等通道轉(zhuǎn)角擠壓在半固態(tài)加工中的應用研究進展

石羌瑾，孫 虎，王 鈺，周 舟，王穎慧

（江蘇省宿遷學院材料工程系，江蘇 宿遷 223800）

自從20 世紀70 年代以來，半固態(tài)金屬加工被認為是一項既能改善鑄件性能，同時又保留了鑄造的制造簡單和經(jīng)濟優(yōu)勢的技術[1-3]。在半固態(tài)金屬加工路線中，觸變成型法是將一定比例的非枝晶固相的固液混合漿料先冷卻凝固成錠坯，生產(chǎn)時再將定量的錠坯重新加熱至半固態(tài)然后再成形的方法[4-6]。觸變成形所必需的非枝晶原料可以通過對熔融合金進行機械攪拌或電磁攪拌來實現(xiàn)，這是液體法。然而凝固組織也會受到鑄態(tài)前塑性變形的影響，這一種技術路線被稱為應變誘變?nèi)廴诩せ罘ǎ⊿IMA），適用于各種鋼鐵材料和有色合金的觸變成形。

應變誘變?nèi)廴诩せ罘ǖ年P鍵技術在于兩次塑性變形[7]。首先，在再結(jié)晶溫度范圍內(nèi)對鑄態(tài)坯料進行大變形的熱擠壓，目的是通過變形打破鑄態(tài)組織；其次，對熱擠壓變形后坯料施加少量冷變形，使部分變形能儲存在坯料組織中；最后，將兩次變形后的金屬切成小塊，迅速加熱至固液兩相區(qū)并適當保溫，才能得到初生相呈球形的半固態(tài)金屬方坯。

近年來，有學者[8]提出了使用大塑性變形量的等通道轉(zhuǎn)角擠壓（ECAP）技術代替兩次塑性變形，既簡化了加工步驟，也取得了較為理想的半固態(tài)組織。同時，ECAP 作為最終處理也可為半固態(tài)加工提供較細小均勻的微觀組織和提升鑄件的致密性[9]，因此在半固態(tài)加工領域引起了廣泛的關注。

1 半固態(tài)加工成形

半固態(tài)金屬加工中，液態(tài)合金的固態(tài)組織以近球形存在于漿料中被壓入型腔中，從而可以生產(chǎn)出近凈形的部件。這項技術的主要優(yōu)勢與漿料的流動特性有關，在半固體狀態(tài)下，金屬是非牛頓流體，漿料的粘度高于全液態(tài)時的粘度。流入型腔時，在作用于它的剪切力的影響下，粘度下降，金屬漿料能夠以非湍流的方式完全填充型腔。因此，半固態(tài)鑄件幾乎沒有氣體孔隙，同時凝固收縮的孔隙也幾乎不存在。但粘度過高會影響到成型工藝性和鑄件的尺寸精度，近球形的固相不存在傳統(tǒng)鑄造中枝晶生長阻礙液相流動的問題，因此表現(xiàn)出很好的流動性。

目前，有許多不同的技術用于生產(chǎn)半固態(tài)鑄件，基本上是根據(jù)它們采用的液固百分比或在半固態(tài)狀態(tài)下生產(chǎn)方式來區(qū)分。半固態(tài)方法根據(jù)其加工路線可分為兩大類，即流變成形和觸變成形。在流變鑄造中，半固態(tài)漿料在原地從液態(tài)制備到一定比例的固態(tài)部分（通常小于50%），然后直接進行壓鑄。觸變成形是將得到的含有一定體積比例的非枝晶固相的固液混合漿料先冷卻凝固成錠坯，生產(chǎn)時再將定量的錠坯重新加熱至半固態(tài)然后再成形的方法。常見的非枝晶固相坯料的制備途徑主要有：機械攪拌[10]、電磁攪拌[11]、超聲波攪拌[12]以及SIMA 法。SIMA 法是通過對鑄造前進行特定的兩步固態(tài)變形來制造用于觸變的半固態(tài)坯料。經(jīng)受常規(guī)和嚴重的塑性變形，實現(xiàn)樹枝晶向球狀晶的轉(zhuǎn)變。鑄造結(jié)構(gòu)的冷變形或熱變形，其應變水平足以觸發(fā)再結(jié)晶，在隨后的部分熔化過程中才會導致樹枝晶向球狀晶的轉(zhuǎn)變。因此，SIMA 法對合金的塑性有一定的要求，目前低熔點、塑性較好的鋁合金的研究開展得較多，而塑性較差的鎂合金以及高熔點的銅合金、鋼的研究較少。

