高密度脉冲电流对SiCp/Al板材裂纹的修复作用

易卓勋，赖小明，王博，张加波

中国空间技术研究院 北京卫星制造厂，北京 100094

高密度脉冲电流对SiCp/Al板材裂纹的修复作用

易卓勋，赖小明，王博*，张加波

中国空间技术研究院 北京卫星制造厂，北京 100094

针对SiCp/Al材料塑性低、容易产生裂纹的缺陷，研究了高密度脉冲电流对SiCp/Al板材裂纹的修复作用。采用室温拉伸方法预制裂纹，在扫描电子显微镜(SEM)下标定裂纹后，对试样进行脉冲电流(电流密度为31.25 A/mm2)处理，对比分析脉冲电流处理前后裂纹形貌，测试电流处理对含裂纹试样力学性能的影响。结果显示，脉冲电流处理后，试样表面尺寸较小的裂纹直接被焊合，尺寸较大的裂纹宽度减小并且尖端出现了熔化现象；对比试样脉冲电流处理前后的延伸率发现，脉冲电流处理可以使试样预变形后的延伸率提高38%。采用电-热-力耦合的数值分析方法求得通电后SiCp/Al板材裂纹附近的电流场、温度场和应力场，并进行了脉冲电流处理对裂纹修复的机理分析，为脉冲电流修复技术的应用奠定理论基础。

铝基碳化硅复合材料；裂纹修复；脉冲电流；延伸率；数值模拟

近年来，随着SiCp/Al材料在航空航天领域的大量应用，对于这种材料的研究方向也逐渐从材料的制备转入到了材料的应用。SiCp/Al材料作为一种金属基复合材料，第二相SiC颗粒的加入使得材料的机械性能得到了显著的改善，但是由于SiC颗粒与铝合金基体的变形协调性较差，在变形过程中容易产生裂纹，导致该材料的成形性能较差，二次塑性成形困难[1-2]。裂纹是材料成形研究中一个不可避免的问题，因此研究SiCp/Al材料中阻止或者延缓裂纹扩大的方法具有重要的意义，即：可改善板材坯料的微观组织，提升材料的成形性能，延长成形零件的疲劳寿命[3-4]。

从目前的研究来看，对裂纹的修复主要是从材料填充、降低裂纹尖端应力集中、在裂纹两侧引入压应力等几个方面进行[5-6]。而脉冲电流修复作为一种金属材料裂纹的专用修复技术，有望同时实现上述3个方面的效果，并且其还具有如下2种特性：① 修复作用不受裂纹的形状、大小及所处位置的影响；② 对产品正常部位不产生不良影响或者影响可以忽略，不影响产品本身的主要性能[7-8]。近年来，国内外关于脉冲电流修复技术在各种结构材料的研究工作已经全面展开，例如，在脉冲电流止裂方面，国内燕山大学的付宇明等对脉冲电流止裂技术在Al-Mg合金、T10钢、45钢、2Cr13钢和35CrMo钢等材料上的应用做了大量的实验和数值模拟研究，取得了较为理想的结果[9-15]；大连理工大学的张洪潮等采用脉冲电流对奥氏体不锈钢和镍基高温合金进行了止裂实验，发现脉冲电流处理可以细化裂纹尖端的晶粒，使得材料的抗拉强度与延伸率都得到了提升[16-17]。在脉冲电流愈合裂纹方面，日本Nagoya大学的Hosoi等针对316不锈钢的疲劳裂纹进行了脉冲电流修复实验，实现了较小裂纹的愈合与较大裂纹面之间的桥接[18-19]。目前脉冲电流对金属材料裂纹产生的止裂和愈合作用已经被研究人员广泛地认可，但是对于脉冲电流在金属材料裂纹附近的作用机理尚无统一的定论。

为了探究脉冲电流修复技术在SiCp/Al板材裂纹的修复效果，本文对比分析了脉冲电流修复前后的板材宏观力学性能以及表面裂纹的微观形貌；同时，为了探究电流对SiCp/Al板材裂纹的作用机理，本文采用数值模拟的方法对施加脉冲电流后板材裂纹附近的温度场、应力场进行了有限元分析。所得结论对脉冲电流止裂技术在成形过程中的应用具有参考价值。

