高端裝備的輕量化是一個永恒的發(fā)展主題，是提高服役性能、降低能耗的必要手段。提高零部件的輕量化水平有3種途徑。一種是將多種不同的結(jié)構(gòu)和功能集成到一個新的輕量化結(jié)構(gòu)中。第二，盡可能選擇力學(xué)性能高的新型輕質(zhì)材料。第三，采用新技術(shù)提高零部件的服役性能，實現(xiàn)低成本制造。值得注意的是，形狀復(fù)雜的鎂合金構(gòu)件不斷向大尺寸、多功能方向發(fā)展。此外，作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，鎂合金是在高端設(shè)備中實現(xiàn)極端輕量化的最佳候選材料。

鎂合金優(yōu)異的性能引起了人們的關(guān)注。研究人員對高性能材料的制備和鎂合金的形變強(qiáng)韌化機(jī)制進(jìn)行了廣泛的研究，開發(fā)出了許多具有高力學(xué)性能的鎂合金。大型鎂合金結(jié)構(gòu)件不僅要求具有較高的強(qiáng)度和韌性，還要求具有較高的抗沖擊載荷能力。 

塑性成形是提高鎂合金結(jié)構(gòu)件綜合性能的重要手段。研究人員通過設(shè)計和優(yōu)化塑性成形過程中的工藝參數(shù)，實現(xiàn)了關(guān)鍵構(gòu)件中金屬的有序流動、晶粒細(xì)化和纖維結(jié)構(gòu)的合理分布。解決了鎂合金構(gòu)件應(yīng)用中的一些難題，在實現(xiàn)設(shè)備輕量化方面表現(xiàn)出突出的優(yōu)勢。    

在此，中北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院于建民教授團(tuán)隊研究了具有高力學(xué)性能的大型鎂合金構(gòu)件成形的研究與發(fā)展現(xiàn)狀。本文通過對變形強(qiáng)韌化機(jī)制、大規(guī)格鑄錠坯制備和典型構(gòu)件整體塑性成形工藝的分析，總結(jié)了目前高性能大型鎂合金的成形進(jìn)展和成形技術(shù)特點。針對大尺寸鎂合金構(gòu)件性能均勻性差、成形精度低、生產(chǎn)成本高等關(guān)鍵問題，提出了大尺寸高性能鎂合金構(gòu)件塑性成形發(fā)展趨勢及重點研究方向。

相關(guān)研究成果以題“Recent research and development on forming for large magnesium alloy components with high mechanical properties”發(fā)表在金屬頂刊Journal of Magnesium and Alloys上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213956723002207

圖1 .

變形參數(shù)對鎂合金抗拉強(qiáng)度的影響。( a ) Az80和( b ) Az91D。鎂合金的力學(xué)性能對變形溫度高度敏感，一般認(rèn)為較低的溫度會產(chǎn)生較好的強(qiáng)韌化效果。然而，過低的變形溫度導(dǎo)致鎂合金塑性較差，變形能力降低。另一方面，可以通過降低成形溫度來提高強(qiáng)化能力。因此，實現(xiàn)這些因素之間的最佳匹配是鎂合金塑性成形需要突破的關(guān)鍵技術(shù)之一。研究發(fā)現(xiàn)，提高變形溫度雖然可以通過促進(jìn)動態(tài)再結(jié)晶( DRXed )晶粒的形核來改善晶粒細(xì)化，但也會導(dǎo)致再結(jié)晶晶粒的長大此外，一些合金在一定的變形溫度下會誘發(fā)異?？棙?gòu)的形成，這也會改變k值和后續(xù)的強(qiáng)韌化效果以及變形機(jī)制

圖2 .

