非等角通道压力 bonding（NECAPB）作为一种新型的严重塑性变形技术； bonding 及界面特性

《Materials Today Communications》：Non-equal channel angular press bonding (NECAPB) as a novel severe plastic deformation technique; bonding and interface

本研究提出非等通道角挤压成型（NECAPB）技术，通过有限元模拟优化模具设计，实验表明该技术可使Al/Al界面结合力达710N，较传统方法提升85%以上，并实现晶粒细化与冶金连接。

　　非等通道角压接（NECAPB）是一种新型的严重塑性变形（SPD）技术，旨在连接相似或不同金属，实现优异的结合强度。该技术结合了非等通道几何结构、塑性变形和结合机制，为现有方法提供了一种机械和概念上的创新。NECAPB能够在单次变形路径中实现晶粒细化和冶金结合，为棒材加工带来了新的可能性。为了评估NECAPB的性能和效果，研究人员使用Abaqus进行了有限元模拟，以研究模具几何形状和工艺参数对材料流动和应变分布的影响。模拟结果对模具设计进行了优化，并预测了变形行为，从而在实验测试之前提高了工艺效率。实验中，铝棒材使用优化后的NECAPB配置进行加工，并接受各种机械和微观结构表征。剥离测试显示最大结合力约为710 N。通过纵向和横向截面的显微硬度分析，发现结合区域的显微硬度显著提高，达到75 HV，而在棒材与模具接触区域则高达94 HV。结合界面和断裂表面的场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）分析证实了结合质量，并揭示了延性断裂特征。总体而言，研究结果表明NECAPB不仅是一种结合技术，还是一种新型且多功能的SPD工艺，能够提高机械性能，并在先进材料加工中具有广阔的应用前景。

传统上，SPD技术广泛用于通过晶粒细化提高金属的机械性能。这些方法已被应用于加工块体材料、管材和结合板，能够创造高强度、无缺陷的结构。最近，积累性挤压结合（AEB）作为一种SPD技术，吸引了关注，能够生产高强度的结合金属棒材。在所有广泛研究的SPD技术中，等通道角压（ECAP）因其能够在不改变材料外部尺寸的情况下施加严重塑性应变而脱颖而出。ECAP已被广泛研究，用于细化晶粒结构和提高块体材料的机械性能。尽管ECAP具有潜力，但其在结合棒材和制造多层棒材配置方面的应用尚未得到充分研究。同样，积累性滚压结合（ARB）是另一种已建立的SPD方法，主要应用于板金属，成功生产了超细晶粒结构和强结合。ARB在结合和加工板方面已被证明是有效的，但并未直接解决结合块体材料如棒材的挑战。因此，迫切需要一种能够高效结合块体样品的SPD方法，尤其是棒材，因为它们代表了独特的挑战，由于其尺寸和实现高质量界面结合的复杂性。冷滚压结合（CRB）是一种固相结合技术，主要应用于结合板金属。在CRB中，结合是通过在滚压过程中施加塑性变形实现的，导致表面膨胀并破坏金属表面的氧化层。这些断裂的氧化层暴露了原始金属，使得在压力下表面直接接触，从而形成固态结合。CRB已被成功应用于各种材料，包括那些通过传统熔融方法难以结合的材料。CRB中结合的质量和强度取决于多个因素，包括滚压过程中厚度的减少、结合温度、表面处理和滚压速度。尽管CRB在结合板方面有效，但结合块体材料如棒材则面临额外的挑战，这些挑战CRB和其他类似技术尚未完全解决。

在这些挑战的背景下，引入了非等通道角压接（NECAPB）作为一种新型的SPD方法，专门用于结合块体棒材。NECAPB结合了ECAP的剪切变形机制和NECAP的高应变特性，以及挤压技术。这种组合为相似或不同棒材的结合提供了有效的方法，同时促进晶粒细化。NECAPB利用表面膨胀和高应变来破坏氧化层，暴露新鲜的金属表面，使得棒材之间形成强结合，即使对于容易氧化的材料如铝，也能实现。NECAPB是一种突破性的方法，填补了现有SPD技术留下的关键空白，这些技术主要集中在板结合，而非块体材料结合。这一新方法代表了SPD技术的重大进展，不仅为块体棒材结合提供了解决方案，还为未来的研究打开了广阔的可能性。对NECAPB的进一步研究可能带来各种金属和合金的新应用，使得多层棒材结构具备更好的机械性能。NECAPB过程结合了ECAP的高应变和剪切变形特性，以及NECAP的非等通道几何形状和挤压方法。这种协同作用使得结合效果显著，同时实现晶粒细化，使其高度适用于需要高强度、无缺陷结合材料的工业应用。

