简介概要

脉冲电流对1420铝锂合金超塑性及组织演变影响

来源期刊：稀有金属2017年第12期

论文作者：张艳苓侯红亮王耀奇

文章页码：1299 - 1304

关键词：1420铝锂合金;电致超塑性;动态再结晶;位错运动;

摘要：通过温度480℃、初始应变速率0.001 s^-1条件下单轴超塑拉伸试验,研究了脉冲电流对1420铝锂合金超塑性变形行为的影响,在此基础上,利用光学显微镜（OM）,透射电镜（TEM）,X射线衍射（XRD）等分析手段,研究了脉冲电流对1420铝锂合金超塑变形过程中的晶粒形貌及尺寸、位错形态及密度的影响规律,结果表明:脉冲电流提高了1420铝锂合金超塑变形性能,降低了变形抗力,与未加脉冲电流超塑拉伸实验结果相比,施加脉冲电流后超塑拉伸延伸率由160%提高到270%,提高了68%;峰值应力由14.3 MPa降到10.7 MPa,降低了25%。1420铝锂合金超塑变形过程中发生了动态再结晶,脉冲电流促进了再结晶的形核,使变形后的组织更加均匀、细小,相同应变条件下,施加脉冲电流超塑变形后的平均晶粒尺寸低于未加脉冲电流超塑拉伸;位错运动是1420铝锂合金超塑变形重要的变形协调机制,脉冲电流促进了位错运动、打开了晶内位错缠结,降低了相同变形条件下的位错密度,使变形协调更易于进行。

网络首发时间: 2016-09-28 09:52

稀有金属 2017,41(12),1299-1304 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy16070018

脉冲电流对1420铝锂合金超塑性及组织演变影响

张艳苓侯红亮王耀奇

北京航空制造工程研究所金属成形技术研究室塑性成形技术航空科技重点实验室数字化塑性成形技术及装备北京市重点实验室

摘要：

通过温度480℃、初始应变速率0.001 s^-1条件下单轴超塑拉伸试验, 研究了脉冲电流对1420铝锂合金超塑性变形行为的影响, 在此基础上, 利用光学显微镜 (OM) , 透射电镜 (TEM) , X射线衍射 (XRD) 等分析手段, 研究了脉冲电流对1420铝锂合金超塑变形过程中的晶粒形貌及尺寸、位错形态及密度的影响规律, 结果表明:脉冲电流提高了1420铝锂合金超塑变形性能, 降低了变形抗力, 与未加脉冲电流超塑拉伸实验结果相比, 施加脉冲电流后超塑拉伸延伸率由160%提高到270%, 提高了68%;峰值应力由14.3 MPa降到10.7 MPa, 降低了25%。1420铝锂合金超塑变形过程中发生了动态再结晶, 脉冲电流促进了再结晶的形核, 使变形后的组织更加均匀、细小, 相同应变条件下, 施加脉冲电流超塑变形后的平均晶粒尺寸低于未加脉冲电流超塑拉伸;位错运动是1420铝锂合金超塑变形重要的变形协调机制, 脉冲电流促进了位错运动、打开了晶内位错缠结, 降低了相同变形条件下的位错密度, 使变形协调更易于进行。

关键词：

1420铝锂合金;电致超塑性;动态再结晶;位错运动;

中图分类号： TG146.21

作者简介：张艳苓 (1983-) , 女, 辽宁朝阳人, 硕士, 高级工程师, 研究方向:钛合金、铝锂合金超塑成形;电话:010-85701237;E-mail:zhangyanling205@163.com;

收稿日期：2016-07-11

基金：国家重点基础研究发展计划项目 (2011CB012803);国家自然科学基金项目 (51334006, 51605458, 51605458) 资助;

Superplasticity and Microstructure Evolution of 1420 Al-Li Alloy with Current Pulse

