電致塑性加工與處理技術(shù)的研究進展

唐國翌，祝儒飛

（清華大學(xué) 深圳研究生院 新材料研究所，深圳 518055）

電致塑性加工與處理技術(shù)的研究進展

唐國翌，祝儒飛

（清華大學(xué) 深圳研究生院 新材料研究所，深圳 518055）

針對金屬電致塑性加工技術(shù)的新進展和國內(nèi)外研究與應(yīng)用的現(xiàn)狀，進行了分析；并且針對目前電致塑性技術(shù)的典型應(yīng)用進行了綜合論述，期望引起國內(nèi)同行的關(guān)注，共同促進這一新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化推廣和應(yīng)用。

電致塑性加工是種新型的加工技術(shù)，是在普通的金屬變形加工過程中施以高能脈沖電流對所加工的材料進行電刺激（電致塑性加工），或者在加工前后對金屬進行處理（電致塑性處理），以獲得良好加工性能及綜合的機械性能。最早開始這一研究的是俄羅斯科學(xué)家O.A.Troitsky等前蘇聯(lián)科學(xué)家，后來美國北卡州立大學(xué)的H.Conrad教授進行了系統(tǒng)的理論和實驗分析，提出一系列相關(guān)的電致塑性理論，進一步推動了這一技術(shù)的發(fā)展。國內(nèi)在20世紀90年代開始相關(guān)研究，但目前國內(nèi)外在電致塑性的大規(guī)模工程應(yīng)用方面的進展還很有限。電致塑性加工設(shè)備與普通的加工設(shè)備相比，只需在普通的拉拔、軋制、深沖等設(shè)備上增加專用高能脈沖電源、接觸電極，對設(shè)備部分地方進行絕緣處理即可，硬件設(shè)施要求不高，使用成本也相對較低。眾所周知，脈沖電流在我國已廣泛應(yīng)用，在電鍍行業(yè)上采用脈沖電流能獲得更好的鍍層，甚至獲得納米晶［1］；在粉末冶金行業(yè)中，它能提高加熱速度，獲得更細小的燒結(jié)組織［2］；在金屬凝固過程中，采用電脈沖孕育處理，能減小鑄錠的集中縮孔體積，形成細小的等軸晶［3-4］。如何將脈沖電源應(yīng)用于金屬的加工，改善金屬的加工特性即進行電致塑性加工是材料加工領(lǐng)域的重要研究方向。

1 電致塑性拉拔

電致塑性在絲材加工上應(yīng)用最為廣泛，電致塑性拉拔的裝置包括脈沖電源、專用拉絲機和拔制力測試系統(tǒng)。電致塑性拉拔通常有3種輸入高能脈沖電流的方式，在拉拔變形區(qū)、拉拔前或者拉拔后引入脈沖電流，如圖1所示［5］。 在對不銹鋼［6-7］、銅［8］、鎂［9］、鎢［10］等的電致塑性拉拔研究發(fā)現(xiàn)通入脈沖電流拉拔的變形抗力下降，電脈沖的電流密度、頻率、方向?qū)ψ冃慰沽ο陆档姆扔杏绊?。脈沖電流大大改善其加工性能，減少或省去傳統(tǒng)絲材拉拔的中間退火過程，具有節(jié)約能源、生產(chǎn)效率提高的優(yōu)勢。

文獻［11］對1Cr18Ni9奧氏體不銹鋼絲的電致塑性拉拔研究發(fā)現(xiàn)，從Φ1.6 mm拉拔到Φ0.45 mm無需中間退火，拉拔過程中拔制力下降了20%～50%，與傳統(tǒng)冷拉拔所得絲相比屈服強度下降、延伸率提高。文獻［9］在拉拔AZ31鎂合金絲材時施加電壓為110 V、脈寬為60 μs的脈沖電流，拉拔拔制力下降達15%～25%，拉拔過程鎂合金發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，明顯提高了鎂合金的變形能力。理論分析可知，脈沖電流在與被加工金屬的作用過程中有2個主要效應(yīng)：熱效應(yīng)與非熱效應(yīng)。脈沖電流雖然通過樣品也有加熱效應(yīng)，但是溫升相對直流電較小，這樣可以滿足很多金屬在加工過程中不能在空氣中加熱很高溫度，脈沖電流的熱效應(yīng)可以通過式（1）［12］計算：

