陈念东，张雪飞，曹跃杰，周天国
（沈阳大学机械工程学院，辽宁沈阳110044）
摘要：介绍了ECAE工艺及其工作原理，分析了ECAE技术中的挤压速度、挤压温度和摩擦因数等对材料的组织以及力学性能的影响，并对ECAE技术今后的发展方向进行了展望。
关键词：等通道转角挤压；超细晶；铝合金
随着我国国民经济的高速发展，装备制造业也迎来了新的生机，以铝合金为例，2013年，我国的铝合金挤压件年产量达1 300万t，实际产量为1100万t，远超过美国的，成为净出口国。此外，铝合金在保持了纯铝质轻、导电性良好等特点的基础上还拥有了许多其他优异的性能，如易切削加工、耐腐蚀性强、适用范围广、装饰效果好、花色丰富多样等特点，因此受到了汽车行业，飞行器制造业以及电力行业为代表的诸多领域的青睐。由于对铝合金需求量的不断增加，改善铝合金性能的相关研究变得越来越多，目前已经取得了一些显著的成效。细化晶粒能够有效提高金属材料的强度和韧性，为了得到细小的等轴状晶粒结构的微观组织，目前出现了一类可以有效细化晶粒大小，获得亚微米甚至纳米级尺寸的晶粒，从而获得具有高强度、超塑性的块体纳米材料的方法一剧烈塑性变形( Severe Plastic Deforma-tlon，SPD)法。等通道转角挤压(ECAE)也称作等径角挤压( ECAP)是一种发展迅速、研究广泛的SPD技术。本文将着重介绍ECAE工艺及相关工艺参数对材料性能的影响。
1 等通道转角挤压( ECAE)工艺
ECAE于1977年由Segal及其合作者在俄罗斯专利上首次提出并研究，是一种使被加工块体以获得纯剪切变形的方式实现大塑性变形的挤压技术。20世纪90年代开始该技术因其在细化晶粒、改善材料性能方面有着独特的优势，其应用研究范围不断拓展，主要表现在块体纳米材料和超塑性材料的制备上。经ECAE变形后，材料的显微组织被拉长，粗大的晶粒被破碎成一系列具有小角度晶界的亚晶，亚晶界上少量位错沿一定方向拉长呈带状结构，晶粒尺寸明显从几百微米细化成几微米甚至纳米级。ECAE变形过程中不改变材料的横截面形状，在相对较低的工作压力下可以实现材料的反复定向、均匀剪切变形和显著的晶粒细化效果与传统的制备超细晶材料的方法（如高能球磨法、超细微粉冷合成法等）相比，这种方法避免了高能球磨法研磨过程中可能带入的杂质以及超细微粉冷合成法制备的超细晶材料中存在的大量微空隙。
目前，已有文献对ECAE的工作过程及原理进行了描述，如图1所示，模具中2个具有相同横截面的通道相连成L形，其相交内模角为φ，外模角为ψ。挤压时，与通道形状一致且紧密配合、润滑良好的试样放人其中一个通道，试样在压力P作用下向下挤压，从另一个通道中挤出。当经过两通道的交汇处试样产生近似理想的纯剪切变形。由于变形前后试样的横截面形状和大小不变，故反复挤压可使各道次变形的应变量累积叠加而得到相当大的总应变量，使材料的性能发生显著的变化，形成亚微米晶粒的超细晶组织，达到破碎晶粒、增加储存能的目的。
1.1模具几何参数
根据Iwahashi等的理论，在试样与模具内壁完全润滑的条件下，等通道转角挤压产生的累积应变ε。取决于挤压次数Ⅳ、两通道的内模角φ和外模角ψ的大小，即
由(1)式不难看出，在内模角和外模角以及挤压次数确定的情况下可计算出累积应变ε,v。相反也可以根据预计累积应变来调整相应参数。目前已报道的ECAE变形通道夹角φ最小为60。，最大为157. 50。而Nakashima的研究结果表明：φ=900的模具多道次挤压后应变累积效果最好。
