攪拌摩擦裂紋修復(fù)過(guò)程熱塑性材料流動(dòng)分析

王 磊，許 良，馬少華，周 松(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) a.機(jī)電工程學(xué)院,.航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110136)

攪拌摩擦裂紋修復(fù)過(guò)程熱塑性材料流動(dòng)分析

王 磊a,b，許 良a,b，馬少華a,b，周 松b
(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) a.機(jī)電工程學(xué)院,b.航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110136)

針對(duì)預(yù)制裂紋的2A12鋁合金板，采用攪拌摩擦的方法對(duì)裂紋進(jìn)行修復(fù)，研究了修復(fù)過(guò)程熱塑性材料的流場(chǎng)分布及修復(fù)區(qū)微觀組織。結(jié)果表明，由于攪拌頭的摩擦與攪拌作用，導(dǎo)致熱塑性材料對(duì)裂紋間隙進(jìn)行填補(bǔ)，經(jīng)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后使裂紋得到修復(fù)。熱塑性材料總體流動(dòng)趨勢(shì)為漩渦狀，修復(fù)區(qū)前進(jìn)側(cè)和返回側(cè)的熱塑性材料呈非對(duì)稱流動(dòng)。修復(fù)件從表面開(kāi)始向下依次分布修復(fù)核心區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)、熱影響區(qū)和母材，不同區(qū)域由于經(jīng)歷不同的熱循環(huán)和攪拌頭機(jī)械作用，導(dǎo)致顯微組織的顯著差異。

攪拌摩擦修復(fù)；裂紋；鋁合金；流場(chǎng)；微觀組織

機(jī)械產(chǎn)品的壽命與可靠性是我國(guó)裝備制造業(yè)亟需解決的問(wèn)題[1-4]，而材料或結(jié)構(gòu)中對(duì)壽命危害最大的損傷或缺陷是裂紋，裂紋往往具有多發(fā)性、突發(fā)性和重復(fù)性，并能在載荷作用下逐步擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的可靠性與安全性[5-7]。

金屬材料一旦出現(xiàn)宏觀尺度的裂紋，往往是無(wú)法自動(dòng)修復(fù)的。傳統(tǒng)的力學(xué)與材料學(xué)理論認(rèn)為金屬的斷裂是一個(gè)不可逆的熱力學(xué)過(guò)程，但在某種外加能量輸入的前提下，有可能實(shí)現(xiàn)裂紋的愈合修復(fù)，這種現(xiàn)象早在20世紀(jì)70 年代就被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)[8]，而能量的形式可以是熱、電、聲、光或機(jī)械功等。

雖然裂紋修復(fù)的方法多種多樣，但修復(fù)效果還不盡如人意。Hosoi[9]等人通過(guò)在疲勞裂紋尖端施加高密度電流發(fā)現(xiàn)裂紋出現(xiàn)閉合，但是修復(fù)后的裂紋擴(kuò)展速率只是在剛施加電流之后降低，隨著載荷的持續(xù)，裂紋擴(kuò)展速率與未修復(fù)試樣基本相當(dāng)。Murray[10]等人則對(duì)電火花加工造成的表面裂紋施加電子束輻照使裂紋愈合，但是在表面會(huì)形成對(duì)腐蝕環(huán)境敏感的凹坑。中科院金屬所的盧柯團(tuán)隊(duì)[11]提出了一種利用電化學(xué)修復(fù)裂紋的新方法，但在裂紋中部的修復(fù)界面處發(fā)現(xiàn)了孔洞。其他諸如激光熔敷、焊接、黏接與補(bǔ)板等方法則或多或少存在修復(fù)成本大、修復(fù)質(zhì)量差、裂紋反復(fù)出現(xiàn)等缺點(diǎn)。

本文基于攪拌摩擦加工技術(shù)[12-14]，通過(guò)設(shè)計(jì)特殊的攪拌摩擦修復(fù)工具，借助其摩擦與頂鍛作用使裂紋附近的材料達(dá)到熱塑性狀態(tài)，利用修復(fù)工具的旋轉(zhuǎn)與攪拌作用帶動(dòng)熱塑性材料流動(dòng)轉(zhuǎn)移與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶[15-16]，實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋處的填補(bǔ)修復(fù)，并針對(duì)修復(fù)過(guò)程熱塑性材料流動(dòng)與填補(bǔ)缺陷間隙的過(guò)程展開(kāi)試驗(yàn)與仿真分析，修復(fù)過(guò)程如圖1所示。

