等通道转角挤压工艺对5083铝合金超声空蚀行为的影响.pdf

第 卷第 期材 料 与 冶 金 学 报 收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）作者简介：蒋宗明（），男，硕士研究生，：通讯作者：李英龙（），男，教授，：年 月 ：等通道转角挤压工艺对 铝合金超声空蚀行为的影响蒋宗明，宁莉平，张校烽，李英龙（东北大学 材料科学与工程学院；辽宁省轻量化用关键金属结构材料重点实验室，沈阳）摘 要：对 铝合金进行等通道转角挤压（）加工，利用超声空蚀设备对 加工前后的 铝合金试样进行超声空蚀实验，研究了 加工对 铝合金空蚀行为的影响 结果表明：经 加工后，铝合金的平均晶粒尺寸明显减小，硬度也有一定的提升；抗空蚀系数由 增至 ，提升了约，空蚀累计最大质量损失由 下降至 结合最大空蚀坑深度和平均空蚀坑深度变化可知，使 铝合金发生了加工硬化和强化，以及晶粒细化和第二相弥散分布，从而提升了材料的抗空蚀能力关键词：铝合金；等通道转角挤压；抗空蚀能力；加工硬化；晶粒细化中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（；，）：（），：；当局部区域的压强因某种原因而骤然降至小于该区域液体温度对应的饱和蒸气压时，部分液体会发生汽化现象，同时溶于液体中的气体也会逸出形成空化泡，大量微小空化泡瞬间形成后又瞬间溃灭，形成巨大的瞬时压力，足以使材料表面发生微小塑性变形，直至表面材料不断剥落，发生剥落腐蚀，这一现象被称为空蚀空蚀是一种常见的自然现象，由于其造成的表面破坏、材料侵 蚀 及 噪 声 污 染 而 引 起 了 人 们 的 广 泛 关注但空蚀问题涉及多个学科，影响因素也错综复杂，研究空蚀损伤机理是解决空蚀问题的根本途径对于空蚀问题，现有的研究主要集中在空化泡生长和崩溃过程中的动力学过程和空蚀抗力 等研究发现，当 不锈钢的晶粒尺寸减小、晶粒取向趋于一致时，其抗空蚀性能也能得到大幅改善蔡世刚等利用水喷丸技术增大了材料的硬度，引起材料表面加工硬化，极大改善了材料的抗空蚀性能等通道转角挤压（）工艺是一种典型的大塑性变形工艺，通过向材料内部引入纯剪切应力将晶粒切碎，从而达到细化晶粒尺寸的效果 等对经过 加工后的 合金微观结构发展和机械性能进行了研究研究结果表明，在室温下，经过 加工后的铝合金试样通过增加挤压道次得到了细小晶粒和纳米尺寸的沉淀物，在宏观上表现出更高的物理性能和机械强度 系铝合金由于具有优秀的加工性能、耐蚀性及焊接性而被广泛应用作为一种典型的 系铝合金，铝合金空蚀行为机理的研究显得尤为重要随着大塑性变形技术的日益成熟，制备出超细晶铝合金成为可能本文中利用 工艺改善 铝合金内部组织结构与机械性能，提高 铝合金的抗空蚀能力，同时揭示 工艺对 铝合金空蚀行为的影响 实验材料及方法 实验材料实验中选用的材料为商用 铝合金圆棒，供货态为，直径为 ，主要化学成分如表 所列表 铝合金化学成分（质量分数）（）余量 实验设备实验中进行 加工时采用自制 模具，两通道的内角，外角 挤压试样尺寸为 润滑脂的主要成分为，挤压前在 铝合金试样表面涂抹均匀挤压路径为，挤压温度为 ，挤压速度为 将挤压脱模后的试样放置在空气中自然冷却实验中使用的超声空蚀设备为课题组依据美国材料与试验协会（）发布的标准 自制，设备的工作参数如表 所列实验全程利用风冷及循环冷却水设备保证工作温度及空蚀介质温度稳定表 超声空蚀设备工作参数 超声频率 功率 超声振幅 空蚀介质温度 振头与试样距离 实验方法分别将 加工前后的 铝合金加工为直径 、高 的圆柱形试样，利用 金相砂纸对试样进行逐步打磨，然后采用机械抛光技术对试样表面进行抛光将抛光处理后的试样用 试剂充分腐蚀，利用金相显微镜和场发射扫描电子显微镜观察试样中晶粒尺寸变化及第二相分布，并对第二相成分进行分析用维氏显微硬度仪测量 加工前后 铝合金表面硬度，分析 带来的加工硬化对试样的强化效果利用自制超声空蚀设备对制备完成的 