李莎莎，王 磊*，呂欣蕊，于麗麗

（1.滄州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河北 滄州 061001；2.河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,河北 石家莊 050035）

0 引言

鈦合金的輕質(zhì)、高強(qiáng)等特性吸引了汽車制造商的興趣，也吸引了眾多科研工作者的研究興趣[1?2]。孫鳳等[3]進(jìn)行了釩微合金化汽車鈦合金的軋制工藝優(yōu)化。甘偉等[4]探討和分析了鍛造溫度對(duì)汽車用新型鈦合金性能的影響。宋緯[5]優(yōu)化了汽車鈦合金氣閥的鑄造工藝。王洪廣[6]分析了鍛造溫度對(duì)新型含鈮汽車鈦合金棒材性能的影響規(guī)律。張慧芳[7]研究了汽車用鈦合金表面雙輝等離子Mo 合金化層的制備及其摩擦磨損性能。任麗宏和徐英[8]研究和分析了鈦合金3D 打印技術(shù)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零部件制作中的應(yīng)用。我們都知道，Ti-6Al-4V 是應(yīng)用最為廣泛的鈦合金。隨著汽車工業(yè)對(duì)材料成本和性能要求的不斷提高，市場迫切需要開發(fā)不含價(jià)格昂的貴合金元素的高性能、低成本鈦合金。Ti8LC（Ti-6Al-2Mo-1.5Fe）合金是近年來新開發(fā)的一種低成本鈦合金[9]，有望在汽車工業(yè)得到廣泛應(yīng)用，但其力學(xué)性能還不夠理想。攪拌摩擦加工（Friction Stir Processing,簡稱FSP）是金屬材料改性的有效途徑。呂玉廷等[10]分析了攪拌摩擦加工工具對(duì)鎳鋁青銅合金顯微組織和機(jī)械性能的影響。史清宇等[11]探討了FSP 制備碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的強(qiáng)韌化機(jī)理。王賽香和張大童[12]分析了攪拌摩擦加工MB8 鎂合金的組織與力學(xué)性能分析。但目前還鮮見FSP 改性鈦合金的報(bào)道。為此，筆者嘗試采用FSP 方法對(duì)Ti8LC 汽車鈦合金進(jìn)行改性試驗(yàn)，研究攪拌摩擦加工改性對(duì)Ti8LC 汽車鈦合金組織和力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料和方法

以海綿鈦、Al-Mo 中間合金和Fe-Mo 中間合金為原料，在真空自耗電弧爐中熔煉出合金鑄錠，去除表面氧化物后得到方形鑄態(tài)Ti8LC 汽車鈦合金試樣，尺寸100 mm×100 mm×200 mm，再切割成厚度為5 mm 的合金試樣。Ti8LC 汽車鈦合金試樣的化學(xué)成分如表1 所示。

表1 Ti8LC 合金試樣化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of the Ti8LC alloy specimen %

在攪拌摩擦加工/焊接設(shè)備上進(jìn)行鑄態(tài)Ti8LC汽車鈦合金試樣的FSP 改性試驗(yàn)，采用同行環(huán)結(jié)構(gòu)的攪拌頭，攪拌頭針長4.7 mm，軸肩直徑18 mm。由于鈦合金FSP 試驗(yàn)中，主軸旋轉(zhuǎn)速度和行進(jìn)速度是極其重要的工藝參數(shù)，故設(shè)定軸肩下壓量和主軸傾斜角度等工藝參數(shù)不變的情況下，改變主軸旋轉(zhuǎn)速度和行進(jìn)速度。Ti8LC 汽車鈦合金試樣采用的FSP 工藝參數(shù)，如表2 所示。

表2 合金試樣FSP 工藝參數(shù)Table 2 FSP Process parameters of the alloy specimen

用線切割方法切取金相試樣，經(jīng)磨制和拋光后采用如表3 所示的金相腐蝕液，并在PG18 型金相顯微鏡下觀察試樣的顯微組織。室溫條件下，在WE-300D 型液壓萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試樣的拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為1 mm/min，并在JSM6510 型掃描電子顯微鏡下觀察試樣的拉伸斷口形貌。

