电致塑性加工与处理技术的研究进展

唐国翌，祝儒飞

（清华大学 深圳研究生院 新材料研究所，深圳 518055）

电致塑性加工与处理技术的研究进展

唐国翌，祝儒飞

（清华大学 深圳研究生院 新材料研究所，深圳 518055）

针对金属电致塑性加工技术的新进展和国内外研究与应用的现状，进行了分析；并且针对目前电致塑性技术的典型应用进行了综合论述，期望引起国内同行的关注，共同促进这一新技术的产业化推广和应用。

电致塑性加工是种新型的加工技术，是在普通的金属变形加工过程中施以高能脉冲电流对所加工的材料进行电刺激（电致塑性加工），或者在加工前后对金属进行处理（电致塑性处理），以获得良好加工性能及综合的机械性能。最早开始这一研究的是俄罗斯科学家O.A.Troitsky等前苏联科学家，后来美国北卡州立大学的H.Conrad教授进行了系统的理论和实验分析，提出一系列相关的电致塑性理论，进一步推动了这一技术的发展。国内在20世纪90年代开始相关研究，但目前国内外在电致塑性的大规模工程应用方面的进展还很有限。电致塑性加工设备与普通的加工设备相比，只需在普通的拉拔、轧制、深冲等设备上增加专用高能脉冲电源、接触电极，对设备部分地方进行绝缘处理即可，硬件设施要求不高，使用成本也相对较低。众所周知，脉冲电流在我国已广泛应用，在电镀行业上采用脉冲电流能获得更好的镀层，甚至获得纳米晶［1］；在粉末冶金行业中，它能提高加热速度，获得更细小的烧结组织［2］；在金属凝固过程中，采用电脉冲孕育处理，能减小铸锭的集中缩孔体积，形成细小的等轴晶［3-4］。如何将脉冲电源应用于金属的加工，改善金属的加工特性即进行电致塑性加工是材料加工领域的重要研究方向。

1 电致塑性拉拔

电致塑性在丝材加工上应用最为广泛，电致塑性拉拔的装置包括脉冲电源、专用拉丝机和拔制力测试系统。电致塑性拉拔通常有3种输入高能脉冲电流的方式，在拉拔变形区、拉拔前或者拉拔后引入脉冲电流，如图1所示［5］。 在对不锈钢［6-7］、铜［8］、镁［9］、钨［10］等的电致塑性拉拔研究发现通入脉冲电流拉拔的变形抗力下降，电脉冲的电流密度、频率、方向对变形抗力下降的幅度有影响。脉冲电流大大改善其加工性能，减少或省去传统丝材拉拔的中间退火过程，具有节约能源、生产效率提高的优势。

文献［11］对1Cr18Ni9奥氏体不锈钢丝的电致塑性拉拔研究发现，从Φ1.6 mm拉拔到Φ0.45 mm无需中间退火，拉拔过程中拔制力下降了20%～50%，与传统冷拉拔所得丝相比屈服强度下降、延伸率提高。文献［9］在拉拔AZ31镁合金丝材时施加电压为110 V、脉宽为60 μs的脉冲电流，拉拔拔制力下降达15%～25%，拉拔过程镁合金发生动态再结晶，明显提高了镁合金的变形能力。理论分析可知，脉冲电流在与被加工金属的作用过程中有2个主要效应：热效应与非热效应。脉冲电流虽然通过样品也有加热效应，但是温升相对直流电较小，这样可以满足很多金属在加工过程中不能在空气中加热很高温度，脉冲电流的热效应可以通过式（1）［12］计算：

式中：ρ—电阻；tp—脉宽；cp—比热；d—密度。其非热效应主要是电子流与位错发生交互作用，运动的电子流促使位错运动，同时也降低的位错的逾越障碍，从而提高材料塑性。

2 电致塑性轧制

电致塑性轧制设备的电接触方式主要是采用滑块或者轧辊作为导电电极，常见的脉冲电流接入方式如图2所示［13］。文献［14］针对合金材料的加工开发了一套电致塑性的轧制方法，采用特殊的电接触装置做正极，轧辊做负极，将单向瞬间高能脉冲电流连续引入轧材。该成形工艺大大简化传统带材加工的轧制工艺，省去了一般轧制工艺中要求的高温和真空等条件，并且轧制变形能力相对常规轧制大为提高，能够在2次退火间的总变形率达60%以上而不出现裂纹，最终产品较常规轧制强度更高、韧性更好。

文献［15］对比了AZ31窄带材的普通轧制与电致塑性轧制，发现了在电脉冲的热效应与非热效应作用下，电致塑性加工能在较低的温度下发生动态再结晶，改善了镁合金的塑性，提高了表面质量。在加工过程中，非热效应是指脉冲电流造成的电子与原子之间的相互作用，它能与热效应共同作用促使位错攀移。电脉冲处理过程，小角晶界的迁移、孪晶的形成有利于粗大晶粒的变形，改善了AZ31镁合金的延展性。文献［16］研究了电致塑性轧制室温时效的Mg-9Al-1Zn的微观组织、机械性能、拉伸性能，发现电脉冲处理能降低形核能、加速原子扩散，大大提高了β相的球化与溶解，在保持强度不变的条件下其塑性得到提高。并且随着电脉冲频率提高，断口由解理断裂转变为韧性断裂。

