CN114107851A - 基于搅拌摩擦加工白铜合金晶界特征的分布优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于搅拌摩擦加工白铜合金晶界特征的分布优化方法，具体方法：S1：首先对白铜合金进行固溶处理后水淬；S2：将固溶后的材料置于搅拌摩擦焊设备中，通过调整搅拌摩擦焊搅拌头的旋转速度、进给速度、搭接率和压下量，对材料表层进行搅拌摩擦加工；S3：将搅拌摩擦加工后的材料置于热处理炉中进行退火处理，保温后取出水淬。该方法通过搅拌摩擦加工技术引入残余应力并结合后续退火热处理这两个步骤，使白铜合金的晶界特征分布得到优化；搅拌摩擦加工能对大尺寸复杂形状工件表面进行加工处理，可快速优化不规则材料表层的晶界结构，改善材料的抗腐蚀性能，且操作简单、成本低、绿色无污染、易于工业自动化生产。

Description

基于搅拌摩擦加工白铜合金晶界特征的分布优化方法
技术领域
本发明涉及金属材料形变及热处理领域，具体为基于搅拌摩擦加工白铜合金晶界特征的分布优化方法。
背景技术
白铜合金具有良好的力学性能和机械加工性能，常被用于火力发电、核电、造船、海水淡化和海洋工程等行业中。随着我国海洋战略的发展，对白铜材料的性能提出了更高的要求。白铜合金在使用过程中常有晶间腐蚀的现象，由于这种形式的腐蚀具有突然破坏性和不可预测性，因此危害着生产与生命安全，为了提升产品质量、延长使用寿命，进一步改善白铜抗腐蚀性能尤为重要。
晶界作为多晶材料的一个重要的结构特征，对材料的性能具有重要影响。研究发现许多现象(晶间腐蚀、析出、氧化)与晶界的结构密切相关。低ΣCSL晶界(特别是Σ3晶界)因其结构有序度更高，低的自由体积和界面能，常表现出对腐蚀、敏化、断裂和溶质偏聚等行为具有强烈的抑制作用，有的甚至是完全免疫的，而随机晶界常成为裂纹萌生的核心和扩展的通道。因此，通过对材料的微观结构进行设计优化来改善材料的性能是一种可行的方法。基于对晶界性能的理解，Watanabe于1984年提出了“晶界设计和控制”的概念，即通过对晶界类型的设计和分布的控制来对材料的性能，如强度、韧性及耐腐蚀性能进行改善。随后，此理念被Lin等发展为“晶界工程”(Grain Boundary Engineering，GBE)研究领域。所谓的晶界工程就是通过一定的形变热处理工艺方法来优化材料的晶界特征分布，特别是提高材料中低ΣCSL晶界的比例并使随机晶界网络弥散化，从而达到控制和优化材料性能的目的。在过去三十多年中，晶界工程在改善材料晶界相关性能方面发挥了重要作用。
几乎所有晶界工程的实现都是采用的形变热处理工艺方法，根据形变热处理过程中发生再结晶行为或形变诱发晶界迁移行为的不同可分为两大类：应变-再结晶工艺和应变-退火工艺。无论是何种工艺，其中应变的引入大多是通过轧制方式。对于轧制变形而言，该方法只适用于平板件，对于不规则形状的工件及零部件的修复并不适用，这严重制约了晶界工程的进一步推广应用。应变结合退火处理能对块体材料实现整体晶界特征分布的优化，从而提高材料的晶间腐蚀性能。对众所周知，材料的腐蚀失效通常是从表面开始，逐渐向内部渗透和扩散，因此如果可以通过表层形变结合退火热处理的手段获得一层具有优化晶界结构的耐腐蚀表层，对提高材料的耐腐蚀抗力具有重要的意义。