式中：ρ—電阻；tp—脈寬；cp—比熱；d—密度。其非熱效應(yīng)主要是電子流與位錯發(fā)生交互作用，運動的電子流促使位錯運動，同時也降低的位錯的逾越障礙，從而提高材料塑性。

2 電致塑性軋制

電致塑性軋制設(shè)備的電接觸方式主要是采用滑塊或者軋輥作為導(dǎo)電電極，常見的脈沖電流接入方式如圖2所示［13］。文獻［14］針對合金材料的加工開發(fā)了一套電致塑性的軋制方法，采用特殊的電接觸裝置做正極，軋輥做負極，將單向瞬間高能脈沖電流連續(xù)引入軋材。該成形工藝大大簡化傳統(tǒng)帶材加工的軋制工藝，省去了一般軋制工藝中要求的高溫和真空等條件，并且軋制變形能力相對常規(guī)軋制大為提高，能夠在2次退火間的總變形率達60%以上而不出現(xiàn)裂紋，最終產(chǎn)品較常規(guī)軋制強度更高、韌性更好。

文獻［15］對比了AZ31窄帶材的普通軋制與電致塑性軋制，發(fā)現(xiàn)了在電脈沖的熱效應(yīng)與非熱效應(yīng)作用下，電致塑性加工能在較低的溫度下發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，改善了鎂合金的塑性，提高了表面質(zhì)量。在加工過程中，非熱效應(yīng)是指脈沖電流造成的電子與原子之間的相互作用，它能與熱效應(yīng)共同作用促使位錯攀移。電脈沖處理過程，小角晶界的遷移、孿晶的形成有利于粗大晶粒的變形，改善了AZ31鎂合金的延展性。文獻［16］研究了電致塑性軋制室溫時效的Mg-9Al-1Zn的微觀組織、機械性能、拉伸性能，發(fā)現(xiàn)電脈沖處理能降低形核能、加速原子擴散，大大提高了β相的球化與溶解，在保持強度不變的條件下其塑性得到提高。并且隨著電脈沖頻率提高，斷口由解理斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂。

3 電致塑性沖壓

文獻［17］研究了脈沖電流對鎂合金沖壓過程的影響，表明在高能電脈沖作用下，沖壓過程施加電脈沖可明顯降低AZ31鎂合金的形抗力，材料塑性提高。利用電脈沖進行沖壓實驗，在表面溫度為210℃，沖壓速率為7.5 mm/min時，可在2.5 min內(nèi)成功壓制15 mm深的盒形件。與傳統(tǒng)熱沖工藝相比，表面質(zhì)量明顯改善。電脈沖存在的熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)耦合作用機制，可促進變形過程中的位錯攀移速度增長，有利于提高變形過程中的動態(tài)再結(jié)晶程度，從而提高鎂合金在變形過程中的塑性變形能力。

4 電致塑性處理技術(shù)（高能脈沖電流處理）

4.1 冷加工金屬的再結(jié)晶

脈沖電流的能量可控，并具有高的電流峰值，因此廣泛用于金屬加工的前后處理，非晶晶化，金屬凝固等。文獻［18-19］采用脈沖電流對冷加工金屬Cu、Al、Ni3Al的退火組織進行了研究。采用800 A/cm2、脈寬為90 μs、頻率為2 Hz的直流脈沖電流處理冷軋變形量為50%的銅，發(fā)現(xiàn)脈沖電流促使再結(jié)晶開始溫度的減小，晶體的生長速度的提高，退火孿晶形成的推遲。

4.2 時效

文獻［20］在Al-4.15wt%Cu時效過程中通入直流脈沖 （電流密度為0.3×103～3×103 A/cm2）,發(fā)現(xiàn)在時效溫度為75℃時，電流密度大于103 A/cm2電流加速時效，小于103 A/cm2電流減緩時效。