NECAPB过程的结合效果是通过多种关键参数实现的，包括入口和出口通道之间的角度以及厚度减少比。这些因素显著影响结合所需的力以及材料施加的应变。除了这些工艺参数，结合的质量和强度还取决于底层机制，如表面污染物的破坏和金属-金属接触的形成。几种结合理论，包括薄膜理论、能量屏障、再结晶和扩散结合，提供了对结合过程中所涉及机制的见解。在室温下，NECAPB的主要结合机制符合薄膜理论，其中金属表面的氧化层在高应变下被破坏，使得清洁的金属表面接触并形成固态结合。在结合过程的进展中，剪切和压缩应力的综合作用有助于增强结合强度。温度在结合机制中起着关键作用；在较低温度下，氧化层的断裂占主导地位，而在较高温度下，裂纹扩展需要更多的能量，导致结合后退火时形成更强的结合。通过这一机制，NECAPB实现了块体棒材的结合，同时细化晶粒结构，提高机械性能。

本研究的主要目标是引入NECAPB作为一种新型的SPD方法，用于结合两个相似或不同的棒材，以达到出色的机械性能。本研究特别探讨了NECAPB在结合商用纯铝棒材方面的可行性和有效性。虽然本论文聚焦于铝，但该过程在其他金属和合金中的应用潜力广阔。这一方法在块体材料结合的SPD技术中代表了重大进展，为广泛的研究和工业应用奠定了基础。为了实现这一目标，研究人员开发了一种专门设计的模具系统，用于NECAPB过程。该模具是NECAP方法的一种特殊变体，用于结合不同材料的棒材。模具的示意图如图1所示。模具配置包括两个相交的通道：入口通道为20×20 mm的方形截面，出口通道为10×20 mm的矩形截面。一个单次冲头推动材料通过这个角形交汇点，其中通道角度（φ）固定为120°，以优化剪切变形和结合。方形棒材在从较宽的入口过渡到较窄的出口时经历强烈的剪切应变，促进多材料样品的微观结构细化和层间结合。每通过一次过程，总应变累积量如Lee等所述，由剪切应变部分计算得出。

在NECAPB过程中，为了实现冷焊的牢固结合，几个参数起着关键作用，其中接触表面的条件和特性是最重要的因素。为了获得强结合，必须满足两个关键的表面条件：接触表面应尽可能去除氧化物、水分和其他污染物。因此，使用丙酮清洁接触表面至关重要，这在实验过程中被实施。接触表面（特别是根据薄膜理论的污染物膜）应表现出高硬度和脆性，以便在最小能量吸收下形成变薄和初始裂纹，从而启动结合过程，使得基体金属表面直接接触。因此，使用钢丝刷和粗砂处理进行表面准备对于促进冷焊至关重要。另一个关于表面条件的重要考虑是时间参数。表面处理与结合过程之间的时间间隔被认为小于120秒，以防止接触表面形成氧化层，这将阻碍强结合的实现。

对于NECAPB过程，设计并制造了H13钢模具。该模具由四部分组成，这些部分组合在一起，如图2a所示。入口通道的尺寸设定为20 mm × 20 mm，出口通道的尺寸为20 mm × 10 mm。入口和出口通道之间的角度为120度。为了启动过程，铝样品按照上述描述进行尺寸和表面处理后放置在成型模具中。然后，冲头压入入口通道，将铝棒材推入变形区并随后通过出口通道。NECAPB过程的示意图如图2b所示。为了评估条带之间的结合强度，使用Hounsfield H50KS拉伸测试机进行剥离测试，操作速度为恒定的5 mm/min。在测试过程中，记录了剥离条带所需的力。显微硬度测试在使用成型模具挤压出的结合纯铝样品上进行。使用维氏硬度计（Coppa）测量样品的硬度。为了准备测试样品，它们被纵向切割，以便从样品中心测量硬度。

