晶粒圖

200℃下，純鋁粉末材料順利地完成了4道次ECAPT變形，各道次變形試樣表面均未觀察到裂紋、拉裂等缺陷的存在。

圖3為1道次和4道次ECAPT變形組織的晶粒圖，每種顏色僅代表一個(gè)獨(dú)立的晶粒(即晶界之間的取向差大于15°)，并不包含任何晶粒取向分布的信息。圖4分別給出了不同變形道次下晶界的取向差分布圖。

可以看出，1道次ECAPT變形后，純鋁粉末顆粒之間固結(jié)良好，材料的致密程度得到了有效改善。組織主要由拉長(zhǎng)的條帶狀晶粒和細(xì)小的等軸狀晶粒組成，為典型的混晶組織，且沿某一方向具有明顯的剪切變形特征。晶粒的大小和分布很不均勻，平均晶粒尺寸約為5.20μm。圖5a的結(jié)果表明變形晶粒多為小角度晶界取向，大角度晶界所占的比例較小。

材料經(jīng)4道次ECAPT變形后，晶粒的形貌和尺寸均發(fā)生顯著變化。變形組織中的條帶狀晶?；鞠?，形成了大量均勻分布的等軸狀晶粒。晶粒尺寸十分細(xì)小，平均晶粒尺寸約為1.67μm。由圖5b的晶界取向差統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可知，隨著變形道次的增加，大角度晶界數(shù)目不斷增多，晶粒逐漸由小角度晶界向大角度晶界轉(zhuǎn)變。4道次的變形組織以大角度晶界為主，晶粒間的平均取向差為28.36°。

2.2 TEM形貌

為了進(jìn)一步地觀察ECAPT變形過(guò)程中材料內(nèi)部位錯(cuò)、亞晶及大角度晶界等微觀結(jié)構(gòu)，圖5分別給出了1道次和4道次變形組織的TEM形貌。

圖5 各道次變形組織的TEM形貌 (a)1道次;(b)4道次Fig.5 TEM microstructures of samples after ECAPT for 1 pass(a)and 4 passes(b)

可以看出，1道次ECAPT變形后，由于劇烈的塑性剪切作用，組織表現(xiàn)出了明顯的剪切變形特征。晶粒多呈細(xì)長(zhǎng)的條帶狀，內(nèi)部含有許多高密度的位錯(cuò)線，它們大量堆積、相互纏結(jié)，組態(tài)分布十分紊亂，逐漸形成了位錯(cuò)胞等低能亞結(jié)構(gòu)。同時(shí)，部分晶粒內(nèi)部開(kāi)始出現(xiàn)一些破碎的細(xì)小亞晶。此時(shí)，變形組織以小角度取向的胞狀組織和亞晶結(jié)構(gòu)為主，沿剪切方向具有擇優(yōu)取向。

與此不同的是，4道次ECAPT變形后，材料的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的改變。變形組織逐漸趨于均勻，基本由大量細(xì)小、等軸的再結(jié)晶晶粒組成，最小晶粒尺寸可達(dá)0.5μm。仔細(xì)觀察還可以發(fā)現(xiàn)，4道次變形組織中的位錯(cuò)數(shù)目大幅減少，晶內(nèi)比較干凈，晶界平直清晰，晶粒間的位向差多為大角度晶界。

2.3 力學(xué)性能

圖6顯示了ECAPT變形試樣不同平面上顯微硬度隨擠壓道次的變化情況。

由圖6可知，最初的兩個(gè)道次變形，試樣各個(gè)平面的顯微硬度急劇升高。其中，X面和Y面的增幅均達(dá)到極值，分別為9.74%和9.61%。三道次變形后，顯微硬度仍在繼續(xù)增加，但增長(zhǎng)速率逐漸變緩，此時(shí)Z面增幅最大，達(dá)到了12.9%。當(dāng)ECAPT變形至四道次時(shí)，試樣各個(gè)平面的顯微硬度均略有下降，但整體變化不大，基本維持在50.2kg/mm2左右。與此同時(shí)，變形的均勻性有所提高。這表明隨著擠壓道次的增加，試樣的硬度數(shù)值已逐漸趨于飽和。

