壓力輔助電脈沖處理5083鋁合金裂紋修復工藝

曹鳳雷，梁求，毛亞寧，譚振，吳濤

1.河北科技大學材料科學與工程學院 河北石家莊 050018 2.北京飛機維修工程有限公司 北京 100621

1 序言

5083鋁合金屬于不可熱處理的高鎂鋁合金，由于其具有良好的強度、耐蝕性、焊接性、可加工性和低溫性能[1-3]，因此廣泛應用于農業、機械、船舶及交通等領域[4-6]。5083鋁合金在使用過程中不可避免地會出現裂紋和氣孔等缺陷[7]，其中裂紋的危害最嚴重，裂紋會造成材料內部分離，降低承載能力，而且在裂紋尖端會產生應力集中，在服役過程中即便承受很低的載荷作用也會迅速擴展，致使結構突然斷裂。

到目前為止，對裂紋的止裂和愈合研究主要是從裂紋的兩側加入熱量或壓力引起熱壓應力或機械壓應力、微觀組織成分的補充，以及降低裂紋端部的應力集中等多個渠道進行[8，9]。而脈沖電流止裂和愈合作為一種金屬、金屬與非金屬合金裂紋的特用修復手段，既滿足上面3個要求，同時還具有以下兩種特點：①修復效果不受裂紋大小和位置影響。②對產品正常部位無影響[10，11]。

迄今為止，電脈沖技術已被證明在碳素鋼、不銹鋼、鋁合金、鈦合金和鋁鋰合金等材料的止裂和愈合方面是可行的[12-14]。由于脈沖電流是通過能量補給來修復裂紋的，沒有機械能的注入，也沒有物質補給，因此只能修復微裂紋，不能修復大尺寸裂紋[15]。

本試驗通過壓力輔助脈沖電流對放電前后5083鋁合金裂紋尖端形貌進行對比分析，探討壓力和電壓對裂紋修復的影響規律。

2 試驗材料和方法

試驗材料取自5083-H112鋁合金板材，試樣尺寸為60mm×8mm×5mm，在試件中部切出深4mm的直角坡口，并用拉伸試驗機以1mm/min的拉伸速率拉伸150s，以保證制出的裂紋長度相同，材料化學成分見表1，試樣形狀如圖1所示。放電裝置采用兩級電容源（見圖2），先通過前級進行穩壓給后級通電，再穩壓輸出對電容器組進行充電，放電時通入純度為99.99%的氬氣作為保護氣，避免雜質入侵，影響試驗結果。

圖1 試樣尺寸

圖2 電脈沖處理設備

表1 5083-H112鋁合金化學成分（質量分數） （%）

放電時間為2s，頻率為20Hz，調節電壓和壓力，探究不同電壓和壓力對裂紋修復效果的影響，試驗參數見表2。選擇維氏硬度計對放電前后的試件進行硬度測試，取點位置見圖1中虛線方框。在裂紋尖端附近對稱位置各取15個點，每個試件總共取30個點，每個點間隔0.5mm，施加載荷為0.5kg（4.9N），加載時間為10s。為了減小試驗誤差，未放電的試件取3個，然后取硬度平均值。由于試樣進行拉伸時，斷裂位置必定出現在裂紋處，因此可將原放電試樣定為拉伸試樣，對原放電試樣進行拉伸。為了減小試驗誤差，未放電試件取3個，抗拉強度和伸長率取平均值。

表2 壓力輔助電脈沖處理試驗參數

3 分析與討論

3.1 壓力對裂紋修復效果的影響

電壓為2V，調節壓力依次為0N、50N、100N、150N、200N、250N，裂紋修復結果如圖3～圖8所示。

圖3 壓力為0N時裂紋修復效果

圖4 壓力為50N時裂紋修復效果

圖5 壓力為100N時裂紋修復效果

圖8 壓力為250N時裂紋修復效果

電壓為2V時，隨著壓力增加，裂紋愈合越明顯。當壓力增大到150N時，裂紋寬度明顯縮?。ㄒ妶D6b）；當壓力為200N時，裂紋尖端應力集中過大，裂紋尖端被擠壓出新的微裂紋（見圖7b）；當壓力為250N時，裂紋尖端不足以承受過大的應力集中，試件最終會斷裂（見圖8b）。因此，當壓力為150N時，裂紋愈合效果最好，且裂紋尖端不會產生很大的應力集中。

