熱加工對(duì)冷噴涂鋁合金塊材性能的影響

吳 畏, 張留艷, 鄭之棟, 鄭洪迪, 劉塏燚, 譚桂斌, 揭曉華

(1. 廣東工業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院, 廣東 廣州 510006;2. 廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 廣東 廣州 510006)

冷噴涂增材制造技術(shù)[1-2]作為一種新興的增材制造技術(shù)在材料加工領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。冷噴涂過(guò)程是固態(tài)粉末顆粒在高速?zèng)_擊下,發(fā)生塑性變形而實(shí)現(xiàn)顆粒間及顆粒與基體間機(jī)械互鎖的沉積方法。與其他增材制造工藝[3-5]相比,冷噴涂技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是溫度低、粉末和基體熱氧化小,產(chǎn)品尺寸不受限制,靈活性高以及方便局部修復(fù)[6-7]。此外,冷噴涂技術(shù)特別適用于制備銅和鋁等高反射率的金屬,Lee等[8]采用冷噴涂技術(shù)成功修復(fù)了發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金部件,修復(fù)后的材料耐磨性得到了提高,摩擦因數(shù)降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。Dean等[9]成功通過(guò)冷噴涂技術(shù)制備了高致密度的NiAl塊體材料,具有獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu),強(qiáng)度接近大塊材料的強(qiáng)度,因此可以作為結(jié)構(gòu)材料在許多應(yīng)用中使用,表明冷噴涂增材制造技術(shù)可以單獨(dú)制備性能較好的塊體材料。

在冷噴涂過(guò)程中常常會(huì)因?yàn)槌练e效率低而造成大量粉體材料的浪費(fèi),研究表明通過(guò)增加硬質(zhì)第二相可以明顯提高粉末的沉積率。Luo等[10]首次將原位噴丸(SP)技術(shù)引入到冷噴涂中,將大尺寸的不銹鋼顆粒與噴丸粉末混合,制備致密的Ti6Al4V(TC4)合金和商用純Ti(CP Ti)鍍層,通過(guò)這些大尺寸SP顆粒的原位錘擊,可以大大增強(qiáng)沉積層的塑性變形,從而降低孔隙率并導(dǎo)致顯著的加工硬化,而沉積效率只有輕微的下降趨勢(shì)。Irissou等[11]通過(guò)冷噴涂制備了Al-Al2O3沉積體,發(fā)現(xiàn)當(dāng)Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%左右時(shí),沉積效率最佳,涂層的結(jié)合力大于60 MPa,耐磨性與Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)無(wú)關(guān),而且涂層與純鋁涂層具有相同的耐蝕性。

冷噴涂技術(shù)相對(duì)于其他加工技術(shù)的缺點(diǎn)也很明顯,冷噴涂制備的材料通常為表面粗糙的半成品[12],需要對(duì)制備出的半成品進(jìn)行后處理。單純的熱處理難以完全消除顆粒-顆粒的界面,性能難以達(dá)到實(shí)際需求,所以在熱處理后還需進(jìn)行其他機(jī)械處理。Li等[13]通過(guò)冷噴涂技術(shù)在304不銹鋼基體上制備Ti沉積體,通過(guò)熱軋后發(fā)現(xiàn)隨著熱軋溫度的升高,顆粒與基體之間形成冶金結(jié)合,沉積體和基體結(jié)合界面上的孔隙基本消除,同時(shí)在熱軋后界面晶粒也得到了細(xì)化,結(jié)合強(qiáng)度得到提升。Tariq等[14]在AA6061鋁合金基體上制備B4C/Al復(fù)合材料,對(duì)冷噴涂沉積體進(jìn)行壓下量分別為20%、40%和60%的熱軋和拉拔試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),熱軋后的復(fù)合材料與基體的結(jié)合強(qiáng)度得到顯著提高。Qiu等[15]通過(guò)冷噴增材制造原位生成Sip/A380合金納米/微復(fù)合材料,通過(guò)后續(xù)熱軋?zhí)幚砗蛯?duì)噴涂態(tài)合金鍍層進(jìn)行不同厚度減薄處理發(fā)現(xiàn),熱軋?jiān)嚇泳哂休^好的強(qiáng)度和塑性,均優(yōu)于噴涂態(tài)試樣。通過(guò)以上研究發(fā)現(xiàn),軋制可以很好地彌補(bǔ)冷噴涂增材制造技術(shù)的缺陷,能夠有效提升材料的力學(xué)性能。鑒于此,本文擬采用低壓冷噴涂技術(shù)將鋁合金粉沉積在7075鋁合金板基體表面形成塊材,通過(guò)混合球形氧化鋁粉實(shí)現(xiàn)原位噴丸作用,研究后續(xù)熱處理和熱軋加工對(duì)冷噴涂鋁合金塊材組織、力學(xué)和耐蝕性的影響,為冷噴涂增材制造鋁合金塊材性能的改善提供理論技術(shù)指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 鋁合金塊材制備方法