1.2挤压路径
根据试样在连续2次挤压之间旋转方向和角度的不同，一般可把ECAE的工艺路线分成4种：第1次挤压后，坯料不旋转直接进入下一道挤压过程，定义为路径A；第1次挤压后，第2次将坯料旋转90。，在第3次挤压前反向旋转900，第4次再反向旋转900，依此类推，定义为路径B。；每次挤压后，坯料沿同一方向旋转900进入下一道挤压过程，定义为路径B。；每次挤压后，坯料旋转1809进入下一道挤压过程，定义为路径C（如图2）。
关于挤压路径对晶粒细化的影响，Iwahashir101等对φ= 90。的纯铝进行了不同工艺路线的研究。结果表明，在形成大角度晶界方面，路线Bc最快，其次是路线C，再次是路线A、B。。陈文杰将完全退火热处理后的6061铝合金试样放入ECAE模具中进行挤压，并对不同道次试样的显微硬度以及抗拉强度进行测量后发现，随着挤压道次的增加，A路径试样应变均匀性越来越差，Bc路径和C路径应变均匀性都较好。A路径试样4道次挤压后抗拉强度达到226.3 N/mm2，伸长率下降到9. 8%；B。路径试样6道次挤压后抗拉强度达227 N／mi2，伸长率下降到8.9%；C路径试样8道次挤压后抗拉强度达到219N/mm2，伸长率下降到6.3%。从而得出Bc路径是6061铝合金ECAE的综合性能最佳工艺路径。边丽萍则通过将Al-10% Mg-4%Si铝合金在250℃分别以BC_UD2（每2道次Bc路径挤压后，试样倒转后再按Bc路径挤压）和Bc路径经8道次ECAE挤压并进行室温拉伸，结果表明，经改进型路径B C_UD2挤压后，材料抗拉强度为331.8 N／mm2．伸长率为23.6%；相比于铸态，抗拉强度提高了98.8 %，伸长率提高了约54倍；相比于B．：路径，材料抗拉强度提高了12%，伸长率提高了56%。
1.3挤压道次
等通道转角挤压技术可以对坯料进行多次的挤压，由累积应变公式(1)可知，挤压道次Ⅳ与累积应变s。成正比，即挤压道次增多的同时累积应变也随之增加，坯料内部变形加剧，晶粒细化程度增加。吴跃在350℃的条件下对7075铝合金试样分别进行1道次、2道次以及4道次路径A的ECAE后，用金相显微镜观察发现：ECAE后晶粒细化明显，1道次挤压后晶粒细化到26ILm，2道次挤压后晶粒细化到20 um，4道次挤压后晶粒则细化到16um。从而说明了经历的细化程度随挤压道次的增加而增加。姜巨福等人对镁合金在不同道次进行等通道转角挤压后力学性能的测试结果表明：试样的抗拉强度与伸长率同样随挤压道次的增加而增加。Chang等对纯度为99.9%的纯铝进行不同道次的ECAE，结果表明，经过4次挤压后，晶粒的平均尺寸细化至0.8um，此后随着挤压次数的增加，晶粒的几何尺寸和纵横比基本保持不变．但晶粒间的向位差随着挤压次数的增加而增大，大角度晶界逐渐增加。郭云飞运用有限元软件DEFORM-3D对不同道次（1—4道次）不同挤压路径工件间推挤式等通道转角大应变技术进行了模拟后发现：材料的应变均匀性都随着挤压道次增加而降低。
1.4挤压速度
研究发现挤压速度对ECAE的结果有影响，姜义在不同的挤压速度用双通道挤压方法对7003铝合金进行1道次和2道次的大塑性变形，并对显微组织以及力学性能进行观测后发现：随着挤压速度增加，晶粒的细化程度呈现先提高后降低的趋势，其中挤压速度为35 mm/s时2道次的细化效果最佳，力学性能达到最好。最小晶粒尺寸达到320 nm。抗拉强度、屈服强度以及硬度分别达到431.5N/mm2、426 N/mm2以及136.4 HV。而当挤压速度达到45 mm/min时，晶粒尺寸增加，分析其原因是应变速率增大，晶体内部的形变储能进一步增加，伴随着畸变能和温度的升高在较短的时间内可能诱发了回复与再结晶，导致晶粒长大。而Berbon在更早的时候，发现Al和Al-l% Mg合金在挤压速度低于10 mm/s时对材料晶粒细化的影响不大，但是在此阶段相对慢的速度可以使得合金获得更加均匀的显微组织。