表3 金相腐蝕液組成Table 3 Ratio of the metallographic corrosion agent mL

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 顯微組織

鑄態(tài)Ti8LC 汽車鈦合金試樣（簡稱為鑄態(tài)試樣）和FSP 改性Ti8LC 汽車鈦合金試樣（試樣編號(hào)分別為：FSP1#、FSP2#、FSP3#，下同）的顯微組織如圖1所示。從圖1 可以看出，鑄態(tài)合金試樣由層狀α 相和少量β 相組成 ，組織較為粗大，并伴有少量孔洞。與鑄態(tài)試樣相比，F(xiàn)SP 改性后合金內(nèi)部晶粒明顯細(xì)化，呈現(xiàn)為等軸晶粒，組織分布均勻性得到明顯改善，未見明顯的內(nèi)部孔洞。此外，從圖1 還可以看出，主軸旋轉(zhuǎn)速度對(duì)FSP 合金試樣的顯微組織產(chǎn)生明顯影響。在行進(jìn)速度60 mm/s、軸肩下壓量0.2 mm 和主軸傾斜角度2.5°等工藝參數(shù)不變的情況下，隨主軸旋轉(zhuǎn)速度從200 r/min 增大到400 r/min 時(shí)，合金試樣內(nèi)部晶粒先細(xì)化后粗化。當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)速度為300 r/min 時(shí)，合金試樣的晶粒最細(xì)小、組織分布最均勻。

圖1 合金試樣顯微組織Fig.1 Microstructures of the alloy specimens

在主軸旋轉(zhuǎn)速度300 r/min、軸肩下壓量0.2 mm 和主軸傾斜角度2.5°等工藝參數(shù)不變的情況下，不同行進(jìn)速度FSP 改性Ti8LC 汽車鈦合金試樣的顯微組織如圖2 所示。從圖2 可以看出，主軸行進(jìn)速度對(duì)FSP 合金試樣的顯微組織也產(chǎn)生明顯影響。行進(jìn)速度30 mm/s 時(shí)，合金試樣內(nèi)部未見明顯孔洞等缺陷，晶粒較為粗大、組織分布均勻性較差；當(dāng)行進(jìn)速度加快到60 mm/s 時(shí)，合金試樣內(nèi)部也未見明顯孔洞等缺陷，晶粒明顯細(xì)化、組織分布均勻性較佳；當(dāng)行進(jìn)速度進(jìn)一步加快到90 mm/s 時(shí)，合金試樣內(nèi)部出現(xiàn)明顯的孔洞缺陷，晶粒大小不一、組織分布均勻性較差。由此可以看出，在主軸旋轉(zhuǎn)速度300 r/min、軸肩下壓量0.2 mm 和主軸傾斜角度2.5°等工藝參數(shù)不變的情況下，行進(jìn)速度60 mm/s 時(shí)合金試樣內(nèi)部無缺陷、晶粒最細(xì)小、組織分布最均勻。

圖2 不同行進(jìn)速度FSP 改性合金試樣顯微組織Fig.2 Microstructures of the alloy specimens by FSP with different travel speeds

2.2 力學(xué)性能

鑄態(tài)Ti8LC 汽車鈦合金試樣（簡稱為鑄態(tài)試樣）和FSP 改性Ti8LC 汽車鈦合金試樣的室溫力學(xué)性能測試結(jié)果如圖3 所示。從圖3 可以看出，與鑄態(tài)試樣相比，F(xiàn)SP 改性后試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度得到明顯提高，斷后伸長率在較小范圍內(nèi)變化，F(xiàn)SP使合金試樣的力學(xué)性能得到明顯改善。此外，從圖3還可以看出，主軸旋轉(zhuǎn)速度對(duì)FSP 合金試樣的室溫力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。在行進(jìn)速度60 mm/s、軸肩下壓量0.2 mm 和主軸傾斜角度2.5°等工藝參數(shù)不變的情況下，隨主軸旋轉(zhuǎn)速度從200 r/min 增大到400 r/min 時(shí)，合金試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度呈現(xiàn)出明顯的先增加后減小的變化趨勢，斷后伸長率則在較小范圍內(nèi)先增加后減小。當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)速度為300 r/min 時(shí)，合金試樣（FSP2#試樣）的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度達(dá)到最大值，分別較鑄態(tài)試樣增大118、125 MPa，增幅分別為12.7%、20.7%。由此可以看出，F(xiàn)SP 是Ti8LC 汽車鈦合金試樣力學(xué)性能改善的一種有效途徑。選擇合適的主軸旋轉(zhuǎn)速度，可以使合金試樣的力學(xué)性能得到顯著改善。

