不同減薄率鎳銅合金超薄壁管的微觀織構(gòu)演變*

王 琛，李維壯，許鐿巍，田 旺，趙春江，梁建國(guó)，張國(guó)慶

（1.太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西電子科技學(xué)院，山西 臨汾 041082；3.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024；4.太原磬泓機(jī)電設(shè)備有限公司，山西 太原 030027）

超薄壁管（徑厚比D/S≥100）主要應(yīng)用于航天器、大型電子元器件、核反應(yīng)堆、家電和辦公用品、彈性元件波紋管、散熱管以及新興的復(fù)合材料等[1-3］。當(dāng)前，超薄壁管尤其是極限尺寸規(guī)格超薄壁無(wú)縫管的需求不斷增大，外徑尺寸跨度為3～1 000 mm，極限壁厚可達(dá)0.015～0.030 mm；同時(shí)為了發(fā)揮薄壁管的體積質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)和熱力學(xué)優(yōu)勢(shì)，對(duì)徑厚比的要求不斷提高[4］。

旋壓綜合了鍛造、擠壓和滾壓等工藝的優(yōu)點(diǎn)，材料利用率高、功耗低，產(chǎn)品組織均勻細(xì)化、表面光潔度高，而滾珠旋壓技術(shù)是其中一個(gè)分支，其主要應(yīng)用于小批量管件的高精度制備[5］。

近年來(lái)，針對(duì)超薄壁金屬材料的成形研究，肖宏等[6-7］在Fleck理論、Stone公式的基礎(chǔ)上，借助有限元分析等手段，推導(dǎo)出極薄帶最小可軋制厚度公式，并通過(guò)對(duì)鋁、304不銹鋼、銅等3種材料最小可軋制厚度的軋制試驗(yàn)，最終認(rèn)為最小可軋厚度與軋制力、軋輥直徑、材料彈性模量、軋件屈服強(qiáng)度、平均張力和摩擦因數(shù)相關(guān)。劉相華等[8-11］分析了板帶厚度尺寸與晶粒尺寸對(duì)銅箔軋制變形行為的影響，采用晶體塑性有限元法研究了Cu極薄帶滑移與變形行為。Song[12］采用多級(jí)冷軋的方法實(shí)現(xiàn)了制備0.1 mm硅鋼片的工藝，分析軋制后熱處理對(duì)超薄板晶粒細(xì)化、均勻化的影響。

筆者團(tuán)隊(duì)使用滾珠旋壓加工技術(shù)加工出壁厚0.1 mm、0.05 mm的超薄壁管，檢測(cè)其表面的成形質(zhì)量（粗糙度）情況，通過(guò)分析不同減薄量下管件的顯微織構(gòu)取向分布函數(shù)（Orientation Distribution Function，ODF）的變化情況，得到旋壓過(guò)程中織構(gòu)的變化情況，為下一步的壁厚減薄提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方案

滾珠旋壓成形基本原理如圖1所示。加工時(shí)，模環(huán)保持主動(dòng)旋轉(zhuǎn)，管件與套在內(nèi)部的芯棒同時(shí)進(jìn)給；通過(guò)模環(huán)內(nèi)周向布置的滾珠自轉(zhuǎn)及滾珠繞管件的周向旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)管件的減薄。滾珠數(shù)量及大小、進(jìn)給速度、圓錐模環(huán)旋轉(zhuǎn)速度等工藝參數(shù)借助文獻(xiàn)[5］中關(guān)于工藝參數(shù)的公式進(jìn)行計(jì)算，并以加工質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化。

圖1 滾珠旋壓成形基本原理示意

加工前，首先將鎳銅合金NCu40-2-1管件（Φ10.8 mm×0.5 mm）在氫氣氣氛中進(jìn)行950℃退火并保溫0.5 h，然后在立式滾珠旋壓機(jī)中以進(jìn)給比0.1 mm/r，圓錐模環(huán)轉(zhuǎn)速900 r/min，滾珠直徑為3 mm的工藝參數(shù)進(jìn)行加工，最終加工出壁厚為0.1 mm（減薄量80%）和0.05 mm（減薄量90%）的超薄壁管。

采用JB-4C型精密粗糙度測(cè)試儀檢測(cè)薄壁管的粗糙度。由于管件應(yīng)變量較大、壁厚極薄，使用常規(guī)電化學(xué)拋光已經(jīng)難以實(shí)現(xiàn)EBSD（電子背散射衍射技術(shù)Electron Back Scattering Diffraction）試樣表面處理應(yīng)達(dá)到的效果，因此在機(jī)械磨拋后用IB-19520CP氬離子截面拋光儀進(jìn)行拋光。拋光時(shí)，先用6 kV離子束拋光2 h，然后用4 kV離子束精修30 min。采用Nordly max3掃描電子顯微分析儀以0.05～0.20μm的步長(zhǎng)束掃描，進(jìn)行EBSD檢測(cè)得到ODF圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 管件成形質(zhì)量檢測(cè)

鎳銅合金管件表面粗糙度與成形表面觀測(cè)結(jié)果如圖2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著減薄量的逐步增加，旋壓后的超薄壁管件的粗糙度總體呈上升趨勢(shì)，但增幅較小，表面粗糙度Ra在0.2～0.3μm并保持穩(wěn)定。利用超景深顯微鏡的3D建模功能觀察表面，可以看到隨著壁厚減薄率逐步增高，管件表面逐步產(chǎn)生明顯波紋，但表面細(xì)小劃痕明顯減少。