为了评估不同距离从焊缝线和两个棒材之间的结合界面的显微硬度变化，选择了三条特定路径进行测量。第一条路径位于两个棒材之间的结合界面附近。第二条路径位于出口通道的下壁附近，第三条路径位于出口通道的上壁附近。这三条路径如图2c所示。硬度从表面到中心进行评估，以分析处理样品的横截面均匀性。为了更清晰地表示显微硬度分布，进行了整个横截面的测量，从而创建了未处理和处理棒材的彩色地图。为了研究样品的结合机制，使用了场发射扫描电子显微镜（FE-SEM），并使用HITACHI S-4160显微镜随后捕获了断裂横截面的图像。此外，使用FE-SEM分析了样品的断裂表面。

为了深入了解材料在NECAPB初始循环中的变形特性，研究人员使用ABAQUS 2023的有限元软件进行了一项全面分析，采用ABAQUS/Explicit求解器。研究重点是通过有限元模拟评估关键的几何和工艺参数，以理解它们对变形行为、应变分布、结合质量和工艺效率的影响。考虑到模具和样品的几何配置，采用了二维模拟方法。在模拟中，模具几何形状被设计成反映实验配置，以确保一致性。

在模拟中，冲头和模具被建模为刚性离散体，从而不需要为它们定义机械特性。在冲头上施加位移控制边界条件，以推动材料通过模具通道。可变形工件使用1000个CPE4R单元进行离散化，以确保计算效率同时保持准确性。由于NECAPB过程涉及棒材之间的接触和与模具壁的接触，因此表面相互作用被仔细定义。考虑了不同的摩擦系数，以反映棒材和模具的表面条件，从而捕捉真实的接触行为。此外，将热条件纳入模型，以考虑摩擦和塑性变形产生的热量，这在加工过程中的扩散结合机制中起着关键作用。

为了解决非线性问题，采用了ABAQUS中的显式动态求解器。这一选择是由于NECAPB过程的高非线性性质，涉及大塑性变形和复杂的接触相互作用。显式方法特别适合此类成形问题，因为它降低了计算成本，并避免了隐式方法通常遇到的收敛问题。在许多非线性成形模拟中，由于大应变，可能会发生严重的网格扭曲。尽管NECAPB过程的重复性减少了大多数区域的过度扭曲，但局部单元的扭曲仍然可能发生。为了解决这一问题，采用了任意拉格朗日-欧拉（ALE）重网格技术。这一自适应方法使得网格能够在高应变和应力集中区域再生，提高单元质量并增强解的稳定性。

在NECAPB中，铝/铝（Al/Al）界面的结合特性在其他结合方法如冷滚压结合（CRB）、爆炸结合、摩擦搅拌焊接（FSW）和粘接结合中表现出显著的改进。界面的结合强度，通过剥离测试测量并报告，如图3a所示。根据五个样品的测试结果，结合强度为685 ± 25 N（均值 ± 标准差），比通过传统滚压结合（CRB）方法结合的Al/Al界面提高了超过85%。此外，它超过了Ti/Ti爆炸结合的结合强度超过44%，FSW结合接头的结合强度约提高了204%，以及粘接界面的结合强度超过260%。这一显著的结合强度提升主要归因于两个关键因素：由于在NECAPB中使用了更厚的棒材，与ARB中处理的更薄的板层相比，施加的力更大，以及由于NECAPB的特殊设置，结合界面的等效压力更高。平均剥离强度可以使用以下公式估计：

在模拟中，冲头和模具被建模为刚性离散体，从而不需要为它们定义机械特性。在冲头上施加位移控制边界条件，以推动材料通过模具通道。可变形工件使用1000个CPE4R单元进行离散化，以确保计算效率同时保持准确性。由于NECAPB过程涉及棒材之间的接触和与模具壁的接触，因此表面相互作用被仔细定义。考虑了不同的摩擦系数，以反映棒材和模具的表面条件，从而捕捉真实的接触行为。此外，将热条件纳入模型，以考虑摩擦和塑性变形产生的热量，这在加工过程中的扩散结合机制中起着关键作用。

为了解决非线性问题，采用了ABAQUS中的显式动态求解器。这一选择是由于NECAPB过程的高非线性性质，涉及大塑性变形和复杂的接触相互作用。显式方法特别适合此类成形问题，因为它降低了计算成本，并避免了隐式方法通常遇到的收敛问题。在许多非线性成形模拟中，由于大应变，可能会发生严重的网格扭曲。尽管NECAPB过程的重复性减少了大多数区域的过度扭曲，但局部单元的扭曲仍然可能发生。为了解决这一问题，采用了任意拉格朗日-欧拉（ALE）重网格技术。这一自适应方法使得网格能够在高应变和应力集中区域再生，提高单元质量并增强解的稳定性。

