電脈沖處理及其輔助金屬加工技術研究現(xiàn)狀

孫富建，萬 上，肖 罡,，李時春，劉奕梁，萬可謙

(湖南科技大學1.難加工材料高效精密加工湖南省重點實驗室，2.機電工程學院，湘潭 411201；3.江西科駿實業(yè)有限公司，南昌 330100)

0 引 言

電脈沖處理具有調控材料微觀結構、提高塑性、減小硬度、降低加工硬化系數(shù)等特點，被廣泛應用于金屬材料塑性加工和切削加工等加工工藝。

1963年，TROITSKII等[1]發(fā)現(xiàn)運動電子可以調控金屬中位錯的運動，因此開始研究電脈沖對金屬位錯移動的影響，并提出了電致塑性效應。電致塑性效應是指對金屬施加電脈沖時，金屬表面變形抗力大幅降低、塑性增強的現(xiàn)象。在發(fā)現(xiàn)電致塑性效應后，各國研究者看到了電脈沖處理在金屬加工領域的巨大潛力，開始對其進行更深入的研究。我國研究人員也在1980年左右開始了對電致塑性效應的研究。晁月盛等[2]研究了電脈沖對非晶合金納米晶化的影響，在電脈沖處理后的Fe78Si9B13薄帶非晶合金中發(fā)現(xiàn)了局部區(qū)域形成納米晶的現(xiàn)象。滕功清等[3]研究發(fā)現(xiàn)，電脈沖可以影響非晶合金晶化的形核率和形成速率，降低晶化溫度，從而實現(xiàn)低溫下非晶合金快速獲得納米晶的目標。將電致塑性效應應用到塑性加工中是近年來的研究重點。ZHU等[4]研制了新型的電致塑性軋制設備，通過在輥壓過程中施加電脈沖，有效提升了材料塑性，提高了軋制效率。吳紅兵等[5]研究認為，電脈沖處理能有效降低材料的表面硬度、屈服強度和切削力，提高切削效率，延長刀具壽命。

在金屬材料加工時施加電脈沖，電脈沖產(chǎn)生的無序原子波動能滿足相變過程中能量的閾值，加快原子擴散和位錯移動，快速開啟合金的再結晶，優(yōu)化材料的微觀結構，細化晶粒，消除晶格缺陷與殘余應力[6]，降低材料強度和硬度，提高塑性。作者從電脈沖對金屬材料微觀結構演變的影響和電致塑性效應的基本理論出發(fā)，綜述了電脈沖處理研究現(xiàn)狀及電脈沖在塑性加工、切削加工工藝等方面的應用。

1 電脈沖相關理論

電脈沖輔助金屬加工主要利用的是電致塑性效應。當前的主流觀點認為，電致塑性效應是熱效應和非熱效應耦合作用的結果，熱效應和非熱效應對原子擴散、位錯移動、晶界滑移的促進作用產(chǎn)生了電致塑性效應。熱效應是由于材料自身存在電阻而產(chǎn)生的。材料在通電時，因自身存在電阻而產(chǎn)生電阻熱，使得溫度升高；溫度升高會導致材料發(fā)生軟化，流動應力降低，并且有利于提高拉伸時的伸長率[7]。這種因熱效應而產(chǎn)生的溫升[8]可表示為

ΔT=ρJ2tp/(Cpd)

(1)

式中：ΔT為溫升；ρ為材料電阻率；J為電流密度；tp為脈沖持續(xù)時間；Cp為定壓熱容；d為材料密度。

非熱效應主要是由電子風力導致的。電子風理論認為電脈沖產(chǎn)生的定向移動的電子對位錯施加了一定的作用力(即電子風力)：移動電子與晶格位錯發(fā)生相互交錯，推動了位錯的遷移，加劇了晶格位錯作用。這種作用有利于材料的再結晶形核、抗變形應力的下降和塑性的提高[9]。再結晶形核率的增加有利于晶粒細化，從而提升材料性能。電子風力的表達式[10]為

(2)

式中：Few為電子風力；v為位錯運動速率；ve為電子運動速率；vF為費米面電子運動速率；ne為電子密度；μ為化學位；b為柏氏矢量；Δ為變形能常量。

熱效應和非熱效應的共同作用促進了金屬材料內部的原子擴散，降低了位錯運動的激活能，有利于修復晶格缺陷、降低變形抗力、促進塑性變形、降低殘余應力[11]。原子擴散通量F的表達式[12]為

(3)

