純鋁粉末材料單道次等徑角擠扭變形的微觀組織

李 萍，王曉溪，薛克敏，張 翔，王 雪

(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，以粉末材料為原料，利用大塑性變形技術(shù)(Severe plastic deformation，SPD)制備塊體超細(xì)晶材料在國內(nèi)外得到了廣泛的關(guān)注和研究[1?6]。通過對變形材料施加外力作用，使其發(fā)生劇烈的塑性剪切變形，可在不改變試樣形狀和尺寸的前提下，實(shí)現(xiàn)粉體材料的組織致密、晶粒細(xì)化和性能提高。得益于SPD方法所提供的強(qiáng)剪切變形和高靜水壓力，粉末材料一般可在較低的變形溫度和較小的擠壓載荷下完成變形。因此，該方法從根本上避免了傳統(tǒng)粉末冶金工藝由于變形溫度較高而造成的材料氧化、晶粒長大、致密程度不高以及強(qiáng)度韌性較差等缺點(diǎn)，從而為有效快速地固結(jié)和制備出組織細(xì)化且性能優(yōu)良的塊體致密材料提供了一種較為可行的新途徑。

等徑角擠扭[7](Equal channel angular pressing and torsion，ECAPT)是在等徑角擠壓(Equal channel angular pressing，ECAP)和擠扭(Twist extrusion，TE)兩種工藝基礎(chǔ)上發(fā)展而成的一種新型復(fù)合大塑性變形工藝，由本課題組于2009年首次開發(fā)提出。該工藝對傳統(tǒng)的ECAP模具進(jìn)行了改進(jìn)，在其水平段型腔內(nèi)加工出一段螺旋狀型槽。因此，坯料可以經(jīng)過一次擠壓，同時(shí)完成兩次劇烈剪切，使得變形材料的應(yīng)變累積效果和變形均勻性均得到有效改善。

然而，由于 ECAPT工藝起步較晚，且變形過程較為復(fù)雜，至今尚未引起足夠的重視，其大規(guī)模的應(yīng)用和研究受到了一定限制。本課題組的前期研究大多數(shù)集中在數(shù)值模擬和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)方面[8?10]，對于粉末材料在變形過程中的微觀結(jié)構(gòu)特征和晶粒細(xì)化機(jī)制仍缺乏全面、系統(tǒng)和正確的認(rèn)識(shí)。為此，本文作者在自行設(shè)計(jì)的 ECAPT模具上，對純鋁粉末材料進(jìn)行了 200℃條件下的單道次 ECAPT變形實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合 EBSD和 TEM 等相關(guān)測試結(jié)果，深入分析試樣變形組織微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，初步探討材料在單道次 ECAPT變形過程中的晶粒細(xì)化機(jī)制，以期為后續(xù)的多道次變形實(shí)驗(yàn)提供理論基礎(chǔ)和現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)以工業(yè)純鋁粉末為原料，其主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：Fe(＜0.6%)，Cu(＜0.05%)，Si(＜0.3%)，其余為Al。圖1所示為純鋁粉末顆粒的SEM像。由圖1可以看出，純鋁粉末顆粒多呈近圓球形，表面光滑，尺寸大小不一，但整體分布較為均勻，未出現(xiàn)明顯的顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象。采用Mastersizer 2000型激光粒度分析儀對純鋁粉末進(jìn)行粒度測定，測算出其初始顆粒的平均尺寸為40.6 μm。

圖1 純鋁粉末顆粒的SEM像Fig.1 SEM image of pure Al particles

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

為提高粉末材料的塑性變形能力，同時(shí)避免材料在 ECAPT變形過程中被污染，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，如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)前將松散的純鋁粉末顆粒裝入包套內(nèi)，并使其具有一定的初始緊實(shí)度(約為75%)。實(shí)驗(yàn)用ECAPT模具主要參數(shù)如下：內(nèi)角φ=90°，外角 φ=37°，螺旋通道長度L=15 mm，橫截面旋轉(zhuǎn)角α=90°，通道截面尺寸10 mm×10 mm。采用溫壓成形工藝以提高純鋁粉末的可加工性，變形溫度為200 ℃，擠壓道次為1，擠壓速度約為1 mm/s。ECAPT變形初始時(shí)刻，試樣在模具中的位置如圖2所示。為減小變形過程中試樣與模壁之間的摩擦，采用MoS2作為全程潤滑劑。

