变形镁合金的发展现状

变形镁合金的发展现状

摘要：本文介绍了变形镁合金的发展现状，介绍了变形镁合金的主要成型方式，包括镁合金高压扭转、多向锻造、轧制等、等通道转角挤压和连续挤压等剧烈塑性变形方式1, 2。分析了大塑性变形的原理，介绍了大塑性变形方式对变形镁合金晶粒细化和织构控制的影响。通过对现有镁合金大塑性变形研究结果的总结与归纳,得出了镁合金大塑性变形技术未广泛应用的原因所在,并指出开发生产效率高、成本低、工艺简单的一道次成型即可显著细化晶粒和控制织构的新型大塑性变形技术将会是未来变形镁合金领域中的研究重点3。同时介绍了镁合金大塑性变形挤压成形的几种方法，分析了这些方法的特点，并对镁合金大塑性变形挤压技术的前景进行了展望。

关键词：镁合金；大塑性变形；连续挤压

0 绪论

镁及其合金是实际工程应用中最轻的金属结构材料，具有密度低、比强度和比刚度高、阻尼减震性好、导热性好、电磁屏蔽效果佳、机加工性能优良、零件尺寸稳定和易回收等优点，成为航空、航天、汽车、计算机、电子、通信和家电等行业的重要新型料。镁合金的开发和应用存在着巨大的空间和潜力，正如著名材料专家Cahn所指出的，“在材料领域中还没有任何材料像镁那样存在潜力与现实如此大的颠倒4。”目前，压铸是镁合金成形的主要方式；但是压铸件力学性能较差，并且容易产生微小的气孔，因此阻碍了镁合金产品的进一步发展。变形镁合金因其良好的综合力学性能而受到了重视5。

1各种镁合金成型技术

1.1 高压扭转技术

高压扭转工艺通过压杆向放置在固定不动模具中的盘状材料施加很高的压力，同时压杆作旋转运动，从而实现扭转剪切变形。试样一般为圆盘状，尺寸较小，直径一般为10-20mm，厚度为0.2-1.5mm。在高压扭转过程中，盘状试样可以在高达几个Gpa的压力下发生扭转变形，而试样的尺寸不发生变化，因此在试样的外侧可以引入很大的剪切应变。由于材料的剪切应变是通过压杆的旋转来引入，因此剪切应变量的大小与材料所处位置的半径有关。通过高压扭转制备的材料存在从中心向外侧组织不均匀的现象。

与其他大塑性变形加工工艺相比，高压扭转作为一种可连续的加工变形工艺，在理论上可以通过调节扭转圈数的变化在试样内部无限量地累积大量剪切应变，使材料晶粒尺寸均匀细化至亚微米级甚至纳米级，从而获得超细晶结构材料。目前，国内外针对高压扭转工艺的研究主要集中在结构材料的应用上，通过高压扭转加工以显著细化晶粒，从而达到提高结构材料强韧性的目的6。

1.2多项锻造技术

多向锻造技术是几种有代表性的强塑性变形方法之一，与其他方法（如等径角挤压和高压扭转）相比，多向锻造技术使用现有的工业装备即可实现大块致密材料的制备，可以大幅度提高材料性能，且工艺简单，成本低，因此有望直接应用于工业化生产。多向锻造技术是一种自由锻工艺。形变过程中材料随着外加载荷轴的变化而不断地被压缩和拉长，通过反复变形以达到细化合金晶粒、改善材料性能的效果。

多向压缩是在多向锻造技术的基础上去掉拔长工序，在操作上采用固定比例的方形试样，每道次压缩30%~45%，淬水，然后将变形试样机加工成原比例的试样，再沿第二轴进行压缩，反复压缩变形以达到细化晶粒效果。多向压缩可以精确地计算变形量，但在本质上仍然属于多向锻造技术。

1.3轧制技术

常规轧制是生产镁合金板材的主要工艺。由于镁合金的塑性成形能力有限，必须进行小变形量多道次变形。在传统的小道次压下量多道次轧制过程中，滑移是镁合金整个变形过程中的主要变形机制，且大部分的塑性变形是通过滑移实现的。基面滑移是镁合金中最易启动的滑移系统，鉴于基面滑移只能提供2个独立的滑移系，从而不能满足均匀变形的要求。

为了启动非基面滑移，镁合金的轧制一般需要在较高的温度下进行。虽然轧制温度较高，但由于整体滑移系较少且镁的层错能较低（相对铝等金属而言），因此镁合金变形过程中极易诱发孪生以协调变形7。晶界处和孪晶处的变形储能比较高，因而容易发生动态再结晶。粗晶、剪切带、孪晶和再结晶晶粒等可同时出现在镁合金板材组织中。这种组织不均匀性导致镁合金板材的后续成形性能较差。外，镁合金在传统的多道次轧制过程中，随着道次压下量的增加，应力容易在粗大晶粒的晶界处集中，导致板材的开裂。此外，随着轧制道次的增加，镁合金的基面织构明显增强，进而增加后续道次变形的难度。

所谓高应变速率轧制是指对镁合金板坯进行单道次大应变轧制，通过控制轧辊速度和板坯的厚度来获得高应变速率。高应变速率变形的应变速率范围与合金材质和变形工艺有关。应变速率过高时，镁合金变形时容易开裂。对于镁合金，轧制应变速率在接近和稍高于时可以纳入高应变速率变形的范畴。镁合金在较高的应变速率下进行轧制时，可以获得极高的孪晶和动态再结晶形核率，进而获得均匀的超细晶粒组织1, 8。

1.4 等通道转角挤压

20世纪70年代初期，由前苏联科学家Segal教授及其合作者最早提出并研究了等通道转角挤压技术。等通道挤压模具内有两个截面相同、以一定角度相交的通道，两通道的内交角为Ф，外侧圆弧角度为Ψ。在等通道转角挤压过程中，要求试样与模具中的通道尺寸紧密配合，试样在冲头的作用下经过两通道的转角处，产生近似理想的剪切变形。由于不改变材料的横截面形状和面积，故反复挤压可使各次变形的应变量累积迭加而得到相当大的总应变量7, 9, 10。

ECPA利用一个互成一定角度的转角挤压金属，给试样以纯剪切应力，获得大的塑性变形，经过多次反复挤压发生应变量累积，获得组织均匀、晶粒细小的材料。ECPA 使材料在挤压过程中获得极大的变形量，达到破碎晶粒，增加储能的目的。更重要的是材料在挤压过程中形状不发生改变，因而可以重复挤压，累积变形量。加工塑性差的材料时，需采用较高温度或较大转角4, 9。

1.5连续挤压技术

连续挤压技术有CONFORM连续挤压、连续铸挤和链带式连续挤压法等。其中，CONFORM连续挤压已经得到了工业中的实际应用。国内镁合金的连续挤压技术研究主要集中在CONFORM连续挤压上面。在工艺方面，杨俊英11等以AZ31镁合金为研究对象，研究了挤压轮转速对坯料各层面速度分布的影响机制。结果表明，在连续挤压的过程中，金属在不同变形区域的流动速度有差异。挤压轮转速越大，不同层面金属的流动速度差值越大，流动的程度越不均匀。这种流动分布特点是由于轮槽面的摩擦驱动力与型腔壁摩擦阻力的相互作用形成的。吴桂敏等对AZ31镁合金连续挤压成形的工艺条件进行了研究，结果表明，变形金属的等效应力在压实轮下方最高，等效应变在模具入口处最大，型腔内的温度最高12, 13。