引言

鈦及鈦合金具有高強度、低密度、耐腐蝕等優(yōu)越性能,被廣泛應(yīng)用于航空航天、國防軍工和生物醫(yī)療等領(lǐng)域[1-3]。鑄造工藝可以批量生產(chǎn)近凈成形、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的各種鈦合金構(gòu)件,可以有效降低后續(xù)機加工工序,顯著提高鈦合金材料利用率和降低加工成本,因此鈦合金鑄造構(gòu)件被廣泛應(yīng)用在航空航天、生物醫(yī)療等領(lǐng)域[4-5]。然而,由于鑄造工藝本身的缺陷,鈦合金鑄件常存在縮松、鎖孔和氣孔等缺陷,同時其α相晶粒粗大,顯著降低了鈦合金構(gòu)件的力學(xué)性能和服役可靠性[6],為此常采用適當?shù)臒崽幚砉に噥碚{(diào)控鈦合金鑄件的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。ZONGY等[7]采用熱氫處理鑄造Ti-6Al-4V合金,提高了Ti-6Al-4V合金的抗拉強度約27.4%;冉興等[8]退火處理Ti-6Al-4V鈦合金鑄件時,指出熱處理工藝能夠協(xié)同提升Ti-6Al-4V鈦合金的抗拉強度、伸長率和斷面收縮率。

電脈沖處理作為一種快速非平衡的處理方式,利用熱效應(yīng)與非熱效應(yīng)的耦合作用能夠降低金屬材料內(nèi)的位錯運動的激活能,增強位錯運動,促進原子和空位間的擴散,彌補晶格缺陷,在相對較低的溫度、極短時間內(nèi)完成金屬材料微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控,顯著提高其力學(xué)性能[9-12]。近年來,大量學(xué)者開展了電脈沖處理相關(guān)研究,WANGY等[13]研究了電脈沖處理對固溶Al-Mg-Si合金的影響,發(fā)現(xiàn)電脈沖處理能夠促進穩(wěn)定Al5FeSi相的析出,顯著提高合金的力學(xué)性能。ZHANGX等[14]開展了傳統(tǒng)熱處理、電脈沖熱處理調(diào)控鎳基合金微觀結(jié)構(gòu)的研究,電脈沖熱處理可以在高變形區(qū)域產(chǎn)生顯著的微觀結(jié)構(gòu)演變效果,使鎳基合金的微觀結(jié)構(gòu)均勻分布。XUXF等[15]利用電脈沖熱處理進行快速固溶處理7075合金,在220ms時間內(nèi)快速完成了7075合金的固溶處理,雖然電脈沖固溶處理的固溶程度較低,但是細小晶粒和析出相導(dǎo)致工件材料的強度有少許提高,伸長率稍有降低。

電脈沖處理在金屬熱處理中表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢,鈦合金鑄件的高效快速熱處理工藝的實施對鈦合金鑄件在航空航天、生物醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用具有巨大需求。然而電脈沖處理在鈦合金鑄件中的應(yīng)用鮮有報道,為此本文為了調(diào)控鑄造Ti-6Al-4V合金的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能,利用電脈沖處理Ti-6Al-4V合金鑄件,分析了工藝參數(shù)對鑄造Ti-6Al-4V合金的微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的影響規(guī)律,并闡明相關(guān)機理。

1、實驗材料與方法

1.1　實驗材料

Ti-6Al-4V合金是目前應(yīng)用最廣泛的鈦合金材料。本實驗采用Ti-6Al-4V合金作為鑄造鈦合金材料,試樣為Φ14mm的圓柱形鑄件,其化學(xué)成分如表1所示。鑄造Ti-6Al-4V合金原始微觀組織為等軸組織,如圖1所示。其抗拉強度為1056.44MPa,屈服強度為1027.38MPa,伸長率為15.4%,維氏硬度為341.1HV。

表 1 Ti-6Al-4V 合金的化學(xué)成分（%, 質(zhì)量分數(shù)）

元素（Elements）	Al	V	Fe	C	O	H	N	Si	Ti
含量（Content）	6.27	4.07	0.15	0.08	0.14	0.04	0.14	0	余量

1.2　實驗方法

選用可編程脈沖電源為鑄造鈦合金試樣提供恒流脈沖電流,采用自制夾具連接脈沖電源對鑄造Ti6Al-4V合金進行電脈沖處理。當電脈沖處理時間達到預(yù)定時間后,空氣冷卻試樣。鈦合金鑄件采用的電脈沖處理具體工藝參數(shù)如表2所示。