圖2 粉末材料ECAPT變形示意圖Fig.2 Schematic diagram of ECAPT powder

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，線切割去除試樣外部包套材料。從變形材料中心部位切取材料，制備成各種規(guī)格的檢測分析樣品。采用4XB?TV型光學(xué)顯微鏡、JSM?7001F型熱場發(fā)射掃描電鏡和 JEM?2100F型場發(fā)射透射電鏡分別對變形材料的晶粒形貌和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，使用SEM?EBSD系統(tǒng)中的EDAX?OIM軟件包對變形組織的晶體學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列定量分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 ECAPT變形過程分析

200 ℃條件下，純鋁粉末?包套順利完成單道次ECAPT變形。變形后的試樣表面完好，未觀察到裂紋等缺陷的出現(xiàn)。

圖3所示為ECAPT變形前后試樣的宏觀實(shí)物對比照片。由圖3可以看出，ECAPT變形時(shí)，試樣在模具轉(zhuǎn)角和螺旋通道兩處(如圖中箭頭所示)發(fā)生了劇烈的剪切變形。由于模具內(nèi)部型腔的約束限制以及通道內(nèi)壁的摩擦效應(yīng)，試樣的外形在變形后發(fā)生了改變，表面出現(xiàn)了許多流線狀的“擠痕”。此外，受材料上下端面金屬流動(dòng)速度差異的影響，變形后的試樣頭尾端部均產(chǎn)生了近似于平行的斜面。與此同時(shí)，包套中的純鋁粉末顆粒在剪切力作用下累積了大量的塑性應(yīng)變，組織得到了有效的固結(jié)和細(xì)化。

圖3 ECAPT變形前后試樣宏觀實(shí)物圖Fig.3 Macrographs of billets before and after ECAPT

為了更加清楚地研究 ECAPT變形過程中變形組織的演變情況，選取如圖3所示的3個(gè)不同的變形區(qū)域(區(qū)域①為壓制階段，區(qū)域②為ECAP變形階段，區(qū)域③為ECAPT變形階段)進(jìn)行跟蹤觀察。圖4所示為單道次ECAPT變形后試樣不同部位的光學(xué)顯微組織。由圖4可以明顯看出，變形材料的內(nèi)部組織直接取決于其變形特征，ECAPT工藝極大地促進(jìn)了粉末材料的致密和細(xì)化過程。

區(qū)域①的材料處于粉末壓制變形階段。在擠壓沖頭的外力作用下，變形材料內(nèi)部類似于復(fù)壓狀態(tài)，產(chǎn)生了較高的靜水壓力。純鋁粉末顆粒發(fā)生了相對滑動(dòng)和位置重排，大多數(shù)顆粒之間相互接觸。但由于塑性變形量較小，材料內(nèi)部仍然含有大量的微孔隙?；w組織變化不大，晶粒近似呈等軸狀，大小和分布都不均勻。

區(qū)域②的材料通過了模具轉(zhuǎn)角，完成了ECAP變形。在劇烈的剪切作用力下，變形材料內(nèi)部形成了大量的剪切變形帶，晶粒細(xì)化明顯，多呈條帶狀分布。此外，由于螺旋通道的反向背壓作用，加之200 ℃有利的變形條件，粉末顆粒之間充分接觸，基體材料在不斷被細(xì)化的同時(shí)致密效果明顯，殘余孔隙的大小和數(shù)目大大減少。

區(qū)域③的材料經(jīng)歷了螺旋通道的二次剪切作用，變形程度最為劇烈。在旋轉(zhuǎn)和剪切的雙重作用下，晶粒形狀更加狹長，尺寸進(jìn)一步減小。同時(shí)，由于變形材料內(nèi)部累積了較大的塑性變形能，粉末顆粒內(nèi)部、粉末顆粒與顆粒之間均得到了有效固結(jié)。單道次ECAPT變形結(jié)束后，光學(xué)顯微鏡下已很難觀察到孔隙的存在。

對比圖4(b)和(c)可以發(fā)現(xiàn)，ECAPT工藝在提高粉末材料的組織致密效果和晶粒細(xì)化程度方面較 ECAP工藝有著明顯的優(yōu)勢。