1 试验材料及方法

试验材料为中科院沈阳金属所通过粉末冶金+多道次热轧制备的碳化硅颗粒增强铝基复合材料板材(厚度为1.6 mm)，其中碳化硅颗粒增强相体积分数为17%。试验试样尺寸如图1所示。

为了在SiCp/Al板材内部预制裂纹，以模拟在变形过程中产生的裂纹，将试样在CSS-8800型电子万能拉伸实验机上进行室温拉伸，拉伸的应变速率为5×10-4/s。先分别将3个试样拉伸0.2、0.4、0.6 mm后进行卸载，并在扫描电子显微镜(SEM)下对不同变形量预制的裂纹形貌进行观察。对比不同变形量预制的裂纹形貌后发现，当试样伸长量为0.6 mm时预制的微裂纹最明显，较为适合观察与对比，因此将试样统一拉伸0.6 mm(变形量为4%)以预制微裂纹。

进行预变形后将试样分成A、B两组，每组3个。其中，A组试样用于对比脉冲电流处理前后的裂纹形貌变化，因此在A组试样预变形后需对其表面的裂纹进行标定：采用签字笔在其表面标记出矩形区域，然后在将试样在扫描电子显微镜下进行观察，在标记的矩形区域内选择5条尺寸合适、形貌典型的裂纹作为观察对象，并拍照记录其位置。

对裂纹进行标定后，采用不同大小的脉冲电流对试样进行瞬时通电处理，试验电路如图2所示。试验中发现，当脉冲电流超过2 500 A(电流密度为31.25 A/mm2)时，试样会产生局部高温，甚至出现熔断现象，因此本试验中选择电流密度为31.25 A/mm2的瞬时电流对A组试样进行处理。

为了分析脉冲电流处理对SiCp/Al板材裂纹形貌的影响，对脉冲电流处理后的A组试样再次使用扫描电子显微镜进行观察；重新找到标记区域内的同一条裂纹进行拍照记录，并与脉冲电流处理前的裂纹形貌进行对比分析。

最后，对A、B两组试样进行单向拉伸试验(室温，应变速率5×10-4/s)。通过对比电流处理前后试样的力学性能，来分析脉冲电流处理对含裂纹SiCp/Al板材力学性能的影响。试验流程如图3所示。

图1 电流修复试验试样尺寸Fig.1 Size of specimens of current healing test

图2 电流修复试验装置示意图Fig.2 Schematic diagram of current healing test equipment

图3 电流修复试验流程Fig.3 Program of current healing test

2 脉冲电流处理对裂纹的修复作用

2.1 对SiCp/Al板材裂纹形貌的影响

SiCp/Al板材试样裂纹的微观形貌如图4所示，其中图4(a)和图4(c)为经预拉伸变形后板材表面产生的微裂纹，从图中可以看出，在单向拉伸载荷下，SiCp/Al板材在塑性变形过程中产生的微裂纹一般是在SiC颗粒周围形核并沿着SiC与铝合金的界面扩展，这主要是因为SiC颗粒与铝合金基体变形不协调，容易导致界面脱粘所致。

图4(b)和图4(d)为对其进行通电处理后的裂纹的微观形貌。从裂纹的长度来看，裂纹Ⅰ的长度从通电前的3.414 μm减小到了2.642 μm，缩短了22.6%，裂纹Ⅱ的长度也从通电前的2.558 μm减小到了1.294 μm，缩短了49.4%；从裂纹的宽度来看，裂纹Ⅲ的平均宽度从0.194 μm降低到了0.109 μm，减小了43.8%。对比通电处理前后的微裂纹尺寸可知，对于尺寸较大的裂纹，脉冲电流处理可以使其长度与宽度明显减小。据此可以推测，对于尺寸比较小的裂纹，电流处理后可以使之直接被焊合。同时，在没有裂纹的其他区域通电处理前后基本没有变化，这说明脉冲电流处理在对裂纹进行修复的同时不会对正常的组织造成破坏。