圖3 不同主軸轉(zhuǎn)速下合金試樣力學(xué)性能測試結(jié)果Fig.3 Tensile properties of the alloy specimens at different spindle rotation speeds

在主軸旋轉(zhuǎn)速度300 r/min、軸肩下壓量0.2 mm 和主軸傾斜角度2.5°等工藝參數(shù)不變的情況下，不同行進(jìn)速度FSP 改性Ti8LC 汽車鈦合金試樣力學(xué)性能測試結(jié)果如圖4 所示。從圖4 可以看出，行進(jìn)速度對(duì)FSP 合金試樣力學(xué)性能也產(chǎn)生明顯影響。隨行進(jìn)速度從30 mm/s 加快到90 mm/s，合金試樣抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度先提高后下降，斷后伸長率在較小范圍內(nèi)先減小后增大，試樣力學(xué)性能先提高后下降。當(dāng)行進(jìn)速度60 mm/s 時(shí)，合金試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度達(dá)到最大值，分別為1 046、729 MPa，延伸率為12.7%。當(dāng)行進(jìn)速度90 mm/s 時(shí)，合金試樣抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度最低，試樣力學(xué)性能最差，這主要是因?yàn)樵搮?shù)下試樣內(nèi)部存在明顯的孔洞缺陷，晶粒大小不一、組織分布均勻性較差。由此可以看出，行進(jìn)速度不宜過高也不宜過低。

圖4 不同行進(jìn)速度FSP 改性合金試樣力學(xué)性能Fig.4 Tensile properties of the alloy specimens by FSP at different travel speeds

2.3 拉伸斷口組織

鑄態(tài)Ti8LC 汽車鈦合金試樣（簡稱為鑄態(tài)試樣）和FSP 改性Ti8LC 汽車鈦合金試樣的拉伸斷口SEM（掃描電子顯微鏡）形貌如圖5 所示。從圖5 可以看出，與鑄態(tài)合金試樣相比，F(xiàn)SP 合金試樣的拉伸斷口中韌窩更細(xì)小、更密集，展現(xiàn)出更好的力學(xué)性能。此外，從圖4 可以看出，主軸旋轉(zhuǎn)速度對(duì)FSP合金試樣的拉伸斷口形貌影響較小，在行進(jìn)速度60 mm/s、軸肩下壓量0.2 mm 和主軸傾斜角度2.5°等工藝參數(shù)不變的情況下，主軸旋轉(zhuǎn)速度300 r/min時(shí)，合金試樣拉伸斷口形貌中的韌窩最為細(xì)小、最密集；主軸旋轉(zhuǎn)速度200 r/min 和400 r/min 時(shí)，合金試樣的拉伸斷口形貌未有明顯的差異。所有FSP試樣拉伸斷口都是由眾多細(xì)小、密集的韌窩以及少量的撕裂棱組成，都呈現(xiàn)出較為明顯的韌性斷裂特征。

圖5 合金試樣拉伸斷口SEM 形貌Fig.5 SEM images of the fracture surfaces of the alloy specimens