Zhang Yanling Hou Hongliang Wang Yaoqi

Beijing Key Laboratory of Digital Plasticity Forming Technology and Equipment, Aeronautical Key Laboratory for Plastic Forming Technologies, Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute, Metal Forming Technology Research Department

Abstract：

The effects of electric current pulse on superplasticity of 1420 Al-Li alloy through uniaxial tensile tests at temperature of480 ℃ and initial strain rate of 0.001 s^-1 were studied.Meanwhile, grain morphology and the size, shape and density of dislocations were analyzed by optical microscope (OM) , transmission electron microscope (TEM) , X-ray diffraction (XRD) etc.The experimental results showed that the superplasticity of 1420 Al-Li alloy was improved and the deformation resistance reduced with pulse current.Compared to superplastic tensile test results, the peak stress was decreased from 14.3 to 10.7 MPa and was reduced by 25% with the electropulse, while the elongation was increased from 160% to 270% and was increased by 68%.Dynamics recrystallization existed during superplastic tensile, and current pulse accelerated the nucleation of recrystallization, so that the deformation microstructure was more uniform and fine.Dislocation motion was an important deformation coordination mechanism, and current pulse promotes dislocation movement, avoiding dislocation tangle in grain, and increased the ability of superplasticity.Under the experiment condition, the average grain size and dislocation density of electro-superplastic were lower than superplastic deformation.

Keyword：

1420 Al-Li alloy; electro-superplastic; dynamics recrystallization; dislocation motion;

Received： 2016-07-11

1420铝锂合金具有密度低、比强度高、可焊性好等优点, 是航空航天领域重要的轻量化结构材料^[1,2,3,4], 但是1420铝锂合金室温塑性差、缺口敏感性大、回弹大, 利用冷成形工艺难以实现复杂零件的成形。前期研究结果表明^[5,6,7,8], 1420铝锂合金具有良好的超塑性, 可实现复杂结构的成形。但是, 1420铝锂合金超塑成形仍存在成形后组织恶化、性能下降明显等问题, 进一步限制了该工艺的推广与应用。已有研究结果表明^{[9,10,11,12,13,14,15]}, 在超塑性变形 (superplastic, SP) 过程中通入脉冲电流 (或附加电场) , 脉冲电流 (或电场) 可降低材料的变形抗力、提高材料的塑性、促进再结晶和抑制空洞等, 人们把这一现象称为电致超塑性效应 (electro-superplastic effect, ESP) , 电致超塑性效应为改善1420铝锂合金超塑成形后的组织和性能提供了新的思路。

本文以国产1420铝锂合金为研究对象, 通过在单轴超塑拉伸变形过程中施加脉冲电流, 研究脉冲电流对超塑变形性能及变形过程中晶粒、位错等组织演变的影响规律, 从而为进一步阐明铝锂合金电致超塑性变形机制奠定理论与实验基础。

1 实验

1.1 材料

试验材料是在普通1420铝锂合金热轧板基础上, 利用机械热处理细化晶粒的方法, 获得再结晶退火态1420铝锂合金超塑性细晶板材。板材厚度为2.0 mm, 平均晶粒尺寸为12μm, 如图1所示。合金的主要化学成分见表1。

表1 细晶1420铝锂合金化学成分Table 1Chemical composition of 1420 Al-Li alloy (%, mass fraction) 下载原图

表1 细晶1420铝锂合金化学成分Table 1Chemical composition of 1420 Al-Li alloy (%, mass fraction)

