超細(xì)晶鎂合金的研究現(xiàn)狀及展望

金 晨，林占宏，趙 壽，王雪蓮

（青海鹽湖特立鎂有限公司，青海 西寧 810000）

鎂合金的結(jié)構(gòu)以密排六方為主，獨(dú)立滑移系比較少，如果發(fā)生塑性變形并不能開啟足夠的滑移系，影響了鎂合金的工程應(yīng)用。而超細(xì)晶合金具有更優(yōu)秀的力學(xué)性能，所以制備超精細(xì)鎂合金是目前技術(shù)研發(fā)的關(guān)鍵方向。

1 超細(xì)晶鎂合金概述

超細(xì)晶材料是指晶粒度在100nm～1μm的多晶金屬材料，對(duì)于鎂合金超細(xì)晶材料，晶粒尺寸在5μm以下也可以成為超細(xì)晶材料，因此超細(xì)晶鎂合金材料一般指晶粒尺寸在100nm～5μm的鎂合金材料。材料的晶粒尺寸會(huì)影響材料屈服強(qiáng)度，一般使用H-P關(guān)系進(jìn)行分析，可以確定通過縮小晶粒的大小，能夠讓材料獲得更高的屈服強(qiáng)度。尤其是在超細(xì)晶金屬材料的力學(xué)性能分析中，使用H-P關(guān)系式可以充分展現(xiàn)材料的力學(xué)性能，可以準(zhǔn)確證明細(xì)小晶粒能控制外力作用下所導(dǎo)致的塑性變形，變形會(huì)分散在多個(gè)晶粒內(nèi)，并形成比較均勻的塑性變形，應(yīng)力集中相對(duì)較小。實(shí)現(xiàn)多晶界面協(xié)調(diào)變形，從而提升材料的塑性。

如果晶粒尺寸過大，不僅合金的屈服強(qiáng)度會(huì)明顯降低，合金的抗拉強(qiáng)度也會(huì)下降。經(jīng)過研究，通過降低鎂合金的晶粒尺寸，合金將會(huì)獲得更高的抗拉強(qiáng)度，還能提升和進(jìn)的拉伸率。所以，為了提升鎂合金的性能，就需要提升合金的晶粒細(xì)度，滿足對(duì)合金綜合性能的要求。在目前的研究中發(fā)現(xiàn)，晶粒尺寸的降低到超細(xì)晶尺度，合金的材料強(qiáng)度將會(huì)明顯上升，并且塑性也得到了明顯改善，相對(duì)于粗晶材料展現(xiàn)出了更強(qiáng)的綜合力學(xué)性能。

鎂合金材料的尺寸在20μm以下時(shí)，若在其熔點(diǎn)的0.7倍溫度進(jìn)行拉伸，鎂合金材料能表現(xiàn)出超塑性特征。例如對(duì)超細(xì)晶、細(xì)晶、粗晶材料對(duì)比，越大的晶粒的合金所展現(xiàn)出的超塑性能就越弱，并且隨著粒徑的增大，主要因?yàn)榫Я＿^粗的情況下晶粒之間不能協(xié)調(diào)變形，必須有更多的結(jié)晶核保證變形協(xié)調(diào)；如果晶粒細(xì)小，只需要較低溫度就能達(dá)到超塑性變形要求，比如鎂錳合金和鎂鋰合金在室溫條件下低應(yīng)變速率變形時(shí)，就可以表現(xiàn)出超塑性變形，高溫環(huán)境中變形時(shí)，細(xì)小晶粒在滑移面還會(huì)有再結(jié)晶形核產(chǎn)生，所以超細(xì)合金會(huì)有比較強(qiáng)的塑變形能力，超塑性得到了明顯提升。

所以，在室溫環(huán)境下，變形鎂合金及表現(xiàn)出了比較高的強(qiáng)度，同時(shí)還具有超塑性特征。因此，制備超細(xì)晶鋁鎂合金能夠提升鎂合金的性能，對(duì)提升鎂合金應(yīng)用的廣泛性有著極高的意義。

2 超細(xì)晶鎂合金制備

2.1 高壓扭轉(zhuǎn)技術(shù)

高壓扭轉(zhuǎn)技術(shù)使用高壓和扭轉(zhuǎn)處理樣品，制備工作中，對(duì)上下壓頭之間的樣品施加GPa級(jí)別壓力，同時(shí)施加扭轉(zhuǎn)力，從而使樣品發(fā)生扭轉(zhuǎn)。扭轉(zhuǎn)過程中，樣品在尺寸上并沒有出現(xiàn)變化，但是樣品的外側(cè)和內(nèi)側(cè)的切應(yīng)變有明顯不同，外側(cè)的應(yīng)變較大，而內(nèi)側(cè)應(yīng)變相對(duì)較小，使得樣品晶體中的晶粒破碎，并在高壓之下重組，晶粒的尺寸在制備過程中不斷縮小，最后就獲得了超細(xì)晶鎂合金，甚至可以制備納米級(jí)晶粒。