3 討論與分析

FSP（攪拌摩擦加工）是金屬材料改性的一種有效途徑。它是基于非自耗攪拌頭的高速旋轉(zhuǎn)并行進(jìn)，在摩擦生熱和塑性擠壓的聯(lián)合作用下，使金屬材料發(fā)生塑性流動(dòng)，在其內(nèi)部發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，從而使得鑄態(tài)Ti8LC 汽車鈦合金試樣內(nèi)部的粗大晶粒發(fā)生破碎，再結(jié)晶，得到細(xì)小的等軸晶粒；此外，由于材料內(nèi)部的塑性流動(dòng)，使得鑄態(tài)合金試樣原有的孔洞等缺陷得到彌補(bǔ)，從而獲得晶粒細(xì)小、組織分布均勻、無孔洞等缺陷的FSP 合金試樣。在細(xì)晶強(qiáng)化作用下，F(xiàn)SP 合金試樣的力學(xué)性能得到明顯改善。所以，F(xiàn)SP 改性是低成本Ti8LC 汽車鈦合金獲得高性能的一種有效途徑。

在FSP 改性過程中，主軸旋轉(zhuǎn)速度和行進(jìn)速度是極其重要的兩個(gè)工藝參數(shù)。在軸肩下壓量和主軸傾斜角度等工藝參數(shù)不變的情況下，主軸旋轉(zhuǎn)速度和行進(jìn)速度共同決定著FSP 過程中熱量產(chǎn)生的多少。當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)速度過低、行進(jìn)速度過快時(shí)，合金試樣在FSP 過程中難以產(chǎn)生充足的熱量，從而導(dǎo)致合金內(nèi)部晶粒難以發(fā)生充分的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，難以獲得晶粒細(xì)小、組織分布均勻的FSP 合金試樣；當(dāng)增大主軸旋轉(zhuǎn)速度或降低行進(jìn)速度，合金試樣在FSP過程中產(chǎn)生充足的熱量，合金內(nèi)部晶粒發(fā)生明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，從而獲得內(nèi)部晶粒細(xì)小、組織分布均勻的FSP 合金試樣，顯著改善合金試樣的力學(xué)性能；但是，過大的主軸旋轉(zhuǎn)速度或過低行進(jìn)速度將導(dǎo)致合金試樣在FSP 過程中產(chǎn)生過多的熱量，多余的熱量將導(dǎo)致內(nèi)部晶粒發(fā)生粗化，從而降低合金試樣的力學(xué)性能[11]。因此，在Ti8LC 汽車鈦合金試樣FSP改性過程中，需要選擇合適的主軸旋轉(zhuǎn)速度和行進(jìn)速度。只有當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)速度和行進(jìn)速度選擇合理時(shí)，才能明顯細(xì)化Ti8LC 汽車鈦合金的內(nèi)部晶粒，改善內(nèi)部組織，明顯提高其力學(xué)性能。

4 結(jié)論

1)FSP（攪拌摩擦加工）是提高鑄態(tài)Ti8LC 汽車鈦合金力學(xué)性能的有效途徑。FSP 改性后合金內(nèi)部晶粒明顯細(xì)化、組織分布均勻性得到改善、力學(xué)性能明顯提高。

2)主軸旋轉(zhuǎn)速度和行進(jìn)速度是Ti8LC 汽車鈦合金FSP 改性的重要工藝參數(shù)，隨主軸旋轉(zhuǎn)速度從200 r/min 增大到400 r/min 時(shí)，合金試樣的晶粒先細(xì)化后粗化、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度表現(xiàn)出明顯的先增加后減小變化趨勢、斷后伸長率則在較小范圍內(nèi)先增加后減小。行進(jìn)速度對(duì)其影響與之類似。

3)采用行進(jìn)速度60 mm/s、軸肩下壓量0.2 mm、主軸傾斜角度2.5°和主軸旋轉(zhuǎn)速度300 r/min 對(duì)Ti8LC 進(jìn)行FSP 改性后，可獲得試驗(yàn)范圍內(nèi)最佳的力學(xué)性能，合金試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率分別為1 046、729 MPa、12.7%，與鑄態(tài)Ti8LC 汽車鈦合金相比，試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別增大118、125 MPa，其增幅分別達(dá)12.7%、20.7%。