FSSP改性H62铜合金金相组织分析

宋娓娓，庞 军，葛 浩，沈 敏，汪洪峰

1 引言

近几年，我国大力发展舰艇制造业，而舰艇常年行驶在海洋中，海水对舰艇板材腐蚀严重，因此，选择一种耐腐蚀性材料尤为重要[1-2]。铜合金具有良好的耐腐蚀性，现被广泛应用于海洋各种设备制造中[3]。舰艇中的一些关键部件均采用铜合金，如舰艇的螺旋桨。铜合金虽然在抗腐蚀方面能力较好，但在长期的海洋气候工作中，其性能也会大大降低[4]。为了提升铜合金这方面的性能，目前可采用搅拌摩擦表面加工(FSSP)技术[5-6]对铜合金表面进行改性，提高其相关性能。实质上，提高铜合金的性能也就是提高铜合金的组织结构，细化晶粒能够有效的达到这一要求。FSSP改性铜合金表面，能有效细化晶粒。FSSP技术来源于搅拌摩擦焊(FSW)技术，FSW技术是英国焊接研究所1991年发明的一项新的焊接技术，也成固相焊接技术，其是通过高速旋转的搅拌头插入到焊接的板材中间，通过摩擦生热，塑化焊接区域金属，并在搅拌头轴肩及焊接板材周围材料的互相挤压下成型，获得所需的焊缝[7-10]。FSSP技术基于此原理，获得铜合金表面的改性层，未涉及改性到铜合金内部基材，有效的保护了基材的原始状态，同时提高了表层的性能。因此，本文通过FSSP技术改性H62铜合金表层，分析FSSP技术工艺参数对铜合金改性表层金相组织变化规律，以便为后续工程应用提供技术支持。

2 实验材料及设备

2.1 实验材料

本文实验材料选用H62铜合金，其化学成分(质量分数，%)如表1所示。实验选用的铜合金板材厚度为12mm，实验板材尺寸为200×200×12mm。

表1 H62铜合金主要化学成分(质量分数，%)

2.2 实验设备

对H62铜合金表面进行FSSP改性的设备采用北京赛福斯特技术有限公司生产的FSW-LM-A10型的搅拌摩擦焊设备，改性过程中选用无搅拌针的搅拌头进行改性，搅拌头的轴肩直径为24mm。改性中搅拌头的倾斜角为5°，搅拌头逆时针旋转。FSSP改性设备及搅拌头见图1所示。

图1 FSSP改性设备及搅拌头

在进行FSSP改性H62铜合金之前，先用金相砂纸将铜合金表面氧化层去除干净，然后用清水冲洗表面的杂质并用吹风机吹干，再用无水乙醇清洗铜合金表面并吹干。将清洗好的铜合金放置在FSSP改性设备工作台上装夹好进行改性实验。

表2列出了FSSP改性铜合金表层的试样参数选择情况。

表2 FSSP改性铜合金的参数选择

在改性好的铜合金上用线切割机切割成22×7×12mm的试样进行金相分析。金相分析选用由上海蔡康光学仪器有限公司生产的双目倒置4XB型号的金相显微镜。进行金相分析前，将试样用金相砂纸打磨成镜像面，并用无水乙醇清洗干净、烘干，然后用4%的硝酸酒精溶液作为腐蚀液腐蚀铜合金镜像表面，腐蚀时间为2～3min，腐蚀结束后用清水冲洗干净腐蚀表面的残余杂质及腐蚀液，然后烘干在金相显微镜下进行观察铜合金改性表层的金相组织。

3 实验结果及分析

3.1 改性层的宏观形貌特征

图2(a)为H62铜合金FSSP改性的过程照片，图2(b)为H62铜合金改性的宏观照片，图2(b)中可以看出改性层表面平整光滑，且无明显缺陷。

3.2 改性层的金相组织分析

图3为H62铜合金母材金相组织照片，从图中可以看出，母材晶粒较为粗大。

图4是试样S1的各部分的金相组织。从图4中可以看出，铜合金的晶粒组织细化，且越靠近改性层区域的晶粒越细，远离改性层区域的晶粒越粗最后趋向于母材晶粒大小。

图2 H62铜合金FSSP改性过程及改性后照片

图3 H62铜合金金相组织

图4 试样S1的各部位金相组织

由图3和图4(c)可以看出，改性层的晶粒要比母材的晶粒细上几十倍甚至上百倍，由此可见，FSSP制备的铜合金表面改性层晶粒细化非常明显。这主要是由于FSSP改性铜合金表层时，由于搅拌头的搅拌产生塑性变形并伴随大量的热产生，致使改性区域的金属发生再结晶现象，进而细化改性区域的晶粒，达到提高改性区域的相关性能等。

图5是搅拌头前进速度为100mm/min，搅拌头下压量为0.1mm，搅拌头转速分别为700rpm、1000rpm和1300rpm时获得的各试样的金相组织照片。从图5可以看出搅拌头转速为1300r/min，搅拌头前进速度为100mm/min，搅拌头下压量为0.1mm时，改性的表层晶粒细化最为明显，改性层组织比母材组织更加细小、致密。

图5 S1、S2和S3试样的金相组织

图6是搅拌头转速为1000rpm，搅拌头下压量为0.2mm，搅拌头前进速度分别为100mm/min、150mm/min和200mm/min时获得的各试样的金相组织照片。从图6可以看出，当搅拌头转速为1000rpm，搅拌头前进速度为100mm/min，下压量为0.2mm时获得的改性层晶粒细化最为明显。

图6 S4、S5和S6试样的金相组织

结合图5和图6可以看出，利用FSSP 改性铜合金的表层，搅拌头转速越大越容易使改性区域晶粒细化，同时搅拌头的前进速度越小也越容易造成改性区域晶粒细化。这主要原因是当搅拌头前进速度很大时，改性速度快，容易造成热量损失较快，很难保证改性区域金属发生再结晶细化现象；而搅拌头转速快却能够在极短时间内产生大量的热，保证金属塑化过程发生再结晶现象，从而细化了改性区域的晶粒。

图7是搅拌头转速为1300rpm，搅拌头前进速度为150mm/min，搅拌头下压量分别为0.1mm和0.2mm时获得改性层的金相组织。从图7可以看出，当搅拌头转速和前进速度一定时，下压量小的晶粒细化更小，这可能是因为当下压量增大时，会造成改性区域的热量过量增大，虽有部分热量造成改性区域金属塑化再结晶，但随着产生的热量增加，这种再结晶的晶粒也会随着热量的增加而反向长大。

图7 S7和S8试样的金相组织

4 结论

(1)利用FSSP改性铜合金表面，改性的表层晶粒比母材晶粒细化几十倍甚至上百倍。

(2)FSSP改性铜合金表面，当搅拌头前进速度和搅拌头下压量一定时，改性区域晶粒细化程度随着搅拌头的转速增加而增大；当搅拌头的转速和搅拌头下压量一定时，改性区域晶粒细化程度随着搅拌头前进速度的增加而减小；当搅拌头的转速和搅拌头前进速度一定时，改性区域晶粒细化程度随着搅拌头的下压量的增加而降低。