由此可见，脉冲电流处理可以使含有裂纹的SiCp/2024Al试样中较小尺寸的微裂纹在极短的时间内完全愈合，并且对较大尺寸的裂纹也有一定的修复作用。同时，由于试样不含裂纹的区域电阻较小，脉冲电流通过时产生的焦耳热较少，使得试样中的正常区域为低温区，这就保证了试样的正常区域在进行脉冲电流修复时，其微观结构和性能基本能够保持不变。

图4 脉冲电流处理前后裂纹形貌对比Fig.4 Comparison of cracks’ morphology before and after healing by pulse current

2.2 对含裂纹SiCp/Al板材力学性能的影响

经测试，A、B两组试样与原始SiCp/Al板材试样的机械性能对比如表1所示。图5为A组试样和B组试样的应力-应变曲线对比，其中A3号试样为SiCp/Al板材在产生4%的预变形后经过脉冲电流处理后再进行单向拉伸的试样，B3号试样为SiCp/Al板材在产生4%的预变形后直接进行单向拉伸的试样。

从A、B两组试样的测试结果对比可以看出，预制了裂纹的SiCp/Al板材试样经过脉冲电流处理以后，试样的屈服强度明显降低，抗拉强度也稍有降低，但其延伸率相较于处理前提高了38%，总延伸率也提高了15%。

从屈服强度来看，试样经过预变形以后，由于晶粒发生滑移、位错的缠结与塞积、板材内部产生了残余应力等原因导致了试样出现了加工硬化的现象，使其屈服强度大幅提高；而当经过脉冲电流处理以后，脉冲电流产生的“电子风力”[2]推动了板材内部的位错运动，促使板材内部的位错重新排列，同时，脉冲电流对裂纹的修复作用极大地缓解了板材内部裂纹处的应力集中，大幅降低了预变形产生的残余应力，这就使得试样的屈服强度显著降低，意味着材料更容易发生塑性变形。从延伸率来看，试样被预制裂纹后，其后续延伸率很低，主要是因为含裂纹的试样再次加载单向拉应力以后，内部的裂纹会迅速扩大并发展；而含裂纹的试样经脉冲电流处理以后，脉冲电流对板材内部缺陷的修复作用可以大量减少板材内部的裂纹源，同时也阻碍了裂纹的进一步扩展，因此使得预制裂纹试样的延伸率大幅提升，意味着材料的塑性变形能力得到了显著的改善。

表1 拉伸试验结果Table 1 Results of tensile test

图5 A3与B3试样的应力-应变曲线Fig.5 Stress-strain curves of Specimens A3 and B3

这说明，高密度的脉冲电流处理能对含有裂纹的SiCp/Al板材产生较为理想的修复效果，可以明显提高变形后SiCp/Al板材的塑性，在多道次成形的中间热处理工艺中有非常大的应用前景。

为了进一步研究脉冲电流处理对SiCp/Al板材裂纹的修复机理，本文采用数值模拟的方法对含有裂纹的SiCp/Al板材通电后的电流场、温度场和应力场分布进行了数值模拟与分析。

3 SiCp/Al板材裂纹修复的数值模拟

3.1 模拟方法及建模

数值模拟采用Marc Mentat 2012软件自带的电-热-结构耦合分析(Current/Thermal/Structual)进行。采用Marc软件同时处理电流场、温度场和应力场3类不同的场方程，从而获得板材通电后的电流分布、温度分布和应力分布。

含有裂纹的板材模型及网格划分如图6所示。板材模型尺寸设置为240 mm×120 mm，并在其正中央处设置一条4 mm×60 mm的菱形裂纹。模拟中采用的SiCp/Al板材各项材料物性参数如表2所示。由于金属材料的多项物性参数都与温度相关，所以在模拟过程中采用的热传导系数、导电系数和比热容等物性参数使用Marc软件的TABLES定义。

图6 带裂纹的板材模型Fig.6 Model for sheet with a crack

表2 SiCp/Al板材的物性参数Table 2 Physical parameters of SiCp/Al sheet

预设物性参数数 值密度/(g·cm-3)2．768屈服强度/MPa150～315泊松比0．282弹性模量/GPa100热膨胀系数/K-14．3×10-6发射率0．02～0．19热导率/(W·m-1·K-1)16．71～29．17比热容/(J·g-1·k-1)2．352～2．568电阻率/(Ω·m)6．5～12．2

