高性能軋制鎂合金研究進展

2020-09-29 02:16

精密成形工程 2020年5期

（吉林大學汽車材料教育部重點實驗室材料科學與工程學院，長春 130025）

鎂合金由于具有高比強度、低密度和易回收利用等優(yōu)點，被譽為21 世紀的綠色工程材料[1—3]。隨著能源危機日益嚴重及輕量化需求增加，作為最有潛力的輕量化金屬材料，鎂合金板材在汽車、航空航天等領域具有良好的應用前景[4]。軋制作為一種適用于工業(yè)大批量生產(chǎn)的加工方式，能夠有效地細化晶粒組織，提高鎂合金板材的力學性能[5]，其制備的鎂合金板材受到了廣泛關注[6]。鎂合金為密排六方結構，室溫下可開啟的滑移系有限，且在軋制過程中極易形成強基面織構、易產(chǎn)生邊裂[5,7]、成形性差，獲得的板材往往塑性較低[8—10]，因此，研發(fā)低成本、高效率的軋制成形技術生產(chǎn)高性能鎂合金板材是近年來研究的焦點。

為了提高鎂合金板材的成形性，目前工業(yè)生產(chǎn)中多采用多道次小壓下量結合多次中間退火的熱軋工藝[10]。近年來，吉林大學WANG H Y 課題組采用13道次小壓下量降溫軋制制備了具有等軸細晶組織的Mg-9Al-1Zn （AZ91）鎂合金，其室溫下抗拉強度高達382 MPa，300 ℃下伸長率高達697%[11]；但是，該工藝涉及到多次中間加熱與保溫，不利于降低能源消耗和生產(chǎn)成本，因此，仍需對先進低成本軋制工藝進行探索研究。

文中主要介紹近年來采用先進軋制成形方法，如襯板控軋、非對稱軋制、交叉軋制、累積疊軋、電脈沖輔助軋制及鑄軋，在鎂合金板材制備方面的最新研究進展，并對此進行總結與展望。

1 襯板控軋

研究表明，采用單道次大壓下量軋制可獲得具有優(yōu)異綜合力學性能的混晶結構組織[12]，但這一過程對板材施加較大的剪切力，易導致邊裂，從而限制可生產(chǎn)板材的寬度[13]。為了解決這一問題，吉林大學WANG H Y 等[14]研發(fā)了新型襯板控軋技術（Hardplate rolling，HPR），即在軋制樣品上下表面分別附加一塊硬質(zhì)合金襯板，與樣品同時送入軋輥中進行軋制，如圖1 所示。與傳統(tǒng)多道次小壓下量軋制技術相比，HPR 技術在保證對板材邊部控形的基礎上，實現(xiàn)了單道次大壓下量（～90%）軋制。盡管HPR 引入的應變量與大塑性變形技術（Severe plastic deformation，SPD）相比仍然很小，但遠高于傳統(tǒng)軋制單道次壓下量（～20%），在提升軋制效率方面具有極大的潛力[17]。采用HPR 制備的AZ91 合金具有混晶結構組織和弱織構（如圖2 所示），實現(xiàn)了強塑性同時提升，板材抗拉強度高達370 MPa，均勻伸長率大于20%。

圖1 襯板控軋示意圖[14]Fig.1 Schematic diagram of hard-plate rolling (HPR)

在襯板控軋過程中，樣品與軋輥無直接接觸，熱傳遞主要是從襯板傳向軋輥，極大降低了樣品的冷卻速率，減小了實際軋制溫度與理論軋制溫度間的誤差。ZHA M 等[12]認為在軋制過程中樣品熱損失的降低促進了局部動態(tài)再結晶，從而有利于形成具有弱基面織構的再結晶晶粒。其次，傳統(tǒng)軋制中軋輥與樣品為線接觸，而在襯板控軋中軋輥對襯板施加剪切力將其咬入，襯板與樣品為面接觸，這一過程成功地將傳統(tǒng)軋制中樣品所受的剪切應力部分轉(zhuǎn)變?yōu)榱搜胤ㄏ颍∟ormal direction）的壓應力，有效緩解了邊裂問題[14]。