1.5挤压温度
关于挤压温度对ECAE结果的影响，Yamashi-ta等人对Al、Al-3% Mg和Al-3%Mg-0.2% Sc合金从室温到300℃范围内使用路线进行挤压，结果发现晶粒尺寸随挤压温度的升高而增大。Kim等在200℃、400℃、600℃实现了对纯钛的ECAE变形，结果表明：在变形温度为400℃时，变形材料获得了均匀细化的微观组织。姜巨福在260℃、280℃、300℃、320℃分别对Mg-6Al合金进行ECAE挤压后，发现260℃～320℃时被挤压坯料的力学性能先提高后降低，究其原因是晶粒的细化速度和长大速度平衡的结果。在挤压温度从260℃变化到300℃的过程中，开始时晶粒的长大速度远小于晶粒细化的速度，所以其微观组织处于细化阶段，当达到300℃时，晶粒细化速度和晶粒长大速度达到平衡，此时晶粒尺寸最小，力学性能最好。但挤压温度超过300℃后，晶粒长大的速度明显大于晶粒的细化速度，材料的力学性能下降。
1.6摩擦因数
同其他的挤压方式一样，ECAE的模具同样会与坯料产生摩擦，而试样与模具之间的摩擦因数同样对试样的组织以及均匀性产生影响。
许晓静采用Deform-3D有限元软件对等通道转角压进行动态计算仿真模拟，并进行ECAE试验研究，模拟结果表明，试验和仿真的最大挤压载荷吻合，剪切摩擦模型适合用于ECAE变形仿真模拟计算；最大挤压载荷随着摩擦因数的增加而增加，不利于模具的安全和量化生产。蔡刚毅对高强铝合金等通道转角挤压过程中摩擦力的作用进行了有限元模拟，结果表明，随着摩擦因数的增大，其变形载荷不断增大，心部应变不均匀程度增大，采用二硫化钼等润滑剂改善挤压润滑条件则有望减小挤压载荷，保证模具寿命且可提高晶粒细化程度。而材料平均等效应变则变化不大。马勇采用同样的软件对7075铝合金等通道角挤压过程进行数值模拟，分析了不同摩擦条件下载荷变化、变形行为以及等效应力应变分布情况在后得出了前者相似的结果的同时，发现了随着摩擦因数增加导致挤压载荷增加的同时试样内部应变变化加剧。
2 ECAE对材料微观组织的影响
铝合金属于高层错能面心立方结构的金属，位错滑移主导组织演变，细化机制是位错分割机制。而在ECAE过程中的微观组织变化过程，可以将其分成如下三个阶段：首先试样在挤压过程中受到剪切力的作用导致粗大的晶粒内部出现小角度亚晶界；随后随着晶粒沿着拉长方向上不断破碎，亚晶间的取向差不断增大；最终形成了具有大角度晶界的等轴晶。
王娜在室温下对高纯铝采用Bc路径进行不同道次的ECAE后，对其进行宏观组织观察，发现挤压1道次后组织可观察到试样的大部分晶粒直径不超过300 um，2道次后的晶粒尺寸较第1道次稍有减小；4道次后大部分晶粒尺寸在200 um范围内，但是分布不均且大小不一;6道次后晶粒尺寸已细化至150 um以内；8道次后晶粒均匀性有所改进，尺寸均小于100 um。而在对其进行TEM观察时则显示一次挤压后，晶粒的运动方向与挤压轴形成一定的夹角且晶粒被均匀拉长，在运动平面上微结构呈片状或纤维状，晶粒内部出现小角度亚晶界。