將球形氧化鋁粉(純度99.9%,平均粒徑20 μm,見(jiàn)圖1(a))和7075鋁合金粉(類球形,純度99.9%,平均粒徑40 μm,見(jiàn)圖1(b))按質(zhì)量分?jǐn)?shù)1∶4進(jìn)行均勻混合,其中7075鋁合金粉的截面組織可觀察到明顯的柱狀或網(wǎng)狀晶界(見(jiàn)圖1(c))。采用DYMET-423型低壓冷噴涂設(shè)備將混合粉末沉積在7075鋁合金板基體表面,經(jīng)過(guò)多層沉積過(guò)程獲得厚度大于4 mm的鋁合金復(fù)合塊材,具體低壓冷噴涂工藝參數(shù)為,以壓縮空氣為載體,壓力0.7～0.8 MPa,氣體預(yù)熱溫度為600 ℃,噴頭移動(dòng)速度200 mm/min,供粉速度0.5 g/s,噴射角度90°,噴嘴到試樣表面距離15 mm,基體表面預(yù)先進(jìn)行噴砂處理,表面粗糙度Sa=2.5 μm。

圖1 球形氧化鋁粉(a)和7075鋁合金粉(b)的顯微形貌

采用線切割技術(shù)將沉積后的鋁合金復(fù)合塊材從基體上切下來(lái),制備成尺寸為20 mm×20 mm×4 mm的試樣,在400 ℃進(jìn)行恒溫退火4 h,隨爐冷卻后取出待用。用砂紙將熱處理后的試樣表面和棱角打磨光滑,在400 ℃保溫30 min后,立即進(jìn)行熱軋,每道次壓下量為5%,獲得累積壓下量為30%的鋁合金塊材。

1.2 表征方法

采用LEICA DMi8型光學(xué)顯微鏡和HITACHIS-3400型掃描電鏡觀察不同加工狀態(tài)的鋁合金塊材在平行于沉積方向上的微觀組織,預(yù)先對(duì)觀察面進(jìn)行研磨拋光并采用體積分?jǐn)?shù)為0.5%HF水溶液進(jìn)行浸蝕。采用BUEHLER VH1202 維氏顯微硬度計(jì)測(cè)試不同加工狀態(tài)的鋁合金塊材顯微硬度,載荷砝碼100 g。采用WDW-10電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試不同加工狀態(tài)的鋁合金塊材的拉伸曲線,拉伸速率為0.05 s-1,拉伸試樣如圖2 所示,其中試樣厚度方向?yàn)槔鋰娡砍练e方向,拉伸試驗(yàn)后,采用掃描電鏡觀察斷口形貌。

圖2 拉伸試樣尺寸示意圖

在3.5wt%NaCl溶液中進(jìn)行全浸泡腐蝕試驗(yàn),采用體式顯微鏡觀察不同腐蝕時(shí)間下試樣的顯微形貌,測(cè)試前對(duì)試樣邊緣進(jìn)行密封以防止在浸泡過(guò)程中腐蝕液滲透到試樣內(nèi)部。采用CHI660E電化學(xué)工作站測(cè)試試樣在浸泡腐蝕9天后的極化曲線,測(cè)試采用傳統(tǒng)的三電極體系,飽和甘汞電極為參比電極,鉑電極為輔助電極,試樣為工作電極,其背面焊接導(dǎo)線并進(jìn)行鑲嵌,同時(shí)暴露出10 mm×10 mm作為工作面,工作面采用砂紙逐級(jí)打磨并進(jìn)行機(jī)械拋光,清洗吹干后進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試的電位范圍從低于開(kāi)路電位500 mV,正向掃描至出現(xiàn)明顯點(diǎn)蝕后停止。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