圖2 350 ℃襯板控軋AZ91 合金EBSD 分析[14]Fig.2 EBSD analysis of AZ91 alloys processed by HPR at 350 ℃

襯板控軋制備的鎂合金板材還顯現(xiàn)出優(yōu)異的超塑性。ZHANG H M 等[16]通過襯板控軋（單道次80%壓下量）制備的混晶結構AZ91 鎂合金在300 ℃下伸長率為～580%，呈現(xiàn)出極佳的超塑性。YU Z P 等[17]通過對AZ91-0.4Sn 進行單道次襯板控軋和兩道次普通軋制的復合軋制，獲得近球形第二相及均勻細晶組織。該合金在200 ℃下拉伸，斷裂伸長率為96%，表現(xiàn)出較好的低溫超塑性。考慮到均勻粗晶組織通常需要經(jīng)過十幾道次的普通軋制才能獲得與之相似的鎂合金超塑性[12]，襯板控軋在生產(chǎn)超塑性鎂合金方面也具有極大的優(yōu)勢。

將襯板控軋應用于工業(yè)化生產(chǎn)還存在一些問題，如襯板控軋過程中襯板的消耗會造成生產(chǎn)成本的提高，襯板與樣品的位置如何實現(xiàn)快速有效的固定仍需進一步研究等。

2 非對稱軋制

目前，生產(chǎn)鎂合金板材的軋制工藝主要為對稱軋制。近年來一些研究表明，與傳統(tǒng)軋制相比，采用非對稱軋制技術制備的鎂合金無論在力學性能還是成形性上均有大幅提升。曹東東等[18]發(fā)現(xiàn)非對稱軋制的AZ31 板材抗拉強度和斷裂伸長率均優(yōu)于對稱軋制板材。差速軋制（Differential speed rolling，簡稱DSR）是一種典型的非對稱軋制方法，其特點是上下輥線速度不同。差速軋制會降低外摩擦所形成的水平壓力對變形的阻礙作用，減小軋制變形總壓力，提高生產(chǎn)效率[19]。眾所周知，鎂合金基面織構的弱化是提升成形性的可靠手段，而傳統(tǒng)的對稱軋制往往會使其形成強基面織構，影響后續(xù)加工過程。KIM W J 等[20]發(fā)現(xiàn)，與對稱軋制板材相比，差速軋制AZ31 板材基面織構明顯弱化，如圖3 所示。UCUNCUOGLU S 等[21]對AZ31 鎂合金分別進行對稱軋制和非對稱軋制，發(fā)現(xiàn)非對稱軋制板材基面織構峰值由于剪切應力的引入呈朝橫向（Transverse direction）傾斜的趨勢。

圖3 AZ31 極圖[20]Fig.3 Pole figures of AZ31

ZHOU X 等[22]探究了差速軋制對Mg-8Li-3Al-1Y合金的微觀組織和力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)由于強剪切變形的引入，出現(xiàn)了更多被拉長的條狀晶粒。實驗結果表明差速比和壓下量對鎂合金板材性能有重要影響。在相同的差速比下，其抗拉強度隨著壓下量的增加而提高。當壓下量為30%時，采用1∶1.3 的差速比進行軋制，板材室溫拉伸性能最優(yōu)，抗拉強度可達286 MPa，伸長率為7%。此外，KIM Y S 等[23]在300 ℃下對AZ91 鎂合金進行高比例差速軋制，獲得了優(yōu)異的超塑性，伸長率高達830%。

改變受力對稱性的軋制方式也類屬于非對稱軋制。WANG H Y 等[24]提出了一種新的非對稱軋制方法——波形軋制（Wave-shaped rolling，WSR），其示意圖如圖4 所示。通過在板材的下表面添加一塊波浪形模具，使上下表面軋制應力轉(zhuǎn)變?yōu)榉菍ΨQ狀態(tài)，這一步驟使板材基面織構明顯減弱，隨后運用傳統(tǒng)軋制將板材壓平。采用WSR 技術加工制備的Mg-6Al-3Sn（AT63）合金具有優(yōu)異的加工硬化能力，斷裂伸長率高達22.5%（如圖5 所示）。目前，非對稱軋制主要集中于理論研究階段，應用范圍較小，有待進行更深入的研究，進一步優(yōu)化軋制設備及工藝參數(shù)。

