熱擠壓對粉末冶金6061鋁合金顯微組織和抗拉強度的影響

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(河南工學院材料工程系，新鄉(xiāng) 453003)

0 引 言

6061鋁合金具有極佳的加工性能、優(yōu)良的焊接性能及電鍍性能、良好的抗腐蝕性、加工成形后不變形等特點，廣泛應(yīng)用于汽車、建筑裝飾、航空、航天等領(lǐng)域[1-5]。采用傳統(tǒng)鑄造方法生產(chǎn)的鋁合金零件容易產(chǎn)生熱裂、縮松、縮孔、夾雜等缺陷，降低了零件的使用性能[6]。為了解決此問題，HUANG等[7]研究了過冷軋制對6061鋁合金鋁合金組織和性能的影響，結(jié)果表明軋制后鋁合金的屈服強度提高了93.61 MPa，抗拉強度提高了182.07 MPa。ERTURUN等[8]研究了往復擠壓對SiC/6061鋁合金復合材料的影響，結(jié)果表明復合材料的組織得到細化，抗拉強度得到提高。與傳統(tǒng)鑄造方法相比，采用粉末冶金法成形的零件具有尺寸精度高、表面粗糙度低、組織缺陷少、力學性能優(yōu)異等優(yōu)點[9]，但存在孔隙率大的缺陷。因此，為了提高粉末冶金制備鋁合金的致密性和力學性能，作者對粉末冶金燒結(jié)的6061鋁合金進行熱擠壓，研究了熱擠壓工藝對鋁合金顯微組織和抗拉強度的影響。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗所用6061鋁合金粉為市售，其化學成分如表1所示。由圖1可以看出，6061鋁合金粉體顆粒呈類球狀，平均粒徑為60 μm。

表1 6061鋁合金粉的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Tab.1 Chemical composition of 6061 aluminumalloy powder (mass) %

圖1 6061鋁合金粉的顯微形貌Fig.1 Micro morphology of 6061 aluminum alloy powder

將6061鋁合金粉在WGD4025型干燥箱中加熱到(50±10) ℃并烘干2 h后，裝入φ50 mm的模具中，之后將模具放在真空釬焊擴散焊機中進行熱壓燒結(jié)。熱壓燒結(jié)工藝為：真空下20 MPa保壓30 min后，以10 ℃·min-1的速率加熱至600 ℃進行燒結(jié)，燒結(jié)壓力為70 MPa，保溫保壓2 h后自然冷卻至室溫。熱擠壓工藝為：將燒結(jié)試樣加熱至480 ℃并保溫30 min后，放到自制擠壓模具(模具預(yù)加熱到480 ℃并保溫)內(nèi)進行擠壓，擠壓比為5∶1，擠壓前在模具內(nèi)壁表面均勻涂覆石墨作為潤滑劑。

1.2 試驗方法

采用0.5%(體積分數(shù)，下同)HF、1.5%HCl、2.5%HNO3和H2O按體積比3∶5∶8∶20配制的腐蝕液，對試樣表面進行腐蝕后，在Olympus-PMG3型光學顯微鏡觀察鋁合金的顯微組織；利用JEOL JEM-2010型透射電鏡觀察鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)與形貌；采用阿基米德排水法測鋁合金的密度；按照GB/T 228.1-2010，在AG-1250KN型精密萬能試驗機上進行鋁合金的室溫拉伸試驗，拉伸速度為0.5 mm·min-1，拉伸試樣的形狀和尺寸如圖2所示。

圖2 拉伸試樣的形狀和尺寸Fig.2 Shape and dimension of tensile sample

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖3可知：燒結(jié)態(tài)6061鋁合金的顯微組織為等軸晶，晶界處沒有出現(xiàn)第二相聚集[10]，組織比較均勻，能夠明顯看到燒結(jié)后的晶界,未發(fā)現(xiàn)粗大的枝晶組織，沒有發(fā)生晶粒長大和二次結(jié)晶；熱擠壓態(tài)鋁合金顯微組織中的晶粒發(fā)生了明顯的變形，變形方向與擠壓方向一致，晶粒尺寸變小，并且產(chǎn)生了許多小晶粒，呈帶狀分布，這說明在熱擠壓過程中，晶粒發(fā)生了細化。在擠壓過程中，鋁合金內(nèi)部受到三個方向的壓力作用，導致晶粒產(chǎn)生塑性流動，因此晶粒沿著擠壓方向被拉長且晶粒的變形方向平行于擠壓方向[11]。

圖3 不同狀態(tài)6061鋁合金的顯微組織Fig.3 Microstructure of 6061 aluminum alloy in different states: (a) sintered state and (b) hot-extruded state

