多向锻造技术在工业中的应用

多向锻造技术在工业中的应用

多向设计技术是大塑料变形法的代表性技术。所谓的大塑性变形法就是使材料产生剧烈的塑性变形以达到强烈细化晶粒的效果,其平均晶粒尺寸一般都在亚微米乃至纳米级。目前大塑性变形法已被国际材料学界公认为是制备块体纳米和超细晶材料的最有前途的方法,正引起材料专家们越来越多的兴趣和关注。与其它几种代表性大塑性变形法如等径角挤和高压扭转相比,多向锻造技术由于其工艺简单、成本低,使用现有的工业装备即可制备大块致密材料以及可使材料性能得到改善等优点,有望直接应用于工业化生产。多向压缩是在多向锻造基础上去掉拔长工序,操作上采用固定比例的方形试样,每道次压缩30%~45%,淬水,而后将变形试样机加成原比例的试样(长轴转90°),再沿第二轴进行压缩,反复变形以达到细化晶粒效果。多向压缩便于精确计算变形量,本质上仍属于多向锻造技术。目前,多向锻造技术已在多种材料上得到研究,如钛及钛合金、多晶纯铜、不锈钢、镍合金、铝合金[4,5,19,20,21,22,23]以及镁合金等。本文主要介绍多向锻造技术的原理和特点、材料组织演变规律、力学行为以及主要影响因素等,并对该技术未来的研究方向进行了展望。1晶粒尺寸和组织演变多向锻造技术是一种自由锻工艺,其工艺原理如图1所示。形变中材料随外加载荷轴向变化而不断被压缩和拉长,通过反复变形达到细化晶粒、改善性能的效果。俄罗斯科学院超塑性问题研究所的Salishchev等在对脆性较大的TiAl的研究中进一步发展了该项工艺:首先对试样进行热机械变形以获得细晶组织;然后通过超塑性变形以提高组织的均匀性;最后在保证超塑性变形的温度-形变速率条件下,对试样进行热机械变形以获得纳米晶组织。Salishchev等采用该方法制得了晶粒尺寸为100nm的TiAl块体材料,而后又制得了晶粒尺寸为60nm的Ti-6Al-3.2Mo块体材料。与传统的单向成形工艺如轧制、单向墩粗相比,多向锻造技术最大的特点就是形变过程中外加载荷轴向是旋转变化的。这种变形方式对材料变形时的流变应力行为和显微组织演变有很大影响。Sitdikov等对粗晶7475铝合金高温多向压缩与单向变形组织演变进行比较,二者差别主要体现在细晶晶粒尺寸和体积分数方面。在单向变形里新产生的细晶粒尺寸约为5.5μm,其体积分数随应变量的增加快速上升,而后稳定在0.2左右;在多向压缩变形中新晶粒尺寸要比前者略大,但体积分数却高达0.85。研究者认为引起上述现象的原因是在第一道次压缩后材料内部变形带基本平行,继续沿先前载荷方向压缩时,随着变形的进行,这些变形带的位向差会有所增大,间距逐渐缩小,最终形成高密度流线组织。在这种变形方式下,新晶粒多数沿着晶界形成,而在晶粒内部产生的比例很小,故体积分数相对较低。反之采用多向锻造工艺,变形带取向将随外加载荷轴向的变化而改变,在晶粒内部相互交错,由于变形带交汇处位错塞积严重,密度较大,位错间相互纠缠形成胞状组织(具有几何晶界)。变形量继续增加就会促使胞状组织转变成亚晶粒(具有独立的滑移系),进而转变成具有小角度晶界或大角度晶界的新晶粒,使得新晶粒不仅能在晶界处产生,而且也能在晶粒内部大量出现,有利于组织细化。2应变诱发的晶界位向差多向锻造变形初期,材料内部高密度位错墙将晶粒分割成若干拉长单元体,同时,在初始晶界附近形成一些大角度亚晶界。研究者认为不均匀变形引发初始晶界周边晶格旋转,造成部分大角度亚晶界形成。随着变形道次和应变量的增加,由晶内位错滑移以及对亚晶间非协调应变伴随产生的位错吸收将导致晶内和晶界处亚晶界位向差增大。亚晶界位向差增加的幅度随区域不同存在较大差异,靠近初始晶界处要比晶内快许多。随着变形的进行,累积的塑性变形很大,导致动态再结晶温度下降,材料的组织发生很大的变化。具有中(大)角度晶界的细小新晶粒开始在初始晶界处萌生,数量随着变形的进行不断增多。晶内低应变下拉长的亚晶横向尺寸增加,纵向尺寸减小,趋于等轴化,同时晶内和初始晶界处所有的亚晶界位向差增大。晶界位向差的增大有助于细小新晶粒连续生成。Belyakov等研究了多晶纯铜多向锻造中的应变诱发晶界位向差分布与应变的关系。随着应变的增加,晶界位向差逐渐增大。在低应变(0.6和1.15)下,平均晶界位向差为3.8°和7°;当应变增大到2.35时,位向差分布集中在4~6°和20~40°区间,平均晶界位向差为19.8°;随后形变中小角度晶界急剧减少,位向差超过20°的晶界数量增加,在应变为4.2时平均晶界位向差达到29.3°。引起晶界位向差增大的原因主要有两类:形变中晶界处位错塞积和临近晶界位错滑移产生的相应晶格旋转。前者符合:θ=ˉb/h=ˉb√ρ(式中θ为位向差,ˉb为Burgers矢量,h为同一晶界处位错平均距离,ρ为晶界处位错密度);后者满足:ˉω=ˉn×ˉb(式中ˉω为旋转轴,ˉn为滑移面法向)关系。材料经过多向锻造大塑性变形后,内部位错密度增加,晶粒组织呈现非平衡晶界,伴随很高的内应力产生。