山东大学陈良团队：热挤压过程施加电脉冲，提升铝合金性能

　　导读：在Al-Zn-Mg合金的热挤压过程中施加电脉冲可显着提高了合金延伸率，强度会有略微下降。用80-V/250-Hz电脉冲挤压的样品的延伸率最高可达11.9％。此外，电脉冲提高了硬度和抗晶间腐蚀性能。

　　铝合金由于其优异的性能，被广泛应用于高铁，航空航天和汽车工业领域。热挤压是一种重要的塑性成形工艺，加工过程中合金力学性能会有得到明显改善，但是材料显微结构对热挤压工艺参数敏感，如果选取不合适的工艺参数，则可能会出现晶粒粗化不均匀现象，从而对其力学性能产生负面影响。

　　现阶段研究人员尝试将电脉冲（electric pulse，EP）应用于变形或热处理过程，提出了诸如电感应迁移，电塑性和电超塑性效应等相对成熟的理论。电脉冲可以通过多种过程影响材料，比如焦耳热效应和静电场等，其中焦耳热效应会促进晶粒长大，也会改变对形核速率和原子扩散从而影响最终微观结构。而热挤压是铝合金加工的最重要方法，其工艺过程中会发生动态回复，动态再结晶等，微观结构演变则会更加复杂。

　　本研究尝试通过电脉冲去影响其微观演变过程，从而改善材料力学性能，就电脉冲对7075铝合金挤压组织及性能影响展开探究。相关论文以题为“Improvement in mechanical properties of Al-Zn-Mg alloy by applying electric pulse during hot extrusion”发表在Journal of Materials Research and Technology上。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.11.048

　　图1为电脉冲热挤压装置。在整个挤出过程中，压头速度保持在0.1mm/s。在420和470°C的钢坯温度下进行不带EP的常规挤压，样品命名为CE420和CE470分别。还使用70V/250Hz和80V/250Hz的电脉冲参数进行挤出，样品分别命名为EP70和EP80。EP70和EP80的坯料温度均设置为420°C。

图1电脉冲热挤压装置

　　图2显示了均质化7075铝合金的微观结构和EDS结果。原始坯料由平均晶粒尺寸约为120μm的等轴晶粒组成。处理后的材料主要包含两种相，分别是位于包含晶界上的CuFe4连续相，以及在晶粒内部的MgZn2相或Al2CuMg相。

图2（a）均质坯料的OM和（b）SEM图像，（c）和（d）为EDS结果

　　图3热挤压后材料的第二相，主要包括Al23CuFe4相，沿晶界分布，然后通过热挤压使其伸长。每个样品中的Al23CuFe4相的数量和大小都相似，主要是该相在500℃以下很难溶解到Al基体中。而对于MgZn2相，CE420中大量存在，随着温度升至470°C，MgZn2几乎消失。这表明470℃足以溶解MgZn2。另一方面，由于电脉冲应用降低了原子的扩散活化能，同时增加了它们的迁移率，促进原子的扩散和第二相的溶解。由于热效应而导致的较高温度也加速了溶解。在更高的80V电压下，可以产生更强的电脉冲效应。因此，EP80所含的MgZn2比EP70少。因此，在电脉冲辅助下进行热挤压温度应超过420°C，并低于470°C。

图3 SEM图：（a）CE420，（b）CE470，（c）EP70和（d）EP80

　　根据热挤出试样的EBSD图，表明EP的焦耳热效应在加工中起着重要作用，促进了再结晶的发生，特别在EP80的加工中占主导地位。由于电脉冲中快速运动的电子与材料内部原子之间发生剧烈碰撞，从而导致焦耳热，原子运动加剧，原子迁移率的提高，从而有利于消除位错，改善了重结晶的形核能力。

图4EBSD图：（a）的CE420，（b）CE470，（c）EP70，（d）EP80

　　图5显示了经过热挤压处理后的7075铝合金硬度结果。挤压合金的硬度远高于均质化材料。而且随着温度的提高，硬度也有明显增加。研究认为主要是合金的硬度受晶粒尺寸和第二相共同影响。通过电脉冲处理后，材料硬度得到进一步提高。由于原子整体扩散加剧，微小第二相分布更均匀，强化效果更佳。

图5试样硬度

　　对热挤压试样进行拉伸试验。研究表明在没有经过电脉冲的试样，随着温度升高，抗拉强度和屈服强度均出现了一定程度地降低，然而延伸率得到改善。由于铝合金的塑性变形主要是位错滑移的结果，细化后的晶粒和第二相，均可对位错运动产生强烈阻碍，即晶粒和第二相越细小，则强化效果越好，这也是CE470力学性能较差的主要原因。另一方面再结晶比例有利于延伸率的提高，故EP70延伸率提高至10.4％。

图6（a）工程应力-应变曲线和（b）试样拉伸性能

　　通过这一系列实验，研究认为电脉冲无法处理Al23CuFe4等粗大相，但是由于其产生的焦耳热效应，可溶解并细化MgZn2相并促进原子扩散。由于电脉冲热效应，细长晶粒宽度形态改善。而且依靠电脉冲提供的形核活化能，再接晶比例大大增加，这些微观结构的变化在宏观上提高了铝合金延伸率，增加了材料硬度，但是给材料强度带来了一定的负面影响。