鎂合金大塑性變形軋制技術(shù)研究進(jìn)展

胡冬， 梅靜， 文仁興

（四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 瀘州646005）

0 引言

鎂合金具有高的比強(qiáng)度、比剛度，優(yōu)良的阻尼性能及防磁、屏蔽、散熱等特性，被譽(yù)為21世紀(jì)最輕金屬結(jié)構(gòu)材料，具有廣闊的應(yīng)用前景[1]，因此吸引了國內(nèi)外大量的學(xué)者對其進(jìn)行研究。目前鎂合金產(chǎn)品主要以壓鑄件居多，與鑄造鎂合金相比，變形鎂合金由于具備優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，具有更加廣闊的應(yīng)用空間。而變形鎂合金在加工過程中因其所形成的強(qiáng)烈基面織構(gòu)嚴(yán)重制約了它的室溫成型性能[2]。因此開發(fā)變形鎂合金將是未來研究的重點(diǎn)。研究表明，采用大塑性變形技術(shù)（SPD）可以制備超細(xì)晶組織[3]。

目前已開發(fā)的大塑性變形技術(shù)主要有等通道擠壓、循環(huán)擠壓、高壓扭轉(zhuǎn)、反復(fù)墩粗、變通道擠壓、大比率擠壓、鎂合金往復(fù)擠壓等工藝。這些工藝都是通過對金屬材料施加較大的塑性變形,使材料內(nèi)部晶粒細(xì)化,從而提高材料性能。但是關(guān)于大塑性變形技術(shù)的研究目前主要集中在鎂合金棒料及其他金屬材料上, 很少涉及鎂合金板材軋制技術(shù)，而本文主要描述鎂合金大塑性變形軋制技術(shù)的研究進(jìn)展。

1 大塑性變形技術(shù)原理

根據(jù)hall-page經(jīng)驗(yàn)公式[4]，當(dāng)晶粒尺寸細(xì)化到一定程度時(shí)，材料強(qiáng)度可以提高。但當(dāng)晶粒細(xì)化到一定程度時(shí)（尤其是亞微米甚至納米級），單一機(jī)制不再由細(xì)晶粒強(qiáng)化，而是由多個機(jī)制的耦合作用強(qiáng)化。迄今為止，國內(nèi)外還沒有對大塑性（SPD）技術(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的定義，其一般是指通過特定的加工方法或路徑獲得較大的材料累積應(yīng)變，從而達(dá)到細(xì)化晶粒、增強(qiáng)材料強(qiáng)度的目的。大塑性變形是世界上公認(rèn)制備超細(xì)晶材料的加工工藝方法，目前已擴(kuò)大到純鋁、純銅等材料。本文主要針對鎂合金大塑性變形在軋制技術(shù)上的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，主要介紹了幾種大塑性變形特種軋制技術(shù)，如等徑角軋制、等徑角軋制-單道次彎曲、累積疊軋-彎曲變形工藝、鎂合金軋制-剪切-彎曲。

2 鎂合金大塑性變形軋制技術(shù)

2.1 等徑角軋制（ECAR）

等徑角軋制 技 術(shù)（ECAR）是由湖南大學(xué)陳振華等在 2006 年 提出，原理如圖1所示。ECAR是將軋制和一種大剪切變形組合在一起，通過普通軋制產(chǎn)生的摩擦力提供動力，使鎂合金板材連續(xù)通過通道高度相等且成一定夾角的模具[5]。其目的是改善鎂合金板材室溫沖壓成型性能，該工藝目前已成功制備出高性能鎂合金板材。

圖1 等徑角軋制（ECAR）[6]

研究結(jié)果表明，通過等徑角軋制工藝獲得的鎂合金板材晶粒取向得到有效控制，板材塑性提高的同時(shí)強(qiáng)度不變，尤其值得注意的是室溫沖壓性能獲得明顯提高。退火后，等徑角軋制工藝得到的鎂合金板材拉伸比達(dá)到1.6以上，杯凸值達(dá)到6.21 mm，而普通軋制鎂合金板材拉伸比及杯凸值僅為1.2和3.78 mm[6]。普通軋制板的應(yīng)變硬化指數(shù)僅為0.165，遠(yuǎn)小于等徑角軋制板材的應(yīng)變硬化指數(shù)。平均塑性應(yīng)變比和制耳參數(shù)分別為2.04和0.57，而經(jīng)等徑角軋制的板材為0.07和0.09。

2.2 等徑角軋制-單道次彎曲（ECAR-B）

如前所述，等徑角軋制對鎂合金板材室溫成型性能的改善非常有效，其主要原因是由于鎂合金板在等徑角軋制過程中受到剪切力的作用，從而有效地控制了晶粒的取向。但從微觀組織層面來看，等徑角軋制后的鎂合金板材晶粒尺寸沒有明顯細(xì)化，其主要原因還是在退火過程中發(fā)生了靜態(tài)再結(jié)晶。

