激光沖擊城軌鋁合金車體的熱穩(wěn)定性研究

黃晶晶

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州建設(shè)交通分院 江蘇 蘇州 215104)

0 前言

車體是城軌列車的主要組成部分， 運(yùn)行時(shí)車體承受著各方向的隨機(jī)載荷， 緊急情況時(shí)車體抵御各種復(fù)雜情況， 其剛度、 強(qiáng)度、 耐高溫等性能直接影響行車和乘客的生命安全。 隨著城軌列車的輕量化發(fā)展趨勢， 鋁合金材料由于低密度、 高塑性的優(yōu)良特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。 同時(shí)鋁合金作為車體既能夠滿足車體所需的剛度和強(qiáng)度，又能夠達(dá)到輕量化的目的。 鋁合金車體的耐高溫性能是城軌安全性能的重要指標(biāo)， 所以研究鋁合金車體材料的熱穩(wěn)定性勢在必行。

目前城軌車輛所用鋁合金主要集中在5000系、6000系和7000系，其中，又以6000系的6063、6061、6082等使用最為廣泛。本文主要研究鋁合金6000系中6061-T651鋁合金在高溫下的力學(xué)性能、抗腐蝕性能、疲勞性能以及熱穩(wěn)定性能等，從而獲得激光沖擊下的最佳城軌鋁合金車體。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 6061-T651鋁合金

6061-T651鋁合金屬于A1-Mg-Si系，是一類可熱處理強(qiáng)化的中高強(qiáng)度鋁合金，主要構(gòu)成組織為α-Al和Mg2Si[1]。6061-T651鋁合金的主要化學(xué)成分如表1所示。6061-T651鋁合金具有良好的加工性能、焊接性能和較好的抗腐蝕性能。

表1 6061-T651鋁合金化學(xué)成分 /%

1.2 激光沖擊強(qiáng)化

激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)是一種表面改性技術(shù)[2]。它主要利用高功率激光在材料表面產(chǎn)生的高壓沖擊波，使材料表面產(chǎn)生較高的位錯(cuò)或者納米晶體，從而改變材料的力學(xué)性能。激光沖擊鋁合金材料的路徑如圖1所示。激光沖擊的材料表面，為防止被激光灼燒，會覆蓋有吸收層和約束層。吸收層吸收激光的能量，并瞬間氣化成高溫高壓的等離子體。等離子體在吸收層和約束層之間膨脹，加大了材料表面的沖擊加載，從而產(chǎn)生了作用于材料表面的強(qiáng)沖擊波，使表面發(fā)生變形。

圖1 激光沖擊鋁合金材料的路徑

本文通過12 J的激光沖擊能量沖擊6061-T651鋁合金材料表面，期望獲得6061-T651鋁合金改性的最佳值，從而解析常規(guī)6061-T651鋁合金和經(jīng)過激光沖擊的6061-T651鋁合金在高溫狀態(tài)下的材料穩(wěn)定性能。激光沖擊處理工藝參數(shù)如表2所示。

表2 激光沖擊處理工藝參數(shù)

1.3 熱處理

6061-T651鋁合金可以通過熱處理的方式獲得強(qiáng)化。合適的溫度可以增強(qiáng)6061-T651鋁合金的抗拉強(qiáng)度、硬度、沖擊韌性和抗疲勞性能等。熱處理是將不均勻、不穩(wěn)定或過飽和的組織經(jīng)過時(shí)效析出成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，將內(nèi)部過多或雜亂的位錯(cuò)恢復(fù)成穩(wěn)定的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)[3]。本文將常規(guī)6061-T651鋁合金和經(jīng)過激光沖擊的6061-T651鋁合金試樣放入熱處理爐內(nèi)，溫度控制在200 ℃、300 ℃、400 ℃和500 ℃，結(jié)束后保溫0.5 h，出爐空冷1 h。

2 結(jié)果與分析

2.1 表面形貌分析

常規(guī)6061-T651鋁合金和經(jīng)過激光沖擊的6061-T651鋁合金的二維形貌如圖2所示。二維形貌是以形貌圖峰和谷的變化表示的。從圖中可以看出常規(guī)6061-T651鋁合金的微觀表面峰谷變化不大，主要集中在-0.25 μm～+0.25 μm，相對平滑；而經(jīng)過激光沖擊的6061-T651鋁合金，由于表面宏觀上已經(jīng)產(chǎn)生了塑性變形，所以微觀上的峰和谷變化較大(-5 μm～+8 μm)。材料表面的形貌變化主要是由于激光光斑內(nèi)部不均勻分布的能量產(chǎn)生不均勻的沖擊波，所以表面產(chǎn)生了高低不平的峰和谷[4]。