铝合金试样进行超声空蚀实验实验前，利用无水乙醇对试样进行充分清洗从空蚀 开始，每隔 将试样充分干燥，用感量 的分析天平测量其质量并记录，最长空蚀时间为，计算空蚀累计质量损失和空蚀速率，并据此绘制空蚀累计质量损失曲线及空蚀速率曲线实验结束后，观察 加工前后 铝合金试样空蚀后的表面形貌、三维表面形貌及表面粗糙度 实验结果与讨论 加工前后 铝合金微观结构与力学性能从图 中可以看出，经过 加工后，第 期 蒋宗明等：等通道转角挤压工艺对 铝合金超声空蚀行为的影响铝合金试样的晶粒尺寸发生明显变化采用截线法计算得出 铝合金试样平均晶粒尺寸为 ，而 铝合金试样平均晶粒尺寸则减小到 由图 中 分析可知，晶界处散布的第二相主要是白色的 相及黑色的 相(a)50 m(b)50 m图 加工前后 铝合金的金相组织 （）；（）10 m10 m元素MgAlCrMnFe总量质量分数/%2.1580.070.855.6511.28100.00原子数分数/%1.7290.360.382.564.98100.00元素MgAlSi总量质量分数/%9.0269.2921.69100.00原子数分数/%8.9270.1920.89100.002000010000计数2000010000计数0051015keV51015keVAlFeMgMnCrCrMnFeSiAlMg(a)(c)(b)(d)图 铝合金 能谱图 （）（）试样 相；（）（）试样 相 经过硬度测量，测得 铝合金试样表面硬度（）为 ，而 铝合金试样的表面硬度（）为 这主要是因为 带来的加工硬化使合金内部的位错密度增大，同时 的纯剪切作用将挤压拉长的晶粒剪碎，晶粒细化、晶界数量增加，阻碍了位错运动，从而提升了合金的变形抗力，在宏观上表现为合金硬度增大材 料 与 冶 金 学 报 第 卷 空蚀行为分析 空蚀累计质量损失从图 和图 中可以看出，空蚀过程主要分为 个阶段先是空蚀累计质量损失一般小于、质量损失增加量较小的孕育期，在这一阶段，空蚀速率通常会有一定的提升在此期间，空化泡产生的能量尚不足以使材料表面产生剧烈的塑性变形，此时材料表面的塑性变形不会使材料发生剥落由图 可知，铝合金试样的孕育期约为 ，铝合金试样的孕育期可以达到约 ，这主要是因为 加工增大了材料的硬度，使受空化泡作用的空蚀表面强度提高，从而增加了材料的剥蚀难度之后，随着空蚀时间的增加，材料进入空蚀的上升期，在这一阶段，空蚀质量损失较大，空蚀速率也随之增大 和 铝合金试样的稳定期分别发生在，此时空蚀速率达到最大值，分别为 ，在这一阶段，空蚀速率达到最大值的同时也趋于平稳，空蚀累计质量损失虽仍有增加，但增速已经放缓当空蚀时间达到 时，和 铝合金试样空蚀累计质量损失基本达到最大值，分别为 ，这一阶段被称为衰减期在这一阶段，空蚀速率逐渐减小由图 和图 可知，无论是空蚀累计质量损失还是空蚀速率，铝合金试样的值始终大于 铝合金试样的 值 经 加工后，试样空蚀累计最大质量损失由 下降到 ，下降了 ，这说明 加工可以显著提升材料的抗空蚀能力706050403020100mi/mgt/min5083ECAP-508350100150200250300350图 加工前后 铝合金空蚀累计质量损失 /(mgmin-1)t/min501001502002503000.300.250.200.150.100.0505083ECAP-5083图 加工前后 铝合金空蚀速率 根据空蚀累计质量损失曲线计算得出的平均空蚀速率 与抗空蚀系数 是进一步评判材料抗空蚀能力的主要判据，其计算公式如下：（）（）式中：为空蚀累计质量损失，为材料密度，为材料受空蚀的面积，为空蚀时间结合 与 铝合金试样空蚀累计质量损失曲线，可以计算出二者的抗空蚀系数分别为 ，由此可知，加工提升了材料的抗空蚀系数，提升了约 空蚀表面研究如图 所示，空蚀影响材料表面，使其不断发生塑性变形，从而变得起伏不平 空蚀的作用面积5083ECAP-5083t/min表面粗糙度/m605040302010010180300图 加工前后 铝合金空蚀表面粗糙度 第 期 