ECAE法制備銅鋁雙金屬復合棒材數值模擬與試驗研究

張 翔, 王曉溪, 王海波, 張 飛, 石鳳健

(1. 江蘇徐工工程機械研究院有限公司, 江蘇 徐州 221004;2. 徐州工程學院 機電工程學院, 江蘇 徐州 221018;3. 江蘇科技大學 材料科學與工程學院, 江蘇 鎮江 212003)

材料輕量化是工程機械突破超重超排限制,整體邁向高端化的重要發展方向。雙金屬復合材料通過“互補效應”可以滿足工程機械既要減輕零件質量而又要滿足其高強度及剛度的嚴苛要求,近年來成為材料工程領域的一大研究熱點[1-2]。銅鋁雙金屬復合材料兼具銅的高導熱、耐磨耐用、易加工以及鋁的質輕、易焊接、低成本等優點[3],在工程機械和軌道交通等領域具有廣闊的應用前景。目前,雙金屬復合材料的制備方法主要包括爆炸復合[4]、噴射成形[5]、液-液鑄軋[6]等。隨著高端智能制造業的飛速發展,工程機械設備的運行速度和工作高度不斷提升,傳統雙金屬復合材料界面結合強度通常較低[7-8],且界面間存在較大的加工硬化作用,無法滿足大型工程機械設備機構運動復雜、戶外長期作業的高可靠性需求。因此,尋求一種理想的雙金屬復合棒材制備新技術,合理控制界面結合處擴散反應的程度,實現復合材料強度、塑韌性和界面強度的最優匹配,拓寬其在工程機械等領域的應用,是當今材料研究領域急需解決的關鍵問題。

等通道轉角擠壓[9](Equal channel angular extrusion,ECAE)被國際材料學界公認為是制備塊體超細晶材料(Ultrafine-grained materials,UFG)最具代表性的一種大塑性變形[10-13](Severe plastic deformation,SPD)工藝。目前,人們利用ECAE工藝已成功制備出包括純金屬、合金及金屬間化合物等在內的各種合金系塊體超細晶乃至納米晶結構材料,但有關ECAE法制備雙金屬復合材料的研究尚不多見。Eslami等[14]研究了熱處理制度對ECAE擠壓銅鋁雙金屬界面結合強度的影響,通過在200 ℃下保溫60～80 min獲得了最佳的界面結合效果,復合材料剪切強度約為34.9 MPa。王曉溪等[15]利用室溫4道次120°ECAE變形結合退火工藝制備超細晶銅鋁雙金屬復合棒材,研究了銅鋁雙金屬復合棒材結合界面微觀組織與界面結合性能。Randari等[16]采用試驗和模擬的方法制備了Al/Cu/Al三層復合材料,研究了軋制壓下率對材料界面組織和拉伸性能的影響。上述研究發現,復合材料綜合性能及界面性能與工藝變形過程高度相關,但未詳細分析過程及原因。

本文利用DEFORM-3D有限元軟件模擬銅鋁雙金屬復合棒材ECAE變形行為,分析變形過程中雙金屬流動、應力、應變等場量以及擠壓力的分布及變化規律。在此基礎上,采用室溫4道次ECAE擠壓試驗成功制備銅鋁雙金屬復合棒材,通過模擬與試驗方法詳細對比分析變形過程,包括模擬網格與物理網格試驗、載荷-位移模擬曲線與真實曲線對比,以期為雙金屬復合棒材的有效制備提供一種新思路。

