鋁鎢粉末合金擠壓成形與本構(gòu)模型的建立研究

黃安平，鄭海強(qiáng)，翁 羽

（九江國(guó)科遠(yuǎn)大機(jī)電有限公司，江西 九江 332000）

1 鋁鎢粉末合金發(fā)展現(xiàn)狀研究

鋁鎢粉末合金是近些年才發(fā)展起來(lái)的新型合金材料，此種合金材料，同時(shí)具有鋁、鎢的金屬特性，如：質(zhì)量非常輕、耐高溫、便于加工等。此外，還具有鋁和鎢不具有的特性，如耐磨性非常高。在很多領(lǐng)域都可以良好應(yīng)用。鋁鎢粉末合金制備工藝非常復(fù)雜，需要先經(jīng)過(guò)機(jī)械合金化制粉，再進(jìn)行擠壓成形。通過(guò)機(jī)械合金化制備可獲得納米級(jí)別的固溶體粉末合金，此項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)比較成熟，但制備的鋁鎢粉末合金致密度比較低，難以滿足工業(yè)生產(chǎn)或者航天航空領(lǐng)域?qū)︿X鎢粉末合金高性能的要求。為提升鋁鎢粉末合金的使用性能，可采取鋁鎢粉末合金加壓成形方法，并建立本構(gòu)模型，以豐富鋁鎢粉末合金制備技術(shù)，最大限度上提升使用性能。

2 鋁鎢粉末合金擠壓成形關(guān)鍵技術(shù)

2.1 粉末制備技術(shù)

在鋁鎢粉末合金擠壓成形制備中，粉末制備是關(guān)鍵技術(shù)，為提升鋁鎢粉末合金的性能，降低制備成本，需要結(jié)合實(shí)際情況，選擇先進(jìn)的粉末制備技術(shù)，比如：瑞典在鋁鎢粉末合金粉末制備時(shí)，采用氣相還原碳化技術(shù)，日本采用回轉(zhuǎn)爐直接還原碳化技術(shù)，美國(guó)采用快速碳熱還原技術(shù)。我國(guó)采用噴霧干燥法來(lái)制備合金粉末，通過(guò)溶液將粉末進(jìn)行霧化處理，獲得超微粒子，現(xiàn)將鋁鎢粉鹽溶液相互混合，充分?jǐn)嚢柚蟮玫交旌先诤?，再將鎢酸銨加入混合溶液中，裝入到霧化器中，通過(guò)霧化器的噴嘴高速噴人干燥室中就可以獲得金屬鹽，收集完成之后在進(jìn)行燒結(jié)，就能得到納米氧化物復(fù)合粉末前驅(qū)體的超微粒子，作為鋁鎢粉末合金擠壓成形的原材料。用H2WO4，NiCl2可溶性鹽的堿水溶液與FeCl2水溶液快速混合，再經(jīng)超聲噴霧熱轉(zhuǎn)換得到了相組成為WO2.92，NiO，Y2O3的均勻復(fù)合氧化物粉末，平均粒度為32nm，顆粒接近球形。用H2WO4和NiCl2堿性水溶液與FeCl2和Y2O3的酸性水溶液的快速混合，經(jīng)過(guò)超聲噴霧熱轉(zhuǎn)換制備了W-Ni-Fe-Y系的相組成為WO2，NiO，Y2O3的成分均勻的復(fù)合氧化物粉末，其BET粒度為30nm，形貌近球形。噴霧干燥法最適合于大批量的生產(chǎn)，工藝簡(jiǎn)單，且不引進(jìn)其它雜質(zhì)。但粉末前驅(qū)體的還原過(guò)程控制很重要。

2.2 粘結(jié)劑技術(shù)