圖2 6061-T651鋁合金的二維形貌

圖3可見隨著溫度的不斷升高，常規(guī)6061-T651鋁合金表面形貌的峰和谷的差值在變大，主要集中在-0.5 μm～+2 μm；經(jīng)過激光沖擊的6061-T651鋁合金表面形貌的峰和谷的差值也在變大，主要集中在-6 μm～+8 μm。經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的變化，常規(guī)6061-T651鋁合金和經(jīng)過激光沖擊的6061-T651鋁合金的二維形貌并沒有太大變化，依然是常規(guī)6061-T651鋁合金表面較為平滑，而經(jīng)過激光沖擊的6061-T651鋁合金表面則呈現(xiàn)較大的凹坑。主要原因是高溫條件下6061-T651鋁合金表面形成了氧化膜，氧化膜保護(hù)了材料表面的微觀組織[5]，內(nèi)部應(yīng)力并沒有得到完全釋放，所以表面形貌的峰和谷變化不大。

圖3 6061-T651鋁合金在不同溫度下的二維形貌

2.2 微觀硬度變化

圖4呈現(xiàn)的是6061-T651鋁合金在不同溫度下的顯微硬度。6061-T651鋁合金的顯微硬度變化趨勢呈現(xiàn)U形，在300 ℃左右微觀硬度處于最低值。常規(guī)6061-T651鋁合金常溫下的微觀硬度為154.7 HV。隨著溫度的不斷升高，微觀硬度呈現(xiàn)下降的趨勢。當(dāng)溫度上升到300 ℃時(shí)，顯微硬度到達(dá)最低值104.5 HV。而后隨著溫度升高，微觀硬度提高。當(dāng)溫度升到500 ℃時(shí)，顯微硬度則恢復(fù)到160.2 HV。隨著溫度的變化，經(jīng)過激光沖擊后的6061-T651鋁合金微觀硬度的變化趨勢和常規(guī)6061-T651鋁合金保持一致。經(jīng)過激光沖擊后的6061-T651鋁合金常溫下的微觀硬度顯示220.3 HV，在300 ℃時(shí)出現(xiàn)顯微硬度最低值141.5 HV，在500 ℃時(shí)則恢復(fù)到230.1 HV。由圖4可知，相對于常規(guī)6061-T651鋁合金，經(jīng)過激光沖擊后的6061-T651鋁合金顯微硬度明顯提升，并且顯微硬度隨著溫度的升高呈現(xiàn)出先下降再上升的趨勢；經(jīng)過激光沖擊的6061-T651鋁合金在500 ℃的高溫條件下微觀硬度仍然有大幅提高，說明激光沖擊強(qiáng)化的效果十分顯著。

圖4 不同溫度下的6061-T651鋁合金微觀硬度

根據(jù)Hall-Petch公式[6]：

Hν=Hν0+KHvd-1/2

(1)

式中：Hν0和KHν為常數(shù)，由材料來決定；d為晶粒大小，Hν是材料的硬度；可知晶粒尺寸的大小和材料的微觀硬度成反相關(guān)。所以常溫下激光沖擊處理后的試樣硬度較高主要?dú)w功于細(xì)晶強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化。

根據(jù)Orowan公式[7]：

(2)

式中：σ為切應(yīng)力，G為切變模量，b為柏氏矢量，L為間距，φ為法線和軸心拉力的夾角?？芍獪囟鹊淖兓瘞聿牧蟽?nèi)部析出相的尺寸變化，而析出相的尺寸和間距成反相關(guān)，這導(dǎo)致了6061-T651鋁合金隨著溫度的升高出現(xiàn)微觀硬度先減小再增大的現(xiàn)象。

2.3 熱穩(wěn)定性能

6061-T651鋁合金主要由Al、Mg2Si和其他雜質(zhì)組成。圖5是激光沖擊前后6061-T651鋁合金的掃描電鏡圖，白色部分是Al基體，黑色線條是晶界，黑色顆粒是析出相，可以看出圖5(b)的晶粒尺寸明顯小于圖5(a)，說明經(jīng)過激光沖擊的6061-T651鋁合金表層發(fā)生了晶粒細(xì)化現(xiàn)象。圖6呈現(xiàn)的是激光沖擊后6061-T651鋁合金深度方向的掃描電鏡微觀形貌。從圖6中可以看出，沿深度方向的基體組織從致密到稀疏，說明激光沖擊處理可以細(xì)化6061-T651鋁合金材料表面組織。這主要是由于激光沖擊6061-T651鋁合金表面，高能量的沖擊波使材料表面發(fā)生塑性變形，材料內(nèi)部晶體也發(fā)生塑性變形，晶體內(nèi)部位錯(cuò)增多。當(dāng)位錯(cuò)不斷集聚形成位錯(cuò)胞，在激光的持續(xù)沖擊作用下形成位錯(cuò)墻，從而演變成晶界，最終得到了細(xì)化的晶粒[7]。