3.2 模拟结果与讨论

在含有裂纹的SiCp/Al板材两端通电后，由于裂纹的存在，使得原本均匀的电流场出现极化。在裂纹的尖端处，由于绕流现象的存在使得该处的电流密度急剧上升；而在裂纹的中间部分，由于裂纹的阻隔，出现了一块电流密度较低的区域。电流场的分布如图7所示。

电流场的差异分布使得板材不同部位产生的焦耳热也存在巨大的差异，这将导致板材的温度场分布也出现极化现象。根据相关文献的理论推导，含裂纹的薄板通电后在裂纹尖端处的温度场为[16]

(1)

式中：T0为板材初始温度；J为脉冲电流的峰值电流密度；a为裂纹的半长；r为距离孔洞或裂纹尖端的距离；λ为材料的热导率；γ为材料的电导率。由式(1)可知，离裂纹尖端越近的位置温度越高。

数值模拟也得到了相似的结果，在裂纹尖端附近出现了范围较小的高温区，在一定范围内板材温度甚至超过了SiCp/Al板材的熔点；而在板材的正常区域，温度保持在150 ℃以下，如图8所示。这说明板材在裂纹的尖端可能会发生局部熔化。

同时，由于温度场不均匀，局部的高温会在局部地区产生较大的热膨胀；而板材的正常区域温度较低，产生的热膨胀较小，将对高温区的热膨胀产生一定的限制。由此产生的热应力计算公式为[20]

σ(t)=EαΔTmax[θ(t)-l(t)]

(2)

式中：

θ(t)=ΔT(t)/ΔTmax

(3)

l(t)=Δl(t)/Δlmax

(4)

其中：E为弹性模量；α为膨胀系数；ΔTmax为最大温度变化；ΔT(t)为瞬时温度变化；Δl(t)为瞬时长度变化；Δlmax为最大长度变化。

由于温度场不均匀而产生的等效应力云图如图9所示。板材正常部位热应力处于一个较低的水平，而裂纹周围的应力值可达200 MPa以上。

图7 通电SiCp/Al板材的电流场分布Fig.7 Distribution of current field of SiCp/Al sheet

图8 通电SiCp/Al板材的温度场分布Fig.8 Distribution of temperature field of SiCp/Al sheet

图9 通电SiCp/Al板材的应力场分布Fig.9 Distribution of stress field of SiCp/Al sheet

脉冲电流放电止裂后裂纹尖端周围的应力为压应力。在脉冲电流通过试样瞬间，由于裂纹的存在，电流在裂纹尖端发生强烈的绕流集中现象，裂纹尖端局部温度迅速升高到达熔点，而周围基体温度变化不大，裂纹前端和周围其他基体加热、冷却速度不一致，在试样内部产生了很大的温度梯度，从而导致了由于膨胀和收缩不均匀而产生了热应力，脉冲电流处理时的升温速率远大于随后的冷却速率，因而放电过程中形成的压应力最终保留至室温状态。

裂纹尖端熔化的液态金属在附近的压应力作用下会往裂纹的中间部分填充，如图10所示，这对于裂纹的修复来说起到了两方面的作用：① 熔化的液态金属被挤入裂纹中部，起到了材料填充修复的作用；② 金属熔化产生的熔池使得裂纹尖端的曲率半径迅速增大，可以有效缓解板材再次受力后在裂纹尖端处的应力集中，延缓裂纹的扩展。另外，当裂纹处的热应力超过材料本身的屈服应力后，裂纹处将会开始发生塑性变形，模拟结果如图11所示，由此将会使裂纹逐渐变窄。在以上因素的作用下，板材内部较小的裂纹可以直接愈合，较大的裂纹也将被钝化、压缩。

