脈沖電流在塑性加工中的應(yīng)用

王國峰，李 驍，李丹峰，張凱鋒

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

在塑性加工領(lǐng)域，向材料中引入電流是一個研究熱點(diǎn)。根據(jù)電流作用階段的不同，可將該技術(shù)分為兩類：一類是在成形前通電，成形時斷電，利用電流對材料進(jìn)行加熱，自阻加熱沖壓成形是其典型應(yīng)用；另一類是在成形過程中通入電流，電致塑性使材料的塑性變形能力提高、流變應(yīng)力下降，如電致塑性軋制等。電流只對板料加熱，改變了常規(guī)加熱過程對板料和模具整體加熱的影響，提高了能源利用率；同時，電流加熱速度快，提高了成形效率。電流與材料相互作用，降低了材料的變形抗力，有利于塑性變形。因此，電流輔助熱成形在理論和生產(chǎn)中都取得了長足發(fā)展。

圖1 電子輻照Zn單晶拉伸Fig.1 Zinc crystals irradiated with accelerating electrons and tensile test

電流在材料塑性加工中的宏觀效應(yīng)

在塑性加工過程中引入電流以后，學(xué)者們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了多種傳統(tǒng)加工過程中未出現(xiàn)過的現(xiàn)象。電流輸入以后，材料呈現(xiàn)了電致塑性效應(yīng)、極性效應(yīng)和止裂效應(yīng)。材料工作者對這些現(xiàn)象展開了系統(tǒng)的研究。

1 電致塑性效應(yīng)

19世紀(jì)，美國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了電流促進(jìn)原子運(yùn)動的現(xiàn)象[1]，這是人類首次發(fā)現(xiàn)金屬材料會受到電流的作用。1963年，前蘇聯(lián)學(xué)者Troitskii在試驗(yàn)中同樣發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象。圖1是試驗(yàn)的示意圖，結(jié)果顯示，鋅單晶在電子輻照下進(jìn)行塑性變形時，流變應(yīng)力有所降低；同時，當(dāng)電子束方向與滑移面（0001）平行時，流變應(yīng)力降低幅度更大，塑性變形能力有明顯的提高[2]。

北京航空制造工程研究所Zhao等[3]利用自阻加熱的方法對Ti6Al4V合金進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。與無電流相比，通入電流后，材料的屈服強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均下降，而壓縮率提高，并且隨著電壓的增大，變化幅度逐漸變大。

北京航空制造工程研究所在電致塑性模型的建立方面也做了有效的工作。張寧等[4]利用1420鋁鋰合金進(jìn)行了電流輔助拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明，影響1420鋁鋰合金的單向拉伸曲線的因素包括應(yīng)變速率、脈沖電流頻率和電流密度等，據(jù)此推導(dǎo)并提出了鋁鋰合金的電致塑性單向拉伸時的電致塑性本構(gòu)模型：

圖2 高能脈沖電流處理前后壓縮率、抗壓強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的變化Fig.2 Variations of compression elongation, compressive strength and yield stress before and after applying high-energy electro-pulses

圖3 通電條件下金屬球壓縮Fig.3 Current-assisted compression test of metal ball

圖4 脈沖電流輔助超塑成形裝置示意圖Fig.4 Diagram of setup of electrically assisted super-plastic forming

式中：K為強(qiáng)度系數(shù)，m為應(yīng)變速率敏感指數(shù)，n為應(yīng)變硬化指數(shù)，I為脈沖電流密度（A·mm-2），f為脈沖電流頻率（Hz），a和b分別為常數(shù)。

Kuang等[5]為驗(yàn)證電致塑性效應(yīng)，在同等條件下，將AZ31鎂合金電塑性軋制和傳統(tǒng)軋制的結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)電塑性軋制后的板材軋制累積真實(shí)應(yīng)變值（-1.09）小于傳統(tǒng)軋制下的板材的軋制累積真實(shí)應(yīng)變?yōu)椋?0.24），同時電塑性軋制板材軋后沒有裂紋，而傳統(tǒng)軋制工藝軋后板中有裂紋，因此認(rèn)為均勻性的變形和動態(tài)再結(jié)晶效應(yīng)引發(fā)了該試驗(yàn)中呈現(xiàn)的電致塑性效應(yīng)，并由此提出了“孿晶-剪切帶-動態(tài)再結(jié)晶”的電塑性軋制中的組織演變模型。

2 極性效應(yīng)