1 試驗材料與方法

1.1 有限元模型的建立

利用DEFORM-3D軟件建立銅鋁雙金屬ECAE變形有限元模型,將坯料視為變形體,沖頭和模具視為剛體。ECAE模具為方形通道,橫截面尺寸為10 mm×10 mm,內角為90°,外角約為37°。采用優選的BC變形路徑(下一道次坯料沿軸線方向旋轉90°)[9],為提高計算精度并簡化模型移動操作,多道次模擬采用虛擬沖頭(沖頭與凹模不接觸)和連續通道方法。采用純銅包覆純鋁制備銅鋁雙金屬復合棒材,兩者按小間隙裝配關系組合構成銅鋁雙金屬復合坯料。外層包覆材料為T2純銅,采用自定義材料參數,材料本構關系為σ=545.66ε0.3[17],包套橫截面尺寸為10 mm×10 mm(負公差),內孔徑為φ6.0 mm(正公差);芯部材料為純鋁,選用程序自帶的Al-1100本構模型,直徑為φ6.0 mm(負公差)。采用四節點四面體單元對雙金屬復合坯料進行離散,銅包套和鋁芯棒劃分網格數分別為20 000和10 000個。模擬過程中,對復合坯料自動進行網格重劃分和體積補償,以消除劇烈塑性變形造成的網格畸變。模具和坯料之間的接觸選用常剪切摩擦模型,摩擦因數設為0.12。為保證復合坯料內外層金屬協調變形,避免出現包覆不完整現象,將銅鋁之間的接觸視為粘著摩擦狀態,摩擦因數設為1。模擬溫度設定為室溫(20 ℃),擠壓速度為1 mm/s,模擬步長為0.2 mm。銅鋁雙金屬ECAE變形有限元模型及BC路徑連續4通道三維模型如圖1所示。

圖1 ECAE變形示意圖(a)有限元模型;(b)BC路徑三維模型Fig.1 Schematic diagram of the ECAE process(a) finite element model; (b) 3D model of BC path

1.2 ECAE擠壓試驗

試驗材料為工業純銅(T2)和工業純鋁(1060)棒材,化學成分如表1所示。T2銅、1060鋁復合坯料分別在750 ℃×2 h、300 ℃×1 h條件下進行均勻化處理,經機加工獲得前述所需試樣形狀和尺寸。為確保擠壓順暢及摩擦狀況適宜,凸模與凹模采用H7/f7間隙配合設計制造。為使雙金屬達到良好的固相復合效果,擠壓前首先對銅包套和鋁芯棒進行表面脫脂、去氧化皮、表面打毛等預處理,然后經預擠壓裝配成銅鋁雙金屬復合坯料。在YD32-63X3型智能控制多向液壓機上進行擠壓試驗(擠壓速度1 mm/s),采用石墨-MoS2復合潤滑脂對復合坯料表面以及模具通道內壁進行潤滑,試驗用ECAE模具通道結構與前述模擬設置完全相同。室溫條件下,采用BC路徑對銅鋁雙金屬復合坯料進行4道次ECAE擠壓變形。

表1 試驗材料的主要化學成分(質量分數,%)

擠壓結束后,利用精密線切割方法沿銅鋁雙金屬復合坯料長度方向切取若干個試樣用于力學性能分析,測試面為橫截面。采用熱鑲嵌法、機械研磨與機械拋光等手段進行制樣,在KB30S全自動維氏硬度試驗機上進行顯微硬度測試,加載載荷為100 g,保壓時間為15 s。為保證測試數據的準確性,重復3次試驗取其平均值。

2 試驗結果與討論

2.1 模擬結果分析

2.1.1 金屬流動性

雙金屬復合棒材的關鍵質量指標為界面結合性能,而協調一致的塑性變形是形成良好結合質量的關鍵所在。圖2和圖3分別為銅鋁雙金屬復合坯料ECAE變形過程中內部網格(模擬網格、物理網格)及不同階段下金屬流速的分布圖。根據復合坯料內部變形特點,可將其分為未變形區(Ⅰ)、正在變形區(Ⅱ)和已變形區(Ⅲ)3個不同的區域,如圖2所示。變形前(Ⅰ區),復合坯料內外層金屬結合緊密,網格為均勻的正方形。在擠壓力作用下,復合坯料沿長度方向依次通過模具轉角,進入變形區(Ⅱ區),發生塑性剪切變形,正方形網格逐步被拉長至不規則四邊形。復合坯料進入水平通道后,發生完全剪切變形(Ⅲ區),網格受剪切被拉長呈近似平行四邊形。

圖2 ECAE變形過程中銅鋁雙金屬內部網格變形(a)模擬網格;(b)物理網格Fig.2 Metal flow distribution of the Cu/Al bimetallic billet during ECAE process(a) simulated mesh; (b) physical grid

圖3 ECAE變形過程中銅鋁雙金屬內部金屬流速Fig.3 Metal flow velocity of the Cu/Al bimetallic billet during ECAE process