图10 裂纹尖端应力分布Fig.10 Distribution of stress field around crack tip

图11 裂纹附近板材在电流方向上的位移Fig.11 Displacement in current direction near crack

4 结 论

采用高强度脉冲电流对试样进行裂纹愈合处理，研究了脉冲电流处理对裂纹尖端的形貌、力学性能的作用规律；采用电-热耦合和热-力耦合的分析方法，模拟裂纹尖端的温度场、应力场分布情况，探讨了脉冲电流实现裂纹止裂、愈合的机理，得出如下结论：

1) 通过对比脉冲电流处理前后裂纹的形貌，脉冲电流对SiCp/Al板材的裂纹有明显的止裂与愈合作用，脉冲电流处理可使裂纹长度缩短20%～40%、平均宽度减小40%左右。

2) 高密度的脉冲电流对含裂纹的SiCp/Al板材具有修复和增塑效果，预变形量为4%的试样在经过31.25 A/mm2的脉冲电流处理后，延伸率提高了38%。

3) 根据电-热耦合仿真分析结果，脉冲电流在裂纹前端绕流集中，释放大量的焦耳热，使得裂纹尖端局部温度升高，甚至发生局部熔化，而试样其他部位的电流密度相对较低，因此，脉冲电流裂纹止裂过程只影响裂纹部位，对无损伤的基体作用很小。

4) 根据了热-力耦合仿真分析结果，脉冲电流放电瞬间在裂纹前端产生了强大的热应力，应力值可达200 MPa以上。在试样冷却后，裂纹前端的残余应力场呈现为压应力，该应力场保证了裂纹止裂效果的长期有效性。

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EffectofhighdensitypulsecurrentonhealingofcracksofSiCp/Alcomposites

YIZhuoxun,LAIXiaoming,WANGBo*,ZHANGJiabo

BeijingSpacecrafts,ChinaAcademyofSpaceTechnology,Beijing100094,China

InordertosolvetheproblemthatSiCp/Alcompositesislowinplasticityandpronetocrack,SpecimensofSiCp/Alcompositeswithdrawingcracksareusedtoperformhealingexperimentbyhighdensity(31.25A/mm2)pulsecurrenttreating.Afterpre-crackingwithmechanicaltensileatroomtemperature,theScanningElectronMicroscope(SEM)figuresofthecrackstakenbeforeandafterthehealingarecompared.Theeffectsofpulsecurrenttreatingonthemechanicalpropertiesarestudied.Experimentalresultsshowthatthelocalclosure,thedecreaseinwidthandlocalmeltingaroundthecracktipareobservedafterahighdensitypulsecurrentwasappliedtoaspecimen.Thespecificelongationofthespecimenwiththecrackincreasesby38%afterhealing.Basedonthecoupledcurrent-thermal-structuraltheory,anumericalsimulationmethodisproposedtostudytheelectriccurrentfield,thetemperaturefieldandthestressfieldaroundthecrackoftheSiCp/Alsheet.Basedontheresultsofnumericalsimulation,themechanismofhealingcrackwithpulsecurrentisstudiedtoprovidesomefoundationforapplicationofhighdensitypulsecurrenthealingtechniques.

SiCp/Alcomposites;crackhealing;pulsecurrent;elongation;numericalsimulation

2017-02-28；Revised2017-04-18；Accepted2017-07-03；Publishedonline2017-07-201554

URL：http://hkxb.buaa.edu.cn/CN/html/20171120.html

NationalNaturalScienceFoundationofChina(51405487)

.E-mailwangb529@126.com

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2017.221197

V461

A

1000-6893(2017)11-221197-08

2017-02-28；退修日期2017-04-18；录用日期2017-07-03；< class="emphasis_bold">网络出版时间

时间：2017-07-201554

http://hkxb.buaa.edu.cn/CN/html/20171120.html

国家自然科学基金(51405487)

.E-mailwangb529@126.com

易卓勋, 赖小明, 王博, 等. 高密度脉冲电流对SiCp/Al板材裂纹的修复作用J. 航空学报，2017,38(11):221197.YIZX,LAIXM,WANGB,etal.EffectofhighdensitypulsecurrentonhealingofcracksofSiCp/AlcompositesJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2017,38(11):221197.

(责任编辑：徐晓)