隨著研究的深入，研究人員發(fā)現(xiàn)電流方向?qū)Σ牧纤苄宰冃蔚男袨橐泊嬖谥绊?。Stephen在文中引用Boiko等[6]的論文，用金屬球做壓縮試驗(yàn)，如圖3所示。

在兩塊平行板之間放入一個直徑為20mm的金屬球，兩塊板再分別連通正負(fù)極，在金屬板上施加壓力，金屬球變形。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，球體與正負(fù)極平板的接觸區(qū)面積存在差異，說明此時不只有機(jī)械力作用，研究者認(rèn)為該現(xiàn)象證明了電致塑性的存在。對Cu單晶球，正極的接觸面積更大，而對于W，負(fù)極的接觸區(qū)面積更大。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)李超等[7-8]在電流脈沖輔助AZ31鎂合金超塑成形的過程中也發(fā)現(xiàn)了極性效應(yīng)的存在，其裝置如圖4所示。利用脈沖電流產(chǎn)生的焦耳熱將輕合金板材迅速加熱到可以發(fā)生超塑成形的溫度，通入氣體進(jìn)行自由脹形工藝研究。

圖5為傳統(tǒng)方法和脈沖電流輔助兩種方法生產(chǎn)的非細(xì)晶態(tài)AZ31鎂合金板材試樣截面，結(jié)果表明圖5（a）中試件高徑比為0.40，圖5（b）中試樣高徑比為0.48，說明電流提高了材料的超塑性能。通過對比傳統(tǒng)方法和脈沖電流輔助成形生產(chǎn)的零件的輪廓，發(fā)現(xiàn)后者的頂端偏向了電源的正極。這種現(xiàn)象可以用電子風(fēng)力理論解釋，如圖6所示，由于電子風(fēng)力的影響，使試件的頂端輪廓向正極方向偏移。

3 止裂效應(yīng)

脈沖電流在改善材料裂紋缺陷時，首先會抑制裂紋的擴(kuò)展，在一定條件下，裂紋會實(shí)現(xiàn)焊合。在導(dǎo)電薄板內(nèi)通入電流，內(nèi)部裂紋尖端短時間內(nèi)聚集了大量熱，有學(xué)者認(rèn)為是該電磁熱效應(yīng)使裂紋不再進(jìn)一步發(fā)展[9-10]。Parton等[11]在試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了電流抑制裂紋擴(kuò)展的現(xiàn)象。當(dāng)脈沖電流在金屬薄板中遇到裂紋時，會發(fā)生繞流[12]，如圖7所示，裂紋尖端的電流密度增加，尖端迅速熔化成洞，尖端的鈍化抑制了裂紋的擴(kuò)展。

SiCp/2024Al復(fù)合材料板材試樣在單向拉伸載荷作用下[13]，增強(qiáng)體與基體的結(jié)合處脫粘，形成微裂紋。圖8為脈沖電流處理前后SEM觀察的試樣中微裂紋的形貌。結(jié)果顯示，在采用高強(qiáng)脈沖電流處理后的SiCp/2024Al復(fù)合材料板材試樣中，微裂紋的尖端發(fā)生了明顯的鈍化，抑制了裂紋進(jìn)一步發(fā)展的趨勢。雖然微裂紋的中部沒有完全愈合，但是其寬度已經(jīng)明顯減小。當(dāng)裂紋寬度減小到一定值，在電流引發(fā)的熱壓應(yīng)力作用下，就可能實(shí)現(xiàn)完全愈合。

圖5 AZ31鎂合金兩種方法脹形試件對比Fig.5 Cross-section graphs of non-finegrained AZ31 magnesium alloy samples

圖6 電子風(fēng)力對成形件形狀的影響Fig.6 Schematic diagram of the free bulging profile impacted by electrons wind force during electrically assisted forming

圖7 材料中電流在裂紋處繞流Fig.7 Crack arrest mechanism

圖8 預(yù)變形SiCp/2024Al板材在脈沖電流處理前后微裂紋形貌Fig.8 Micro-cracks of pre-deformed SiCp/2024Al sheet before and after electro-pulse treating

電流在材料塑性加工中的微觀效應(yīng)