( a ) UTS和TYS隨變形道次的變化，( b-e )不同晶粒隨變形道次的變化變形程度：提高變形程度可以有效細(xì)化組織，提高鎂合金的韌性。通常，構(gòu)件力學(xué)性能的提高通常是通過改變擠壓比、軋制壓下量和變形道次來增強(qiáng)晶粒細(xì)化效果。例如，Dong等研究了Mg - 13Gd - 4Y - 2Zn - 0.5 Zr ( wt . % )合金在多向鍛造( MDF )過程中的微觀組織、織構(gòu)演變和力學(xué)性能。結(jié)果表明，隨著MDF道次的增加，合金的平均晶粒尺寸逐漸減小。4道次后，合金平均晶粒尺寸細(xì)化至2.7 μ m，組織分布均勻。極限抗拉強(qiáng)度( UTS )和拉伸屈服強(qiáng)度( TYS )分別為385 MPa和360 MPa

圖3 .

 ( a )普通冷卻和( b )強(qiáng)制風(fēng)冷的間接擠壓過程示意圖，( c-d )電子背散射衍射 ( EBSD )圖像極圖( IPF )和對應(yīng)的( 0001 )極圖( PF )，( c )對應(yīng)( a )，( d )對應(yīng)( b )。變形后冷卻速度：快速冷卻可以提高強(qiáng)韌化效果。變形后不同的冷卻速度導(dǎo)致了組織分布的差異，從而改變了鎂合金的強(qiáng)韌化效果。例如，Xu等通過對擠壓后的Mg - Gd - Y - Zn - Zr合金施加強(qiáng)制空冷，實現(xiàn)了優(yōu)異的強(qiáng)韌化協(xié)同效應(yīng)，獲得了具有較小再結(jié)晶晶粒的雙峰組織(圖3 )。    

圖4 .

不同MDF道次，( a , e , i) 3道次，( b , f , j) 5道次，( c , g , k) 7道次，( d、h、l) 9道次后樣品的( a-d )的IPF圖，( e-h )的極圖和( i-l )分布的基面( 0001 ) Schmid因子。變形道次：多道次變形可以增加累積變形程度，有利于鎂合金的強(qiáng)韌化。但變形前不同的加熱溫度和時間對后續(xù)的晶粒細(xì)化和強(qiáng)韌化效果有顯著影響。加熱次數(shù)過多或加熱溫度過高都會導(dǎo)致晶粒長大。例如，Li等采用MDF方法研究了變形道次對Mg - Gd - Y - Zn - Zr合金顯微組織和力學(xué)性能的影響。發(fā)現(xiàn)7道次后平均晶粒尺寸由初始的76μm細(xì)化至2.24μm。然而，平均晶粒尺寸在9道次后增加到7.12μm，這歸因于道次中部加熱過程中的動態(tài)回復(fù)(圖4 )

圖5 .

大型鎂合金構(gòu)件示意圖。大型高性能鎂合金構(gòu)件的典型結(jié)構(gòu)如圖5所示。這些構(gòu)件具有大尺寸、薄壁、截面變化劇烈、局部孔洞或突起以及縱向或橫向高筋等幾何特征。隨著構(gòu)件的大型化和復(fù)雜化，其變形過程中的傳力路徑和變形狀態(tài)存在較強(qiáng)的不確定性。成形過程中力的傳遞路徑和變形狀態(tài)的強(qiáng)不確定性伴隨著構(gòu)件的大型化和復(fù)雜化，其結(jié)構(gòu)演化、性能和殘余應(yīng)力也表現(xiàn)出隨機(jī)性。尺寸效應(yīng)對大型構(gòu)件有以下兩個方面的突出影響：( i )不同區(qū)域變形程度、溫度和冷卻速率的不均勻性導(dǎo)致構(gòu)件各區(qū)域之間的性能存在顯著差異；( ii )大型構(gòu)件的成形精度難以控制，尤其是局部特征的成形。    

圖6 .

鍛后應(yīng)變分布，( a )預(yù)鍛主軸頸，( b )終鍛主軸頸，( c )預(yù)鍛連桿頸，( d )終鍛連桿。頸加熱和冷卻速率以及成形溫度的不均勻分布。這導(dǎo)致大尺度構(gòu)件不同區(qū)域的應(yīng)變和性能差異顯著。大型構(gòu)件具有復(fù)雜的截面結(jié)構(gòu)，較高的高厚比導(dǎo)致坯料與模具之間的摩擦副性能存在顯著差異。這些導(dǎo)致強(qiáng)烈的不均勻變形，不同區(qū)域的金屬流動和溫度變化。甚至?xí)?dǎo)致湍流流動，造成構(gòu)件流變行為的不穩(wěn)定。這些現(xiàn)象會導(dǎo)致金屬塊、扭曲、起皺、屈曲和斷裂等擠壓缺陷的形成，嚴(yán)重影響構(gòu)件的成形性能。此外，由于復(fù)雜構(gòu)件的微觀組織形貌、尺寸和分布具有較高的應(yīng)變速率/溫度敏感性，導(dǎo)致其性能參差不齊(圖6 )。

圖7 .