同時可以發現,包覆材料網格變形量明顯小于芯部材料。模擬網格變形區與實際銅鋁復合材料物理網格變形區高度吻合,說明有限元模擬是可靠的。此時,由于外層包覆材料與模具通道內壁直接接觸,受ECAE模具結構和摩擦等因素的影響,內外層金屬流動速度出現了明顯的差異,沿復合坯料高度方向金屬流速自上而下呈梯度變化分布,越靠近模具內角處,金屬流速越小,如圖3所示。隨著復合坯料不斷被擠入出口通道,ECAE變形趨于穩定,內外層金屬流速差異逐漸減小,坯料內部網格變形均勻程度得到了改善。同時,接觸區金屬連續、穩定、協調的塑性流動還使得銅鋁雙金屬獲得了良好的界面結合質量,宏觀界面結合處未觀察到間隙存在。

2.1.2 應力分析

圖4為4道次ECAE變形過程中銅鋁雙金屬復合坯料內部平均應力的分布規律。觀察圖4可以看出,復合坯料內部整體處于理想的三向壓應力狀態,靜水壓力較高,從而為銅鋁雙金屬實現較大程度塑性變形,進而獲得高質量的界面結合創造了有利條件。隨著復合坯料依次通過模具轉角不斷被擠出,外層包覆純銅靠近上表面的部分區域出現了拉應力,這也是ECAE變形最容易產生應力集中的地方。實際擠壓時應合理控制擠壓速度并進行充分潤滑,以避免出現復合坯料發生表層開裂及界面斷裂等缺陷。

圖4 銅鋁雙金屬4道次ECAE變形坯料平均應力分布Fig.4 Mean strain distribution of the Cu/Al bimetallic billet after 4P-ECAE process

2.1.3 應變分析

圖5為銅鋁雙金屬復合坯料經4道次擠壓后內部等效應變的分布變化規律。由圖5(a)可知,受模具結構、摩擦阻力和坯料溫升等因素影響,外層包覆純銅的累積等效應變值要小于芯部純鋁。這與模擬網格、物理網格變形量分析結果相一致。除去復合坯料頭部小變形和尾部畸變等小部分區域外,材料內部形成了一個較為均勻的大塑性應變區,呈近似平行四邊形分布。沿復合坯料高度方向自上而下等距離(間距1 mm)依次選取9個跟蹤點進行分析,結果如圖5(b)所示?？梢钥闯?ECAE工藝下內外層金屬變形協調,呈現出相似的變化規律。隨著變形道次的增加,銅鋁復合坯料內部累積應變量不斷增大,4道次變形后平均累積等效應變量約為4.49。由于ECAE工藝下BC路徑(沿同一個方向旋轉90°)連續4道擠壓正好為一個循環,坯料在各個方向上均受到了劇烈剪切變形,有利于獲得更大累積應變,但同時由于內外層材料變形難易程度不同,導致變形量隨道次增加而變大。

圖5 4道次ECAE變形坯料內部等效應變(a)應變分布云圖;(b)跟蹤點應變變化Fig.5 Effective strain of the Cu/Al bimetallic billet after 4P-ECAE process(a) strain distribution; (b) strain variations of tracking points

2.2 試驗結果分析

2.2.1 金屬流動性

圖6為不同道次下銅鋁雙金屬ECAE擠壓復合坯料宏觀形貌圖。從圖6可以看出,銅鋁雙金屬經ECAE擠壓后復合坯料外形完整,表面光滑,未出現界面結合層斷裂及表面損傷等缺陷。隨著擠壓道次的增加,內外層金屬變形更加均勻協調。由于ECAE變形坯料存在“出口膨脹”現象,道次之間需要對坯料表面進行二次處理。因此,每道次變形后銅鋁雙金屬復合坯料長度和包覆層厚度均略有減小。本試驗條件下,銅鋁雙金屬經4道次ECAE擠壓獲得了連續且完整的結合界面,在純鋁芯棒的外表面均勻復合了一層純銅,包覆層厚度較為均勻,雙金屬界面無間隙存在,結合質量良好。

圖6 銅鋁雙金屬ECAE復合坯料宏觀形貌圖Fig.6 Macrograph of the Cu/Al bimetallic billets after ECAE process