图1 细晶1420铝锂合金微观组织Fig.1 Microstructure of 1420 Al-Li alloy

1.2 方法

电致超塑性拉伸实验在力创letry DL-20T型电子万能实验机上进行, 可实现恒速拉伸, 最大拉力20 t;实验机配备高温电阻炉, 最高加热温度为1100℃, 控温精度为±5℃;电源系统采用峰值电流大于5000 A, 频率100~800 Hz可调, 脉冲宽度60μs, 占空比0.006~0.048范围内的大电流直流脉冲电源。脉冲电源与试样的连接如图2所示。电致超塑性拉伸实验参数:温度480℃, 初始变形速率0.001 s^-1、电流密度192 A·mm^-2、频率150Hz, 通电时间30 s。为进一步研究脉冲电流对微观组织的影响, 采用光学显微镜 (OM) 进行晶粒观察分析, 试样经过线切割、镶嵌、抛光以及腐蚀处理之后放到光学显微镜下观察, 通过Image Pro Plus (IPP, version 6.0, Media Cybernetics, Silver Spring, MD) 软件进行晶粒度的统计分析。位错的观察通过透射电子显微镜 (TEM, 型号JEM-2100F) 完成, 透射试样先经过线切割减薄至400~600μm, 电解双喷减薄至50μm左右。其中双喷液的成分是30%HNO₃+70%CH₃OH。利用X射线衍射 (XRD) 定量测量不同变形条件下的位错密度。XRD设备的型号是Bruker-AXS, 利用Cu Kα发射的X射线, 波长λ=0.154 nm, 电压40 k V, 电流30 m A, 步长3 (°) ·min^-1, 从10°~90°依次扫描。

2 结果与讨论

1420铝锂合金在变形温度480℃、初始应变速率0.001 s^-1条件下加电 (ESP) 和不加电 (SP) 两种状态下超塑拉伸试验结果如图3所示。从图3 (a) 中可以看出, 相同温度和初始应变速率条件下, 普通超塑拉伸应力达到峰值后, 随着应变的增加, 流动应力迅速下降。而电致超塑拉伸变形应力-应变曲线相对平缓, 并在变形后期出现应力平台, 且从图3 (b) 超塑拉伸试样可以看出, 相比于SP试样, ESP试样变形均匀性更好, 脉冲电流的施加提高了1420铝锂合金超塑变形均匀性。普通超塑拉伸延伸率和峰值应力分别为160%和14.3 MPa, 而施加脉冲电流后超塑拉伸延伸率达到270%、峰值应力仅为10.7 MPa, 与SP实验结果相比, 延伸率提高了68%, 峰值应力降低了25%。超塑变形过程中脉冲电流的施加, 降低了1420铝锂合金超塑变形抗力, 提高了超塑变形性能。

图2 电致超塑性拉伸实验原理图Fig.2 Schematic diagram of electro-superplastic tensile

图3 超塑及电致超塑性拉伸试验结果Fig.3 Results of SP and ESP curves of stress and strain (a) and tensile samples (b)

图4为温度480℃、初始应变速率0.001 s^-1不同应变量下加电与不加电1420铝锂合金超塑变形后微观组织, 从图4中可以看出, 相同应变条件下, 与普通超塑拉伸相比, 电致超塑性拉伸变形后材料内部的晶粒更加细小, 在原始晶粒之间存在大量细小晶粒 (尺寸小于5μm) , 且细小晶粒的数量多于普通超塑拉伸, 这是因为1420铝锂合金超塑变形过程中发生了动态再结晶, 脉冲电流的施加促进了再结晶的形核, 从而导致电致超塑性变形后材料的组织更加细小, 图5为施加脉冲电流超塑变形后TEM图, 从图中可以看出, 施加脉冲电流超塑变形后晶粒内部出现大量以位错壁为边界的亚晶粒, 进一步细化了组织, 超塑变形过程中细小、等轴的组织有利于变形的顺利进行, 脉冲电流的施加促进了动态再结晶和动态回复的发生, 有利于变形的持续进行, 所以相同条件下电致超塑性变形的延伸率高于普通超塑拉伸。