2 等通道轉(zhuǎn)角擠壓技術

大塑性變形，作為一種新興的塑性變形方法，在變形過程中涉及到大的應變（傳統(tǒng)的塑性變形很難達到大于1 的真實應變），從而有效地細化金屬（亞微米或納米級），并通過控制變形過程中的微觀結(jié)構(gòu)獲得完整的大塊樣品，可同時獲得具有高強度和大塑性的塊狀納米材料。目前已開展研究大塑性變形技術主要有等通道轉(zhuǎn)角擠壓（ECAP）[13]、高壓扭轉(zhuǎn)（HPT）[14]、累積疊軋（ARB）[15]、多向鍛造（MDF）[16]等。

ECAP 最早是由前蘇聯(lián)的Segal 等人[17]在20世紀70 年代和80 年代提出的，目標是通過剪切來開發(fā)一種高應變金屬坯料成型工藝。雖然目標成功實現(xiàn)了，但這種成形方法并沒有引起人們的注意。直到20 世紀90 年代，Valiev[18，19]利用這種技術獲得了具有新的獨特性能的超細和亞微米金屬，逐漸點燃了材料學者對ECAP 的研究熱潮。ECAP 的過程如圖1 所示[20]。通道以給定的角度?相交，被弧形曲率ψ 所覆蓋。金屬在模具的拐角處受到強烈的剪切，而截面尺寸基本保持不變，所以可以重復擠壓，從而積累大量的應變，獲得晶粒細化的效果。現(xiàn)在，ECAP 已被應用于各種材料的細化，包括純金屬、單相合金、多相合金和金屬基復合材料。該法以相對簡單的工藝克服了其他方法(如高能球磨法、氣相沉積法、非晶晶化法等)帶來的易污染、材料致密性差、難以生產(chǎn)大尺寸坯體、成分組成要求嚴格等缺點，因此ECAP 被視為當前最具實用前景的超細晶金屬塊材制備技術。

圖1 ECAP 加工示意圖

3 ECAP 在半固態(tài)加工中的應用

隨著大塑性變形技術的研究深入，ECAP 正在成為一種非常有效的、大幅細化晶粒并提升材料力學性能的新技術。很多學者開始嘗試將ECAP技術引入半固態(tài)加工中，并取得了一定的成效。回顧近年來等通道轉(zhuǎn)角擠壓在半固態(tài)加工中的應用研究主要有以下幾個方面。

3.1 新SIMA 法

新SIMA 法，或者稱為ECAP-SIMA 法，最早源于將ECAP 代替?zhèn)鹘y(tǒng)鍛壓[21]，作為半固態(tài)加工的SIMA 工藝的研究。姜巨福等人[8,22]在利用SIMA 法制備AZ91D 鎂合金半固態(tài)非枝晶坯料時，因鎂合金塑性變形難，制備半固態(tài)坯的晶粒大小和球化效果不理想，提出使用ECAP 變形來取代傳統(tǒng)的SIMA 法中的兩部塑性變形方法，并命名為新SIMA 法。ECAP 加工后的AZ91D 晶粒細化效果顯著，在隨后的半固態(tài)加熱過程中球化效果極佳，形狀系數(shù)接近1。國內(nèi)很多學者[23-25]對于鎂合金的新SIMA 法進行了較為深入的研究。

同時，新SIMA 法在鑄態(tài)鋁合金的半固態(tài)成型研究中也得到了廣泛的開展。S.Ashouri 等人[26]研究了ECAP 加工對半固態(tài)A356 鋁合金的晶粒大小和球形度的影響。在室溫下利用ECAP 加工A356 鋁合金，在半固態(tài)再次加熱時組織呈現(xiàn)球狀度較好的固相，優(yōu)于其他原料制造技術，如斜板鑄造，顯示出了良好的應用前景。而鑄造鋁合金中，過共晶鋁硅合金存在粗大的初生硅，破壞了基體組織的連續(xù)性，導致其塑性、切削性能差，通過傳統(tǒng)的鍛壓難以實現(xiàn)較大的變形量。韓國民[27]采用新SIMA 法對AlSi30 合金半固態(tài)坯料的制備進行試驗研究，研究了等通道轉(zhuǎn)角擠壓溫度、擠壓路徑以及半固態(tài)等溫處理的保溫溫度、保溫時間對半固態(tài)組織演變的影響。經(jīng)等通道轉(zhuǎn)角擠壓后，初生硅被破碎、磨圓，顯微硬度大幅度提高，同時累積的變形能使后續(xù)的半固態(tài)等溫處理中初生相的球化提供了動力。