通过一定的退火处理,非平衡晶界将向平衡晶界转变,同时晶界和晶内部分缺陷消失,晶粒尺寸有所增大,内应力降低。退火温度越高,时间越长,晶粒变化越明显。对304奥氏体不锈钢多向压缩后的退火组织研究发现,应变诱发产生的细晶材料在退火过程中的组织演变与传统成形工艺制备的材料相同,也经历3个阶段:回复、再结晶和晶粒长大。第一阶段回复过程不会改变晶粒尺寸和位向差,只是对非平衡晶界引起的内应力进行松弛。随着退火时间的延长,晶粒尺寸和位向差急剧增大。亚结构不均匀性和晶界能的存在是导致第二阶段晶粒快速长大的两个主要驱动力。最后一阶段平均晶粒尺寸与退火时间呈幂指数关系,而平均位向差基本保持不变,维持在45°左右。张廷杰等对多向锻造大变形7075铝合金经390~450℃、1h退火的组织进行观察,认为由多向大变形锻造发展出的动态再结晶(DRX)晶粒结构十分稳定。三类DRX结构即DRX晶核、生长着的DRX晶粒(晶界和晶粒内部有明显的位错密度梯度)和经受应变硬化过的DRX晶粒(晶粒中有清楚的分布均匀的亚结构)在热变形停止后变化不一。DRX晶核可连续生长导致其局部位置亚稳定动态再结晶(MDRX),生长着的DRX晶粒则仅发生亚稳定动态回复(MDRV),而加工硬化过的DRX晶粒则能发生静态再结晶(SRX)。这种混合结构(MDRX、SRX、MDRV)在进一步退火过程中,新的再结晶晶粒生长很慢,特别是包含高密度位错的MDRV晶粒在高温下能够稳定存在很长时间,从而使动态再结晶基体在静态退火中晶粒生长速度很慢,以确保产品有细小的晶粒尺寸。3应力应变对材料力学性能的影响多向锻造大塑性变形能强烈细化组织,使材料力学性能得到很大提高。同时由于外加载荷轴变化使得锻件各方向变形程度和力学性能相同,避免了挤压、轧制等其它常规成形工艺通常出现的各向异性。Zherebtsov等通过多向锻造工艺制备了具有均匀超细晶结构的大尺寸(Φ150mm×200mm)Ti-6Al-4V锻坯,其力学性能优越,同时各个方向性能相当,径向和切向的强度差异在2%以内,伸长率和断面收缩率一致。张小明等研究了多向锻造对改善7075铝合金性能的作用。由于晶粒的细化,锻件的力学性能有很大提高。退火状态,其室温强度的增幅较大;淬火时效状态,塑韧性的提高十分显著,在保持较高强度的情况下,室温拉伸伸长率达到18%,高于标准规定值的2倍,接近退火态水平。笔者等对AZ80镁合金进行多向反复热锻,达到了较好细化晶粒的效果,同时材料的综合力学性能得到较大提高,锻压7个道次,其材料硬度、屈服强度和抗拉强度达到最大,分别为87.3HB、258.78MPa和345.04MPa,是锻前试样的1.43倍和2倍。伸长率在6个道次时达到最大,为7.85%,是锻前的2.45倍。锻前铸态试样室温拉伸断口为准解理断裂加少量剪切断裂,锻后试样断口出现大量细小韧窝。随应变量的增加,韧窝数目增多,分布趋向均匀,材料延性增大。4道次应变量对材料组织的影响影响多向锻造技术的因素有很多,主要有累积应变量、道次应变量、变形温度、应变速率和初始晶粒度等。随着累积应变量的增加,加工软化占主导,流变应力降低,(亚)晶内平均位错密度逐渐降低并趋于稳定。(亚)晶粒尺寸在变形早期先迅速减小而后维持在某一范围,基本不随累积应变量变化。而应变诱发(亚)晶界平均位向差随着应变量的增加不断增大,在高应变下形成具有大角度晶界的新晶粒,材料组织得到充分细化。在一定范围内,道次应变量越大,材料变形中的加工软化越显著,流变应力越快达到稳态。同时增加道次应变量能有效加快材料晶粒细化进程,在相近的累积应变量下,较大道次应变量变形的材料组织具有更大的应变诱发晶界密度,新晶粒平均位向差和体积分数增大,尺寸减小。温度影响材料动态再结晶行为和晶粒细化进程,多向锻造工艺的变形温度一般低于0.5Tm,由于累计的塑性变形很大,导致动态再结晶温度下降。在可变形范围内,相同条件下变形温度越低,动态再结晶新晶粒尺寸减小,同时组织内大角度(亚)晶界比例增大。在同一变形温度下,应变速率越大,相同变形程度所需的时间缩短,由动态再结晶等提供的软化过程缩短,塑性变形进行不充分,位错数目增多,从而使合金变形的临界切应力提高,导致流变应力增大。Belyakov等研究了初始晶粒度对不锈钢材料多向锻造工艺的影响。相同应变量下,随着初始晶粒度的减小,大角度晶界比例增加,达到相同比例数量大角度晶界所需的累积应变量较小。由于相邻晶粒的约束,初始晶界成为应变诱发大角度(亚)晶界择优生长区域。因此,晶粒初始尺寸越小,晶界处能够形成大角度晶界(亚)晶粒的有效区间增多,晶粒细化进程加快,有利于组织细化。5对今后研究的建议近10多年来,国内外兴起一研究热点,即采用强烈的塑性变形来获得亚微米、纳米级晶粒,在保持较好的塑韧性下,显著地提高材料的强度。多向锻造大塑性变形制备超细晶组织具有很多诱人的使用性能和发展前景,但是要在工业上大规模应用,笔者认为还需要对以下方面进行更深