宋娓娓，龐 軍，葛 浩，沈 敏，汪洪峰

1 引言

近幾年，我國大力發(fā)展艦艇制造業(yè)，而艦艇常年行駛在海洋中，海水對艦艇板材腐蝕嚴(yán)重，因此，選擇一種耐腐蝕性材料尤為重要[1-2]。銅合金具有良好的耐腐蝕性，現(xiàn)被廣泛應(yīng)用于海洋各種設(shè)備制造中[3]。艦艇中的一些關(guān)鍵部件均采用銅合金，如艦艇的螺旋槳。銅合金雖然在抗腐蝕方面能力較好，但在長期的海洋氣候工作中，其性能也會大大降低[4]。為了提升銅合金這方面的性能，目前可采用攪拌摩擦表面加工(FSSP)技術(shù)[5-6]對銅合金表面進(jìn)行改性，提高其相關(guān)性能。實(shí)質(zhì)上，提高銅合金的性能也就是提高銅合金的組織結(jié)構(gòu)，細(xì)化晶粒能夠有效的達(dá)到這一要求。FSSP改性銅合金表面，能有效細(xì)化晶粒。FSSP技術(shù)來源于攪拌摩擦焊(FSW)技術(shù)，F(xiàn)SW技術(shù)是英國焊接研究所1991年發(fā)明的一項(xiàng)新的焊接技術(shù)，也成固相焊接技術(shù)，其是通過高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭插入到焊接的板材中間，通過摩擦生熱，塑化焊接區(qū)域金屬，并在攪拌頭軸肩及焊接板材周圍材料的互相擠壓下成型，獲得所需的焊縫[7-10]。FSSP技術(shù)基于此原理，獲得銅合金表面的改性層，未涉及改性到銅合金內(nèi)部基材，有效的保護(hù)了基材的原始狀態(tài)，同時提高了表層的性能。因此，本文通過FSSP技術(shù)改性H62銅合金表層，分析FSSP技術(shù)工藝參數(shù)對銅合金改性表層金相組織變化規(guī)律，以便為后續(xù)工程應(yīng)用提供技術(shù)支持。

2 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文實(shí)驗(yàn)材料選用H62銅合金，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)如表1所示。實(shí)驗(yàn)選用的銅合金板材厚度為12mm，實(shí)驗(yàn)板材尺寸為200×200×12mm。

表1 H62銅合金主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

對H62銅合金表面進(jìn)行FSSP改性的設(shè)備采用北京賽福斯特技術(shù)有限公司生產(chǎn)的FSW-LM-A10型的攪拌摩擦焊設(shè)備，改性過程中選用無攪拌針的攪拌頭進(jìn)行改性，攪拌頭的軸肩直徑為24mm。改性中攪拌頭的傾斜角為5°，攪拌頭逆時針旋轉(zhuǎn)。FSSP改性設(shè)備及攪拌頭見圖1所示。

圖1 FSSP改性設(shè)備及攪拌頭

在進(jìn)行FSSP改性H62銅合金之前，先用金相砂紙將銅合金表面氧化層去除干凈，然后用清水沖洗表面的雜質(zhì)并用吹風(fēng)機(jī)吹干，再用無水乙醇清洗銅合金表面并吹干。將清洗好的銅合金放置在FSSP改性設(shè)備工作臺上裝夾好進(jìn)行改性實(shí)驗(yàn)。

表2列出了FSSP改性銅合金表層的試樣參數(shù)選擇情況。

表2 FSSP改性銅合金的參數(shù)選擇

在改性好的銅合金上用線切割機(jī)切割成22×7×12mm的試樣進(jìn)行金相分析。金相分析選用由上海蔡康光學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的雙目倒置4XB型號的金相顯微鏡。進(jìn)行金相分析前，將試樣用金相砂紙打磨成鏡像面，并用無水乙醇清洗干凈、烘干，然后用4%的硝酸酒精溶液作為腐蝕液腐蝕銅合金鏡像表面，腐蝕時間為2～3min，腐蝕結(jié)束后用清水沖洗干凈腐蝕表面的殘余雜質(zhì)及腐蝕液，然后烘干在金相顯微鏡下進(jìn)行觀察銅合金改性表層的金相組織。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 改性層的宏觀形貌特征