式中：Ft，F(xiàn)a分別為由熱效應和非熱效應引起的原子擴散通量；M為晶格擴散系數(shù)；c0為平均空位濃度；c為過飽和空位濃度；Ω為原子體積；r，R分別為對應c0和c0+c的位錯距離；N為原子密度；Z為有效化學價；e為單原子所帶電荷；k為玻爾茲曼常數(shù)；jm，f，τp分別為電脈沖的有效電流、頻率和持續(xù)時間；T為熱力學溫度。

金屬零部件在制造過程中一般需要通過熱處理來改變內部微觀結構，消除殘余應力，調控力學性能，從而改善可加工性、提高零部件服役壽命。傳統(tǒng)的熱處理工藝通過熱輻射加熱工件，時間長、能耗大、人力成本高，并且長時間的高溫會導致工件精度難以控制、材料組織粗化而性能惡化[13]。電脈沖處理同樣可以起到調控金屬材料組織的作用：電子流動為再結晶提供額外動力與能量，可以提高再結晶形核率，從而達到細化晶粒的效果；電脈沖產(chǎn)生的熱效應與非熱效應還可以促進位錯移動以及原子和空位擴散，彌補晶格缺陷，能夠在相對較低的溫度下改善金屬的微觀結構。

電脈沖的電致塑性效應首先被應用于輔助金屬材料的塑性加工。定向移動的電子與晶格位錯發(fā)生相互交錯，能夠降低材料的變形抗力，提高塑性，并且有效消除金屬塑性加工過程中產(chǎn)生的各向異性；原子擴散有利于修復晶格缺陷，可以減免塑性加工中的中間退火工序[14-15]，減少塑性加工時材料中出現(xiàn)的微小裂紋，提高工件質量。

由于電致塑性效應能有效提升金屬材料的塑性，研究人員開始將電脈沖應用到金屬材料切削過程。在輔助切削加工時，電脈沖產(chǎn)生的特定頻率使得工件的受迫振動接近于拓撲原子之間相互作用的頻率，兩者因而產(chǎn)生共振[16]，促使摩擦顆粒的動能轉化為振動周期下的動能，最終轉化為熱能[17]；受熱后材料強度降低，冷作硬化程度減輕，工件與刀具接觸區(qū)域的塑性變形能力提高。非熱效應能降低切削溫度，減輕刀具的黏結磨損[18-19]，增強刀具與工件之間的潤滑性。熱效應與非熱效應的共同作用減小了切削力并減輕了切削力的波動，減弱了刀具的崩刃磨損[20-21]，增加了切削過程的穩(wěn)定性。

2 電脈沖處理的研究現(xiàn)狀

BEN等[22]對經(jīng)860 ℃油淬+500 ℃回火1 h處理后的AISI 4340鋼進行電脈沖處理，發(fā)現(xiàn)在較高的放電電壓(9，10 kV)下，試驗鋼中形成孿晶馬氏體，顯微硬度明顯增大；更高的放電電壓可以誘導鋼快速硬化，固溶原子、位錯和某些納米雙馬氏體的復合強化作用是導致其快速硬化的主要原因。HAO等[23]和CHANG等[24]研究發(fā)現(xiàn)，在電脈沖作用過程中，鋼的顯微組織發(fā)生變化，在高放電電壓下呈現(xiàn)馬氏體形態(tài)。因此，電脈沖處理可以對具有不同電阻率和相變可能性的多相材料進行微觀結構調整。

LIU等[25]分析了軋制Mg-3Al-1Zn(AZ31)合金在電脈沖處理過程中的組織演變，認為電脈沖處理促進了合金的再結晶，改善了軋制鎂合金的組織；在359 K溫度以下，經(jīng)低占空比、高電流密度電脈沖處理320 s的合金可獲得平均晶粒尺寸約為2 μm的微細晶粒結構；電致塑性效應中的非熱效應加速了封閉環(huán)境下變形合金再結晶的成核速率，而再結晶晶粒的后續(xù)生長依賴于熱效應，因此為了獲得細化的再結晶晶粒，在電脈沖處理過程中應加強非熱效應并減弱熱效應。TROITSKII等[26]利用電脈沖對Fe78Si13B9非晶合金進行處理時發(fā)現(xiàn)：調整電脈沖密度可以控制晶核的形成與長大，控制電脈沖參數(shù)可以使合金保持相應的非晶特征；電脈沖具有弛豫非晶合金顯微組織的作用。與高溫退火處理不同，電脈沖處理可在較低溫度下提高材料晶化過程中的形核率，促進再結晶的發(fā)生。電脈沖的施加也會促進晶粒的長大，但是晶粒生長時間很短，長大程度有限。在一定的溫度范圍內，電脈沖處理甚至可以使金屬材料在低于晶化溫度下獲得納米晶。