使用高壓扭轉(zhuǎn)技術(shù)獲得的超細(xì)晶鎂合金的強(qiáng)度、延伸率、中低溫或者室溫的超塑性都很高，使用該方法獲得鎂鋰合金，平均晶粒在240±100nm左右，在室溫條件下，就可以獲得440%左右的超塑性和延伸率。制備后的合金材料獲得超塑性的主要原因在于變形的微觀變化以晶界滑動(dòng)為主，位錯(cuò)滑移作為變形過程中的協(xié)調(diào)變形，晶界滑移的占比為60%，合金獲得了較好的性能。

2.2 等徑通道擠壓技術(shù)

等徑通道擠壓技術(shù)簡稱ECAP，是一種非對(duì)稱的擠壓方式，該方法下制備超細(xì)晶合金時(shí)，利用外加荷載推動(dòng)使樣品通過設(shè)定好的通道，依靠切力的作用實(shí)現(xiàn)大應(yīng)變變形，最終就可以獲得極為更細(xì)小的晶粒。通道的內(nèi)外角度將會(huì)決定變形情況，可以直接反映每個(gè)道次材料的等效變形情況。制備過程中，等效應(yīng)變量會(huì)隨著內(nèi)角度的增大而減小，如果內(nèi)角度固定，則等效變量會(huì)隨著外角度的變大而減小，但是減小幅度比受內(nèi)角度的影響小。并且，變形過程中道次越多，就會(huì)產(chǎn)生越大的等效應(yīng)變量。經(jīng)過研究，使用ECAP方法經(jīng)過8道次制備超細(xì)晶鎂合金，最終能獲得平均晶粒尺寸在340納米的合金成品，屈服強(qiáng)度達(dá)到427MPa，具備10%的延伸率。經(jīng)過研究，可以確定使用等徑管道擠壓時(shí)，其變形屬于非對(duì)稱變形，相比對(duì)稱變形相比，該方法在細(xì)化晶粒上具有更好的效果，能夠改善合金才材料的組織結(jié)構(gòu)，以提升合金的塑性變形能力，而且在應(yīng)用過程中，還能在不改變材料外觀的情況下，提升材料的塑性和強(qiáng)度。

2.3 累積疊軋焊技術(shù)

累計(jì)疊軋焊屬于軋制技術(shù)，將兩塊或者兩塊以上的板材進(jìn)行表面處理，然后通過軋制將其拼接，之后在加熱到一定的溫度繼續(xù)軋制，經(jīng)過軋制之后切割板材，在重新將獲得兩塊板材獲得多塊板材軋制成一塊并達(dá)到指定厚度，獲得最終的軋制板材。

使用累計(jì)疊軋焊技術(shù)獲得的超細(xì)晶合金的塑性變形程度很高，而且應(yīng)變也比較大，但是隨著下壓量的增大，板材也會(huì)逐漸變薄，并不會(huì)有過大的變形，因此需要在多次疊軋之后才能得到足夠的應(yīng)變量。使用該方法還具有分層界面的特點(diǎn)，板材在疊軋后微觀結(jié)構(gòu)上會(huì)形成多個(gè)連接界面，雖然經(jīng)過多次疊軋之后界面不會(huì)徹底消失，但是界面特征會(huì)逐漸削弱。由于疊軋界面的存在，裂紋在合金內(nèi)部的擴(kuò)展會(huì)受到限制，會(huì)使材料具備原有樣品更強(qiáng)的斷裂韌性，還提升了材料的損傷容限，極大程度上提升了材料的性能。

使用鎂鋅合金、鋁合金鋼板經(jīng)過2道次和4道次疊軋之后，能夠獲得晶粒尺寸在1μm～1.3μm的合金鋼板。和美心合金相比，經(jīng)過2道次疊軋之后的合金板材的抗拉強(qiáng)度提升明顯，4道次疊軋的合金板材的抗拉強(qiáng)度更高，證明通過疊軋獲得的粘接界面可以抑制微裂紋向外拓展，對(duì)提升材料塑性有很好的效果。

2.4 多向鍛造技術(shù)

多項(xiàng)鍛造技術(shù)是一個(gè)相對(duì)古老技術(shù)，人類最初在鑄劍時(shí)，就會(huì)將加熱的合金金屬進(jìn)行反復(fù)鍛打，降低合金中雜質(zhì)含量，以及使合金擁有更加均勻的成分，提升合金的組織致密性。從微觀角度，鍛造之后的合金晶粒得到了細(xì)化，提升了材料的總體性能。由于不同鍛造區(qū)的形變具有不均勻性，因此合金也容易存在組織不均勻的情況，所以相比其他方法制造的超細(xì)晶合金材料在均勻性上比較差。該工藝下獲得的材料變形溫度在熔點(diǎn)的0.1到0.5倍，具有較高的變形溫度。