在NECAPB中，铝/铝（Al/Al）界面的结合特性在其他结合方法如冷滚压结合（CRB）、爆炸结合、摩擦搅拌焊接（FSW）和粘接结合中表现出显著的改进。界面的结合强度，通过剥离测试测量并报告，如图3a所示。根据五个样品的测试结果，结合强度为685 ± 25 N（均值 ± 标准差），比通过传统滚压结合（CRB）方法结合的Al/Al界面提高了超过85%。此外，它超过了Ti/Ti爆炸结合的结合强度超过44%，FSW结合接头的结合强度约提高了204%，以及粘接界面的结合强度超过260%。这一显著的结合强度提升主要归因于两个关键因素：由于在NECAPB中使用了更厚的棒材，与ARB中处理的更薄的板层相比，施加的力更大，以及由于NECAPB的特殊设置，结合界面的等效压力更高。平均剥离强度可以使用以下公式估计：

在本研究中，通过模拟分析，结合强度和变形行为得到了优化，使得在实验之前能够预测和改善工艺效率。实验部分，研究人员使用了商用纯铝棒材，其成分如表1所示。棒材的尺寸为50 mm和45 mm的长度，以及20 mm × 10 mm的横截面，通过CNC加工精确加工。然后，在300℃下退火1小时，以实现均匀的再结晶微观结构。通过模拟，结合过程的变形行为得到了详细分析，其中包含不同的参数，如模具几何形状、材料流动和应变分布。这些参数对结合质量有显著影响。通过模拟，研究人员可以预测和优化模具设计，以确保材料在结合过程中的有效流动和应变分布。实验结果显示，结合强度、显微硬度和微观结构变化均与模具几何形状和工艺参数密切相关。

在实验中，研究人员进行了显微硬度测试，以评估使用NECAPB方法处理的结合铝棒材的机械性能。图7a展示了显微硬度的彩色地图，反映了样品横截面的硬度分布。硬度值根据样品中的位置而显著变化，这种变化与NECAPB过程中施加的应变分布密切相关。如图2c和图7b所示，NECAPB过程在样品的不同区域施加了不同程度的应变。在结合区域，样品的硬度显著提高，从初始变形区的约55-75 HV增加到最大应变区域的约95 HV。这表明施加的应变与硬度分布之间存在直接关系。此外，结合区域的应变累积和变形行为也被详细分析，以评估材料在不同工艺参数下的表现。

在结合过程中，模具几何形状和工艺参数对材料流动和应变分布起着关键作用。通过模拟和实验，研究人员发现，模具几何形状对材料流动和应变分布有显著影响。在本研究中，测试了不同模具几何形状对结合效果的影响。例如，模具的内角半径对材料流动和应变分布有显著影响。研究发现，当内角半径较小时，材料流动效率较低，可能产生死区，而当内角半径较大时，材料流动更加均匀，但应变降低。因此，优化内角半径需要在材料流动效率和应变集中之间找到平衡。此外，模具的外角半径对棒材与模具的接触条件和应变分布也有影响。测试了不同外角半径对结合效果的影响，发现较大的外角半径虽然提高了工艺稳定性，但减少了应变，从而影响结合效果。因此，外角半径的优化需要在接触均匀性和应变集中之间找到平衡。

在NECAPB中，入口和出口通道之间的角度对材料流动方向、剪切应变强度和所需的成形力起着关键作用。研究了不同角度（110°, 120°, 130°）对结合效果的影响。在110°的角度下，材料经历了突然的方向变化，导致高剪切应变（1.19）和相对较低的成形力（3381 N）。这表明材料流动效率较高，但可能存在工艺稳定性问题或材料分离、表面撕裂等缺陷。在120°的角度下，应变分布更均匀，成形力增加到4226 N。这种配置在有效应变、接触长度和工艺稳定性之间提供了最佳平衡。在130°的角度下，材料流动路径进一步平滑，减少了剪切应变（0.69）和所需的成形力（3524 N）。虽然这种配置改善了接触条件，但应变的减少可能限制了微观结构的细化。因此，选择适当的通道角度对于在应变强度和材料完整性之间实现优化的工艺至关重要。