MIZUBAYASHI等[27]研究了電脈沖對非晶薄帶晶化過程的影響，發(fā)現(xiàn)當電脈沖密度大于某一閾值時，非晶薄帶的電阻率發(fā)生急劇變化，產(chǎn)生結構弛豫現(xiàn)象，其晶化速率提高；低于該閾值時，隨電流密度增大，非晶薄帶的彈性模量增大。LAI等[28]在對采用液態(tài)急冷單輥法制備的非晶薄帶施加電脈沖后發(fā)現(xiàn)，電脈沖可以在不改變其宏觀非晶特性的前提下改變其微觀結構；當電脈沖的溫升較低時，電脈沖作用時間的延長或者頻率的提升都會促進金屬內的原子遷移，使得非晶合金產(chǎn)生結構弛豫現(xiàn)象。

MA等[29]研究發(fā)現(xiàn)：在較低的放電電壓(0～9 kV)下，電脈沖處理能夠穩(wěn)定納米層狀奧氏體鋼中的納米層狀結構，恢復高密度位錯，使得抗拉強度和顯微硬度分別提高了6.9%和7.4%；在較高放電電壓(9～13 kV)下，電脈沖促進再結晶晶粒的形核和長大，導致納米層狀奧氏體鋼發(fā)生軟化。

ZHOU等[30]提出循環(huán)相變晶粒細化機制以解釋電脈沖細化晶粒原理：電脈沖產(chǎn)生的高溫促使低碳鋼中粗大的α相在升溫過程中轉化成為γ相，而由于電脈沖的加熱速率快，升溫時間短，γ晶粒還未長大便開始冷卻，在冷卻過程中發(fā)生相轉變形成細小的α相；相比傳統(tǒng)的升溫→降溫過程，電脈沖處理可降低熱力學勢壘從而增強形核作用，導致的晶粒細化效果更明顯。

YE等[31]的研究結果表明：與傳統(tǒng)熱處理相比，電脈沖處理時工業(yè)純鈦條的再結晶溫度更低；當控制電脈沖頻率在一定范圍內時，電脈沖處理可提高再結晶晶粒的體積分數(shù)，能夠在保持抗拉強度不變的前提下提高延展性能；但是過高的電脈沖頻率會導致再結晶晶粒粗大，力學性能下降；在合理的參數(shù)下，電脈沖處理可替代鈦帶材的中間軟化退火工藝。

3 電脈沖輔助塑性加工的研究現(xiàn)狀

塑性加工是指通過塑性變形獲得所需形狀、尺寸、組織和性能的工件的一種金屬加工技術，以往常稱壓力加工[32]。金屬塑性加工的方法很多，根據(jù)加工時工件的受力和變形方式，可分為鍛造、軋制、擠壓、拉拔、拉深、彎曲、剪切等。目前電脈沖被廣泛應用于金屬材料的塑性加工，由此而形成了一些新型復合加工工藝，包括電塑性拉拔、電塑性彎曲、電塑性軋制、電塑性拉深等。這些工藝都是在傳統(tǒng)加工工藝的基礎上對模具或者材料施加電脈沖，以達到利用電致塑性效應來改進材料性能的目的。目前，國內外學者對電脈沖在鎢、不銹鋼、黃銅合金、鎂鋁合金等材料塑性加工過程中的應用開展了系列試驗與研究[33]。這些研究結果表明：電脈沖的施加降低了金屬變形所需要的外加作用力，作用力的下降與電流密度、脈沖頻率以及電流方向有關。電脈沖輔助塑性加工工藝可以省去傳統(tǒng)加工工藝的一些工序，如傳統(tǒng)拉拔工藝中的軟化退火、酸洗等工序，從而起到提高生產(chǎn)效率、降低成本、保護環(huán)境的作用。

XIE等[34]在研究直流電脈沖密度和電流頻率對AZ31B鎂合金薄板回彈行為的影響時發(fā)現(xiàn)，電流頻率或電流密度越高，回彈角越小，彎曲處的晶粒尺寸越小，其中電流頻率對晶粒尺寸的影響更大。KIM等[35]利用單電脈沖輔助塑性加工技術對超高強度鋼進行沖裁，與冷下料相比，電脈沖輔助下料和局部電阻加熱下料的拋光表面精度略有增加，電脈沖輔助沖裁的截面更平整光滑；相比于局部電阻加熱沖裁，電脈沖輔助沖裁在相同溫度條件下的沖裁載荷更小，同時電脈沖輔助沖裁的時間也略有縮短；電脈沖輔助沖裁所減少的沖裁載荷達到了冷沖裁的85%，這點在1.2 GPa超高強度鋼的沖裁加工中尤為重要。