2.2 密 度

由表2可以看出：熱擠壓態(tài)鋁合金的相對密度高于燒結(jié)態(tài)鋁合金的。因為在高溫高壓作用下，鋁合金粉沿著壓力方向聚集，但是在聚集過程中導致模腔內(nèi)產(chǎn)生側(cè)壓力，在側(cè)壓力作用下，靠近模具層的粉體受到的摩擦力大，致使鋁合金在壓力方向上受力不均勻；中心部分壓力最大，遠離中心部分的壓力逐漸降低，導致組織內(nèi)部密度不均勻，在熱壓燒結(jié)過程中，粉體表面存在少量的氣體且無法排除，在組織內(nèi)部形成孔隙缺陷，從而降低了鋁合金的相對密度[12]。經(jīng)過熱擠壓后，在三向壓應(yīng)力作用下，鋁合金發(fā)生了較大的塑性變形，由于鋁合金在480 ℃時接近半熔融狀態(tài)，在變形過程中，顆粒表面氧化膜容易發(fā)生破裂，提高了鋁合金粉的擴散速度[13]，顆粒之間的孔隙缺陷消失，從而提高了鋁合金的相對密度。

表2 不同狀態(tài)6061鋁合金的密度與相對密度Tab.2 Density and relative density of 6061 aluminumalloy in different states

2.3 抗拉強度

經(jīng)過熱擠壓后，6061鋁合金的抗拉強度得到了顯著地提高，從燒結(jié)態(tài)的112 MPa提高到了248 MPa。這是因為熱壓燒結(jié)制備的6061鋁合金存在孔隙缺陷，在外力作用下，缺陷處易產(chǎn)生應(yīng)力集中而形成裂紋源，并最終導致鋁合金的斷裂。在熱擠壓過程中，鋁合金發(fā)生了塑性變形，減少了組織中的缺陷，提高了組織的均勻性。在已滑移晶粒晶界附近的位錯塞積群所產(chǎn)生的應(yīng)力集中能夠激發(fā)相鄰晶?；葡抵械奈诲e源，從而進行協(xié)調(diào)性的滑移；應(yīng)力集中的大小取決于塞積的位錯數(shù)目，當外加應(yīng)力一定時，位錯數(shù)目是與晶界到位錯源的距離成正比的，晶粒越小，晶界到位錯源的距離越小，則位錯數(shù)目就越少，應(yīng)力集中就越小[14]。熱壓燒結(jié)態(tài)鋁合金中晶粒尺寸已達到900 nm，熱擠壓態(tài)鋁合金中晶粒的最大尺寸為300 nm，如圖4所示，熱擠壓后晶粒發(fā)生了明顯的細化，提高了合金的力學性能，因此熱擠壓態(tài)鋁合金的抗拉強度高于燒結(jié)態(tài)的。

圖4 不同狀態(tài)6061鋁合金的TEM形貌Fig.4 TEM morphology of 6061 aluminum alloy in different states: (a) sintered state and (b) hot-extruded state

2.4 斷口形貌

由圖5可以看出，燒結(jié)態(tài)鋁合金斷口上的韌窩較深，分布均勻，有明顯的白色撕裂棱，這說明鋁合金的塑性較好，斷裂形式為韌性斷裂。韌窩型韌性斷裂是高能吸收過程的延性斷裂[15]，韌窩的大小和深度主要取決于第二相質(zhì)點的大小、密度以及材料的塑性變形能力和應(yīng)變硬化指數(shù)等。熱擠壓態(tài)鋁合金斷口中部分區(qū)域有韌窩出現(xiàn)，韌窩是在微區(qū)范圍內(nèi)塑性變形產(chǎn)生的顯微空洞，在電子顯微鏡中呈韌窩狀花樣，這部分屬于韌性斷裂；同時部分區(qū)域較為平整，這說明該部分的塑性較差，斷裂形式為沿晶斷裂[16]，因此熱擠壓態(tài)鋁合金的斷裂形式為韌性斷裂和沿晶斷裂的混合斷裂。

圖5 不同狀態(tài)6061鋁合金的斷口形貌Fig.5 Fracture morphology of 6061 aluminum alloy in different states: (a) sintered state and (b) hot-extruded state

3 結(jié) 論

(1) 燒結(jié)態(tài)6061鋁合金組織為均勻分布的等軸晶，熱擠態(tài)6061鋁合金的晶粒呈帶狀分布，晶粒尺寸變?。粺Y(jié)態(tài)鋁合金的相對密度為96.67%，經(jīng)熱擠壓后鋁合金的相對密度提高到了98.14%。

(2) 6061鋁合金經(jīng)過熱擠壓后，抗拉強度得到了顯著的提高，從燒結(jié)態(tài)的112 MPa提高到了248 MPa；燒結(jié)態(tài)鋁合金的斷裂形式為韌性斷裂，擠壓態(tài)鋁合金的斷裂形式為韌性斷裂和沿晶斷裂的混合斷裂。

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