圖6 不同變形道次下試樣X(jué)，Y和Z面上的顯微硬度值Fig.6 Microhardness on X，Y and Z planes of the samples after different passes of ECAPT

圖7為不同ECAPT變形道次下，試樣的平均相對(duì)密度結(jié)果?？梢钥闯?，ECAPT工藝對(duì)粉體材料的致密效果十分明顯，1道次ECAPT變形后，試樣的平均相對(duì)密度高達(dá)0.946。隨著擠壓道次的增加，材料的致密程度進(jìn)一步增大，但增長(zhǎng)幅度逐漸減小。4道次變形后，組織已基本達(dá)到完全致密，平均相對(duì)密度高達(dá)0.998。

圖7 不同變形道次下試樣的平均相對(duì)密度Fig.7 Average relative density of samples after different passes of ECAPT

3 分析與討論

從上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，200℃下純鋁粉末經(jīng)4道次ECAPT變形后，材料組織在有效致密和細(xì)化的同時(shí)，力學(xué)性能也得到了大幅改善。這一變化特征與材料的變形方式密切相關(guān)。

如前所述，本次實(shí)驗(yàn)中ECAPT模具內(nèi)角為90°，通道橫截面旋轉(zhuǎn)角為90°，擠壓變形路徑為A。因此，由于螺旋通道的旋轉(zhuǎn)作用，每道次變形結(jié)束后試樣的空間位置相對(duì)于前一道次沿同一方向旋轉(zhuǎn)了90°，該條件下的剪切變形特征如圖8所示，圖中標(biāo)示的粗線清楚地顯示了每道次變形后剪切平面位置的變化。

圖8 ECAPT變形A路徑剪切平面示意圖Fig.8 The slip systems viewed on three planes for consecutive ECAPT passes using route A

純鋁為面心立方結(jié)構(gòu)金屬，主要滑移系為{111}〈110〉，塑性變形主要是{111}面上的位錯(cuò)滑移。從圖8可以看出，由于模具轉(zhuǎn)角和螺旋通道的剪切及旋轉(zhuǎn)作用，各道次ECAPT過(guò)程中試樣剪切平面的位置不斷發(fā)生這樣改變，這有利于加快位錯(cuò)交滑移過(guò)程進(jìn)行。因此，4道次ECAPT變形后，試樣在各個(gè)方向上都受到了剪切作用，晶粒細(xì)化效果十分明顯。與此同時(shí)，這種特殊的取向關(guān)系還進(jìn)一步促進(jìn)了亞晶的轉(zhuǎn)動(dòng)，使得小角度亞晶界間的位向差不斷增大，最終形成了具有大角度晶界結(jié)構(gòu)的等軸超細(xì)晶組織。

圖9給出了A路徑下ECAPT變形過(guò)程中的晶粒細(xì)化模型，其中d為亞晶帶的寬度［14］。

圖9 ECPAT變形A路徑下材料的晶粒細(xì)化過(guò)程示意圖Fig.9 Grain refinementmodel during ECAPT processing via route A(a)1 pass;(b)2 passes;(c)4 passes;(d)after 4th pass