随着挤压次数增多，晶粒沿拉长方向被破碎，亚晶界及晶粒内部的位错激增，使得亚晶之间的位向差增大，造成再结晶晶核增多。肖代红制备了新型的Al-Cu-Mg-Ag耐热铝合金，通过显微组织观察发现铸锭的金相组织铸锭很明显为树枝状组织，平均晶粒大小为250 um，主要相组成为a-Al与Al2 Cu相。合金经过均匀化处理及热挤压变形后的组织合金明显为纤维组织，晶粒仍较为粗大，垂直挤压方向平均为45 um。陈家欣室温下采用Bc路径对7003铝合金进行等通道转角挤压加工，采用金相显微镜进行观察后发现经400℃退火的金相照片中试样基本为等轴晶，晶粒大小为60um—90um；试样经ECAE 1
道次挤压后，晶粒被剪切变形拉长，细化效果较难看出；2道次挤压后，有较明显的细化效果，其中部分晶粒已经碎化至10um以下，但分布不均匀，尚有部分晶粒还没有得到细化，整体晶界不明显，虽可看到一定的取向性，但未形成大角度晶界。而在4道次挤压后，大尺寸晶粒基本全部被破碎，其中晶粒尺寸细小均匀，平均晶粒尺寸在3um以内。另外在TEM观察中可看到，挤压两道次后，平均晶粒尺寸发生明显细化，但是分布并不均匀。同时在晶粒中出现了一系列的亚晶，即这些亚晶均只具有小角度晶界，且这些亚晶均被拉长，形成了亚晶带；试样经2道次挤压后，位错密度很高，位错相互缠结在一起。
3 ECAE对材料力学性能的影响
卢苹苹采用双通道等通道挤压对7003铝合金力学性能的进行测试后表明，挤压2道次后试样的抗拉强度由338.3 N／mm2提高到431.5 N/mm2；屈服强度经2道次挤压后由260 N/mm2提高到426 N/mm2。随着挤压速度的增大，试样断后伸长率的变化总体上均呈现下降的趋势。当挤压速度为25 mm/min时，1道次挤压后伸长率最小，经2道次挤压后的显微硬度由原样退火态的73.5 HVo，02提高到136.4 HVo．02，且强度以及显微硬度均在挤压速度为25 mm/min~ 35 mm/min时达到了最大值。赵小莲在室温下以Bc路径对工业纯铝挤压8道次后发现：挤压到第6道次后，其抗拉强度、屈服强度均达到最大值，抗拉强度达185 N／mm2，屈服强度为124 N/mm2，与未挤压的相比，分别提高了约185 %、138%，塑性由挤压前的28. 8%下降到10%，4道次后硬度达到最高由52 HV上升至99 HV。
4 结束语
经过近几十年的不懈努力，ECAE技术已经到了日渐成熟的地步，其简单的模具构造以及通过简单的挤压方式获得超细晶晶粒的特点，使其已经成为目前发展最为迅速、研究最为广泛的大塑性变形技术之一。ECAE技术特点鲜明，优势明显，然而该工艺中仍然存在一些不容忽视的问题，例如，因其自身结构的特点以及机械化程度不高而导致的生产效率低下，可进行加工的材料尺寸有限导致在加工过程中造成的材料浪费比较严重，挤压过程由于摩擦力较大造成模具的磨损加剧从而影响模具的使用寿命等。随着铝合金产品应用范围的不断扩大，ECAE技术正在经历更进一步的改进。有限元分析软件的引入使用，以及在传统工艺基础上对相关参数进行的优化分析使得更多性能优异的新型材料不断问世，然而关于ECAE对金属材料耐热性以及导电性影响的研究目前还相对缺乏。因此，借助有限元分析软件对相关工艺参数进行优化后对材料进行挤压加工，进而获得满足不同需求条件的新型材料，已经成为未来ECAE技术的主要研究方向。
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