简介概要

旋压加工对喷射沉积Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si合金挤压管组织和性能的影响

来源期刊:中南大学学报(自然科学版)2005年第3期

论文作者:肖于德 吴永玉 黎文献 马正青 王日初

文章页码:358 - 363

关键词:喷射沉积;耐热铝合金;强力旋压

Key words:spray deposition; heat-resistant aluminum alloy; shear spinning

摘    要:采用喷射沉积-热挤压工艺制备快速凝固Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si耐热合金管材,并通过强力热反旋压工艺将这些挤压管进行多道次减薄,制备薄壁管;利用金相显微组织观察、透射电镜分析、扫描电镜分析和力学拉伸试验等手段,研究强力热反旋压工艺对喷射沉积Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si合金挤压管材显微组织和力学性能的影响。研究结果表明:喷射沉积Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si挤压管的显微组织呈纤维条带状,不同条带中Al12(Fe,V)3Si(体心立方,a≈1.260 nm)颗粒大小和分布形貌不同,甚至出现θ-Al13Fe4(底心单斜,a=1.543 nm,b=0.812 nm,c=1.254 nm,β=107.43°)和Al8Fe2Si(六方,a=1.270 nm,c=2.620 nm)粗块状相;条带间残留着未充分破碎的氧化物和原始粉末界面;在强力旋压过程中,条带状组织发生畸变,氧化膜破碎,并重新分布,弱结合的残留原始粉末界面减少或消失,显微组织趋于连续、均匀;与其他挤压管材相比,喷射沉积Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si合金旋压管材,力学性能明显提高,材料各向异性有所减弱。

Abstract: Extruded pipes of rapidly solidified Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si alloy were prepared by using spray deposition and hot extrusion process, and the extrusions were thinned further into thin-wall pipes through hot backward shear spinning process. The effect of shear spinning process on microstructures and mechanical properties of extruded pipes of spray deposited Al-8.5Fe-1.3V1.7Si alloy were investigated with optical microscopy, transmission electron microscopy, scanning electron microscopy and tensile test. The results show that the extruded pipes of spray deposited Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si alloy consist of fibre (strip) microstructures, and distribution, size and shape of Al12(Fe,V)3Si (body center cubic structure,a≈1.260 nm) particles are various in the different fibre strips, and there even appearθ-Al3Fe4(bottom-central monoclinic structure, a=1.543 nm,b=0.812 nm,c=1.254 nm,β=107.43°) and Al8Fe2Si (hexagonal structure,a= 1.270 nm,c=2.620 nm) coarse lumpish phases. The insufficiently broken pieces of oxide films and incompletely binding prior particle boundaries remain along interface among the fibre strips. During the shear spinning process, the fibre (strip) microstructures are severely distorted, the oxide broken pieces are further cracked and redistributed, the weak binding prior particle boundaries are reduced and disappeared, and the overall microstructures incline to become a more uniformly continuum. All of these microstructural changes help to improve mechanical properties of the extruded pipes of spray deposited Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si alloy and weaken anisotropy of the materials.

基金信息:国家重点基础研究发展规划项目



详情信息展示

喷射沉积Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si合金挤压管材经强力旋压累计减薄77%后的金相显微组织如图4所示。从整体上看,在旋压过程中金属的主变形方向(轴向)与挤压的主变形方向(挤压方向)一致,旋压管的显微组织仍保持挤压制品原来取向趋势的条带状形貌。经强力减薄旋压变形后, 除条带畸变、 氧化膜破碎与重新分布, 残留原始粉末界面减少外,在高温热作用与变形作用的共同影响下, 条带的显微组织也发生一定的变化, 如Al12(Fe,V)3Si聚集粗化, 亚结构发生变化等。当累积减薄达77%后,旋压管材主要由Al+ Al12(Fe,V)3Si的两相弥散微细组织构成(如图5所示),但是, 管材中也存在较粗大的显微组织(如图6所示), 呈组织不均匀性, 这也是喷射沉积坯组织不均匀性“遗传”所致。

然而, 强力减薄旋压是一个局部连续加载而导致局部三维变形累积的过程,在旋压过程中,变形集中发生在与旋轮近似于点接触的变形区。在旋轮加载时, 在旋轮、芯模、接触摩擦以及周围金属禁锢的共同作用下,变形区受到强烈的径向应力,产生径向压缩变形, 转而沿着轴向和切向延伸流变,存在强烈的剪切变形。在剪切应力和剪切变形作用下,条带会发生强烈的畸变,而且随着旋压减薄变形累积, 畸变增大,管材组织进一步趋于连续、均[CM(22] 匀,同时, 与挤压管相比, 在累积减薄旋压77% 后,氧化膜进一步破碎, 碎片重新分布, 残留原始粉末界面减少,甚至消失,如图5所示。在低于450 ℃的温度下加热保温,Al+ Al12(Fe,V)3Si的弥散组织聚集粗化不强烈, 因此, 通过强力旋压加工可以进一步改善喷射沉积Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si合金坯的结合状态, 提高喷射沉积挤压管材的微观组织连续性和均匀性。