圖1 修復(fù)過(guò)程示意圖

1 實(shí)驗(yàn)材料與過(guò)程

實(shí)驗(yàn)材料采用4 mm厚的2A12-T4航空鋁合金板，用線切割預(yù)制深1 mm表面長(zhǎng)直裂紋，沿修復(fù)試樣垂直裂紋截面開(kāi)槽添加銅箔作為示蹤材料，之后進(jìn)行攪拌摩擦修復(fù)試驗(yàn)，修復(fù)工具為內(nèi)置環(huán)行凹槽的無(wú)針攪拌頭。利用SEM觀測(cè)裂紋尖端熱塑性材料填補(bǔ)裂紋間隙，同時(shí)通過(guò)FlLUENT對(duì)修復(fù)過(guò)程流場(chǎng)進(jìn)行建模仿真。利用相同的修復(fù)工具對(duì)多種顏色橡皮泥進(jìn)行攪拌摩擦修復(fù)，模擬修復(fù)過(guò)程熱塑性材料流動(dòng)狀態(tài)，最后采用光學(xué)顯微鏡和EBSD觀察修復(fù)區(qū)微觀組織。

2 結(jié)果與分析

圖2為SEM觀察的裂紋修復(fù)尖端熱塑性材料分布。從圖2a、 圖2b可發(fā)現(xiàn)，熱塑性材料填補(bǔ)裂紋間隙基本上有兩種過(guò)程，一是由于攪拌頭的進(jìn)給導(dǎo)致的熱塑性材料受擠壓沿進(jìn)給方向向前流動(dòng)，如圖2c所示，同時(shí)由于攪拌頭的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)周圍熱塑性材料進(jìn)入裂紋間隙，如圖2d所示。兩種作用的綜合導(dǎo)致熱塑性材料對(duì)裂紋間隙的填補(bǔ)，熱塑性材料經(jīng)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋的填補(bǔ)修復(fù)。

圖3為FLUENT攪拌摩擦修復(fù)熱塑性材料流場(chǎng)仿真結(jié)果，由于內(nèi)置環(huán)行凹槽的攪拌頭摩擦旋轉(zhuǎn)和機(jī)械攪拌作用，熱塑性材料總體流動(dòng)趨勢(shì)為漩渦狀，熱塑性材料有向軸肩中心流動(dòng)的趨勢(shì)，這種現(xiàn)象在用橡皮泥進(jìn)行流場(chǎng)模擬時(shí)也可觀察到，如圖4所示。從圖3還可以看出軸肩外緣材料流動(dòng)速率最大，整個(gè)流動(dòng)區(qū)域稍大于軸肩直徑；隨著距試樣表面深度的增加，熱塑性材料流動(dòng)速率下降，如圖3b。圖3c為修復(fù)方向垂直的橫截面熱塑性材料流場(chǎng)分布，大部分位于軸肩凹槽中心附近的材料隨著攪拌頭的旋轉(zhuǎn)向上流動(dòng)，這部分材料向阻力小的方向流動(dòng)，逐漸流向軸肩外緣[17]，而位于熱機(jī)影響區(qū)及其附近的材料由于軸肩的頂鍛作用，有向下方流動(dòng)的趨勢(shì)。

從圖3和圖5可以看出，修復(fù)區(qū)前進(jìn)側(cè)和返回側(cè)的熱塑性材料呈非對(duì)稱流動(dòng)，前進(jìn)側(cè)軸肩進(jìn)給與旋轉(zhuǎn)速度同向，所以大部分熱塑性材料沿進(jìn)給方向流動(dòng)；而返回側(cè)材料由于軸肩進(jìn)給與旋轉(zhuǎn)速度方向相反，導(dǎo)致熱塑性材料流動(dòng)較前進(jìn)側(cè)紊亂，向前流動(dòng)的材料和向后流動(dòng)的材料相互交織，使得后退側(cè)出現(xiàn)更多沿縱向深度方向流動(dòng)的材料，如圖3d所示。這種非對(duì)稱的材料流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致顯微組織的非對(duì)稱分布，最終影響其機(jī)械性能。

圖2 熱塑性材料填補(bǔ)裂紋空隙過(guò)程

圖3 修復(fù)過(guò)程流場(chǎng)分布

圖4 橡皮泥旋渦狀流動(dòng)