搅拌摩擦加工是一种以搅拌摩擦焊为基础发展的一种新型剧烈塑性变形加工技术，在材料改性、复合材料制备等方面有着广泛的应用。搅拌摩擦加工技术是利用搅拌头的高速旋转对接触面施加剧烈的塑性变形，可通过局部加工改善材料的微观组织，实现合金材料的组织成分均匀化和致密化，且不影响其合金形状和尺寸，加工深度方便可调。此外，由于搅拌过程中高速旋转会产生大量的热，可使材料发生动态再结晶行为进而细化晶粒尺寸，同时还可以引入应变，为后续退火处理提供驱动力。搅拌摩擦加工技术是一种高效、绿色的固相加工技术，与其他成形方法相比，具有操作简单、成本低、对复杂形状的工件适应性强等优点。现有报道都是利用搅拌摩擦加工技术对材料直接进行表面处理(细化晶粒尺寸)或对不同材料进行搅拌摩擦以制备复合材料，尚未有采用搅拌摩擦加工技术结合退火热处理以优化材料晶界特征分布的报道；为此提供了基于搅拌摩擦加工白铜合金晶界特征的分布优化方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供基于搅拌摩擦加工白铜合金晶界特征的分布优化方法，以解决上述背景技术提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于搅拌摩擦加工白铜合金晶界特征的分布优化方法，具体方法包括以下步骤：
S1：首先对白铜合金进行固溶处理后水淬；
S2：将固溶后的材料置于搅拌摩擦焊设备中，通过调整搅拌摩擦焊搅拌头的旋转速度、进给速度、搭接率和压下量，对材料表层进行搅拌摩擦加工；
S3：将搅拌摩擦加工后的材料置于热处理炉中进行退火处理，保温后取出水淬。
作为本发明的一种优选技术方案，所述S1中的固溶处理是对白铜合金在800℃下保温30min后水淬。
作为本发明的一种优选技术方案，所述S2中旋转速度为400-1200rpm，进给速度为100mm/min，搭接率为50％，下压量为0.3mm。
作为本发明的一种优选技术方案，所述S3中的热处理温度为700℃，保温时间为24h。
本发明的有益效果是：该方法通过搅拌摩擦加工技术引入残余应力并结合后续退火热处理这两个步骤，使白铜合金的晶界特征分布得到优化；搅拌摩擦加工能对大尺寸复杂形状工件表面进行加工处理，可快速优化不规则材料表层的晶界结构，改善材料的抗腐蚀性能，且操作简单、成本低、绿色无污染、易于工业自动化生产。
附图说明
图1为本发明800℃固溶处理30min后白铜合金中晶界特征分布统计图；
图2为本发明搅拌头转速为400rpm，进给速度为100mm/min，搭接率为50％，下压量为0.3mm的加工态白铜合金在700℃下退火24h后的晶界特征分布统计图；
图3为本发明搅拌头转速为600rpm，进给速度为100mm/min，搭接率为50％，下压量为0.3mm的加工态白铜合金在700℃下退火24h后的晶界特征分布统计图；
图4为本发明搅拌头转速为800rpm，进给速度为100mm/min，搭接率为50％，下压量为0.3mm的加工态白铜合金在700℃下退火24h后的晶界特征分布统计图；
图5为本发明搅拌头转速为1000rpm，进给速度为100mm/min，搭接率为50％，下压量为0.3mm的加工态白铜合金在700℃下退火24h后的晶界特征分布统计图；
图6为本发明搅拌头转速为1200rpm，进给速度为100mm/min，搭接率为50％，下压量为0.3mm的加工态白铜合金在700℃下退火24h后的晶界特征分布统计图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易被本领域人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
实施例：请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：基于搅拌摩擦加工白铜合金晶界特征的分布优化方法，具体方法包括以下步骤：
S1：首先对白铜合金进行固溶处理后水淬；