從上述的分析可以看出，ECAPT工藝下粉末材料的致密過程與傳統(tǒng)的粉末燒結(jié)工藝存在較大差別[11]。粉末燒結(jié)致密成形的過程較為緩慢，主要機(jī)理為擴(kuò)散機(jī)制，通常需要在較長的時(shí)間和較高的溫度下(一般高于0.8tm(tm為金屬的熔點(diǎn)溫度))才能進(jìn)行，且坯料常含有一定量的殘余孔隙，很難達(dá)到完全致密。相反地，ECAPT大塑性變形時(shí)，強(qiáng)大的剪切力作用和有利的壓應(yīng)力狀態(tài)使得原始粉末顆粒的形狀和大小發(fā)生了改變，通過顆粒的不斷破碎、細(xì)化和旋轉(zhuǎn)，顆粒與顆粒之間在充分接觸的同時(shí)得到了有效固結(jié)。因此，只需較低的變形溫度和較短的變形時(shí)間，粉末顆粒之間便可以形成良好的固結(jié)。

圖4 不同變形區(qū)域的光學(xué)顯微組織Fig.4 Optical microstructures of cross-section of deformed billet under different deformation stages

2.2 EBSD晶粒尺寸及取向分析

為了進(jìn)一步定量地觀察和獲取有關(guān)變形組織晶粒形貌、晶粒尺寸及晶粒取向分布的信息，對 1道次ECAPT變形組織進(jìn)行了EBSD測試分析。

圖5所示為1道次ECAPT試樣組織的EBSD取向成像圖。圖中不同的襯度代表著不同的晶粒取向分布，其中晶粒間位向差為大角度晶界的結(jié)構(gòu)(＞15°)以粗黑線進(jìn)行了標(biāo)示。

圖5 變形組織的EBSD取向成像圖Fig.5 EBSD orientation maps of ECAPT sample after single pass

從圖5中可以看出，1道次ECAPT變形后，晶粒尺寸和分布很不均勻。變形組織為典型的混晶組織，主要由粗大的條帶狀晶粒和細(xì)小的等軸狀晶粒組成，沿剪切方向具有明顯的擇優(yōu)取向。晶界呈極不規(guī)則的彎曲狀，原始晶界附近出現(xiàn)了許多被大角度晶界所包圍的細(xì)小晶粒，但在一些粗大晶粒的內(nèi)部仍可觀察到較多的小角度晶界，它們將粗晶粒分割成許多個(gè)細(xì)小的亞晶粒。

圖6所示為變形組織的晶粒尺寸和晶界取向差柱狀分布圖。由圖6可以看出，經(jīng)1道次ECAPT變形后，雖然材料內(nèi)部還存在一些粗大晶粒(f＜20%(f為晶粒尺寸和晶界取向差出現(xiàn)的概率)，d為10～18 μm)，但整體細(xì)化效果十分顯著，平均晶粒尺寸約為5.20 μm。其中，晶界在5°～15°附近的分布出現(xiàn)峰值，表明 ECAPT變形過程中新產(chǎn)生的晶界首先以亞晶界或取向差很小的小角度晶界出現(xiàn)，這與晶粒內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

圖6 變形組織的晶粒尺寸和晶界取向差分布圖Fig.6 Grain size distribution (a)and histograms of misorientation angles (b)of ECAPT sample after single pass

進(jìn)一步觀察圖6(b)可以發(fā)現(xiàn)，此時(shí)材料內(nèi)部已開始出現(xiàn)一些具有大角度晶界結(jié)構(gòu)的晶粒，但總體來說，亞晶界和小角度晶界所占比例依然較高。

圖7所示為1道次ECAPT變形后組織在{111}面上的極圖。需要說明的是，由于EBSD測試樣品取自試樣橫截面，且觀測部位為中心圓柱狀粉體區(qū)域，很難辨別其在宏觀坐標(biāo)系內(nèi)的方向。因此，此處{111}極圖上并未標(biāo)明法向(ND)和橫向(TD)。從圖7可以看出，1道次ECAPT變形后，晶粒在外力作用下表現(xiàn)出了較為規(guī)則的聚集狀態(tài)。組織內(nèi)部沿剪切方向形成了明顯的擇優(yōu)取向，基本呈均勻、對稱的排列分布，其中主要以A-type({111}〈112〉)和兩種剪切織構(gòu)為主[12?14]。