粘結(jié)劑也是鋁鎢粉末合金擠壓成形制備技術(shù)的主要原材料，隨著合金制備技術(shù)的飛速發(fā)展，粘結(jié)劑隨著時(shí)代的發(fā)展不斷更新，在市面有很多粘結(jié)劑，不同粘結(jié)劑的性能和功能也不相同，在鋁鎢粉末合金擠壓成形制備中，需要擠壓成形工藝特性，在滿足擠壓成形的基本要求基礎(chǔ)上，盡量選擇具有流動(dòng)性的粘結(jié)劑，需要充分考慮擠壓過(guò)程對(duì)鋁鎢粉末合金性能的影響。在合金材料制備中，最初選擇的粘結(jié)劑為石蠟，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了性能更好優(yōu)越的粘結(jié)劑，如：LDPE粘結(jié)劑、SA粘結(jié)劑、PP粘結(jié)劑等兩組二元成形劑。我國(guó)在鋁鎢粉末合金擠壓成形中經(jīng)常選擇三組元成形劑，主要是苯乙烯、丁二烯、苯乙烯嵌段聚合物、硬脂酸等。

2.3 混煉技術(shù)

混煉也鋁鎢粉末合金擠壓成形工藝的核心環(huán)節(jié)，應(yīng)用得當(dāng)可大幅度概述合金粉末的流動(dòng)性，完成分散，是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程。在混煉過(guò)程中，需要采用粘結(jié)劑將合金粉末完全均勻的包裹，從而形成一種具有優(yōu)良流變性的粉末料。在鋁鎢粉末合金擠壓成形過(guò)程中，如果混煉技術(shù)應(yīng)用不當(dāng)，比如：混煉時(shí)間、溫度、混煉方式等選擇不合理，控制不全面，會(huì)嚴(yán)重影響鋁鎢粉末合金擠壓成形效果，甚至?xí)纬蓮U品，造成大量浪費(fèi)。只有在混煉中得到流變性能優(yōu)越的粉料，才能擠壓出內(nèi)部無(wú)裂紋、表面光滑的鋁鎢粉末合金，提升合金材料使用性能。

2.4 擠壓技術(shù)

對(duì)鋁鎢粉末合金擠壓成形工藝而言，成形質(zhì)量的高低，直接決定整個(gè)合金制備的質(zhì)量。而擠壓模具設(shè)計(jì)對(duì)擠壓成形的影響最大，雖然在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，模具設(shè)計(jì)和制造的精度已經(jīng)非常高，但在鋁鎢粉末合金擠壓成形中，模具的設(shè)計(jì)和制造缺乏可借鑒的參考和標(biāo)準(zhǔn)，僅憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，難以保證擠壓成形的質(zhì)量。為解決這一問(wèn)題，在鋁鎢粉末合金擠壓成形中要盡量選擇正擠壓模具結(jié)構(gòu)，此種模具結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了凸模座和凸模頭的有效分離，降低了模具設(shè)計(jì)和制造的難度，但為保證凸模具有足夠的強(qiáng)度和硬度，在模具制造時(shí)要選擇5CrMnMo材料，此種材料經(jīng)過(guò)熱處理之后，硬度可達(dá)到40～45HRC，滿足鋁鎢粉末合金擠壓成形的要求。

凹模是正擠壓成形質(zhì)量達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵，在選擇模具參數(shù)時(shí)，要保證凹模內(nèi)徑D比擠壓件的外徑大出0.6%～1.0%，凹模錐角要控制在120°左右。凹模在鋁鎢粉末合金擠壓成形過(guò)程中，需要能夠經(jīng)受住高壓、高溫、高變形的作用，需要選擇5CrMnMo材料作為凹模制作材料，經(jīng)過(guò)熱處理之后，其硬度要略高于凸模硬度，控制在45～50HRC之間，凹模固定板要能夠承受住來(lái)自凹模脹變應(yīng)力，可選擇45鋼來(lái)制作凹模固定板[1]。

