解析鋁鈣合金超塑性特性之謎

刊登日期:2017/6/21
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馮芳瑞/工研院材化所

金屬的超塑性現象,是英國物理學家森金斯在1928年發現的,他給這種現象做如下定義:凡金屬在適當的溫度下(大約相當於金屬熔點溫度的一半)變得像軟糖一樣柔軟,而應變速度10毫米/秒時產生本身長度三倍以上的延伸率,均屬於超塑性。近年來,由於超塑性材料科學的發展,對於超塑性材料的金相組織定義係指具有相對細小的晶粒(20微米~ 30奈米)的金屬、陶瓷等,其晶粒分佈可以是均勻或不均勻的,且晶粒或相的形狀、尺寸或取向具有各向異性或各相同性。

現在超塑性合金經過多年的發展,已經有多種合金系統被開發出來,最常用的為鋁、鎳、銅、鐵、鈦合金等。在通常情況下,金屬的延伸率不超過90%,而超塑性材料的最大延伸率可高達1,000%~2,000%,有些金屬甚至可以達到6,000%。金屬只有在特定條件下才顯示出超塑性,超塑性的加工條件一般都在一定的變形溫度範圍內進行低速加工時才有可能出現超塑性的現象。而產生超塑性的合金,其金相組織一般為微細晶粒,這種超塑性叫作微晶超塑性。有些金屬受熱達到某個溫度區域時,會出現一些異常的變化,若使這種金屬在內部結構發生變化的溫度範圍上下波動,同時又對金屬施力,就會使金屬呈現相變超塑性。

超塑性加工材料,最主要的目的就是要高強度材料可以滿足一些耐受性要求較高的零組件製造,但強度越高,加工難度也越高。長期以來,金屬加工業者一直希望能夠很容易地對高強度材料進行塑性加工成型,成型以後,又能像鋼鐵一樣堅固耐用。基於上述原因,超塑加工具有很大的魅力,因為加工時,只需要很小的壓力就能獲得形狀非常複雜的零件。試想一下,金屬變成了飴糖狀,從而具有了可吹塑和可擠壓的柔軟性能,因此過去只能用於玻璃和塑膠的真空成型、吹塑成型等工藝將有機會用以對付難變形的合金。而這時所需的壓力很小,只相當於正常壓力加工時的幾分之一到幾十分之一,從而節省了能源和設備。使用超塑性加工製造零件的另一優點是可以一次成型,省掉了機械加工、鉚接、焊接等工序,達到節約原材料和降低成本的目的。在模壓超塑性合金薄板時,只需要具備一種陰模或陽模即可,節省一半模具費用。超塑性加工的缺點是加工時間較長,普通熱模鍛的時間大約為數十秒,而超塑性加工時間單位大多為分鐘。

但金屬的超塑特性,只會出現在特定的組織、特定的溫度、特定的應變率與特定的成份下,在滿足上述的超塑性條件時,又希望製程能簡單、可量產化,並且還需具有商業上可利用的強度,這就是超塑性材料在商業化或量產化需突破的關鍵技術點。目前,商業上常用的超塑性合金以鋅合金、鎳合金、鈦合金、鎂合金與鋁合金為主,其應用多以航太、化工、運輸、醫療……等等。目前又以鋁基超塑性材料最受矚目,但其超塑性機制與組織,一直是待解的謎團。

2017年3月東北大學與日本輕金屬在美國TMS 2017 146th Annual Meeting and Exhibition發表一篇關鍵的論文,這二個單位已經成功的將高成型鋁鈣合金之楊氏係數與組織結構(可逆麻田散鐵轉換機制)、熱加工製程、冷加工製程、熱處理及微量元素間之交互影響機制以線上 X Ray (XRD)與高精密成份分析儀成功解析出來。

該研究最重要的發現,就是確認鋁鈣合金系統經過冷、熱加工與熱處理製程中,會發生可逆的麻田散鐵變化,這個研究成果揭示了鋁鈣合金系統的楊氏係數是可以受到製程控制,因此,有機會在比較低的應力範圍下,達成超塑性加工的期待。另外,微量鐵元素的添加,也可以有效的提高鋁鈣合金的強度,使鋁鈣合金的量產性與實用化往前邁進一大步。

在這個研究中,高精密度之電子分析儀器是確認鋁鈣合金量產化與實用化的關鍵輔助技術,此一技術可以分析微小區間之材料定性及定量特性。
1. 定性分析:高精密X Ray 組織結構分析
高精密XRD 可協助判定鋁鈣合金在經過熱加工、冷加工及熱處理後,關鍵組織Al4Ca 之可逆麻田散鐵相之轉換比率,再由此一轉換比率,評估材料之加工溫度與減變率。圖一為鋁鈣合金板在經過適當之加工程序與熱處理製程後之微觀組織,圖中白色區域為鋁合金基地,黑色的部份則為經過可逆麻田散鐵相變化之Al4Ca高延性組織,由圖中可看出,該組織之分佈均勻,尺寸均一。但金相組織觀察畢竟是破壞性分析,在製程產線上難以應用,因此,日本輕金屬結合東北大學的研究能量,發展有機會可以在線上即時偵測的觀察方法。圖二為熱處理前後與加工變形製程後之XRD 分析,由圖中可看出,鋁鈣合金材料經劇烈的加工變形後,具有高度延展性的Al4Ca 相會消失,但若後續輔以妥適的熱處理製程,誘發Al4Ca 之可逆麻田散鐵相轉換,將可---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

圖一、鋁鈣合金板之微觀組織分析
圖一、鋁鈣合金板之微觀組織分析

 

圖二、鋁鈣合金板之於加工前後與熱處理後之結構分析
圖二、鋁鈣合金板之於加工前後與熱處理後之結構分析


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