圖3為不同加工狀態(tài)鋁合金塊材沉積方向上的顯微組織。由圖3(a～c)可見(jiàn),不同加工狀態(tài)的鋁合金塊材微觀組織特征存在差異,原始沉積態(tài)的鋁合金塊材由變形為扁平狀的鋁合金顆粒和球形氧化鋁顆粒組成,顆粒界面清晰可見(jiàn),呈黑線狀,鋁合金顆粒內(nèi)觀察到樹(shù)枝狀晶界,如圖3(a)所示。鋁合金沉積態(tài)塊材微觀孔洞缺陷較多是由于采用的鋁合金粉相比純鋁粉硬度較高、塑性較差,鋁合金粉在沉積過(guò)程中變形不足導(dǎo)致顆粒交界處留下孔洞,致使沉積態(tài)塊材致密性差,對(duì)性能影響較大。沉積態(tài)塊材經(jīng)過(guò)400 ℃退火4 h后的組織內(nèi)觀察不到明顯的鋁合金顆粒,顆粒界面顯著減少,如圖3(b)所示,這與退火時(shí)鋁合金顆粒間發(fā)生元素相互擴(kuò)散形成冶金結(jié)合有關(guān),另外退火態(tài)鋁合金顆粒的晶粒特征發(fā)生改變,原始的樹(shù)枝狀晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)狀或短棒狀彌散分布,這與鋁合金塊材退火時(shí)顆粒內(nèi)時(shí)效析出第二相有關(guān)。對(duì)退火態(tài)塊材進(jìn)行壓下量30%的熱軋?zhí)幚砗?組織呈現(xiàn)條帶狀特征,如圖3(c)所示。由圖3(a1～c1)可見(jiàn),沉積態(tài)組織在顆粒交界處存在孔洞、縫隙等缺陷,退火后縫隙減少但仍然存在微觀缺陷,熱軋后組織致密性顯著提高,孔隙等缺陷相對(duì)較少。

圖3 不同加工狀態(tài)鋁合金塊材沉積方向的顯微組織

2.2 力學(xué)性能

圖4為不同加工狀態(tài)鋁合金塊材的顯微硬度和工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖4(a)可見(jiàn),冷噴涂沉積態(tài)的鋁合金塊材顯微硬度較高,約為142 HV0.1,經(jīng)400 ℃退火4 h后的顯微硬度下降明顯,約為91 HV0.1,相比沉積態(tài)下降了36%,退火態(tài)試樣進(jìn)行熱軋后的顯微硬度再次增大,約為120 HV0.1。鋁合金本身的顆粒硬度就高于純鋁粉,而經(jīng)過(guò)冷噴涂處理,顆粒發(fā)生較大程度塑性變形,應(yīng)變硬化效應(yīng)進(jìn)一步提高鋁合金顆粒硬度,因此沉積態(tài)鋁合金塊材硬度較大。退火過(guò)程使得沉積態(tài)塊材顆粒內(nèi)的位錯(cuò)發(fā)生移動(dòng)致使位錯(cuò)塞積現(xiàn)象減弱,從而應(yīng)變硬化效應(yīng)減弱,同時(shí)發(fā)生的晶粒長(zhǎng)大使得鋁合金塊材的硬度降低,產(chǎn)生退火軟化現(xiàn)象。退火態(tài)鋁合金塊材再經(jīng)過(guò)熱軋變形后,應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)使塊材硬度再次增大。

圖4 不同加工狀態(tài)鋁合金塊材的顯微硬度(a)及工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線(b)

對(duì)比不同加工狀態(tài)鋁合金塊材的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出不同組織狀態(tài)鋁合金塊材的強(qiáng)韌性差別。由圖4(b)可見(jiàn),冷噴涂沉積態(tài)鋁合金塊材的抗拉強(qiáng)度約為250 MPa,而韌性較差,延伸率約2%,其工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線中幾乎沒(méi)有塑性變形階段,其脆性較大,這與其微觀組織存在大量顆粒界面和微孔等缺陷有關(guān),顆粒間以機(jī)械結(jié)合為主,冶金結(jié)合較少,因此缺陷處成為沉積態(tài)鋁合金塊材的薄弱環(huán)節(jié)。與冷噴涂沉積態(tài)相比,退火態(tài)鋁合金塊材的抗拉強(qiáng)度變化不明顯,但是塑性變形能力得到提升,延伸率約為4%,是沉積態(tài)的2倍,退火態(tài)鋁合金塊材韌性的改善歸因于退火使得顆粒間形成了冶金結(jié)合,顆粒界面處缺陷減少,而強(qiáng)度未提高與退火軟化現(xiàn)象有關(guān)。與冷噴涂沉積態(tài)和退火態(tài)相比,熱軋態(tài)鋁合金塊材的強(qiáng)度和韌性均有顯著改善,抗拉強(qiáng)度約為350 MPa,延伸率超過(guò)6%,其強(qiáng)度達(dá)到沉積態(tài)的1.4倍,延伸率為沉積態(tài)的3倍。