表 2 電脈沖處理工藝參數(shù)

電流密度 /（A・mm⁻²）	電流頻率 / Hz	通電時間 /s
1.99、2.49、2.98、3.48、3.98	400	60
2.60	200、300、400、500、600	60
2.60	400	30、45、60、75、90

為了確保電脈沖處理的脈沖電流參數(shù),采用示波器進行實時監(jiān)測流過試樣的電壓和電流;為了對比電脈沖處理溫度和傳統(tǒng)熱處理溫度,利用紅外測溫儀實時測量試樣的表面溫度。使用電火花線切割制備電脈沖處理鑄造Ti-6Al-4V合金的微觀組織試樣、顯微硬度試樣與拉伸試樣,拉伸試驗尺寸如圖2所示。微觀組織試樣與顯微硬度試樣通過機械研磨、拋光去除劃痕,微觀組織試樣用金相腐蝕液(4%HF+6%HNO₃+90%H₂O)進行腐蝕,利用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)觀察電脈沖處理試樣的微觀結(jié)構(gòu);拉伸試樣采用美國Instron3369力學(xué)試驗機進行室溫拉伸實驗,試樣的顯微硬度采用200HV-5型小負荷維氏硬度計進行表征。

2、實驗結(jié)果與分析

2.1　電脈沖處理對微觀組織的影響

電流密度對Ti-6Al-4V合金鑄件微觀組織的影響如圖3所示。試樣經(jīng)過具有不同電流密度的電脈沖處理后,其微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化。如圖3a所示,鑄造Ti-6Al-4V合金原始試樣以等軸組織為主,由暗色的等軸α相和白色凸起的點狀和長條β相組成。如圖3b和圖3c所示,施加電流密度1.99和2.49A·mm^-2的電脈沖后,鑄造Ti-6Al-4V合金試樣微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S組織,脈沖電流促進了α相向β相的轉(zhuǎn)變成核,在后續(xù)的冷卻過程中長條狀β相開始向α相發(fā)生擴散控制性相變,因此長條狀β相破碎且晶粒細小,同時試樣中α相含量減少[16]。從圖3d和圖3e中可以看到電流密度為2.98和3.48A·mm^-2時,較高的溫升引起冷卻速度增大,試樣開始出現(xiàn)少量針狀的馬氏體,β相含量明顯增加且晶粒尺寸增大,部分α相晶界處集聚塊狀β相[17]。由圖3f可以看出,電流密度為3.98A·mm^-2時,試樣在高電流密度下迅速升溫發(fā)生明顯的相變,微觀結(jié)構(gòu)由原始等軸組織轉(zhuǎn)變?yōu)槲菏辖M織,由片層α相和片層β相組成。

由電脈沖處理相關(guān)理論分析,電流密度小于2.98A·mm^-2時,低電流密度的脈沖電流在試樣內(nèi)產(chǎn)生的定向快速移動的電子對位錯施加了一定的作用力,移動電子與晶格位錯發(fā)生相互交錯,電子給位錯施加作用力,推動了位錯的遷移,降低了位錯密度和位錯運動的激活能,提高了位錯越過障礙的能力,提高β相成核形核率;在冷卻過程發(fā)生擴散控制性相變進而細化晶粒[18];電流密度不低于2.98A·mm^-2時,以高密度電脈沖的熱效應(yīng)為主,產(chǎn)生過高溫升,提高晶粒增長速率,使晶粒變得粗大[19]。

圖4為電流頻率對鑄造Ti-6Al-4V合金微觀組織的影響。當脈沖電流流過金屬材料工件時,大量具有一定頻率的、快速移動的電子使工件內(nèi)原子產(chǎn)生接近于拓撲原子間固有頻率的受迫振動,因而產(chǎn)生共振,促使摩擦顆粒的動能轉(zhuǎn)化為振動周期下原子的動能,從而使工件溫度快速升高,金相晶粒得到足夠時間生長、粗大[19-20]。從圖4b和圖4c中看出,施加電流頻率為200~300Hz電脈沖處理試樣后,鈦合金仍為等軸組織,快速移動電子使α相轉(zhuǎn)變?yōu)?beta;相,α相含量減小且以條狀為主。隨著電流頻率的增加,試樣溫度不斷提高,非熱效應(yīng)同步增強,β相晶粒變得粗大。當施加電流頻率為400Hz時,鑄造Ti-6Al-4V合金仍以等軸組織為主,同時出現(xiàn)少量雙態(tài)組織,較高的冷卻速率使工件析出了針狀馬氏體。當脈沖電力的電流頻率增加到500~600Hz后,鑄造鈦合金以雙態(tài)組織為主,且出現(xiàn)了析出的針狀馬氏體和亞穩(wěn)定的β′相,且α相含量逐步增加。過高的電流頻率導(dǎo)致試樣內(nèi)部晶粒與位錯的往復(fù)運動,產(chǎn)生剪切力并細化晶粒,施加電流頻率500~600Hz后β相晶粒尺寸開始減小[21]。但占比大的α相受到電脈沖處理的熱效應(yīng),粗化晶粒作用超過剪切力的晶粒細化作用,α相由條狀變?yōu)閳F狀。