在2024-T4鋁合金等高強度輕質材料的沖壓過程中，沖壓模具的嚴重磨損和邊緣斷裂是研究人員關注的主要問題。根據(jù)施加電流可以降低金屬在沖壓過程中的流動應力[36]、提高金屬延性、促進在退火溫度以下位錯湮沒的原理，TANG等[20]在不同的沖壓階段對2024-T4鋁合金施加了電脈沖，結果發(fā)現(xiàn)：沖壓載荷得以降低，沖壓斷面的表面質量得到提高，并且由于電脈沖誘發(fā)了退火效應，2024-T4鋁合金的硬度各向異性和穿孔邊緣的應變硬化被部分消除；由于電脈沖的施加消除了邊緣應變硬化，抑制和修復了沖壓邊緣附近的微裂紋和微孔洞，2024-T4鋁合金的極限拉伸載荷提高。

4 電脈沖輔助切削加工的研究現(xiàn)狀

切削加工是指利用切削工具(包括刀具、磨具和磨料)把坯料或工件上多余的材料層切除，使工件獲得規(guī)定的幾何形狀、尺寸和表面質量的加工方法。傳統(tǒng)切削加工技術易造成位錯纏結，使得金屬表面出現(xiàn)較厚的加工硬化層，導致較大的切削力波動和工件殘余應力，加大刀具磨損。在切削加工過程中施加電脈沖，產(chǎn)生的電致塑性效應增加了可動位錯，產(chǎn)生的熱效應提高了試樣表面溫度，促進了原子擴散和位錯移動，使得材料表面塑性提高，切削力降低[37-40]。張碩等[41]在研究淬火態(tài)GCr15鋼的電脈沖輔助切削加工時發(fā)現(xiàn)，引入電脈沖后的主切削力比傳統(tǒng)切削工藝的主切削力降低了25%。

表面粗糙度是衡量工件表面加工質量的一個重要因素。王海波[42]采用電脈沖輔助車削工藝對304不銹鋼進行加工，在一定參數(shù)范圍內，電脈沖的施加不僅能夠減小主切削力，還能夠降低表面粗糙度；表面粗糙度下降的主要原因是電致塑性效應導致切削表層塑性降低，使得主切削力和刀具摩擦力減小；電流參數(shù)較大時表面粗糙度增加是由于過高的塑性形成了積屑瘤和切削鱗刺，導致切削性能下降。

5 結束語

施加電脈沖后，材料中會產(chǎn)生熱效應和非熱效應，熱效應作用提高了工件溫度，非熱效應形成電子風力，二者的耦合作用促進了原子和位錯的移動以及晶界的滑移。相比于傳統(tǒng)熱處理，電脈沖處理時的升溫速率快、效率高，能夠有效抑制晶粒生長，在短時間內完成對金屬材料微觀結構的調控；相比于傳統(tǒng)塑性加工，電脈沖輔助塑性加工通過加快原子和位錯的移動，能夠有效降低流動應力和工件殘余應力，提高塑性變形的質量和效率；相比于傳統(tǒng)切削加工，電脈沖輔助切削加工能夠提升工件塑性，降低切削力和表面粗糙度，從而降低刀具磨損、提升工件表面質量。

電脈沖通過促進原子、位錯移動，在組織調控、輔助加工等方面均表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)點。但是，當在復雜結構零部件上施加電脈沖時，零部件的形狀會影響電脈沖的分布，導致集膚效應的產(chǎn)生，所以目前電脈沖輔助加工技術主要應用于形狀簡單零部件上。此外，電脈沖相關理論的研究尚不夠深入，無法系統(tǒng)地對生產(chǎn)實踐進行指導。因此，未來應進一步完善電脈沖處理和電脈沖輔助加工理論研究，包括電脈沖處理和電脈沖輔助加工過程中熱效應、非熱效應耦合機理及各自影響，電脈沖集膚效應的成因，電脈沖在大型、復雜結構零部件上的分布情況等。在理論研究的基礎上，開展大型、復雜結構零部件的電脈沖處理及其輔助加工應用研究。