在棒材-模具界面的摩擦作用中，摩擦系数在材料流动和结合之间起着复杂且双重的作用。之前的研究表明，当摩擦系数为约0.1时，能够真实地反映冷成形条件下的棒材-模具界面。通过模拟不同摩擦系数（0.05, 0.1, 0.2）对结合效果的影响，发现当摩擦系数较低（μ = 0.05）时，所需的力较小，但由于滑动，界面接触较少，导致较低的等效塑性应变（2.187），表明结合条件较差。当摩擦系数为0.1时，摩擦系数的增加显著提高了界面应力传递，导致最高成形力（4226 N）和等效塑性应变（2.758），表明结合条件得到了优化。当摩擦系数较高（μ = 0.2）时，尽管摩擦系数增加，但冲头力下降（3689 N），这可能是由于摩擦从被动变为主动行为，促进了材料流动方向并减少了阻力。这些发现揭示了摩擦在NECAPB中的非线性和反直觉作用，以及选择最佳摩擦系数对于提高材料变形和结合的重要性。

棒材界面之间的摩擦作用对于确定最终冶金结合的质量和强度至关重要。通过研究不同摩擦系数（0.05, 0.1, 0.2）对结合效果的影响，发现当摩擦系数较低（μ = 0.05）时，棒材之间的相对滑动占主导地位，导致较低的应变累积（2.668）和适中的冲头力（3958 N）。当摩擦系数增加到0.1时，结合和应力传递得到改善，导致最大应变（2.758）和冲头力（4226 N）。这表明结合条件得到了优化。当摩擦系数进一步增加到0.2时，应变和冲头力意外减少（2.383和3867 N）。这可能是由于棒材之间的相对运动减少，虽然提高了它们的附着性，但也抑制了界面的塑性变形。因此，适度的摩擦是实现强结合和均匀应变分布的理想条件。

通过Abaqus的FSLIPR输出评估了棒材之间的冶金结合的开始（图11a）。该参数测量了接触界面的相对滑移率。当FSLIPR接近零时，表明材料之间存在完全的机械嵌合，结合开始。这些区域被映射到界面，并在时间上的演变提供了关于界面结合的宝贵见解。该方法成功识别了结合开始的时刻和位置，补充了其他机械和材料指标。

在结合过程中，应用了基于应变的失效模型，以预测原生铝氧化层的断裂，这是实现直接金属-金属接触的关键。之前的实验研究表明，这种脆性表面层在应变超过1%时断裂，从而启动冶金结合。模拟结果确认了大多数棒材界面区域超过这一临界应变阈值，且在许多区域，最大主应变达到或超过1.0（图11）。这不仅确认了氧化层的断裂，还表明存在足够的变形能量，通过金属流动和界面剪切实现强结合。

综上所述，NECAPB作为一种新型的SPD方法，展现出显著增强商用纯铝棒材结合强度和机械性能的潜力。我们的研究结果确立了NECAPB作为高效且突破性的方法，用于结合块体铝棒材，带来了结合强度、显微硬度和整体机械性能的显著提升。这一开创性技术为材料加工开辟了新的研究方向，未来研究可以扩展其应用范围，进一步拓展其在工业应用中的变革影响。研究的关键结果包括：结合强度在铝/铝（Al/Al）界面达到超过710 N，比ARB等其他SPD方法提高了超过80%，主要归因于NECAPB中更高的施加力和等效压力。与传统冷滚压结合（CRB）相比，NECAPB过程实现了超过85%的结合强度提升，证实了其在创造无缺陷界面方面的能力。与爆炸结合相比，NECAPB的结合强度超过了Ti/Ti爆炸结合的44%，突显了其有效性。与摩擦搅拌焊接（FSW）相比，NECAPB提高了约204%的界面强度，证明了其在结合方面超越广泛使用的固态结合方法的能力。与粘接结合相比，NECAPB方法实现了超过260%的强度提升，突显了其在不需要依赖聚合物夹层的结合应用中的优势。结合后的显微硬度在样品的不同区域显示出显著变化，从初始变形区的约55-75 HV增加到最大应变区域的95 HV。这表明施加的应变与硬度分布之间存在直接关系。FE-SEM分析确认了NECAPB的主要结合机制符合薄膜理论，其中表面污染物如氧化层被破坏，使得清洁的金属-金属接触成为可能。机制C（表面膨胀）和机制F（氧化膜的碎片化）被观察为结合过程中的关键贡献因素。NECAPB中更高的等效压力和施加应变促进了更广泛的塑性变形，从而实现了棒材之间的强界面结合和显微硬度的提高。NECAPB过程在结合更厚的棒材方面表现优于其他SPD方法，如ARB，通过提供更强的塑性变形，实现了更好的结合强度和机械性能。