圖2(a)為H62銅合金FSSP改性的過程照片，圖2(b)為H62銅合金改性的宏觀照片，圖2(b)中可以看出改性層表面平整光滑，且無明顯缺陷。

3.2 改性層的金相組織分析

圖3為H62銅合金母材金相組織照片，從圖中可以看出，母材晶粒較為粗大。

圖4是試樣S1的各部分的金相組織。從圖4中可以看出，銅合金的晶粒組織細(xì)化，且越靠近改性層區(qū)域的晶粒越細(xì)，遠(yuǎn)離改性層區(qū)域的晶粒越粗最后趨向于母材晶粒大小。

圖2 H62銅合金FSSP改性過程及改性后照片

圖3 H62銅合金金相組織

圖4 試樣S1的各部位金相組織

由圖3和圖4(c)可以看出，改性層的晶粒要比母材的晶粒細(xì)上幾十倍甚至上百倍，由此可見，F(xiàn)SSP制備的銅合金表面改性層晶粒細(xì)化非常明顯。這主要是由于FSSP改性銅合金表層時，由于攪拌頭的攪拌產(chǎn)生塑性變形并伴隨大量的熱產(chǎn)生，致使改性區(qū)域的金屬發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象，進(jìn)而細(xì)化改性區(qū)域的晶粒，達(dá)到提高改性區(qū)域的相關(guān)性能等。

圖5是攪拌頭前進(jìn)速度為100mm/min，攪拌頭下壓量為0.1mm，攪拌頭轉(zhuǎn)速分別為700rpm、1000rpm和1300rpm時獲得的各試樣的金相組織照片。從圖5可以看出攪拌頭轉(zhuǎn)速為1300r/min，攪拌頭前進(jìn)速度為100mm/min，攪拌頭下壓量為0.1mm時，改性的表層晶粒細(xì)化最為明顯，改性層組織比母材組織更加細(xì)小、致密。

圖5 S1、S2和S3試樣的金相組織

圖6是攪拌頭轉(zhuǎn)速為1000rpm，攪拌頭下壓量為0.2mm，攪拌頭前進(jìn)速度分別為100mm/min、150mm/min和200mm/min時獲得的各試樣的金相組織照片。從圖6可以看出，當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速為1000rpm，攪拌頭前進(jìn)速度為100mm/min，下壓量為0.2mm時獲得的改性層晶粒細(xì)化最為明顯。

圖6 S4、S5和S6試樣的金相組織

結(jié)合圖5和圖6可以看出，利用FSSP 改性銅合金的表層，攪拌頭轉(zhuǎn)速越大越容易使改性區(qū)域晶粒細(xì)化，同時攪拌頭的前進(jìn)速度越小也越容易造成改性區(qū)域晶粒細(xì)化。這主要原因是當(dāng)攪拌頭前進(jìn)速度很大時，改性速度快，容易造成熱量損失較快，很難保證改性區(qū)域金屬發(fā)生再結(jié)晶細(xì)化現(xiàn)象；而攪拌頭轉(zhuǎn)速快卻能夠在極短時間內(nèi)產(chǎn)生大量的熱，保證金屬塑化過程發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象，從而細(xì)化了改性區(qū)域的晶粒。

圖7是攪拌頭轉(zhuǎn)速為1300rpm，攪拌頭前進(jìn)速度為150mm/min，攪拌頭下壓量分別為0.1mm和0.2mm時獲得改性層的金相組織。從圖7可以看出，當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速和前進(jìn)速度一定時，下壓量小的晶粒細(xì)化更小，這可能是因?yàn)楫?dāng)下壓量增大時，會造成改性區(qū)域的熱量過量增大，雖有部分熱量造成改性區(qū)域金屬塑化再結(jié)晶，但隨著產(chǎn)生的熱量增加，這種再結(jié)晶的晶粒也會隨著熱量的增加而反向長大。

圖7 S7和S8試樣的金相組織

4 結(jié)論

(1)利用FSSP改性銅合金表面，改性的表層晶粒比母材晶粒細(xì)化幾十倍甚至上百倍。

(2)FSSP改性銅合金表面，當(dāng)攪拌頭前進(jìn)速度和攪拌頭下壓量一定時，改性區(qū)域晶粒細(xì)化程度隨著攪拌頭的轉(zhuǎn)速增加而增大；當(dāng)攪拌頭的轉(zhuǎn)速和攪拌頭下壓量一定時，改性區(qū)域晶粒細(xì)化程度隨著攪拌頭前進(jìn)速度的增加而減小；當(dāng)攪拌頭的轉(zhuǎn)速和攪拌頭前進(jìn)速度一定時，改性區(qū)域晶粒細(xì)化程度隨著攪拌頭的下壓量的增加而降低。