圖4 波形軋制示意圖[24]Fig.4 Schematic diagram of wave-shaped die rolling (WDR)

圖5 由傳統(tǒng)軋制和波形軋制制備的AT63鎂合金的應力-應變曲線[24]Fig.5 Stress-strain curves of the AT63 alloy sheets fabricated by WDR and direct rolling

3 交叉軋制

大多數(shù)軋制方法均為單向軋制，而鎂合金在單向軋制過程中易形成強基面織構，且易呈現(xiàn)出強各向異性，影響板材成形性[25]。與單向軋制相比，李奇等[26]發(fā)現(xiàn)交叉軋制能夠弱化基面織構，使組織均勻化。交叉軋制Mg-6Zn-0.5Zr（ZK60）板材的力學性能有所提升。研究表明，軋制方向的改變有利于板材基面織構弱化及各向異性減弱，為板材后續(xù)深沖變形提供了有利條件[27]。

為了探究軋制方向改變的角度對鎂合金組織和性能的影響，LUO D 等[28]分別采用單向軋制、首尾相接式軋制（即每道次與上一道次軋制方向改變180°）和多向軋制（即每道次與上一道次軋制方向改變90°）對AZ31 板材進行了8 道次軋制。研究表明，首尾相接式軋制的晶粒細化效果和基面織構弱化效果最佳，因而該樣品力學性能最為優(yōu)異（抗拉強度為301 MPa，伸長率高達28.9%）。該工作為進一步研究交叉軋制工藝參數(shù)提供了借鑒，對未來高性能鎂合金軋制技術的發(fā)展起到了推動作用。

4 疊軋

近年來，納米晶和超細晶材料因顯現(xiàn)出優(yōu)異強度而成為研究焦點。目前，SPD 技術由于能制備高強超細晶/細晶組織被認為是提高鎂合金力學性能的有效手段[29—31]。其中，累積疊軋（Accumulative roll bonding，ARB）作為能夠引入大應變的軋制手段受到了廣泛關注，疊軋示意圖如圖6 所示。ARB 生產(chǎn)效率高、成本低，可實現(xiàn)每道次大壓下量軋制，突破了常規(guī)軋制的局限性，可制備出具有均勻細晶組織的大尺寸板材[27]。此外，兩塊板材疊軋后會存在結合面，研究表明結合面的存在能夠有效抑制裂紋的擴展[32]。

圖6 疊軋示意圖Fig.6 Schematic diagram of accumulated roll bonding (ARB)

SAUFAN A 等[33]發(fā)現(xiàn)對Mg-9Li-1Zn 進行5 道次ARB，可以充分發(fā)揮應變硬化和晶粒細化作用，實現(xiàn)強度的提高，且ARB 道次越多，引入的塑性變形量越大，強度越高，而塑性呈降低趨勢。TROJANOVA Z 等[34]發(fā)現(xiàn)板材組織均勻性隨ARB 道次的增加而提高。疊軋板材具有強基面織構且呈現(xiàn)出平面塑性各向異性，這均不利于后續(xù)加工。針對ARB 樣品的這一局限性，WU H 等[35]運用交叉疊軋制備了具有超細晶組織的Mg-5Li-Al 合金板材，同時降低了板材的各向異性，并弱化了基面織構。該工藝結合了交叉軋制和ARB 的優(yōu)點，在保持板材伸長率基本不變的前提下，實現(xiàn)了強度的提高。

ARB 除了用于制造超細晶材料以外，還被成功用于復合板材的制造。研究表明，Mg-Al 層狀復合材料具有較好的耐腐蝕性能[36]，這有利于擴大鎂合金的應用范圍。WU K 等[37]運用ARB 制備了Mg-Al 層狀金屬復合材料。ANNE G 等[38]利用 ARB 制備了Mg-2Zn/Al/Ce 多層復合板材，發(fā)現(xiàn)與Mg-2Zn 相比，5 道次ARB 后的復合板材抗拉強度和屈服強度分別提高了38%和56%，伸長率約為其1.8 倍，并且展現(xiàn)出優(yōu)異的抗腐蝕性能。