圖6 壓力為150N時裂紋修復效果

圖7 壓力為200N時裂紋修復效果

在修復裂紋過程中，由于繞流效應，電流會在裂紋尖端聚集，產生焦耳熱，導致裂紋尖端溫度瞬間升高，裂紋尖端快速膨脹，但裂紋以外部位幾乎不變，因此正常基體會阻止裂紋尖端的膨脹，對裂紋尖端施加熱壓應力，導致裂紋愈合[16]。在熱壓應力作用同時，電子風力會推動位錯填充裂紋[17，18]，并且基體原子固相擴散也會填充裂紋[17]，裂紋在3種機制協同作用下得到修復。脈沖電流是通過能量補給來修復裂紋的，沒有機械能注入和物質補給，只能修復微裂紋，不能修復大尺寸裂紋[15]，需施加壓力進行輔助。經試驗驗證，當壓力為150N時，裂紋愈合效果最好，壓力過小起不到輔助作用，壓力過大則會在裂紋尖端產生應力集中。

3.2 電壓對裂紋修復效果的影響

壓力為150N，電壓分別為1.8V、1.9V、2.0V、2.1V時試樣裂紋修復結果如圖9～圖12所示。在壓力為150N時，隨著電壓的增加，裂紋尖端修復效果增加。當電壓增大到2V時，裂紋尖端出現明顯鈍化（見圖11b）；當電壓為2.1V時，裂紋尖端熱量過多，試件發生斷裂（見圖12b）。因此，當電壓為2V時，裂紋尖端愈合效果最好。

圖9 電壓為1.8V時裂紋修復效果

圖10 電壓為1.9V時裂紋修復效果

圖11 電壓為2.0V時裂紋修復效果

圖12 電壓為2.1V時裂紋修復效果

4 壓力輔助電脈沖處理對試件力學性能的影響

4.1 對試件裂紋尖端硬度的影響

不同電壓和壓力下試樣硬度的平均值以及放電前后的硬度變化值見表3，圖13和圖14分別展示了電壓2V時不同壓力下的硬度平均值和壓力150N時不同電壓下的硬度平均值。從表3可看出，未放電試件的平均硬度為110HV，而放電后所有試件的硬度平均值均低于未放電試件。因此，電脈沖處理降低了試件裂紋尖端附近的硬度，起到了軟化作用。

圖14 壓力150N時不同電壓下的硬度平均值

表3 不同電壓和壓力下試樣的硬度平均值以及放電前后的硬度變化值

從圖13可看出，在電壓2V保持不變，只改變壓力的情況下，放電后裂紋尖端附近區域的硬度均降低，隨著壓力的增加，硬度差值減小，起到的軟化作用降低。當壓力為0N時，硬度差值最大為32.4HV，軟化作用最大；當壓力為200N時，硬度差值最小為11.1HV，軟化作用最小。

圖13 電壓2V時不同壓力下的硬度平均值

由圖14可看出，當壓力為150N，電壓分別為1.8V、1.9V、2V時，放電后裂紋尖端硬度均低于未放電硬度平均值（110HV）。其中，電壓為1.8V時，硬度差值最小為5.1HV，軟化作用最??；而電壓為1.9V時，硬度差值最大為30.7HV，軟化作用最明顯。