图6为1420铝锂合金480℃, 0.001 s^-1条件下加电和不加电超塑变形后平均晶粒尺寸随真应变的变化规律。从图6中可以看出, 变形后的平均晶粒尺寸均高于原始组织, 说明超塑变形后组织发生了一定程度的粗化, 但随着应变的增加, 平均晶粒尺寸减小, 这主要因为变形过程中发生了动态再结晶, 且随着变形量的增加, 再结晶程度加强。在相同应变形条件下, ESP平均晶粒尺寸低于SP平均晶粒尺寸, 说明脉冲电流促进动态再结晶的形核, 细化变形过程中的组织, 从而使相同条件下加电超塑变形后的平均晶粒尺寸较小。

图4 1420铝锂合金在480℃, 0.001 s-1条件下超塑变形后组织Fig.4 Microstructure of 1420 Al-Li alloy after SP and ESP at 480℃, 0.001 s-1

(a) ε=0.69 SP; (b) ε=0.69 ESP; (c) ε=0.78 SP; (d) ε=0.78 ESP

图5 1420铝锂合金电致超塑性拉伸后TEM图 (480℃, 0.001 s-1, ε=0.69) Fig.5 TEM picture of 1420 Al-Li alloy ESP at 480℃, 0.001s-1, ε=0.69

图7为480℃, 0.001 s^-1, ε=0.78条件下SP和ESP两种状态下1420铝锂合金位错形态。从图7 (a) 可以看出, 未施加脉冲电流超塑变形后位错较多, 晶内存在大量交织在一起的线形位错, 位错分布杂乱无章, 并且发生了位错缠结, 而图7 (b) 脉冲电流作用下超塑变形后位错数量较少, 晶内位错以线形位错为主, 位错线较短, 且位错运动呈现一定的方向性。Troitskii^[16,17]认为电子的定向运动形成电流, 当电流通过正在塑性变形的金属时, 漂移电子对金属中的位错施加一个力, 他把这个力称为“电子风力”, 电子风力帮助位错越过前进中的障碍, 促进位错的运动, 且电子风力对位错运动的作用具有一定的方向性, 位错运动的方向性与电子的定向流动有关。

图6 480℃, 0.001 s-1超塑变形后平均晶粒尺寸Fig.6 Average grain size after SP and ESP at 480℃, 0.001 s-1

图7 超塑变形后位错形态 (480℃, 0.001 s-1, ε=0.78) Fig.7 Dislocation pattern after superplastic deformation at 480℃, 0.001 s-1, ε=0.78

(a) Internal dislocation of SP; (b) Internal dislocation of ESP

为进一步研究脉冲电流对位错密度的影响, 利用XRD测试的方法定量测量480℃、初始应变速率0.001 s^-1, 不同应变条件下SP和ESP位错密度大小^[18,19,20], 将XRD结果利用Williamson-Hall Plot进行处理, 获得衍射峰分布图, 从而得到衍射峰处的衍射角以及对应的半高宽FWHM, 利用下式计算位错密度大小:

式中K=2sinθ/λ, ΔK=2cosθ/λFWHM;θ为衍射角;λ为衍射波的波长;FWHM衍射峰半高宽;b为位错的伯氏矢量, 对于铝来讲, b=0.286 nm;A为与材料有关的常数;C为与位错有关的常数其值大小是0.2;ρ为位错密度。

式 (1) 中O (K²C) 为高阶无穷小, 因此上述方程中 (ΔK) ²—K²C的斜率为slop= (πA²b²/2) ρ, 从而求得位错密度ρ= (slop×2) / (πA²b²) 。利用上述方法计算得到1420铝锂合金在不同应变条件下ESP和SP位错密度如图8所示, 从图8中可以看出, 变形过程中随着应变的增加, 位错密度增大, 但相同变形条件下, 施加脉冲电流超塑变形后, 材料内部的位错密度低于未施加脉冲电流条件下的位错密度。这是因为脉冲电流的施加降低了位错运动的能量势垒, 使位错运动更易于进行, 同时脉冲电流促进了动态再结晶和动态回复的发生, 增加了超塑变形过程中的变形协调, 变形过程中无需开动更多位错来协调变形, 从而使超塑变形后材料的整体位错密度降低。