變形初期，由于ECAPT工藝劇烈的剪切變形作用，材料內(nèi)部取向有利的晶粒率先開(kāi)動(dòng)滑移系，形成了大量沿剪切方向?qū)挾葹閐的條帶狀晶粒，如圖9a所示。部分晶粒由于位錯(cuò)堆積、晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)等原因，隨后開(kāi)動(dòng)其他滑移系。位錯(cuò)交滑移過(guò)程使得不同滑移方向上的變形晶粒交織在一起，分割出了許多新的界面結(jié)構(gòu)，晶粒長(zhǎng)度明顯減小，但寬度基本保持不變(圖9b)。一方面，晶粒內(nèi)部大量的位錯(cuò)不斷地堆積、纏結(jié)和交割，形成了位錯(cuò)界面(即位錯(cuò)胞)。隨著變形量的增大，位錯(cuò)胞數(shù)量不斷增加，位錯(cuò)組態(tài)發(fā)生了變化，由晶內(nèi)運(yùn)動(dòng)到了晶界，并逐漸演變成為亞晶界等結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致亞晶尺寸繼續(xù)減小。另一方面，由于變形溫度(200℃)十分有利，組織中較高的形變儲(chǔ)存能以及變形過(guò)程中的熱效應(yīng)促進(jìn)了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生［15］，從而使得整體位錯(cuò)密度大大減低。同時(shí)，由于變形過(guò)程中相鄰晶粒間的相互作用，晶粒還要不斷發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，因此晶粒間的取向差不斷增大，小角度晶界進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成為大角度晶界。此時(shí)，條帶狀晶?；鞠?，晶粒不斷被新形成的界面重新分割，形狀更加趨于等軸，尺寸顯著細(xì)化(圖9c)。分析認(rèn)為，組織在這一轉(zhuǎn)變過(guò)程中發(fā)生了連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。變形后期，由于晶粒尺寸較小，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的平均自由程不斷減小，晶內(nèi)位錯(cuò)很容易被已經(jīng)形成的大角度晶界所吸收，因而不會(huì)繼續(xù)在晶粒內(nèi)部重新形成新的界面。于是，組織內(nèi)部位錯(cuò)的產(chǎn)生與湮滅達(dá)到了一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，晶粒細(xì)化達(dá)到了極限，尺寸基本不再變化，但晶粒間的取向差仍會(huì)進(jìn)一步增大。因此，4道次ECAPT變形后，材料組織主要由如圖9d所示的細(xì)小的等軸再結(jié)晶晶粒組成，其尺寸由最初形成的亞晶帶的寬度d決定。

ECAPT變形后材料力學(xué)性能的提高主要可從三個(gè)方面進(jìn)行解釋，即組織致密、細(xì)晶強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化。在劇烈剪切變形和強(qiáng)大靜水壓力的雙重作用下，一方面，原始粉末材料內(nèi)部孔隙有效地收縮和閉合，顆粒之間形成了良好的固結(jié)界面，力學(xué)性能有了一定程度的改善。另一方面，由于變形初期晶粒細(xì)化程度不斷增大，組織中晶界所占的比例較高，晶格畸變能較大，位錯(cuò)和晶界的運(yùn)動(dòng)將受到很大的阻力，從而導(dǎo)致材料變形抗力增大，硬度增幅明顯。隨著變形的繼續(xù)進(jìn)行，位錯(cuò)數(shù)目不斷增多，從而發(fā)生了位置重排和相互抵消。同時(shí)，由于晶界很容易地堆積、吸收和湮滅位錯(cuò)，使得位錯(cuò)密度維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平，應(yīng)變硬化和材料軟化達(dá)到了平衡。因此，變形后期，材料硬度增幅變緩。4道次ECAPT變形后硬度出現(xiàn)略微下降的現(xiàn)象主要?dú)w結(jié)于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象所造成的材料軟化。

4 結(jié)論

(1)200℃下，純鋁粉末材料經(jīng)4道次A路徑ECAPT變形后，組織獲得了顯著的致密和細(xì)化效果，力學(xué)性能大幅提高。

(2)1道次ECAPT變形后，試樣的平均顯微硬度和相對(duì)密度分別為50.2kg/mm2和94.6%。變形組織內(nèi)部含有許多高密度的位錯(cuò)，出現(xiàn)了大量的剪切變形帶。晶粒的大小和分布很不均勻，主要由拉長(zhǎng)的條帶狀晶粒和細(xì)小的等軸狀晶粒組成，平均晶粒尺寸約為5.20μm，但多為小角度晶界取向。

(3)隨著變形道次的增加，晶粒尺寸不斷減小，形狀逐漸趨于等軸。亞晶在繼續(xù)細(xì)化的同時(shí)發(fā)生了旋轉(zhuǎn)合并，晶粒間取向差不斷增大，小角度晶界進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成為了大角度晶界。該過(guò)程可認(rèn)為發(fā)生了連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。4道次ECAPT變形后，組織由呈大角度晶界分布的細(xì)小等軸再結(jié)晶晶粒組成，最小晶粒的尺寸可達(dá)0.5μm。

(4)ECAPT變形過(guò)程中，晶粒的細(xì)化機(jī)制主要為機(jī)械剪切、應(yīng)變累積和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶三者的綜合作用。ECAPT變形后，粉末材料力學(xué)性能的提高與組織致密、細(xì)晶強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化等因素密切相關(guān)。

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