等通道轉(zhuǎn)角擠壓變形（ECAP）對Al-Mg-Si合金的性能影響

鐘益平

（上海云鑄三維科技有限公司，上海 201109）

目前，鋁鎂硅合金生產(chǎn)的擠壓鋁材料約為三分之二[1，2]。Mg在0.35%wt～1.4%wt范圍內(nèi)，Si在0.3%%wt～1.3%wt范圍內(nèi)，隨著傳統(tǒng)鋁鎂硅合金中的鎂和硅含量增加在二者的比例維持不變的情況下，硬質(zhì)化合物Mg2Si相會隨之增加，所以鎂和硅的含量會限制在小的范圍內(nèi)，漢字狀或骨架狀的Mg2Si由于其強(qiáng)度高和多尖角對基體的切割很大[3]。

由于內(nèi)部的切割是使其結(jié)果不再均勻，就會使合金的強(qiáng)度和韌性產(chǎn)生變差的影響，其應(yīng)用就會受到限制。因此能過使第二相減少或彌散就會抑制擠壓過程中晶粒的生長[4]，這對提高合金的力學(xué)性能來說是十分重要的。等通道轉(zhuǎn)角擠壓技術(shù)（ECAP）是通過大塑性變形原理，細(xì)化合金晶粒，提高合金的綜合性能。擠壓相對其他擠壓方法具有理想純剪切變形、擠壓均勻性變形、強(qiáng)烈的塑性變形、操作簡單污染少等優(yōu)勢，ECAP變形已廣泛的應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域、新一代生物醫(yī)療領(lǐng)域等。本文選取Al-Mg-Si系鋁合金，對不同路徑開展不同道次試驗(yàn)，并對其力學(xué)性能與微觀組織進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本試驗(yàn)選取的材料為Al-Mg-Si系合金，使用純鋁、純鎂與純硅以及Al-4.77%Er中間合金。進(jìn)行熔煉，相應(yīng)的化學(xué)成分如表1所示。最終將試樣加工成直徑11mm，長45mm的圓柱。

本試驗(yàn)選用為YR81-500T海綿鈦專用液壓機(jī)，此壓力機(jī)公稱力為5000KN，其工進(jìn)下程的速度為2.5mm/s～7mm/s，故選取500t的YR81-500T海綿鈦專用液壓機(jī)。同時(shí)選擇沒有起偏角的模具，其等通道通路的尺寸為12mm，兩通道間的夾角φ=90°，外接過渡圓弧角ψ=0°。

由于實(shí)驗(yàn)為大塑性變形，在擠壓過程中會產(chǎn)生較大的摩擦力，所以對要進(jìn)行擠壓的試樣、沖頭以及模具內(nèi)壁均涂上潤滑劑，以達(dá)到盡可能減小摩擦的作用。將涂有潤滑劑的試樣放入模具的入口通道中，在室溫下進(jìn)行勻速擠壓。擠壓道次分別為1道次A路徑、1道次Bc路徑、1道次C路徑、2道次A路徑、2道次Bc路徑、2道次C路徑、3道次A路徑、3道次Bc路徑、3道次C路徑。

2 鋁合金室溫ECAP的組織演變及其對力學(xué)性能的研究

2.1 ECAP后形貌的變化

圖2 各路徑各道次顯微硬度比較圖

由圖1可看出，經(jīng)過一道次的擠壓后，試樣較之前的小圓柱形態(tài)發(fā)生了明顯的變化，產(chǎn)生了一部分舌頭和舌尾。隨著經(jīng)過不轉(zhuǎn)動放入角度的A路徑，外形較一道次擠壓后基本不發(fā)生改變，只是較之前一道次擠壓后的試樣產(chǎn)生了更大的舌頭和舌尾，再經(jīng)過不轉(zhuǎn)動放入角度的A路徑擠壓后完成三道次，理論上試樣會產(chǎn)生較之前更大的舌頭和舌尾，但由于實(shí)際擠壓時(shí)，擠壓件在擠壓時(shí)，沖頭擠壓到出件位置時(shí)，該試件未能正常取出，所以選擇在放入一個(gè)試件將原試件擠出，所以該經(jīng)過三道次A路徑擠壓后的試件，成上圖形貌；經(jīng)過一道次擠壓后的試樣順時(shí)針轉(zhuǎn)動90°放入模具進(jìn)行擠壓得出Bc路徑二道次擠壓件，該試件較一道次擠壓出的試件，沒有產(chǎn)生更大的舌頭和舌尾；將擠出件再順時(shí)針轉(zhuǎn)動九十度，放入模具擠壓后得到Bc路徑三道次試件，該路徑擠壓出的試件，所產(chǎn)生的舌頭和舌尾都沒有發(fā)生明顯的大小變化；經(jīng)過一道次擠壓后的試樣轉(zhuǎn)動180°放入模具進(jìn)行擠壓得出C路徑二道次擠壓件，因?yàn)榉湃氲脑嚇虞^之前轉(zhuǎn)動了180°，所以產(chǎn)生的舌頭和舌尾較之前經(jīng)過一道次的試樣發(fā)生了較小的變化，三道次之后的舌頭和舌尾與二道次基本大小無區(qū)別。