在塑性加工過程中，電流對材料的影響不僅體現(xiàn)在宏觀效應(yīng)，在材料的組織演變方面也有影響。李超等[14]指出在非細(xì)晶商業(yè)AZ31鎂合金板材的電流輔助超塑氣脹試驗(yàn)中，電流通過“電子風(fēng)力”強(qiáng)化了位錯滑移、擴(kuò)散蠕變和晶界的滑動等超塑變形的主要變形機(jī)理，同時AZ31鎂合金的原始板材和變形時的位錯纏結(jié)及晶界處的塞積現(xiàn)象得以改善。電子風(fēng)力被認(rèn)為是電流輔助超塑性自由脹形下，提高高徑比的根本原因。超塑自由脹形件的透射電鏡圖片如圖9所示。

電流也會對復(fù)合材料的組織形貌產(chǎn)生影響。圖10是劉涇源[15]在電流作用下利用SiCp/Al進(jìn)行的試驗(yàn)示意圖，由于SiC是半導(dǎo)體顆粒，自由電子較鋁基體少，在濃度梯度的作用下，一部分電子從鋁基體中轉(zhuǎn)移到界面處SiC一側(cè)，鋁基體一側(cè)帶正電，界面處形成內(nèi)電場，且兩個電場寬度一致。當(dāng)材料通入電流時，電場方向如圖10（b）所示，與外加電場方向一致的內(nèi)電場的寬度會變窄，另一個則相反。

圖9 工業(yè)態(tài)AZ31鎂合金板材超塑性自由脹形件Fig.9 TEM images of commercial AZ31 alloy formed under different peak current densities

圖10 SiCp/Al復(fù)合材料中界面處的電子轉(zhuǎn)移Fig.10 Electron transfer between aluminium matrix and SiCp particles in SiCp/Al composite material

圖11 自阻加熱沖壓示意圖Fig.11 Stamping of high-tensile steel using resistance heating

電流在材料塑性加工中的應(yīng)用

在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展、資源約束日漸趨緊的今天，航空制造領(lǐng)域中先進(jìn)材料，尤其是輕質(zhì)合金的精密成形的效率和成本始終是影響新材料和設(shè)計(jì)工藝方案研發(fā)的重要因素。由于電流通過金屬材料能夠產(chǎn)生焦耳熱和電致塑性等效應(yīng)，可以提高加熱效率和成形效率，在熱沖壓、軋制、沖裁及拉拔等領(lǐng)域都有應(yīng)用。

1 熱沖壓技術(shù)

日本學(xué)者M(jìn)ori等[16]提出的自阻加熱沖壓方法。如圖11所示，所用板材為超高強(qiáng)度鋼SPFC980Y，短時間內(nèi)就可加熱至所需的成形溫度，極大地提高了加熱效率；由于升溫時間短，氧化也有所減少；并且未對模具進(jìn)行加熱，能源的利用率也大大提高。

與自阻加熱成形相比，電流輔助成形，即在成形過程中依然通有電流，表現(xiàn)出更明顯的優(yōu)勢。吳雪松[17]采用電流輔助成形的方法加工了細(xì)長結(jié)構(gòu)件，如圖12所示。材料為DP1180高強(qiáng)鋼。結(jié)果顯示，該方法生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)件表面質(zhì)量良好無劃痕，沒有明顯裂紋出現(xiàn)，酸洗后表面質(zhì)量很好，成形后各處厚度均勻，無明顯減薄，成形質(zhì)量滿足實(shí)際工程要求。

圖12 高強(qiáng)鋼細(xì)長結(jié)構(gòu)件Fig.12 High-strength steel slender structure parts

圖13 脈沖電流輔助熱拉深成形的零件Fig.13 Pulse current auxiliary thermal deep-drawn sample

圖14 電流輔助沖裁和自阻加熱沖裁的裝置示意圖Fig.14 Schematic diagram of an experimental set-up for EA blanking and RH blanking

圖15 沖裁力與電流密度關(guān)系Fig.15 Blanking load as a function of the electric current density

哈爾濱工業(yè)大學(xué)王博[13]在做拉深試驗(yàn)時也引入了電流，所用材料為SiCp/2024Al復(fù)合材料。成形后零件如圖13所示，零件表面光滑、厚度均一性好、沒有明顯的劃痕、尺寸精確，精度在±0.2mm范圍內(nèi)，符合實(shí)際生產(chǎn)要求。同時，熒光檢測結(jié)果顯示，零件圓角等弱區(qū)無顯微裂紋產(chǎn)生，獲得了較好的成形質(zhì)量。