圖2 鎳銅合金管件粗糙度與成形表面觀測(cè)結(jié)果

強(qiáng)力旋壓大徑厚比的超薄壁管件時(shí)，芯棒表面質(zhì)量較差或轉(zhuǎn)速偏高，使管件內(nèi)壁與芯棒間隙誤差過(guò)大，進(jìn)而使加工后的管件表面產(chǎn)生螺旋波紋[1］。滾珠旋壓過(guò)程中，系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性、滾珠與芯棒的表面粗糙度等都將對(duì)成形管件的表面粗糙度產(chǎn)生較大影響[13］。除此之外，類比極薄帶軋制工藝，當(dāng)待加工管件的壁厚到達(dá)極限，滾珠必然受到管材、芯棒的較大反作用力，根據(jù)赫茲接觸理論[14］，滾珠會(huì)發(fā)生變形，因此滾珠材質(zhì)也是影響最終管件粗糙度的因素之一。

2.2 不同減薄率下ODF函數(shù)分析

EBSD檢測(cè)面為管件壁厚面，并規(guī)定管件的厚度方向?yàn)镹D方向（法向），管件長(zhǎng)度方向?yàn)镽D方向（軋向），與RD-ND面垂直的為T(mén)D方向（橫向），具體如圖3所示。

圖3 管件的EBSD檢測(cè)面

不同減薄率下管件的晶粒取向分布情況如圖4～6所示，分別描述在以旋轉(zhuǎn)角差值Δφ2=5°為變化間距的歐拉空間截面。其中，方位角φ1為平行紙面向右方向，角度范圍為0～90°；極角Φ為平行紙面向下，角度為0～90°。根據(jù)Φ、φ1、φ2這3個(gè)歐拉角可確定某一類型織構(gòu)。

圖4 原始管坯中晶粒取向分布情況

由圖4可知，原始管件中的織構(gòu)分布較均衡，以輕微的110//RD及Cubic織構(gòu)為主；但其強(qiáng)度較低，極密度值為2.64，說(shuō)明原始管件不存在高強(qiáng)度織構(gòu)，前期熱處理達(dá)到預(yù)定訴求，此時(shí)管件的塑性較好、硬度較低。

壁厚減薄率增加至80%時(shí)，管件織構(gòu)強(qiáng)度發(fā)生了較大變化（圖5），內(nèi)部開(kāi)始出現(xiàn)極密度值為10.7的110//RD織構(gòu)，并伴隨較低強(qiáng)度的Cubic織構(gòu)、Brass織構(gòu)。在旋轉(zhuǎn)角φ2為30°、45°、60°中都出現(xiàn)了面心立方晶格金屬中典型的扭轉(zhuǎn)（純剪切）織構(gòu)——{111}110[15］，在超高速率剪切變形制備鎳超穩(wěn)定納米層狀結(jié)構(gòu)時(shí)也同樣出現(xiàn)[16］。這種織構(gòu)的形成和滾珠旋壓變形時(shí)的滾珠繞管件的周向旋轉(zhuǎn)與其螺旋式的運(yùn)行軌跡有關(guān)。

圖5 壁厚0.1 mm（減薄率80%）時(shí)管件內(nèi)部晶粒取向分布情況

減薄率為90%時(shí)，管件內(nèi)部織構(gòu)分布發(fā)生了較大變化（圖6），強(qiáng)度最高的織構(gòu)仍為110//RD，極密度值下降為7.12，并重新出現(xiàn)了其他織構(gòu)?？棙?gòu)強(qiáng)度的下降意味著內(nèi)部織構(gòu)正向著分散化、均勻化方向發(fā)展。經(jīng)過(guò)冷變形加工后，形變組織內(nèi)產(chǎn)生大量的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，同時(shí)也造成了形變儲(chǔ)能在金屬基體內(nèi)累積，給后續(xù)進(jìn)一步的減薄帶來(lái)一定困難。

圖6 壁厚0.05 mm（減薄率90%）時(shí)管件內(nèi)部晶粒取向分布情況

管坯經(jīng)滾珠旋壓后，其微觀結(jié)構(gòu)以110//RD取向?yàn)橹?，這與主要沿軸向方向的金屬流動(dòng)有關(guān)。滾珠旋壓時(shí)晶粒沿著軸向方向被拉長(zhǎng)，從而對(duì)晶界的取向產(chǎn)生了重要影響；此外，織構(gòu)梯度的尖銳程度也反映了應(yīng)變?cè)诤穸确较蛏系姆植记闆r[17］。管件內(nèi)部的110//RD織構(gòu)極密度值的下降意味著內(nèi)部應(yīng)變?cè)诤穸确较虻姆植贾鸩骄鶆蚧痆18］。

3 結(jié) 論

（1）鎳銅合金管件經(jīng)滾珠旋壓加工后，表面粗糙度穩(wěn)定在0.2～0.3μm，管材外表面粗糙度隨著減薄量的提高略有上升，這與滾珠硬度、加工模具整體穩(wěn)定性有關(guān)。

（2）滾珠旋壓加工的NCu40-2-1鎳銅合金超薄壁管的壁厚減薄量增加至80%時(shí)，微觀結(jié)構(gòu)中以110//RD取向?yàn)橹?，織?gòu)強(qiáng)度達(dá)到最高；進(jìn)一步增大減薄率后，織構(gòu)強(qiáng)度有所降低，內(nèi)部應(yīng)變?cè)诤穸确较虻姆植贾鸩骄鶆蚧?/p>