大型結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形過程。大尺寸構(gòu)件截面變化劇烈，不同區(qū)域的升溫、降溫速率和變形程度存在顯著差異。因此，成形件性能的均勻性必然較差(圖7 )。此外，鎂合金成形性差，不易填充復(fù)雜模具型腔，導(dǎo)致大型鎂合金構(gòu)件多采用頻繁加熱的多工步成形工藝。形狀復(fù)雜性和大尺寸的耦合往往導(dǎo)致嚴(yán)重的局部軟化和變形的不均勻性。    

總之，高性能鎂合金主要依靠變形強(qiáng)化和韌化，而塑性成形是提高鎂合金結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能的重要手段。目前，研究者們在強(qiáng)韌化機(jī)制以及變形參數(shù)如變形程度、變形溫度、冷卻速率和加熱次數(shù)對變形行為和強(qiáng)化效果的影響等方面取得了顯著的進(jìn)展。鎂合金構(gòu)件的形狀和性能的綜合調(diào)控是一個發(fā)展趨勢。對于大尺寸的塑性成形鎂合金結(jié)構(gòu)件，如何在關(guān)鍵區(qū)域?qū)崿F(xiàn)金屬的有序流動、組織細(xì)化和纖維結(jié)構(gòu)的規(guī)則分布是難點。因此，通過合理設(shè)計、優(yōu)化和調(diào)控塑性成形過程中的變形參數(shù)，提高鎂合金構(gòu)件的綜合性能和承載能力，已成為該領(lǐng)域眾多學(xué)者研究的熱點問題。各種構(gòu)件在塑性成形過程中具有一些共同的特點，如：各區(qū)域的結(jié)構(gòu)特點不同，變形極不均勻；大型構(gòu)件(凸臺、凹槽、環(huán)筋等。)成形困難或充不滿的局部特點；大型構(gòu)件需要較高的成形力等?；谏鲜鰡栴}，提出了關(guān)鍵技術(shù)：

（1）針對大尺寸構(gòu)件成形不均勻的問題，采用MDF或鐓擠復(fù)合等成形技術(shù)實現(xiàn)高性能坯料的均勻制備，并根據(jù)大尺寸構(gòu)件的形狀特征和要素反向設(shè)計坯料形狀，減少各向異性，為大尺寸構(gòu)件的均勻成形奠定了基礎(chǔ)。

（2）對于具有大投影面積和高成形力的大型構(gòu)件，通過主動抵消摩擦阻力的結(jié)構(gòu)設(shè)計、拉深輔助擠壓和局部加載技術(shù)可有效降低成形力，并通過合理設(shè)計局部加載順序和無縫集成各加載道次實現(xiàn)成形缺陷的消除。

（3）對于大型構(gòu)件難以形成(凸板、凹槽、環(huán)筋等。)的局部特征，可基于分流分流成形原理，通過修改活動鑲塊、阻尼塊等模具結(jié)構(gòu)，調(diào)控金屬流動的合理分布，使箱體內(nèi)部的凸板、凹槽等特征充分成形。此外，內(nèi)筋結(jié)構(gòu)可以通過旋轉(zhuǎn)擠壓或強(qiáng)力旋壓整體成形。    

（4）針對大型構(gòu)件成形一致性差、質(zhì)量不穩(wěn)定的問題，可采用復(fù)合成形工藝來減少成形工序，如膨脹擠壓復(fù)合成形、等溫超塑性擠壓-模鍛成形、復(fù)合擠壓-脹形、模鍛-脹形-旋壓等。