蒋宗明等：等通道转角挤压工艺对 铝合金超声空蚀行为的影响不断增加的同时，材料表面粗糙度也随空蚀时间的增加而不断增大空蚀时间为 时，和 铝合金试样的表面粗糙度分别为，这时空蚀过程处于孕育期，空化泡产生的能量尚未能大规模破坏材料表面，此时的材料的表面只是在一些特定部位产生少量空蚀坑，所以表面粗糙度变化不大随着空蚀的进一步进行，材料表面持续被破坏，少量的空蚀坑联结产生大的空蚀坑群，破坏程度加剧，表面粗糙度也随之增大由图 可知，和 铝合金试样在空蚀过程中表面显微硬度的变化趋势基本一致，都是经历了先硬化、后软化的过程这主要是因为在空蚀初期，材料表面发生了塑性变形，产生加工硬化，在宏观上表现为材料表面显微硬度增大随着空蚀的进行，表层材料逐渐被破坏，材料表面因严重变形而变得疏松，所以硬度减小显微硬度13012512011511010510095908580050250300200150100t/min5083ECAP-5083图 加工前后 铝合金表面显微硬度随空蚀时间的变化 为进一步描述材料空蚀表面与损伤情况，绘制 和 铝合金试样空蚀后的三维表面形貌图，如图 所示从图 中可以看出，当空蚀 时见图（）（），材料表面仅有一些起伏，并未出现大规模剥落，此时 铝合金试样的平均空蚀坑深度仅有 ，而 铝 合 金 试 样 平 均 空 蚀 坑 深 度 为 ，二者有一定差距这主要是因为空蚀初期，空化泡溃灭产生的能量不能使试样表面产生剧烈的塑性变形，加之经过 加工后，试样的硬度也有了一定的提升，所以空蚀初期二者平均空蚀坑深度相差不大当空蚀时间达到 时见图（）（），之前产生的小且浅的空蚀孔洞由于聚集空化泡逐渐被扩大成空蚀坑并产生大片的空蚀坑群，对材料表面产生了严重的破坏，此时 和 铝合金试样的平均空蚀坑深度分别为 ，即经 加工后，试样平均空蚀坑深度下降了 当空蚀时间达到 即空蚀后期见图（）（），和 铝合金试样的平均空蚀坑深度分别为 ，可知经 加工后，试样平均空蚀坑深度下降了 ，下降速率趋于稳定 空蚀机制分析如图 所示，空蚀初期，和 铝合金试样表面均产生了不规则的凹坑，但 铝合金试样的凹坑无论是数量还是尺寸均要小于 铝合金试样的凹坑此时，空化泡破碎产生的微射流和冲击波对材料表面造成破坏，而得益于 工艺带来的表面硬度的提升，铝合金试样的表面受破坏程度低，这也是 铝合金试样的孕育期要长于 铝合金试样的孕育期的主要原因如图（）（）所示，和 铝合金试样表面都存在细小的纵向裂纹，但明显可以看出，铝合金试样的纵向裂纹更短，这表明 加工过程中产生的塑性变形使得材料表面的致密性增强，所以只产生了较为短小的纵裂纹与 铝合金试样表面相比，铝合金试样表面基本看不到弥散在晶界处的第二相，只能在其基体内部看到尺寸较大的第二相由前文可知，铝合金试样晶界处主要为 金属间化合物，硬度大但塑性差，所以空蚀过程中，当空化泡溃灭导致压力载荷超过材料弹性极限时，基体产生塑性变形，晶界处应力集中，基体突起，位于晶界处的塑性较差的第二相先被剥蚀，出现部分细小空蚀坑，而空化泡聚集在细小空蚀坑处，使其成为裂纹进一步扩展的裂纹源 使试样发生加工硬化，而在孕育期，空化泡溃灭的能量不足以使试样表面产生塑性变形，所以仍有部分第二相位于晶界处如图 所示，空蚀中后期的试样表面已经被严重破坏空蚀早期试样表面发生了塑性变形而产生加工硬化，位错在一定深度处发生积累，加之基体相的高塑性和韧度使纵向裂纹发生钝化，所以裂纹在纵向的传播受阻，转而向横向传播当不同位置产生的横向裂纹之间发生连接，材料便会发生大块的剥落，对表面产生严重的破坏，同时这些横向裂纹为空化泡在试样内部的形核、材 料 与 冶 金 学 报 第 卷生长及溃灭提供了足够的通道由于空蚀介质选用的是模拟海水，在横向裂纹处得到了充分的扩散，空蚀破坏加剧 加工后，铝合金试样晶粒尺寸减小根据 公式可知，晶粒的细化会使材料强度提升，同时也会造成晶界数量的增加，阻碍裂纹的扩展，所以 铝合金试样中产生的裂纹无论是数量还是长度都要远小于未经 加工的 铝合金试样中产生的裂纹，空蚀情况也就没那么严重如图（）