韓國學(xué)者Kim等[18]在超高強(qiáng)度鋼的沖裁中采用了電流輔助成形技術(shù)。圖14為電流輔助沖裁和自阻加熱沖裁裝置的示意圖，試驗(yàn)結(jié)果見圖15。自阻加熱沖裁和電流輔助沖裁都會使沖裁力下降，并且隨著通入電流密度增大，沖裁力下降幅度增大；同時，與自阻加熱沖裁相比，電流輔助沖裁過程中的沖裁力下降幅度更大，研究者認(rèn)為這種不同是由電流的電致塑性效應(yīng)引起的。

2 軋制技術(shù)

自電致塑性效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)以來，科技工作者嘗試將其引入軋制工藝，清華大學(xué)唐國翌教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)了電塑性軋制設(shè)備[19]，如圖16所示。電源正極連接一個軋輥，負(fù)極與另一軋輥相連，板料與軋輥接觸的區(qū)域在塑性變形過程中便會受到高密度電流作用，材料的塑性變形能力大大提高。

唐國翌團(tuán)隊(duì)在冷軋NiTi合金板料時，邊部出現(xiàn)較多裂紋。采用電塑性軋制后，邊部開裂現(xiàn)象得到明顯抑制，并且延伸率提高了39.6%，硬度下降了11.1%，塑性得以提升的原因是電流的引入促進(jìn)了材料內(nèi)部再結(jié)晶的過程。

3 超塑成形技術(shù)

在超塑成形領(lǐng)域，哈爾濱工業(yè)大學(xué)張凱鋒課題組開展了有應(yīng)用價(jià)值的研究工作。劉涇源[15]在做自阻加熱超塑成形的試驗(yàn)時，材料為5083鋁合金板材。圖17為5083鋁合金常規(guī)脹形和自阻加熱脹形的零件，可以看出，自阻加熱試件氧化程度小，表面更加光潔。電流的作用使材料的流變應(yīng)力降低、塑性提高，成形時所需的氣壓較小，并且零件的高徑比也略有增大。

趙淘[20]在試制Ti31波紋管的過程中便采用了電流輔助超塑成形的工藝。不同階段脹形壓力不同，依次增加氣壓，分3次完成脹形。圖18是成形后的零件，酸洗后的波紋管表面光亮，無明顯劃痕和凹坑。電流輔助脹形成形效率很高，整個成形過程可以控制在6min以內(nèi)。

圖16 電塑性軋制示意圖Fig.16 Schematic view of electroplastic rolling

圖17 5083鋁合金自由脹形試件Fig.17 Free bulging samples of 5083 aluminium alloy

圖18 Ti31鈦合金波紋管Fig.18 Titanium alloy bellow

結(jié)論

研究表明，自阻加熱工藝與電致塑性效應(yīng)分別在提高加熱速率，降低制造成本和降低成形載荷、提高材料塑性、改善金屬材料的表面質(zhì)量和組織狀態(tài)方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。在未來塑性加工領(lǐng)域，尤其是難變形材料成形方面將有很好的應(yīng)用前景。在實(shí)際生產(chǎn)中，以下關(guān)鍵技術(shù)需要進(jìn)一步深入研究和突破。

（1）電流引入未成形板材后，由于熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射的作用，板材的平衡溫度分布不均勻：通常臨近電極區(qū)域溫度偏低，中間區(qū)域由于散熱條件差，溫度最高。不均勻的溫度分布對于板材的成形尤其是精密成形可能造成成形性能上的差異。因此，對于自阻加熱時溫度分布的控制需要有針對性的解決方案。

（2）難變形材料（如鈦合金）的成形溫度較高，若將其與電流輔助熱成形工藝結(jié)合，需要考慮板材與模具的絕緣問題。對于高溫成形，必須選擇可以耐高溫且具有一定受壓強(qiáng)度的絕緣材料，此類材料制造成本通常高于普通模具的制造成本。

（3）自阻加熱工藝若要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，需實(shí)現(xiàn)加熱—斷電—成形一體化，即生產(chǎn)的一體化與智能化。這對于工程領(lǐng)域的應(yīng)用與推廣十分關(guān)鍵。

（4）電致塑性效應(yīng)的機(jī)理仍有待深入的研究。對于不同材料和不同加工工藝下的材料，電流或電場的作用有一定差異?，F(xiàn)階段，經(jīng)過諸多學(xué)者的探究，輕合金（如軋制鎂合金）在某一狀態(tài)下的電致塑性效應(yīng)和非熱效應(yīng)可用物理模型定量地描述與預(yù)測，更具有普遍意義上的物理方程還需更深一步的探究。

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