图 4   喷射沉积Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si合金旋
压管金相显微组织
Fig. 4   Optical microstructures of spun pipes of
spray deposited Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si alloy

图 5   喷射沉积Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si合金旋压管
TEM显微组织
Fig. 5   TEM image of spun pipes of
spray deposited Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si alloy


(b) 含块状相的粗大组织和块状相的衍射斑
图 6   喷射沉积Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si合金旋压(累积
减薄达77%)管材的TEM显微组织
Fig. 6   TEM images of spun pipes of
spray deposited Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si alloy with
cumulative thinning ratio of 77%

2.3 挤压管材和旋压管材的拉伸力学性能

从喷射沉积Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si合金挤压管材和旋压管材上截取拉伸力学试样, 进行室温及高温(350 ℃)拉伸力学测试试验, 测试结果如表1所[CM(22]示。 可见, 与挤压管材的力学性能相比, 相应的旋压(强力减薄77%)管材的室温强度和塑性均明显提高, 同时, 还表现出良好的高温力学性能。

表 1   喷射沉积Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si合金挤压管材和旋压管材的室温和高温力学性能的对比
Table 1   Comparison of tensile properties of spray deposited
Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si extruded pipes and spun pipes
 



图 7   喷射沉积Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si合金挤压管材和旋压管材典型拉伸断口形貌
Fig. 7   Typical tensile fracture surfaces of spray deposited
Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si extruded pipes and spun pipes

对喷射沉积Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si合金挤压管材和旋压管材沿不同取向的室温拉伸断口进行对比分析。 截自挤压管和旋压管的力学试样的典型拉伸断口如图7所示。 从整体上看, 它们的拉伸断口都是由均匀细小的韧窝构成, 然而, 在挤压管的纵向拉伸断口上(见图7(a)), 可以观察到主裂纹扩展时沿着垂直于主裂纹扩展面的微小台阶, 甚至出现二次微裂纹, 在横向拉伸断口上亦可以观察到二次微裂纹。 从旋压管试样的纵向和横向拉伸断口上看(见图7(b)和7(c)), 微小台阶或二次微裂纹减少, 沿弱结合界面扩展裂纹减少, 拉伸试样更趋向于以完全的微孔聚合型韧性断裂模式发生断裂。

在挤压管材的条带状组织中或多或少沿着条带界面残留着呈点链状的氧化膜碎片, 存在着弱结合的原始粉末界面。 在材料损伤断裂过程中(如图8所示), 裂纹可能以I, II, III和IV等模式与途径, 横穿弱结合界面或沿界面低能扩展。 随着氧化膜碎


(a) 裂纹横穿界面; (b) 裂纹沿界面低能扩展
图 8   条带状组织中裂纹扩展模式与途径
Fig. 8   Propagating modes and expanding
approachs of main crack in fibre microstructures

片的充分破碎, 原始粉末界面结合增强, 裂纹更加倾向于以模式I横穿界面, 且裂纹沿界面低能扩展的可能性也减小。 显然, 这些结合缺陷的存在和分布状况引起材料纵向、横向拉伸变形和断裂行为存在差异, 导致材料呈现一定的各向异性。 在多道次减薄旋压过程中, 挤压管中尚未充分破碎的氧化膜(碎片)进一步破碎, 重新分布, 残留原始粉末界面减小、 消除。 因此, 虽然旋压管材中可能仍然存在上述结合缺陷, 但与挤压管材相比, 这样的缺陷大大减弱, 也大大减少, 这样, 旋压管材试样的拉伸断口上微小台阶或二次微裂纹减少。 这与强力减薄旋压过程中显微组织的变化规律相吻合。

综上所述, 对挤压管进行后续强力旋压加工, 有利于提高喷射沉积Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si合金管材的力学性能, 并减弱材料各向异性。

3 结 论

a. 喷射沉积Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si合金挤压管由交替排列的纤维条带状组织构成, 条带大多由α-Al+Al12(Fe,V)3Si两相混合组织构成, 不同条带含有的Al12(Fe,V)3Si颗粒粒径不同, 有的甚至出现θ-Al3Fe4和Al8Fe2Si粗块状相。

b. 在挤压管中存在点链状的氧化膜碎片和弱结合的原始粉末界面, 这种微观组织不均匀性和结合缺陷导致喷射沉积Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si合金挤压管材力学性能偏低, 且材料表现出各向异性。 经450 ℃强力减薄旋压77%后, 条带发生畸变, 氧化膜破碎并重新分布, 残留原始粉末界面减少, 组织趋于更加连续、 均匀。

c. 减薄旋压后的薄壁管材温强度和塑性明显提高, 同时也表现出良好的高温力学性能, 材料各向异性减弱。 因此, 选择合适加工工艺条件, 通过喷射沉积-挤压-旋压工艺可以制备喷射沉积Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si合金高性能薄壁管材。

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