3.2 ECAP 作為半固態(tài)加工的最終處理工藝

半固態(tài)加工的鑄件雖然基體組織為近球形的非枝晶，但其微觀組織仍不夠細小，且鑄件中存在微觀偏析、縮孔縮松等問題，如果后續(xù)進行ECAP，可以進一步細化晶粒，提升鑄件的致密性。另外，半固態(tài)形成的非枝晶組織也為ECAP 中組織的細化提供了一定的基礎，所以ECAP 作為半固態(tài)加工的最終處理工藝從技術路線上看是非常有必要的。

Van Thuong N[28]等人采用冷卻坡度半鑄造了Al-7Si-Mg 合金的半固態(tài)坯料，然后在120°模具中進行ECAP 加工，發(fā)現(xiàn)在ECAP 加工后，初生α-Al 相雖然有一定的拉長，但Si 顆粒破碎，與原鑄樣品相比，其形狀更接近球狀，尺寸更均勻。對比傳統(tǒng)鑄造的ECAP 樣品，半固態(tài)加工坯料的ECAP 樣品的微觀結(jié)構(gòu)更均勻。ECAP 加工后，α-Al 相的晶粒細化到亞微米級。在半固態(tài)鑄造和ECAP 加工后，合金的耐磨性得到了改善。李康寧[9]開發(fā)了一種兩次ECAP 擠壓的半固態(tài)加工技術用于Mg-Zn-Y 合金的制備，半固態(tài)加熱前的一次擠壓為了形成非枝晶坯料，半固態(tài)加熱后的二次擠壓為了優(yōu)化組織和性能，一次擠壓試樣經(jīng)半固態(tài)處理后再二次擠壓，合金的抗拉強度、屈服強度均得到大幅度提升，相比一次擠壓試樣分別提高21.0%和53.3%。

鑄態(tài)法制備金屬基復合材料時，為了克服增強顆粒與液態(tài)金屬的密度差而產(chǎn)生的顆粒分布不均勻的問題，往往會采用半固態(tài)攪拌鑄造的方式。半固態(tài)下的金屬粘度較液態(tài)金屬大，能有效地提升增強顆粒的俘獲率。半固態(tài)鑄態(tài)復合材料經(jīng)ECAP 擠壓后，顆粒的分布會得到進一步的改善，基體組織發(fā)生細化，因此復合材料的性能將發(fā)生明顯的提升[29，30]。張晶輝等人[31]利用半固態(tài)攪拌輔助超聲處理復合法制備Mg-9Al-1Si-1SiC 復合材料，在350 ℃以Bc 路徑對其進行ECAP，研究結(jié)果表明ECAP 后復合材料性能得到極大提升，4 道次后，復合材料力學性能最大，與鑄態(tài)相比，抗拉強度和伸長率分別提高66.5%和127.5%。張少雄[32]利用半固態(tài)攪拌+超聲波分散法成功制備了質(zhì)量分數(shù)為1%的納米SiC 顆粒增強Mg-9Al-1Si 鎂基復合材料，并對復合材料進行ECAP 變形。研究結(jié)果顯示恒溫ECAP 變形后的復合材料的晶粒尺寸較鑄態(tài)復合材料的晶粒尺寸顯著減小，粗大Mg2Si 相和固溶后殘余的Mg17Al12相被逐漸碎化，分布更為彌散，更加均勻。ECAP 變形4 道次后復合材料的屈服強度達到最大，分別為312 MPa 和206 MPa，但抗蠕變性能變差。

4 結(jié)論與展望

等通道轉(zhuǎn)角擠壓通過大變形量的剪切變形，能夠有效地實現(xiàn)金屬的晶粒的細化、第二相破碎分散、積累畸變能，這對半固態(tài)加工，特別是對觸變成形意義重大。半固態(tài)加工與等通道轉(zhuǎn)角擠壓技術的充分結(jié)合，研發(fā)出更多、更具有實用價值的復合制備技術將會是這一領域的發(fā)展方向。同時，隨著研究的深入，技術的改進與優(yōu)化，ECAP 技術將在大規(guī)模半固態(tài)成形加工上得以應用。