圖5為不同加工狀態(tài)鋁合金塊材的拉伸斷口形貌。由圖5(a)可見(jiàn),沉積態(tài)的斷口表面較為粗糙,裂縫呈彎曲狀,與顆粒界面形狀相吻合,表明沉積態(tài)鋁合金塊材在拉伸過(guò)程中是從顆粒界面斷開(kāi)的,說(shuō)明冷噴涂沉積態(tài)材料的薄弱顆粒界面是影響材料性能的最大因素。退火態(tài)鋁合金塊材的拉伸斷口出現(xiàn)韌窩,如圖5(b) 所示,表明材料具有一定的韌性。熱軋態(tài)鋁合金塊材的斷口形貌與退火態(tài)相似,出現(xiàn)明顯的韌窩特征,如圖5(c)所示,韌窩更小更多與塊材的結(jié)構(gòu)更致密有關(guān),另外,從圖5(c)還可以觀察到層狀結(jié)構(gòu)特征,這與熱軋加工造成塊材組織具有方向性有關(guān)。此外,對(duì)比圖5(a～c)可以觀察到球形氧化鋁顆粒特征的區(qū)別,沉積態(tài)鋁合金塊材斷口可以觀察到少量完整的球形氧化鋁或者氧化鋁脫落留下的孔洞,退火態(tài)鋁合金塊材斷口出現(xiàn)半截氧化鋁顆粒嵌在鋁基塊材內(nèi)部,間接表明退火后鋁合金顆粒的界面形成冶金結(jié)合使得塊材內(nèi)聚力得到提高,塊材也得到強(qiáng)化,熱軋態(tài)鋁合金塊材斷口不僅觀察到半截氧化鋁顆粒,還出現(xiàn)少量沿著軋制方向開(kāi)裂的氧化鋁顆粒,這可能是熱軋過(guò)程中,部分顆粒受壓力導(dǎo)致開(kāi)裂。因此,冷噴涂沉積鋁合金塊材經(jīng)退火和熱軋的力學(xué)性能顯著提高,使得斷裂強(qiáng)度提高為沉積態(tài)的1.4倍,延伸率增大為沉積態(tài)的3倍,由脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂。

圖5 不同加工狀態(tài)鋁合金塊材的拉伸斷口形貌

2.3 腐蝕性能

圖6為不同加工狀態(tài)鋁合金塊材在3.5wt%NaCl溶液中全浸泡不同時(shí)間后的腐蝕形貌。由圖6可見(jiàn),不同狀態(tài)的鋁合金塊材在鹽溶液中浸泡后均表現(xiàn)為點(diǎn)蝕;沉積態(tài)塊材點(diǎn)蝕數(shù)量較多且發(fā)展較快,腐蝕過(guò)程中先出現(xiàn)蝕點(diǎn),腐蝕加重時(shí)不斷有新的蝕點(diǎn)出現(xiàn),原蝕點(diǎn)變大變深。浸泡時(shí)間從2天延長(zhǎng)到9天時(shí)可明顯觀察到新的蝕點(diǎn)出現(xiàn),且嚴(yán)重腐蝕位置處的腐蝕產(chǎn)物疏松易脫落,不具有保護(hù)性。退火態(tài)塊材的蝕點(diǎn)出現(xiàn)后,僅在已有蝕點(diǎn)處加重腐蝕,浸泡時(shí)間從2天到9天時(shí)新蝕點(diǎn)出現(xiàn)的數(shù)量較少,已嚴(yán)重腐蝕位置的腐蝕產(chǎn)物呈白色疏松狀。熱軋態(tài)塊材在蝕點(diǎn)出現(xiàn)后原位加重腐蝕,浸泡時(shí)間從2天到9天時(shí)新蝕點(diǎn)出現(xiàn)的數(shù)量也明顯較少,已腐蝕位置的腐蝕產(chǎn)物較為致密,牢固附著在塊材表面,具有潛在的保護(hù)作用。