電脈沖處理后裂紋尖端組織晶粒沒有細化，也沒有再結晶現象，而放電后裂紋尖端硬度降低，其原因只能是脈沖電流推動了裂紋尖端位錯的運動，導致位錯密度降低。在探究電壓對裂紋尖端硬度影響的試驗中，隨電壓增大，裂紋尖端組織軟化作用增加，這就是由于電脈沖作用導致的位錯密度降低，進而降低了裂紋尖端組織的硬度，起到了軟化作用（見圖14）；但是在探究壓力對裂紋尖端硬度影響的試驗中，隨壓力增大到200N時，裂紋尖端組織軟化作用降低，壓力導致裂紋尖端產生加工硬化，抵消了電脈沖的部分軟化作用（見圖13）。

4.2 對試件拉伸性能的影響

在不同電壓和壓力下試樣的抗拉強度和伸長率以及抗拉強度、伸長率變化值見表4。從表4可看出，放電試件的抗拉強度平均值為6.82MPa，伸長率平均值為1.04%。放電后的試件中僅有2V、50N和2V、150N參數下試件的抗拉強度降低，其余5個參數下試件的抗拉強度均高于放電前平均值（6.82MPa），放電后所有試樣的伸長率均高于放電前平均值（0.73%）。

表4 不同電壓和壓力下試樣的抗拉強度和伸長率以及抗拉強度、伸長率變化值

電壓2V時不同壓力下的抗拉強度如圖15所示。由圖15可看出，當壓力為150N時，試樣抗拉強度最低為5.36MPa，與未放電試樣相比下降了1.46MPa；當壓力為200N時，試樣抗拉強度最高10.40MPa，上升了3.58MPa。

圖15 電壓2V時各壓力下的抗拉強度

放電后所有試樣的伸長率均增加，當壓力為150N時試樣的伸長率最低為1.42%，與未放電試樣相比上升了0.69%，壓力為100N的試樣伸長率最高為2.11%，與未放電試樣相比上升了1.38%。

由于繞流效應，脈沖電流會在裂紋尖端聚集，因此電脈沖只影響裂紋尖端的抗拉強度和塑性，而對正?；w的抗拉強度和塑性幾乎沒有影響。

綜上所述，放電后試樣的抗拉強度和伸長率呈上升趨勢（抗拉強度相比未放電時有下降的情況），壓力200N的試樣抗拉強度上升最大為10.40MPa，壓力100N的試樣伸長率上升最大為2.11%。

壓力150N時不同電壓下試樣的抗拉強度如圖16所示。從圖16可看出，電壓2V時試樣的抗拉強度最低為5.36MPa，與未放電試樣相比下降了1.46MPa；電壓為1.8V時試樣抗拉強度最高為8.83MPa，上升了2.01MPa。

圖16 壓力150N時不同電壓下的抗拉強度

放電后所有試件的伸長率均增加，電壓2V時試樣的伸長率最低為1.42%，與未放電相比上升了0.69%；電壓1.9V時試樣的伸長率最高為2.24%，與未放電相比上升了1.51%。

綜上所述，放電后抗拉強度和伸長率呈上升趨勢，電壓為1.8V時試樣的抗拉強度最大為8.83MPa，電壓為1.9V時試樣的伸長率上升最大為2.24%。

5 結束語

1）當放電時間為2s、頻率為20Hz時，采用2V、150N參數的裂紋尖端鈍化現象最明顯。電壓過小或壓力過小，均起不到修復效果；電壓過大或壓力過大，均會超出試樣的承受極限，導致其發生斷裂。

2）隨著電壓的增大，裂紋尖端組織軟化作用增加，軟化作用源于電脈沖作用導致的位錯密度降低；但在探究壓力對裂紋尖端硬度影響的試驗中，隨著壓力的增大，裂紋尖端組織軟化作用降低，這可能是因為壓力的出現導致裂紋尖端產生加工硬化，抵消了電脈沖的部分軟化作用。

3）放電后的抗拉強度和伸長率均呈上升趨勢，2V、200N參數下抗拉強度上升至最大為10.40MPa，增加了3.58MPa；1.9V、150N參數下伸長率上升至最大為2.24%，增加了1.51%。