根據(jù)相關(guān)研究，經(jīng)過15道次鍛造之后，能夠獲得晶粒尺寸為0.8μm的合金材料，并且鍛造過程中，合金出現(xiàn)了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象，隨著變形量增大，再結(jié)晶程度逐漸增加。經(jīng)過15道次后，得到完全再結(jié)晶的細(xì)小晶粒組織，材料獲得了較強(qiáng)的力學(xué)性能，屈服強(qiáng)度也提升到原來的二倍。

3 鎂合金設(shè)計(jì)

通過前文分析，通過制備超細(xì)晶鎂合金，能使鎂合金具備更高的屈服強(qiáng)度，利用細(xì)小至超細(xì)晶尺寸的晶?？梢哉T導(dǎo)晶界滑移，以及控制室溫再結(jié)晶的變形機(jī)制，在變形時(shí)協(xié)調(diào)變形，使材料在室溫下具備更強(qiáng)的變形能力，提升材料的塑性，甚至達(dá)到室溫下的超塑性要求。

設(shè)計(jì)鎂合金時(shí)，可以通過調(diào)整其他元素來調(diào)控鎂合金的微觀組織，使鎂合金可以獲得滿足正常應(yīng)用的性能。目前對(duì)合金的強(qiáng)化機(jī)制包括固溶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化和晶粒細(xì)化。可以改變材料的內(nèi)在晶格抗力、固溶強(qiáng)化作用、H-P強(qiáng)化作用等等。所以在制備良好鎂合金時(shí)，應(yīng)該通過細(xì)化晶粒和提高合金元素固溶度等方法實(shí)現(xiàn)。

在制備超細(xì)晶鎂合金材料時(shí)，需要利用制備過程使鎂合金在微觀結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)再結(jié)晶行為，因此在添加合金元素時(shí)，也要從調(diào)控鎂合金的再結(jié)晶方面進(jìn)行分析。因此，需要研究不同合金元素對(duì)鎂合金再結(jié)晶的影響機(jī)制，從而保證添加的合金元素能達(dá)到再結(jié)晶的目的。目前再結(jié)晶的機(jī)制主要包括晶界形核、剪切帶形核、變形孿晶形核、粒子刺激形核、亞晶界遷移形核集中。出粒子刺激形核，其他集中方式形核時(shí)都會(huì)導(dǎo)致晶粒的缺陷，因此合金化的過程中，對(duì)再結(jié)晶的影響相對(duì)較小。在使用粒子刺激形核時(shí)，會(huì)使用第二相粒子有道再結(jié)晶形核，因此對(duì)合金所添加的金屬元素形成的第二相對(duì)合金化過程中再結(jié)晶形核會(huì)產(chǎn)生一定的影響。如果第二相粒子尺寸達(dá)到了1μm以上，就能夠促進(jìn)再結(jié)晶形核，但是如果第二相的粒子尺寸低于1μm，對(duì)再結(jié)晶形核就會(huì)產(chǎn)生阻礙作用。

目前的合金設(shè)計(jì)中，研究的熱門方向是鎂錳合金體系，該類合金在超細(xì)晶合金制備的研究中也取得了比較多的成果。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，通過在合金中添加一定的錳元素，可以使處于積壓態(tài)下的鎂-鋁-鈣合金晶粒尺寸被進(jìn)一步細(xì)化，從而使合金也能具備比較強(qiáng)的力學(xué)性能。使用粒子刺激形核制備超細(xì)晶合金時(shí)，添加能夠和基體生成大量彌散分布的、粒徑在1μm以上的單一組元，比如可以添加鋁元素，就能夠和鎂反應(yīng)再結(jié)晶形核。

在添加元素時(shí)，相應(yīng)的固溶度也要控制在合理的范圍內(nèi)，如果合金的固溶度過高，會(huì)導(dǎo)致合金晶格抗力過強(qiáng)，導(dǎo)致合金需要價(jià)高的溫度才能產(chǎn)生形變，高溫下再結(jié)晶晶粒很容易長大，會(huì)影響合金的力學(xué)性能。因此必須合理控制合金的固溶度，保證材料的性能。

4 結(jié)語

對(duì)超細(xì)晶鎂合金的制備在于動(dòng)態(tài)控制鎂的再結(jié)晶，從而獲得超細(xì)級(jí)別的新晶粒，目前使用劇烈變形法制備超細(xì)晶鎂合金已經(jīng)比較成熟，而且有較多的制備方法。為了提升制備工藝，還要加強(qiáng)在計(jì)算機(jī)模擬、控制方面的技術(shù)研發(fā)，優(yōu)化合金材料的制備工藝，滿足自動(dòng)化生產(chǎn)的需求。