3 电致塑性冲压

文献［17］研究了脉冲电流对镁合金冲压过程的影响，表明在高能电脉冲作用下，冲压过程施加电脉冲可明显降低AZ31镁合金的形抗力，材料塑性提高。利用电脉冲进行冲压实验，在表面温度为210℃，冲压速率为7.5 mm/min时，可在2.5 min内成功压制15 mm深的盒形件。与传统热冲工艺相比，表面质量明显改善。电脉冲存在的热效应和非热效应耦合作用机制，可促进变形过程中的位错攀移速度增长，有利于提高变形过程中的动态再结晶程度，从而提高镁合金在变形过程中的塑性变形能力。

4 电致塑性处理技术（高能脉冲电流处理）

4.1 冷加工金属的再结晶

脉冲电流的能量可控，并具有高的电流峰值，因此广泛用于金属加工的前后处理，非晶晶化，金属凝固等。文献［18-19］采用脉冲电流对冷加工金属Cu、Al、Ni3Al的退火组织进行了研究。采用800 A/cm2、脉宽为90 μs、频率为2 Hz的直流脉冲电流处理冷轧变形量为50%的铜，发现脉冲电流促使再结晶开始温度的减小，晶体的生长速度的提高，退火孪晶形成的推迟。

4.2 时效

文献［20］在Al-4.15wt%Cu时效过程中通入直流脉冲 （电流密度为0.3×103～3×103 A/cm2）,发现在时效温度为75℃时，电流密度大于103 A/cm2电流加速时效，小于103 A/cm2电流减缓时效。

4.3 消除残余应力

文献［21］采用脉冲电流消除40Cr钢的淬火残余应力，脉冲电流密度达到一定值后残余应力开始弛豫，当电流密度达到6.3kA/mm2残余应力在700 μs内被完全消除，而试样的瞬时温升仅为360℃。在应力的消除过程主要是因为脉冲电流降低了位错运动阻力，材料中的弹性应变得以释放，脉冲电流产生的热效应与残余应力作用产生微观的或者局部的塑性变形。

4.4 提高材料的疲劳寿命

文献［22］在研究脉冲电流对多晶铜的疲劳寿命的影响时，发现电流脉冲处理能提高疲劳寿命，降低了沿晶断裂，滑移变形更均匀。文献［23］对α-Ti低周疲劳测试中引入频率为20 Hz、电流密度为689.7～1034.4 A/mm2的直流脉冲电，发现脉冲电流能降低循环软化速率，消除软化过程中的硬化峰。

4.5 非晶态材料的晶化

文献［24-25］研究了脉冲电流下非晶态材料的晶化，发现非晶带材Fe-Si-B的晶化温度低于传统的退火温度，并能获得体积分数为20～30 vol.%，晶粒尺寸为15～20 nm的单相α-Fe（Si），其磁性能得到改善。文献［26-27］研究了非晶态Zr60Cu30Al10、Cu50Ti50、Pd80Si20脉冲电流作用下的晶化， 其中Zr60Cu30Al10在不同的脉冲电流下晶化测得样品的XRD谱图如图3所示，其中Si峰为Si粉的衍射峰，用来做标定［27］。

5 研究展望

5.1 电致塑性在新材料——记忆合金、金属复合材料中的应用

文献［28-31］对TiNi记忆合金电致塑性加工做了研究,发现对粗晶态的和亚微晶态的Ti49.3Ni50.7轧制过程中施加高能脉冲电流，能够增加变形极限1.5～3倍。高能电脉冲处理相对传统的退火处理能够在不明显降低塑性的条件下极大改变延展性。记忆合金是目前使用量最大的功能材料之一，广泛用于医学领域、航天工业，但是目前TiNi加工过程需要高温退火，因此加工成本较高。采用电致塑性加工TiNi记忆合金，可以降低变形抗力延长模具及轧辊的寿命，提高生产效率，降低成本。

文献［32-35］研究了在直流脉冲下金属扩散偶Sn/Cu、Sn/Ni、Sn/Ag、Zn/Ni、Bi/Ni、Al/Ni界面上的金属间化合物的形成，发现电流能够促进扩散界面处金属间化合物的形成，并且金属间化合物的厚度随电流密度、处理时间的增长而增加。采用电脉冲加工金属复合材料能够有效地控制界面处金属间化合物的形成，使两种金属达到良好的界面强度。多层Al/钢复合板是制备节能无油烟锅的主要材料，其制备技术难度较大，采用脉冲电流辅助加工可以定向加热及合理控制界面金属间化合物的形成能，更容易制备出高质量的多层复合板。

5.2 电致塑性技术的新应用——回收废金属碎屑

金属碎屑的回收可以为工业提供廉价的原材料，但是金属碎屑的回收需要大吨位的压机压制成块。文献［36］利用高能电脉冲加工来回收金属的碎屑，能显著降低对压机压力的要求，并且由于金属碎屑在通脉冲电流过程中的加热时间极短，可以有效地避免氧化，现已成功实现不同形状、尺寸、密度的高强钛合金金属碎屑的压缩加工和回收。

综上所述，开展电致塑性的研究在理论方面还有很多基础工作需要深入探讨，而工程应用的实践，可以有力地推动电致塑性技术的发展。

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1008-5483（2011）01-0001-04