圖5 激光沖擊前后6061-T651鋁合金的微觀形貌

圖6 激光沖擊后6061-T651鋁合金深度方向的掃描電鏡圖

圖7是激光沖擊后6061-T651鋁合金從室溫到500 ℃的透射電鏡微觀組織。圖7(a)是常溫下6061-T651鋁合金的微觀組織，可見常溫下經(jīng)過激光沖擊的6061-T651鋁合金所形成的晶粒大小約為50 nm。圖7(b)呈現(xiàn)的是100 ℃下6061-T651鋁合金的微觀組織，平均晶粒大小是100 nm左右，且內(nèi)部呈現(xiàn)明暗不同的襯度變化，這主要是由于晶粒內(nèi)部的殘余應(yīng)力分布不均。在200 ℃的退火溫度下，晶粒的平均大小約為100 nm～150 nm。而在300 ℃和400 ℃的溫度下，晶粒則增大到200 nm～500 nm?？梢婋S著溫度的上升，晶粒尺寸也在逐漸增大。當(dāng)溫度上升到500 ℃時(shí)，圖7(f)中可見明顯清晰的晶界，且晶界周圍附著高密度的位錯(cuò)，晶粒尺寸則在2 000 nm～5 000 nm不等。所以當(dāng)溫度在400 ℃以下時(shí)，晶粒尺寸在穩(wěn)定增長；而當(dāng)溫度上升到500 ℃時(shí)，晶粒則失去穩(wěn)定狀態(tài)，晶粒尺寸急劇增長。這主要是由于當(dāng)溫度處于500 ℃之前，溫度上漲帶來的熱驅(qū)動(dòng)力主要用于降低晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)密度，使內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)回復(fù)。而當(dāng)溫度超過500 ℃時(shí)，整體吸收的熱驅(qū)動(dòng)力已經(jīng)滿足了晶界遷移的激活能，晶界的數(shù)量會明顯變少，晶界的釘扎阻礙作用也不明顯[8]，所以晶粒會急劇增長。

圖7 不同溫度下的6061-T651鋁合金的透射電鏡圖

激光沖擊強(qiáng)化是一種高能量的表面強(qiáng)化技術(shù)。材料表面受到?jīng)_擊后宏觀上產(chǎn)生塑性變形，微觀組織上產(chǎn)生眾多的位錯(cuò)和細(xì)化后晶粒。位錯(cuò)積聚在晶粒的晶界處，形成位錯(cuò)分布不均的狀態(tài)。晶粒生長理論Gibbs Thomson公式[9]體現(xiàn)了晶粒生長驅(qū)動(dòng)力和晶粒尺寸的關(guān)系。

Δμ=4Ωγ/d

(3)

式中：Δμ為晶粒生長驅(qū)動(dòng)力，Ω為原子體積，γ為界面能，d為晶粒尺寸。根據(jù)晶粒生長理論，晶粒尺寸越小，晶粒生長驅(qū)動(dòng)力越大，所以激光沖擊后6061-T651鋁合金在500 ℃之前表現(xiàn)了良好的熱穩(wěn)定性。金屬鋁常溫下層錯(cuò)能較大，自擴(kuò)散能較小，這導(dǎo)致了鋁合金在高溫下容易發(fā)生位錯(cuò)的滑移，內(nèi)部發(fā)生結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)回復(fù)[10]，產(chǎn)生位錯(cuò)的湮滅，降低位錯(cuò)密度。當(dāng)溫度上升的熱能高于晶粒生長驅(qū)動(dòng)力時(shí)，內(nèi)部的晶界不斷地移動(dòng)，析出相逐漸長大[11]，直至釘扎住移動(dòng)的晶界，形成長大的晶粒。

3 結(jié)論

通過研究6061-T651鋁合金表層的表面形貌、微觀硬度和晶粒尺寸的變化來表征熱穩(wěn)定性能的變化。結(jié)果顯示通過激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)可以獲得6061-T651鋁合金表層的納米晶粒，常溫下表層納米晶的尺寸主要集中在50～100 nm；同時(shí)由激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)引起的表層高密度位錯(cuò)可以阻止晶粒的長大，細(xì)化晶粒。當(dāng)退火溫度在500 ℃之下時(shí)，納米晶粒的尺寸依然處于穩(wěn)步增長狀態(tài)；而當(dāng)退火溫度超過500 ℃時(shí)，晶粒急劇長大，失去控制。這主要是由于激光沖擊獲得的納米晶生長需要極大的激活能，為6061-T651鋁合金的熱穩(wěn)定性能創(chuàng)造了條件。激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)處理后的6061-T651鋁合金擁有更良好的熱穩(wěn)定性能，這歸功于激光沖擊過程中的晶粒再結(jié)晶，析出相和位錯(cuò)的分布不均。

4 結(jié)束語

鋁合金車體正廣泛應(yīng)用于我國軌道交通行業(yè)，車體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、硬度、抗疲勞性能以及車體的穩(wěn)定性能都至關(guān)重要。通過研究激光沖擊處理對鋁合金車體的熱穩(wěn)定性能，建議鋁合金車體在制造過程中溫度要控制在最佳熱穩(wěn)定溫度，從而獲得比較良好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和硬度等性能。激光沖擊處理在保持鋁合金車體輕量化的同時(shí)，也展現(xiàn)了在提高鋁合金車體各方面性能的可能性。如果采用激光強(qiáng)化后的6061-T651鋁合金擠壓成型工藝，可以相對減輕車體重量，提高構(gòu)件的剛度，材料的承載能力可以得到充分的發(fā)揮。激光沖擊強(qiáng)化后的6061-T651鋁合金車體對整個(gè)車輛的結(jié)構(gòu)、性能、制造、使用、維修以及經(jīng)濟(jì)性等將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。