2.2 不同ECAP擠壓路徑對顯微硬度的影響

表2為不同路徑不同道次的顯微硬度值和與其對應(yīng)的折線圖（圖2）?？芍荚嚰?jīng)過一次等通道轉(zhuǎn)角擠壓后硬度從50.64HV增加到74.21HV，每個(gè)路徑隨著道次的增加硬度都有所增加，二道次A路徑硬度為86.99HV，Bc路徑硬度為85.54HV，C路徑硬度為85.92HV；三道次A路徑硬度為88.72HV，Bc路徑硬度為81.92HV，C路徑硬度為86.17HV。由數(shù)據(jù)可知經(jīng)過二道次擠壓后A路徑的硬度最大，C路徑次之，再為B路徑，三道次擠壓后B路徑硬度最高，A路徑次之，再為C路徑。其中由首次經(jīng)過等通道轉(zhuǎn)角擠壓后硬度增加的尤為明顯，之后隨著路徑的增加硬度都有所增加。經(jīng)過三道次的擠壓后性比沒作擠壓之前大概增加了75%左右。

表2 各道次各路徑的硬度值

2.3 不同ECAP擠壓路徑對組織的影響

圖3 為Al-Mg-Si系合金經(jīng)過不同路徑ECAP后的微觀組織照片，放大倍數(shù)為500倍。

圖3 不同路徑各道次顯微微觀組織

圖4 室溫ECAP不同道次后C路徑后的力學(xué)性能

從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過二道次擠壓后的試件與經(jīng)過一道次擠壓后的試件相比，Si顆粒發(fā)生了明顯的細(xì)化和彌散，由較大的黑顆粒形態(tài)轉(zhuǎn)變成較小的黑顆粒形態(tài)，由于其內(nèi)部組織的變化由大顆粒的形態(tài)轉(zhuǎn)化成小顆粒均勻彌散在組織中，使其強(qiáng)度能夠得到些許的增加；同樣經(jīng)過二道次擠壓后的試件與經(jīng)過一道次擠壓后的試件相比，其中的Mg2Si相也發(fā)生了較為明顯的彌散和細(xì)化。整體上通過二道次擠壓后的試樣比經(jīng)過一道次的試樣，一道次金相上的組織形態(tài)較為集中，而經(jīng)過二道次后的組織形態(tài)，就呈現(xiàn)出較為分布均勻的形態(tài)；在二道次C路徑中能較為明顯的看到被拉長的晶粒。而三道次擠壓后試樣的顯微組織形態(tài)較二道次后的相比，基本沒有較大的Si顆粒存在在組織中，Mg2Si相也被細(xì)化彌散在晶界中，晶粒也較之前的組織有了細(xì)化的現(xiàn)象。

可以明顯的發(fā)現(xiàn)經(jīng)過兩道次擠壓后的合金相比經(jīng)過一道次的合金，合金中的Si顆粒和Mg2Si中間相發(fā)生了較為明顯的碎化細(xì)化和彌散；經(jīng)過三道次的擠壓后，合金中的Si顆粒已經(jīng)發(fā)生明顯的碎化細(xì)化，Mg2Si相也被細(xì)化彌散在晶界中，且內(nèi)部晶粒也產(chǎn)生了細(xì)化。

2.4 不同ECAP擠壓路徑對力學(xué)性能的影響

圖4為該合金經(jīng)過不同ECAP工藝下的室溫力學(xué)性能測試結(jié)果。從圖中可以看出，未經(jīng)過等通道轉(zhuǎn)角擠壓之前的試樣，經(jīng)MMS-100熱力模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)壓縮后，其屈服強(qiáng)度隨著壓縮比的增加，發(fā)生了先增大后減小的趨勢，其屈服強(qiáng)度峰值大概在370MPa左右，平均屈服強(qiáng)度大概在200MPa左右；經(jīng)過一道次的擠壓后，整體屈服強(qiáng)度有了極為明顯的增加；一道次后的試樣在熱力模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)壓縮時(shí)，其屈服強(qiáng)度隨著壓縮比的增加，發(fā)生了先增加后減小的走勢，其屈服強(qiáng)度峰值大概在650MPa左右，平均屈服強(qiáng)度大概在550MPa左右；而經(jīng)過三道次C路徑擠壓后的強(qiáng)度發(fā)生了明顯的下降且趨于平穩(wěn)，其屈服強(qiáng)度隨著壓縮比的增加，發(fā)生了穩(wěn)定增加的形勢，其屈服強(qiáng)度峰值大概在200MPa左右，平均屈服強(qiáng)度大概在190MPa左右。經(jīng)過一道次擠壓后，材料屈服強(qiáng)度較處理前有較大幅度的提高，但經(jīng)過三道次C路徑的擠壓后屈服強(qiáng)度較一道次發(fā)生了降低。

3 結(jié)論

（1）等通道轉(zhuǎn)角擠壓后硬度增加的尤為明顯，材料屈服強(qiáng)度較處理前有較大幅度的提高，之后隨著路徑的增加硬度都有所增加。

（2）二道次擠壓后比經(jīng)過一道次組織形態(tài)較為集中，經(jīng)二道次后組織形態(tài)，呈現(xiàn)出較為分布均勻的形態(tài)。三道次擠壓后試樣的顯微組織形態(tài)較二道次后的相比，晶粒有了細(xì)化的現(xiàn)象。

（3）Al-Mg-Si 合金在室溫下經(jīng) ECAP 擠壓處理后，其組織發(fā)生劇烈塑性變形，隨著道次的增加其內(nèi)部組織發(fā)生了明顯的細(xì)化，Si顆粒和Mg2Si相分布的更加彌散，晶粒更加細(xì)化，組織更加均勻。