在鋁鎢粉末合金制備中，常用的擠壓成形方法有兩種，一種是冷壓，另一種的熱壓。在冷壓過(guò)程中，鋁鎢粉末合金坯料的致密度會(huì)隨著壓力的增加而增加，需要控制冷壓力和加載速度，通常情況下，冷壓力控制在8MPa，加載速度控制在1.2MPa/min左右，為保證壓力能夠充分傳遞，當(dāng)擠壓密度達(dá)到設(shè)計(jì)密度之后，要保壓1～3min。熱壓是在冷壓技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展來(lái)鋁鎢粉末合金擠壓成形技術(shù)，在應(yīng)用時(shí)既要嚴(yán)格控制擠壓的壓力、速度、保壓時(shí)間，也要控制擠壓溫度，鋁的熔點(diǎn)只有660℃，若采用熱壓技術(shù)，則粉末的擠壓溫度要控制在550℃保壓之間不應(yīng)小于20min。

3 本構(gòu)模型的建立研究

3.1 鋁鎢粉末合金擠壓成形效果分析

在鋁鎢粉末合金擠壓成形中多采用高溫壓縮技術(shù)，鋁鎢粉末合金在應(yīng)變速率0.001s-1、0.01s-1、0.1s-1、1s-1和溫度450℃、480℃、510℃、540℃條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示。

圖1 在不同溫度和應(yīng)變速率下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線圖

從圖1中可以看出，在鋁鎢粉末合金擠壓成形過(guò)程中，如果保持溫度和真應(yīng)變恒定不變，應(yīng)變速率的增加，會(huì)對(duì)導(dǎo)致應(yīng)力也隨之增大。引發(fā)，此問(wèn)題的主要原因是當(dāng)應(yīng)變速率增高時(shí)，鋁鎢粉末合金材料難以快速完成軟化[2]。如果保持應(yīng)變速率恒定不變，溫度越高，鋁鎢粉末合金材料的流變應(yīng)力隨之減小，主要原因是隨著溫度的不斷升高，鋁鎢粉末合金材料的臨界剪切力隨之降低，致使滑移系數(shù)增加，使得材料的變形抗力減小。如果保證溫度和應(yīng)變速率恒定不變，真應(yīng)變?cè)黾?，材料的流變?yīng)力也會(huì)隨之增加，但增加到一定程度后，又開始下降，最終呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。這表明鋁鎢粉末合金在擠壓成形過(guò)程中，原材料發(fā)生了動(dòng)態(tài)恢復(fù)和再結(jié)晶。

3.2 本構(gòu)模型選擇

所謂本構(gòu)模型指的是通過(guò)數(shù)學(xué)方式來(lái)描述材料在變形中流變應(yīng)力發(fā)生的變化情況，按照材料變形條件和影響因素但不同，本構(gòu)模型可分為兩種，一種是通過(guò)本構(gòu)模型來(lái)直接表征材料的變形條件，另一種綜合考慮變形過(guò)程對(duì)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化造成的影響因素[3]。鋁鎢粉末合金擠壓成形為更加清楚的展示材料在變形中變流用力的變化情況，采用了第一種本構(gòu)模型，表達(dá)公式下。

公式（1）中σ表示鋁鎢粉末合金材料的流變動(dòng)應(yīng)力（MPa）；K表示鋁鎢粉末合金系數(shù)；ξ表示鋁鎢粉末合金材料的真實(shí)塑性應(yīng)變；ξ表示應(yīng)變速率（s-1）；n表示應(yīng)變硬化系數(shù)；m表示應(yīng)變速率敏感系數(shù)；b表示溫度系數(shù)；T表示溫度（℃）；s表示鋁鎢粉末合金材料的軟化因子。