2.3 TEM微觀結(jié)構(gòu)分析

圖8所示為純鋁粉末材料在1道次ECAPT變形過程中幾種典型的TEM像。

由圖8可以看出，由于ECAPT劇烈的塑性變形，材料內(nèi)部產(chǎn)生了大量近似平行的剪切變形帶，晶粒被剪切拉長形成細(xì)長的條帶狀(圖8(a))，內(nèi)部開始出現(xiàn)一些破碎的亞晶，但這些亞晶界之間的取向差相對較小。仔細(xì)觀察還可以發(fā)現(xiàn)，變形晶粒內(nèi)部位錯(cuò)密度較高，組態(tài)分布紊亂。大量的位錯(cuò)堆積、纏結(jié)在一起，形成了由位錯(cuò)界面構(gòu)成的亞結(jié)構(gòu)即位錯(cuò)胞(圖8(b))，從而導(dǎo)致晶界面積大大增加。在某些局部區(qū)域，位錯(cuò)重新排列形成了具有小角度結(jié)構(gòu)的鋸齒狀亞晶界(圖8(c))。此時(shí)，變形組織主要以胞狀組織和亞晶結(jié)構(gòu)為主，具有明顯的方向性。

圖7 1道次ECAPT變形后組織在{111}面上極圖Fig.7 {111} pole figure of ECAPT sample after single pass

此外，強(qiáng)烈的剪切變形使得組織內(nèi)部能量急劇升高；加之200 ℃的溫度條件十分有利，使得位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)速率和和范圍進(jìn)一步增大，從而極大地促進(jìn)了動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生。由于組織中的位錯(cuò)出現(xiàn)了不均勻分布，在某些晶粒內(nèi)部率先出現(xiàn)了位錯(cuò)的“多邊形化”效應(yīng)，部分亞晶不斷地通過破碎、細(xì)化和旋轉(zhuǎn)，優(yōu)先演變成為了具有大角度結(jié)構(gòu)的等軸細(xì)小晶粒(圖8(d))。其中，最小晶粒尺寸可達(dá)0.5 μm左右。

仔細(xì)觀察還可以發(fā)現(xiàn)，晶界處出現(xiàn)了明暗相間且平行于晶界邊緣的等厚條紋(圖8(d))，這是由于晶界上厚度的變化是連續(xù)的，因而，衍射強(qiáng)度將隨不同位置的晶體厚度而異。

綜上所述，200 ℃下純鋁粉末材料單道次ECAPT變形的晶粒細(xì)化機(jī)制可從如下 3個(gè)方面來進(jìn)行解釋[15?16]：首先，ECAPT變形所提供的大剪切變形和高靜水壓力使得粉體材料得到了迅速而有效的固結(jié)；其次，通過機(jī)械剪切在材料內(nèi)部形成了大量的剪切變形帶，造成了晶粒的不斷破碎和細(xì)化，產(chǎn)生了許多具有小角度晶界結(jié)構(gòu)的亞結(jié)構(gòu)；最后，有利的變形溫度和較高的變形儲(chǔ)存能使得變形材料出現(xiàn)了動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，部分亞晶優(yōu)先演變成為了具有大角度晶界結(jié)構(gòu)的等軸超細(xì)晶粒。

3 結(jié)論

1)ECAPT工藝對于粉末材料具有強(qiáng)烈的致密和細(xì)化效果。經(jīng)1道次ECAPT變形，材料基本達(dá)到完全致密，晶粒細(xì)化效果明顯，平均晶粒尺寸約為 5.2 μm。

2)1道次ECAPT變形后，材料內(nèi)部晶粒尺寸分布很不均勻，位錯(cuò)密度較高且組態(tài)紊亂，亞晶界和小角度晶界所占比例較高。變形組織內(nèi)部形成了明顯的擇優(yōu)取向，沿剪切方向呈現(xiàn)出較為均勻的對稱分布，以A-type({111}〈112〉)和兩種剪切織構(gòu)為主。

3)200 ℃條件下，純鋁粉末材料單道次 ECAPT變形過程中，晶粒的顯著細(xì)化主要得益于材料組織所承受的劇烈剪切變形和內(nèi)部所累積的大量有效應(yīng)變。

[1]NAGASEKHAR A V, TICKHON Y, RAMAKANTH K S.Mechanics of single pass equal channel angular extrusion of powder in tubes[J].Applied Physics A, 2006, 85(2)∶ 185?194.

[2]KARAMAN I, HAOUAOUI M, MAIER H J.Nanoparticle consolidation using equal channel angular extrusion at room temperature[J].J Mater Sci, 2007, 42(5)∶ 1561?1576.

[3]XIA K, WU X, HONMA T, RINGER S P.Ultrafine pure aluminium through back pressure equal channel angular consolidation (BP-ECAC)of particles[J].J Mater Sci, 2007,42(5)∶ 1551?1560.