圖6 不同加工狀態(tài)鋁合金塊材在3.5wt%NaCl溶液中浸泡不同時(shí)間后的腐蝕形貌

對(duì)在3.5wt%NaCl溶液中浸泡腐蝕9天后的試樣進(jìn)行極化曲線測(cè)試,結(jié)果如圖7和表1所示?？梢钥闯?不同狀態(tài)鋁合金塊材腐蝕一定時(shí)間后的極化曲線存在差異,這與材料的表面狀態(tài)有關(guān),如腐蝕產(chǎn)物和鈍化膜特征。冷噴涂沉積態(tài)塊材的自腐蝕電位較低,為-1.22 V,點(diǎn)蝕電位為-0.79 V,自腐蝕電流密度為8.61 μA/cm2;退火態(tài)塊材的自腐蝕電位升高至-1.12 V,點(diǎn)蝕電位為-0.66 V,自腐蝕電流密度稍有下降,約為5.15 μA/cm2;熱軋態(tài)塊材的自腐蝕電位顯著升高,約為-0.35 V,點(diǎn)蝕電位為-0.14 V,自腐蝕電流密度顯著下降,約為0.258 μA/cm2。自腐蝕電位的提高意味著材料熱力學(xué)腐蝕傾向減小,點(diǎn)蝕電位提高意味著耐點(diǎn)蝕性能提高,自腐蝕電流密度減小意味著腐蝕速度降低,耐蝕性好。因此,沉積態(tài)鋁合金塊材經(jīng)退火和熱軋后的耐蝕性能和耐點(diǎn)蝕性能提高,這與熱軋后塊材的結(jié)構(gòu)缺陷減少和組織細(xì)化有關(guān)。冷噴涂沉積態(tài)塊材存在孔洞和顆粒界面等缺陷,在后續(xù)的退火和熱軋使塊材缺陷減少,結(jié)構(gòu)更致密,材料抵抗侵蝕介質(zhì)滲透能力和耐點(diǎn)蝕性能提高,熱軋帶來(lái)的晶粒細(xì)化效果使得鋁合金材料的鈍化性能提高,耐點(diǎn)蝕性能改善。

表1 不同加工狀態(tài)鋁合金塊材在3.5wt%NaCl溶液中浸泡腐蝕9天后的電化學(xué)參數(shù)

圖7 不同加工狀態(tài)鋁合金塊材在3.5wt%NaCl溶液中浸泡腐蝕9天后的極化曲線

3 結(jié)論

1) 低壓冷噴涂法沉積的鋁合金基塊材由于鋁合金顆粒硬度高、變形不足導(dǎo)致結(jié)構(gòu)上存在大量的顆粒界面和微孔洞等缺陷;經(jīng)過(guò)400 ℃退火4 h后,顆粒界面缺陷顯著減少;退火后再經(jīng)30%壓下量的熱軋加工后,塊材的結(jié)構(gòu)致密性顯著提高。

2) 沉積態(tài)鋁合金塊材硬度高、塑性很差,拉伸時(shí)發(fā)生脆性斷裂,這與微觀結(jié)構(gòu)上縫隙和孔洞等缺陷有關(guān);經(jīng)過(guò)400 ℃退火4 h后,硬度顯著下降,抗拉強(qiáng)度變化不大,但延伸率為沉積態(tài)2倍,塑性提升,這與退火后缺陷減少和鋁合金軟化有關(guān);退火后再經(jīng)30%壓下量的熱軋加工后,硬度再次增大,材料的抗拉強(qiáng)度和韌性均提高,抗拉強(qiáng)度達(dá)到350 MPa,為沉積態(tài)的1.4倍,延伸率超過(guò)6%,為沉積態(tài)的3倍。

3) 沉積態(tài)鋁合金塊材耐點(diǎn)蝕性能差,形成的蝕點(diǎn)多、點(diǎn)蝕擴(kuò)展快,形成的腐蝕產(chǎn)物疏松易剝落;經(jīng)過(guò)400 ℃退火4 h后,耐點(diǎn)蝕性能稍有提升,但形成的腐蝕產(chǎn)物依然疏松;退火后再經(jīng)30%壓下量的熱軋加工后,耐點(diǎn)蝕性能改善,形成的腐蝕產(chǎn)物也更致密,具有一定的保護(hù)作用,降低了材料的腐蝕速度。