m值的確定，對(duì)公式（1）的兩邊分別進(jìn)行求導(dǎo)處理，可得到公式（2）。

在公式（2）中如果保證鋁鎢粉末合金材料的應(yīng)變和溫度保持不變，則的數(shù)值也就是一個(gè)定值，假設(shè)該定值為A，則有就可以確定m的具體數(shù)簡(jiǎn)而言之，m就是曲線的斜率，通過(guò)繪制曲線，是并進(jìn)行線性擬合分析就可以獲知m的具體數(shù)值，為0.0869。

n值的確定，從圖1中可知，當(dāng)出現(xiàn)峰值應(yīng)力時(shí)，應(yīng)變值最低，因?yàn)樵诜逯祽?yīng)力出現(xiàn)之前，均勻塑性變形區(qū)域比較小，如果采用傳統(tǒng)方法來(lái)計(jì)算n值，誤差非常大。通過(guò)應(yīng)力應(yīng)變曲線求對(duì)數(shù)，就能獲知關(guān)系曲線。在一定條件下，均勻塑性變形階段，幾乎所有的應(yīng)力值都會(huì)落在同一根直線上，該直線就是應(yīng)變硬化系數(shù)n的具體數(shù)值[4]。獲得所有應(yīng)變速率和所有溫度的n值后，再取n值的平均值，為0.0193。

b值的確定，在鋁鎢粉末合金擠壓成形中，如果保持應(yīng)變速率和應(yīng)變恒定不變，此時(shí)公式（2）中，也是個(gè)定值，可設(shè)為A1，則，此時(shí)b也就是曲線的斜率，從而確定b的具體數(shù)值，也是求平均值，可知b值為-0.0183。

s值的確定，在鋁鎢粉末合金擠壓成形過(guò)程中，如果保證應(yīng)變速率和溫度恒定不變，通過(guò)公式（2）可知也是個(gè)定值，可設(shè)為A2，就有，分別計(jì)算的具體數(shù)值，將計(jì)算的結(jié)果相減，就能獲知s的具體數(shù)值為-0.895。

K值的確定，將得到的m、n、b、s數(shù)值，全部帶入公式（2）中，就能得到K值，為7.76×107。

通過(guò)對(duì)公式（1）中各項(xiàng)數(shù)值進(jìn)行求解確定分析，將獲得的結(jié)果引入軟化因子本構(gòu)方程中，就可以獲知鋁鎢粉末合金擠壓成形的本構(gòu)模型如下：

3.3 本構(gòu)模型驗(yàn)證分析

鋁鎢粉末合金擠壓成形中不同應(yīng)變速率、不同溫度下應(yīng)力應(yīng)變曲線和本構(gòu)模型如圖2所示：

圖2 不同應(yīng)變速率、不同溫度下應(yīng)力應(yīng)變曲線和本構(gòu)模型圖

從圖2中可以看出，通過(guò)建立本構(gòu)模型計(jì)算的理論值和實(shí)際數(shù)據(jù)之間的擬合精度比較，但在鋁鎢粉末合金擠壓成形過(guò)程中，并沒(méi)有充分發(fā)揮動(dòng)態(tài)軟化機(jī)制的作用，因此，擬合精度比較低。達(dá)到應(yīng)力峰值之后，擬合的精度比較，這一點(diǎn)也就可以充分說(shuō)明，軟化因子后的本構(gòu)模型能夠準(zhǔn)確的描述鋁鎢粉末合金擠壓成形動(dòng)態(tài)軟化行為。

綜上所述，本文結(jié)合理論實(shí)踐，研究了鋁鎢粉末合金擠壓成形與本構(gòu)模型的建立，研究結(jié)果表明，在鋁鎢粉末合金制備中采用擠壓成形方法，可保證鋁鎢粉末合金的致密度、強(qiáng)度、硬度等全部達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在本構(gòu)模型中引入軟化因子，在均勻塑性變形階段模式計(jì)算的流變應(yīng)力和實(shí)際制備中流變應(yīng)力曲線基本吻合，誤差比較小，可保證鋁鎢粉末合金制備質(zhì)量，提升鋁鎢粉末合金使用性能。