S2：将固溶后的材料置于搅拌摩擦焊设备中，通过调整搅拌摩擦焊搅拌头的旋转速度、进给速度、搭接率和压下量，对材料表层进行搅拌摩擦加工；
S3：将搅拌摩擦加工后的材料置于热处理炉中进行退火处理，保温后取出水淬。
所述S1中的固溶处理是对白铜合金在800℃下保温30min后水淬；所述S2中旋转速度为400-1200rpm，进给速度为100mm/min，搭接率为50％，下压量为0.3mm；所述S3中的热处理温度为700℃，保温时间为24h。
以下实施例和对比例中，使用的白铜合金牌号是B10白铜合金，具体成分(质量分数％)如表1所示。
表1 B10白铜合金成分(质量分数％)
Figure BDA0003415541060000051
在以下实施例和对比例中，用总的低ΣCSL晶界比例(％)来表示材料晶界特征分布的优化效果，数值越高说明晶界结构优化程度越高。
实施例1：
本发明所述的基于搅拌摩擦加工白铜合金晶界特征的分布优化方法，包括下列步骤：
S1：对B10白铜合金进行预处理，即固溶处理(800℃温度下处理30min，水淬)；
S2：利用搅拌摩擦加工机床对白铜合金板材进行搅拌摩擦加工，搅拌摩擦加工搅拌头的旋转速度为400rpm，进给速度为100mm/min，搭接率为50％，压下量为0.3mm，得到加工态试样；
S3：对加工态试样进行700℃退火处理，保温24h后取出水淬。
测定合金晶界特征分布：采用EBSD技术，观察和分析退火处理后B10白铜合金中的晶界特征分布，其结果如图2所示，图中黑色线条代表高能自由晶界，灰色线条代表低能ΣCSL晶界。加工态试样经700℃退火24h水淬后，在该组织中，低ΣCSL晶界的比例为72.7％，其晶界特征分布优化效果明显。
实施例2：
本发明所述的基于搅拌摩擦加工白铜合金晶界特征的分布优化方法，包括下列步骤：
S1：对B10白铜合金进行预处理，即固溶处理(800℃温度下处理30min，水淬)；
S2：利用搅拌摩擦加工机床对白铜合金板材进行搅拌摩擦加工，搅拌摩擦加工搅拌头的旋转速度为600rpm，进给速度为100mm/min，搭接率为50％，压下量为0.3mm，得到加工态试样；
S3：对加工态试样进行700℃退火处理，保温24h后取出水淬。
测定合金晶界特征分布：采用EBSD技术，观察和分析退火处理后B10白铜合金中的晶界特征分布，其结果如图3所示，图中黑色线条代表高能自由晶界，灰色线条代表低能ΣCSL晶界。加工态试样经700℃退火24h水淬后，在该组织中，低ΣCSL晶界的比例为78.7％，其晶界特征分布优化效果明显。
实施例3：
本发明所述的基于搅拌摩擦加工白铜合金晶界特征的分布优化方法，包括下列步骤：
S1：对B10白铜合金进行预处理，即固溶处理(800℃温度下处理30min，水淬)；
S2：利用搅拌摩擦加工机床对白铜合金板材进行搅拌摩擦加工，搅拌摩擦加工搅拌头的旋转速度为800rpm，进给速度为100mm/min，搭接率为50％，压下量为0.3mm，得到加工态试样；
S3：对加工态试样进行700℃退火处理，保温24h后取出水淬。
测定合金晶界特征分布：采用EBSD技术，观察和分析退火处理后B10白铜合金中的晶界特征分布，其结果如图4所示，图中黑色线条代表高能自由晶界，灰色线条代表低能ΣCSL晶界。加工态试样经700℃退火24h水淬后，在该组织中，低ΣCSL晶界的比例为84.7％，其晶界特征分布优化效果明显。
实施例4
本发明所述的基于搅拌摩擦加工白铜合金晶界特征的分布优化方法，包括下列步骤：
S1：对B10白铜合金进行预处理，即固溶处理(800℃温度下处理30min，水淬)；