圖5 示蹤材料流動(dòng)分析

圖6為修復(fù)件微觀組織，區(qū)別于攪拌摩擦焊接頭，修復(fù)件從表面開(kāi)始向下依次分布修復(fù)核心區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)、熱影響區(qū)和母材，如圖6a所示。不同區(qū)域由于經(jīng)歷不同的熱循環(huán)和攪拌頭機(jī)械作用，導(dǎo)致顯微組織的顯著差異。圖6b為修復(fù)核心區(qū)微觀組織，可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)劇烈的熱機(jī)耦合作用，粗大的晶粒動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形成細(xì)小的等軸晶均勻分布于修復(fù)核心區(qū)；圖6c為修復(fù)核心區(qū)和熱機(jī)影響區(qū)交界，可以看到兩個(gè)區(qū)域不同尺寸晶粒的連續(xù)變化，晶粒尺寸由修復(fù)核心區(qū)向熱機(jī)影響區(qū)逐漸變大；圖6d為熱機(jī)影響區(qū)晶粒，由于受到較小的熱循環(huán)和攪拌頭機(jī)械作用，應(yīng)變率不足以使粗大晶粒產(chǎn)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，只是受攪拌頭機(jī)械作用產(chǎn)生沿旋轉(zhuǎn)方向的伸長(zhǎng)變形。

圖6 修復(fù)區(qū)微觀組織

3 結(jié)論

利用攪拌摩擦的方法成功實(shí)施了含裂紋2A12鋁合金板的修復(fù)，利用試驗(yàn)和仿真相結(jié)合的手段研究了修復(fù)過(guò)程熱塑性流場(chǎng)及微觀組織分布，得到主要結(jié)論如下。

(1)熱塑性材料填補(bǔ)裂紋間隙的過(guò)程基本上有兩種：一是攪拌頭的進(jìn)給導(dǎo)致的熱塑性材料受擠壓沿進(jìn)給方向向前流動(dòng)；二是攪拌頭的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)周圍熱塑性材料進(jìn)入裂紋間隙，當(dāng)攪拌頭經(jīng)過(guò)之后，熱塑性材料冷卻再結(jié)晶，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋的填補(bǔ)修復(fù)。

(2)熱塑性材料總體流動(dòng)趨勢(shì)為漩渦狀，軸肩外緣材料流動(dòng)速率最大。隨著距試樣表面深度的增加，熱塑性材料流動(dòng)速率下降，大部分位于軸肩凹槽中心附近的材料隨著攪拌頭的旋轉(zhuǎn)向上流動(dòng)，而位于熱機(jī)影響區(qū)及其附近的材料由于軸肩的頂鍛作用，有向下方流動(dòng)的趨勢(shì)。修復(fù)區(qū)前進(jìn)側(cè)和返回側(cè)的熱塑性材料呈非對(duì)稱流動(dòng)。

(3)修復(fù)件從表面開(kāi)始向下依次分布修復(fù)核心區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)、熱影響區(qū)和母材。修復(fù)核心區(qū)粗大的晶粒動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形成細(xì)小的等軸晶，晶粒尺寸由修復(fù)核心區(qū)向熱機(jī)影響區(qū)逐漸變大，熱機(jī)影響區(qū)晶粒沿?cái)嚢桀^旋轉(zhuǎn)方向伸長(zhǎng)變形。

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(責(zé)任編輯：吳萍 英文審校：唐亮)

Flow pattern analysis of thermoplastic materials during friction stir crack repairing process

WANG Leia,b,XU Lianga,b,MA Shao-huaa,b,ZHOU Songb
(a.College of Mechanical and Electrical Engineering,b.Key Laboratory of Fundamental Science for National Defense of Aeronautical Digital Manufacturing Process,Shenyang Aerospace University Shenyang 110136,China)

Friction stir repairing method was adopted in this paper to repair pre-cracked 2A12 aluminum alloy plates,and the flow pattern of thermoplastic material and microstructures of repaired specimens were analyzed.The results showed that thermoplastic material could fill up the crack gap because of the friction and-stirring actions of the repairing tool,and finally healed the crack through dynamic recrystallization.The flow pattern of thermoplastic material was like a vortex and asymmetric in advancing and retreating sides.The repaired specimen could be divided into repairing core zone,thermo mechanical affected zone,heat affected zone and base material,and these zones exhibited remarkably different microstructures because of different thermal cycles and mechanical action caused by the repairing tool.

friction stir repairing;crack;aluminum alloy;flow field;microstructure

2016-12-29

國(guó)家自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號(hào)：51405309)；遼寧省自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號(hào)：2015020183)

王 磊(1981-)，男，江蘇徐州人，副教授，博士，主要研究方向：航空材料與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，E-mail：leiwang@sau.edu.cn。

2095-1248(2017)02-0044-05

TG146

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2017.02.008