[4]PAYDAR M H, REIHANIAN M, BAGHERPOUR E,SHARIFZADEH M, ZARINEJAD M, DEAN T A.Equal channel angular pressing— forward extrusion (ECAP?FE)consolidation of Al particles[J].Materials & Design, 2009, 30(3)∶429?432.

[5]李 萍, 薛克敏, 周明智.鋁粉燒結(jié)材料等通道轉(zhuǎn)角擠壓組織性能演變[J].材料研究學(xué)報(bào), 2006, 23(6)∶ 577?581.LI Ping, XUE Ke-min, ZHOU Ming-zhi.Microstructure and properties evolution and mechanism analysis of sintered powder aluminum powder during equal channel angular pressing[J].Chinese Journal of Materials Research, 2009, 23(6)∶ 577?581.

[6]ELKHODARY K I, SALEM H G, ZIKRY M A.Equal channel angular pressing of canned 2124-Al compacts∶ Processing,experiments, and modeling[J].Metallurgical and Materials Transactions A, 2008, 39(9)∶ 2184?2192.

[7]WANG Xiao-xi, XUE Ke-min, LI Ping, WU Zhan-li, LI Qi.Equal channel angular pressing and torsion of pure Al powder in tubes[J].Advanced Materials Research, 2010, 97/101∶1109?1115.

[8] 王曉溪, 薛克敏, 李 萍, 王 成, 張 翔.螺旋通道長度對純鋁粉末多孔材料等徑角擠扭變形的影響[J].塑性工程學(xué)報(bào),2010, 17(6)∶ 97?102.WANG Xiao-xi, XUE Ke-min, LI Ping, WANG Cheng, ZHANG Xiang.Effect of length of twist channel on porosities of pure aluminum powder during equal channel angular pressing and torsion[J].Journal of Plasticity Engineering, 2010, 17(6)∶97?102.

[9] 王曉溪, 薛克敏, 李 萍, 張 翔, 王 成.含有殘余試樣的等徑角擠扭變形工藝研究[J].中國機(jī)械工程, 2011, 22(8)∶976?979.WANG Xiao-xi, XUE Ke-min, LI Ping, ZHANG Xiang, WANG Cheng.Deformation behavior of equal channel angular pressing and torsion with retained samples[J].China Mechanical Engineering, 2011, 22(8)∶ 976?979.

[10]薛克敏, 吳戰(zhàn)立, 李 萍, 王曉溪, 賈建磊.純鋁等徑角擠扭新工藝數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究[J].中國機(jī)械工程, 2010, 21(12)∶1485?1489.XUE Ke-min, WU Zhan-li, LI Ping, WANG Xiao-xi, JIA Jian-lei.Simulation and experimental research on a new technique named equal channel angular pressing and torsion[J].China Mechanical Engineering, 2010, 21(12)∶ 1485?1489.

[11]KUBOTA M, WU X, XU W, XIA K.Mechanical properties of bulk aluminum consolidated from mechanically milled particles by back pressure equal channel angular pressing[J].Materials Science and Engineering A, 2010, 527(24/25)∶ 6533?6536.

[12]TERHUNE S D, SWISHER D L, OH-ISHI K, HORITA Z,LANGDON T G, MCNELLEY T R.An investigation of microstructure and grain-boundary evolution during ECA pressing of pure aluminum[J].Metallurgical and Materials Transactions A, 2002, 33(7)∶ 2173?2184.

[13]KAWASAKI M, HORITA Z, LANGDON T G.Microstructural evolution in high purity aluminum processed by ECAP[J].Materials Science and Engineering A, 2009, 524(1/2)∶ 143?150.

[14]SUWAS S, MASSION R A, TóTH L S, FUNDENBERGER J J,BEAUSIR B.Evolution of texture during equal channel angular extrusion of commercially pure aluminum∶ Experiments and simulations[J].Materials Science and Engineering A, 2009,520(1/2)∶ 134?146.

[15]IWAHASHI Y, HORITA Z, NEMOTO M, LANGDON T G.An investigation of microstructural evolution during equal-channel angular pressing[J].Acta Mater, 1997, 45∶ 4733?4741.

[16]XU C, FURUKAWA M, HORITA Z, LANGDON T G.Principles of grain refinement in processing by ECAP[J].Ultrafine Grained Materials IV, 2006∶ 11?16.