S2：利用搅拌摩擦加工机床对白铜合金板材进行搅拌摩擦加工，搅拌摩擦加工搅拌头的旋转速度为1000rpm，进给速度为100mm/min，搭接率为50％，压下量为0.3mm，得到加工态试样；
S3：对加工态试样进行700℃退火处理，保温24h后取出水淬。
测定合金晶界特征分布：采用EBSD技术，观察和分析退火处理后B10白铜合金中的晶界特征分布，其结果如图5所示，图中黑色线条代表高能自由晶界，灰色线条代表低能ΣCSL晶界。加工态试样经700℃退火24h水淬后，在该组织中，低ΣCSL晶界的比例为76.7％，其晶界特征分布优化效果明显。
实施例5
本发明所述的基于搅拌摩擦加工白铜合金晶界特征的分布优化方法，包括下列步骤：
S1：对B10白铜合金进行预处理，即固溶处理(800℃温度下处理30min，水淬)；
S2：利用搅拌摩擦加工机床对白铜合金板材进行搅拌摩擦加工，搅拌摩擦加工搅拌头的旋转速度为1200rpm，进给速度为100mm/min，搭接率为50％，压下量为0.3mm，得到加工态试样；
S3：对加工态试样进行700℃退火处理，保温24h后取出水淬。
测定合金晶界特征分布：采用EBSD技术，观察和分析退火处理后B10白铜合金中的晶界特征分布，其结果如图6所示，图中黑色线条代表高能自由晶界，灰色线条代表低能ΣCSL晶界。加工态试样经700℃退火24h水淬后，在该组织中，低ΣCSL晶界的比例为77.0％，其晶界特征分布优化效果明显。
对比例1
此例为了对比晶界工程处理前后的材料性能差异，包括以下步骤：
S1：对B10白铜合金进行预处理，即固溶处理(800℃温度下处理30min，水淬)；
S2：利用搅拌摩擦加工机床对白铜合金板材进行搅拌摩擦加工，搅拌摩擦加工搅拌头的旋转速度为800rpm，进给速度为100mm/min，搭接率为50％，压下量为0.3mm，得到加工态试样；
S3：对加工态试样进行700℃退火处理，保温24h后取出水淬。
测定合金晶界特征分布：采用EBSD技术，观察和分析退火处理后B10白铜合金中的晶界特征分布，其结果如图1、图3所示，图中黑色线条代表高能自由晶界，灰色线条代表低能ΣCSL晶界。B10白铜合金经800℃退火30min水淬后，在该组织中，低ΣCSL晶界的比例为58.4％。加工态试样经700℃退火24h水淬后，在该组织中，低ΣCSL晶界的比例为84.7％，比经固溶处理后B10白铜合金中的ΣCSL晶界比例提高了约26％，其晶界特征分布优化效果明显。
上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.基于搅拌摩擦加工白铜合金晶界特征的分布优化方法，其特征在于，具体方法包括以下步骤：
S1：首先对白铜合金进行固溶处理后水淬；
S2：将固溶后的材料置于搅拌摩擦焊设备中，通过调整搅拌摩擦焊搅拌头的旋转速度、进给速度、搭接率和压下量，对材料表层进行搅拌摩擦加工；
S3：将搅拌摩擦加工后的材料置于热处理炉中进行退火处理，保温后取出水淬。
2.根据权利要求1所述的基于搅拌摩擦加工白铜合金晶界特征的分布优化方法，其特征在于：所述S1中的固溶处理是对白铜合金在800℃下保温30min后水淬。
3.根据权利要求1所述的基于搅拌摩擦加工白铜合金晶界特征的分布优化方法，其特征在于：所述S2中旋转速度为400-1200rpm，进给速度为100mm/min，搭接率为50％，下压量为0.3mm。
4.根据权利要求1所述的基于搅拌摩擦加工白铜合金晶界特征的分布优化方法，其特征在于：所述S3中的热处理温度为700℃，保温时间为24h。
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