圖5為通電時間對鑄造Ti-6Al-4V合金微觀組織的影響。電脈沖的非熱效應(yīng)降低了微觀結(jié)構(gòu)演變激活能,提高了再結(jié)晶動力學(xué)速率,可以有效縮短熱處理時間[22]。電脈沖處理時間的延長可以為微觀結(jié)構(gòu)演變提供更多的時間,同時也導(dǎo)致其熱效應(yīng)溫升提升。分別如圖5b~圖5d所示,電脈沖通電30~60s后,鑄造Ti-6Al-4V合金的組織為等軸組織,相界清晰,β相含量明顯增加,等軸α相轉(zhuǎn)變?yōu)殚L條狀,電脈沖處理時間的逐漸增長使點狀β相充分粗化為長條狀。從圖5e中看出,電脈沖通電時間為75s后,鑄造合金的微觀組織為雙態(tài)組織和等軸組織,大量的片層α相在β相的晶間析出,且β相的晶粒尺寸進一步增大。從圖5f中看出,電脈沖通電時間為90s后,鑄造Ti-6Al-4V合金的微觀組織為大量等軸組織和部分雙態(tài)組織。隨著通電時間的進一步增加,在電脈沖熱效應(yīng)的作用下,由于電流密度的限制,溫升峰值受到限制,但產(chǎn)生的過高溫升,增加了冷卻過程中β相轉(zhuǎn)變α相的時間,雙態(tài)組織減少[23]。

2.2　脈沖電流參數(shù)對工件溫度的影響

電脈沖處理主要是通過熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)的耦合作用對金屬材料產(chǎn)生影響,其中電脈沖處理的熱效應(yīng)為金屬材料在焦耳熱作用下將電能迅速轉(zhuǎn)化為熱能,工件材料的溫度迅速升高[24],電脈沖焦耳熱產(chǎn)生的絕熱溫升可通過式(1)計算[25]。

式中:ΔT為絕熱溫升;ρ為材料電阻率;J為電流密度;tp為脈沖持續(xù)時間;Cp為定壓熱容;d為材料密度。

圖6為脈沖電流參數(shù)對試樣表面溫度的影響趨勢。圖6a為試樣表面最高溫度在不同電流密度下的變化趨勢。電流密度增加一倍后,在電脈沖熱效應(yīng)作用下,試樣表面最高溫度增加了294.9%。從圖6b和圖6c可知,當電流頻率和通電時間分別增加一倍后,試樣表面最高溫度分別增加37.1%和109.9%。由此可知,在一定電脈沖處理參數(shù)范圍內(nèi)時,對電脈沖處理熱效應(yīng)影響最大的工藝參數(shù)為電流密度,其次是通電時間,最次是電流頻率。

在傳統(tǒng)熱處理作用下,Ti-6Al-4V合金的再結(jié)晶溫度在750~800℃,相變溫度在900~1000℃[26],同時Ti-6Al-4V合金中α相與β相的晶胞權(quán)重對具體數(shù)值有著重要影響[27]。電脈沖處理參數(shù)分別為2.60A·mm-2-500Hz-60s、3.48A·mm-2-200Hz-60s時,鑄造鈦合金微觀結(jié)構(gòu)相變溫度分別為395.05和425.5℃,電脈沖的非熱效應(yīng)有效降低了相變激活能,大幅度降低了相變溫度;鈦合金的相變基本上是由原子擴散控制的擴散相變,根據(jù)Nernst-Einstein公式可以描述脈沖電流影響金屬的原子漂移通量φ[28-29]:

式中:N和D分別為原子密度和相關(guān)的擴散系數(shù);T為絕對溫度;k為玻爾茲曼常數(shù);Z∗為有效化合價;e為電子的電荷;Ni為溶液的濃度;Ω為原子體積;-∂σ/∂x為X軸方向x位置的應(yīng)力梯度;j為總原子擴散通量。

根據(jù)式(2),電脈沖可以有效增大原子漂移通量,加速了V、Mo等穩(wěn)定元素在β相中的擴散,從而降低了相變溫度[28-31]。

2.3　電脈沖處理對力學(xué)性能的影響

圖7a所示為電流密度對鑄造Ti-6Al-4V合金拉伸性能的影響。當電流密度小于2.98A·mm-2時,隨著電流密度的增加,試樣中α相含量減少,降低了材料的伸長率和硬度[32],且長寬比大的條狀α相增加了滑移長度,降低了伸長率[33]。當電流密度為3.48A·mm-2時,試樣中部分細小的馬氏體β′起到彌散強化作用,提升了試樣硬度[34]。當電流密度為3.98A·mm-2時,魏氏組織中較厚且長寬比較小的片層α相,提高了伸長率,試樣達到了最佳塑性,伸長率增加了17.2%,硬度降低了15.7HV(圖8a)。影響鈦合金材料片層組織力學(xué)性能較為重要的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)為β晶粒尺寸、片層α相的束集尺寸以及片層厚度等[35],片層α相的厚度增大,會導(dǎo)致抗拉強度、屈服強度以及硬度降低[36],同時片層α相長寬比越大,α相和β相之間的相界面積增多,位錯運動阻力提高,鈦合金的抗拉強度和屈服強度升高,伸長率與斷面收縮率減小[37]。

圖7b所示為電流頻率對鑄造Ti-6Al-4V合金力學(xué)性能的影響。與原始鑄造Ti-6Al-4V合金試樣相比,其抗拉強度和屈服強度均有一定上升,試樣的伸長率與硬度呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。當施加200~300Hz電流頻率的電脈沖時,鑄造Ti-6Al-4V合金的α相含量減少且呈條狀,增加了滑移長度,降低了試樣的塑性[32]。圖8b為電流頻率對試樣顯微硬度的影響。當電流頻率為500~600Hz時,鑄造鈦合金微觀組織存在針狀馬氏體和亞穩(wěn)定β′相,相變強化提高了硬度[38]。

圖7c所示為通電時間對鑄造Ti-6Al-4V合金力學(xué)性能的影響。與原始Ti-6Al-4V合金試樣相比,抗拉強度和屈服強度均有一定的提升。當電脈沖處理時間為30~60s時,伸長率隨著通電時間的增加而降低,β晶粒有一定程度上長大,且α相占比降低,導(dǎo)致試樣塑性明顯降低[1],達到了最低伸長率(13.2%),同時也降低了工件硬度(如圖8c所示)。當電脈沖處理時間為75~90s時,以電脈沖處理熱效應(yīng)作用為主,產(chǎn)生過高溫升,試樣的微觀組織轉(zhuǎn)變?yōu)殡p態(tài)組織,軟化了試樣,提高了伸長率,工件硬度也隨之降低[39]。

3、結(jié)論

(1)經(jīng)不同電脈沖參數(shù)處理后,鑄造Ti-6Al-4V合金的微觀組織由初始的等軸組織轉(zhuǎn)變?yōu)殡p態(tài)組織或魏氏組織。

(2)隨著電流密度和電流頻率的增大,材料的塑性與硬度先下降再升高,材料的塑性與硬度隨著通電時間呈現(xiàn)不同的變化。與未經(jīng)電脈沖處理的合金比較,對鑄造鈦合金施加2.98A·mm^-2-200Hz60s的電脈沖處理后,材料的硬度從341.1HV降到最低308.9HV,施加3.98A·mm^-2-200Hz-60s的電脈沖處理后,伸長率從15.4%增到17.6%,塑性最佳,有效地改善了鑄造Ti-6Al-4V合金綜合力學(xué)性能。

(3)通過電脈沖處理的熱效應(yīng)與非熱效應(yīng)的耦合作用能夠在較低溫度、極短時間內(nèi)調(diào)控鑄造Ti6Al-4V合金的微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能,在一定范圍電脈沖頻率內(nèi),對電脈沖處理的熱效應(yīng)的影響因素順序:電流密度>通電時間>電流頻率,通過合理選擇電脈沖參數(shù),可以有效細化鑄造鈦合金晶粒。

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（注，原文標題：電脈沖處理對鑄造Ti-6Al-4V合金微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響）

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