根據(jù)等徑角軋制的優(yōu)勢，重慶理工大學(xué)秦梁杰、周濤等[7]提出等徑角軋制-單道次彎曲變形工藝（ECAR-B），其工作原理如圖2所示。在等徑角軋制工藝的基礎(chǔ)上，ECAR-B工藝增加了一次彎曲，主要結(jié)合了軋制變形、剪切變形、單道次彎曲變形，實(shí)現(xiàn)鎂合金細(xì)化晶粒及織構(gòu)控制的效果，從而制備高性能鎂合金板材。目前該工藝已成功制備出鎂合金板材，研究表明[7]，經(jīng)過ECAR-B后的鎂合金板材與普通軋制板相比，鎂合金板材的晶粒得到細(xì)化，晶粒取向旋轉(zhuǎn)幅度更大。退火后，鎂合金板材基面織構(gòu)變?nèi)酰婵棙?gòu)與非基體織構(gòu)并存。其室溫成型性能也得到大幅提升，經(jīng)過ECAR-B后的鎂合金板材退火后室溫IE值達(dá)到7.76 mm，而普通軋制鎂合金板材退火后室溫IE 值僅為5.2 mm。

圖2 等徑角軋制-單道次彎曲[7]

2.3 累積疊軋-彎曲變形工藝

1998年，日本學(xué)者率先提出累積疊軋工藝，簡稱ARB工藝，它是一種連續(xù)制備超細(xì)晶組織板材的大應(yīng)變軋制工藝。研究表明，AZ31鎂合金板材經(jīng)過5次疊軋之后，其晶粒尺寸細(xì)化至1～5 μm，其抗拉強(qiáng)度提高至349 MPa[8]。彎曲變形工藝可以強(qiáng)烈弱化鎂合金板材基面織構(gòu)，重慶大學(xué)徐偉、黃光盛等[9]研究發(fā)現(xiàn)，彎曲工藝可以弱化基面取向晶粒的比重，同時(shí)降低板材屈服強(qiáng)度，提高板材斷裂延伸率。累積疊軋可以制備高性能變形鎂合金板材，彎曲工藝可以弱化鎂合金板材基面織構(gòu)，因此有望結(jié)合累積疊軋與彎曲變形工藝制備高性能鎂合金板材。

累積疊軋-彎曲變形工藝是由重慶理工大學(xué)宋登輝[10]提出的，其工作原理如圖3（a）所示。將鎂合金板材通過疊軋制備好，然后進(jìn)入圖3（b）所示結(jié)構(gòu)進(jìn)行彎曲制備疊軋彎曲板材。宋登輝[10]的研究表明，通過累積疊軋-彎曲變形工藝的鎂合金板材晶粒取向有顯著改變，隨著循環(huán)道次數(shù)的增加，非基面取向晶粒的比重顯著增加，導(dǎo)致其板材屈服強(qiáng)度由215 MPa降低至198 MPa，斷裂延伸率從12.1%提高至22.8%[10]。

圖3 累積疊軋-彎曲變形工藝

圖4 軋制-剪切-彎曲（RSCB）[11]

2.4 鎂合金軋制-剪切-彎曲（RSCB）

上述3種工藝均可實(shí)現(xiàn)鎂合金板材剪切變形，從而形成剪切變形織構(gòu)，大大改善和提高鎂合金板材性能。但同時(shí)可以看到，等徑角軋制工藝未能獲得明顯的晶粒細(xì)化效果，晶粒反而有粗化現(xiàn)象，此外，等徑角軋制工藝需要多道次軋制，連續(xù)積累應(yīng)變，同時(shí)不利于工業(yè)化生產(chǎn)。而等徑角軋制-單道次彎曲（ECAR-B）工藝雖然結(jié)合了等徑角軋制剪切變形的優(yōu)勢，但通過等徑角軋制-單道次彎曲積累的應(yīng)變量也存在不足。

結(jié)合這些工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，本文在這些工藝的基礎(chǔ)上提出一種連續(xù)剪切彎曲工藝，即鎂合金軋制-剪切-彎曲（RSCB）[11]。RSCB工藝原理圖如圖4所示（圖4中1為剪切，2、3和4為連續(xù)彎曲）。RSCB工藝是將普通軋制變形、剪切變形和連續(xù)彎曲變形相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)鎂合金的大塑性變形。利用軋制變形產(chǎn)生的摩擦力，使板料通過等高連續(xù)剪切彎曲的通道。

研究表明，經(jīng)過RSCB工藝后的鎂合金板材晶粒相對于普通軋制后的鎂合金板材晶粒顯著細(xì)化[11-12]；RSCB鎂合金 板 材 退 火 后RD 方 向YS 降 為74 MPa，YS/UTS 降 為0.337，r值降為0.43；此外，經(jīng)過RSCB后鎂合金板材IE值提升至7.4 mm，最大提升幅度約為61%，其主要原因還是在于基面織構(gòu)弱化、非基面織構(gòu)形成及晶粒細(xì)化。

3 結(jié)語

隨著輕量化以及新型輕質(zhì)材料的要求，鎂合金大塑性變形軋制技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生，協(xié)調(diào)織構(gòu)控制和晶粒細(xì)化是充分改善鎂合金力學(xué)性能及提高鎂合金室溫成型性能的關(guān)鍵。但目前大多數(shù)鎂合金塑性變形軋制技術(shù)僅限于實(shí)驗(yàn)研究，很難大批量商業(yè)化應(yīng)用，其主要原因還是由于軋制過程中鎂合金板材所形成的強(qiáng)烈基面織構(gòu)。因此，弱化變形鎂合金板材基面織構(gòu)是今后開發(fā)高性能鎂合金板材的研究重點(diǎn)。