2.2.2 擠壓力分析

圖7為不同道次下銅鋁雙金屬ECAE擠壓載荷-位移曲線,其中實線表示模擬值;虛線表示實測值。從圖7可以看出,不同道次ECAE變形過程,擠壓載荷的變化都可分為兩個階段:

圖7 銅鋁雙金屬不同擠壓道次ECAE變形過程載荷-位移曲線Fig.7 Load-displacement curves of the Cu/Al bimetallic biliet during different ECAE passes

1)載荷驟升(Rising):擠壓初期,坯料在通道內向下運動,填充轉角圓弧且輕微鐓粗膨脹,短暫協調變形過程中,載荷有序增加。之后隨著坯料與通道腔壁完全接觸以及坯料頭部發生轉角剪切,載荷驟升以克服增大的變形難度。ECAE模具外角處圓弧設計,有效改善了坯料流動性,材料在轉角處過渡平滑,與模具內壁實現緊密貼合,未出現擠壓“死區”。

2)載荷穩定(Stabilizing):當坯料頭部進入水平通道,此時變形協調且發生完全變形,無額外變形需求,載荷保持穩定。隨著變形的深入,坯料整體連續、平穩地向前流動,不斷被擠出,已變形區不斷增大,未變形區不斷減小,摩擦阻力逐漸降低,整體載荷表現為穩中有降。

同時,對比載荷模擬值與實測值,發現單道次載荷-行程曲線吻合度最高;2道次在載荷驟升和載荷穩定階段的前期吻合度較高;4道次在峰值階段略有差異。這是由于實際變形過程中,隨著道次的增加,變形坯料內部組織的變化更加復雜,不確定變量更多,模擬精度略有下降。

2.2.3 顯微硬度

圖8為不同條件下銅鋁雙金屬坯料橫截面顯微硬度變化情況,同時給出了不同道次下ECAE載荷峰值對比情況。從圖8可以看出,隨著擠壓道次的增加,材料不斷發生加工硬化,變形難度逐步增大,擠壓載荷峰值不斷增加,同時載荷峰值的模擬值與實測值大小接近,變化趨勢完全一致。從坯料內部顯微硬度值變化情況看,與載荷峰值變化趨勢一致,坯料內部顯微硬度隨著道次增加不斷增大。純銅包覆層與純鋁芯棒由于初始硬度存在較大差異,每道次變形后坯料內部顯微硬度差別仍較大。同時,由于兩者材料內部晶體結構不同,塑性較好的純銅材料內部發動剪切變形所需的滑移系更多,變形更加容易且劇烈變形累積效果更加理想。這就導致純銅隨每個道次的增加顯微硬度不斷攀升,而純鋁在單道次有較大顯微硬度增幅后,后續道次增幅明顯放緩。

圖8 銅鋁雙金屬不同擠壓道次ECAE變形過程峰值載荷和均顯微硬度Fig.8 Peak load and average microhardness of Cu/Al bimetallic billets during different ECAE passes

3 結論

1) 模擬網格與物理網格試驗對比表明,ECAE工藝下銅鋁雙金屬復合棒材內部存在3個變形區,未變形區(Ⅰ)、正在變形區(Ⅱ)和已變形區(Ⅲ)。復合坯料由不穩定變形逐漸過渡到均勻協調變形,完成劇烈剪切變形后,已變形區坯料網格受剪切被拉長呈近似平行四邊形,整體變形量大且均勻。

2) 復合坯料內部處于理想的三向壓應力狀態,靜水壓力較高,界面處金屬結合緊密。4道次ECAE擠壓后,銅鋁雙金屬復合坯料整體變形相對均勻,平均累積等效應變量為4.49?？v剖面應變追蹤表明,芯部變形量明顯大于包覆層材料。

3) 對銅鋁雙金屬進行室溫4道次ECAE擠壓,獲得了外形完整、表面光滑且無明顯缺陷的復合棒材。載荷-位移曲線模擬值與試驗值大小接近、趨勢相同,表明有限元模型是可靠的。隨著擠壓道次的增加,載荷峰值不斷增加,同時復合坯料內部顯微硬度也不斷升高。但包覆材料與芯部材料由于內部晶體結構、初始硬度等均存在較大差異,導致包覆材料硬度均值與硬度增幅均大于芯部純鋁。