4.3 消除殘余應(yīng)力

文獻［21］采用脈沖電流消除40Cr鋼的淬火殘余應(yīng)力，脈沖電流密度達到一定值后殘余應(yīng)力開始弛豫，當電流密度達到6.3kA/mm2殘余應(yīng)力在700 μs內(nèi)被完全消除，而試樣的瞬時溫升僅為360℃。在應(yīng)力的消除過程主要是因為脈沖電流降低了位錯運動阻力，材料中的彈性應(yīng)變得以釋放，脈沖電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)與殘余應(yīng)力作用產(chǎn)生微觀的或者局部的塑性變形。

4.4 提高材料的疲勞壽命

文獻［22］在研究脈沖電流對多晶銅的疲勞壽命的影響時，發(fā)現(xiàn)電流脈沖處理能提高疲勞壽命，降低了沿晶斷裂，滑移變形更均勻。文獻［23］對α-Ti低周疲勞測試中引入頻率為20 Hz、電流密度為689.7～1034.4 A/mm2的直流脈沖電，發(fā)現(xiàn)脈沖電流能降低循環(huán)軟化速率，消除軟化過程中的硬化峰。

4.5 非晶態(tài)材料的晶化

文獻［24-25］研究了脈沖電流下非晶態(tài)材料的晶化，發(fā)現(xiàn)非晶帶材Fe-Si-B的晶化溫度低于傳統(tǒng)的退火溫度，并能獲得體積分數(shù)為20～30 vol.%，晶粒尺寸為15～20 nm的單相α-Fe（Si），其磁性能得到改善。文獻［26-27］研究了非晶態(tài)Zr60Cu30Al10、Cu50Ti50、Pd80Si20脈沖電流作用下的晶化， 其中Zr60Cu30Al10在不同的脈沖電流下晶化測得樣品的XRD譜圖如圖3所示，其中Si峰為Si粉的衍射峰，用來做標定［27］。

5 研究展望

5.1 電致塑性在新材料——記憶合金、金屬復(fù)合材料中的應(yīng)用

文獻［28-31］對TiNi記憶合金電致塑性加工做了研究,發(fā)現(xiàn)對粗晶態(tài)的和亞微晶態(tài)的Ti49.3Ni50.7軋制過程中施加高能脈沖電流，能夠增加變形極限1.5～3倍。高能電脈沖處理相對傳統(tǒng)的退火處理能夠在不明顯降低塑性的條件下極大改變延展性。記憶合金是目前使用量最大的功能材料之一，廣泛用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、航天工業(yè)，但是目前TiNi加工過程需要高溫退火，因此加工成本較高。采用電致塑性加工TiNi記憶合金，可以降低變形抗力延長模具及軋輥的壽命，提高生產(chǎn)效率，降低成本。

文獻［32-35］研究了在直流脈沖下金屬擴散偶Sn/Cu、Sn/Ni、Sn/Ag、Zn/Ni、Bi/Ni、Al/Ni界面上的金屬間化合物的形成，發(fā)現(xiàn)電流能夠促進擴散界面處金屬間化合物的形成，并且金屬間化合物的厚度隨電流密度、處理時間的增長而增加。采用電脈沖加工金屬復(fù)合材料能夠有效地控制界面處金屬間化合物的形成，使兩種金屬達到良好的界面強度。多層Al/鋼復(fù)合板是制備節(jié)能無油煙鍋的主要材料，其制備技術(shù)難度較大，采用脈沖電流輔助加工可以定向加熱及合理控制界面金屬間化合物的形成能，更容易制備出高質(zhì)量的多層復(fù)合板。

5.2 電致塑性技術(shù)的新應(yīng)用——回收廢金屬碎屑

金屬碎屑的回收可以為工業(yè)提供廉價的原材料，但是金屬碎屑的回收需要大噸位的壓機壓制成塊。文獻［36］利用高能電脈沖加工來回收金屬的碎屑，能顯著降低對壓機壓力的要求，并且由于金屬碎屑在通脈沖電流過程中的加熱時間極短，可以有效地避免氧化，現(xiàn)已成功實現(xiàn)不同形狀、尺寸、密度的高強鈦合金金屬碎屑的壓縮加工和回收。

綜上所述，開展電致塑性的研究在理論方面還有很多基礎(chǔ)工作需要深入探討，而工程應(yīng)用的實踐，可以有力地推動電致塑性技術(shù)的發(fā)展。

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