攪拌摩擦加工鎂合金的研究現狀分析

王賽香

摘 要：攪拌摩擦加工是在攪拌摩擦焊的基礎上發展起來的，目前已在國內外的研究中逐漸被重視起來。在對鋁合金進行攪拌摩擦加工的研究上取得一定成果之后，為提高鎂合全的塑性加工能力，擴大鎂合全的應用范圍，攪拌摩擦加工鎂合金的研究已經成為國內外的熱點。文章綜述了攪拌摩擦加工鎂合金的最新研究進展。

關鍵詞：鎂合金；攪拌摩擦加工；細晶；超塑性

中圖分類號：TG453 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）14-0107-02

自開發以來，攪拌摩擦加工（Friction sitr processing，FSP）在鋁合金方面的研究報道比較多，主要包括鋁基復合材料的制備、鋁合金的微觀結構改性以及細晶鋁合金的超塑性等，對鎂合金的研究相對較少。而鎂合金是目前工業應用中最輕的金屬結構材料，被譽為21世紀最具開發和應用潛力的“綠色材料”，因此，對攪拌摩擦加工鎂合金的研究具有重要意義。下面將從材料表面復合、微觀結構改性以及細晶超塑性三方面對攪拌摩擦加工鎂合金的研究進行介紹。

1 材料表面復合

根據攪拌摩擦加工在加工過程具備劇烈塑性變形的特點，目前已有不少研究者在對鋁合金和鎂合金復合材料的制備中應用了攪拌摩擦加工，其意在利用攪拌摩擦加工過程中形成金屬間化合物作為增強相，從而提交金屬復合材料的組織和性能；該金屬復合材料的制備主要采用添加增強相材料的方式，最常用的增強材料有SiO2顆粒、SiC顆粒、Al2O3顆粒、C60顆粒等。

此外，攪拌摩擦加工制備金屬復合材料還有一種方式就是增強相自生成。

Morisada等人[1]采用攪拌摩擦加工通過對AZ31鎂合金板材添加SiC顆粒進行了研究，加工前將SiC顆粒置于板材開的槽中，研究對添加了SiC顆粒的板材進行攪拌摩擦加工，結果表明，加工后合金的晶粒尺寸由79.1 μm細化到6.0 μm，顯微硬度Hv由原來的48.0提高到69.3。

研究結果顯示，攪拌摩擦加工技術復合材料的顯微組織和力學性能都得到了改善，但是由于攪拌摩擦加工過程非常快，添加的第二相粒子多半只是機械混和，且增強顆粒易于團聚或者大部分分布在表層，因此其表面改性的作用還達不到理論上的效果，有待進一步深入研究。

2 微觀結構改性

一般而言，鑄態組織比較疏松且存在縮孔、樹枝晶以及粗大第二相，力學性能較差。傳統的方法是采用傳統塑性變形對其進行加工，從而提高其力學性能。但傳統塑性變形也有其局限，因此研究者仍致力于探究更為合適的方法。

基于目前的研究發現，攪拌摩擦加工在加工過程中能夠細化晶粒、破碎第二相以及枝晶組織并使其均勻分布于基體組織中、同時消除鑄造孔洞，從而使組織均勻化，進而提高材料各方面的性能。因此，可以大膽地預測當原始組織為鑄態的鎂合金材料經攪拌摩擦加工后，其顯微組織結構變化應該會十分顯著，力學性能的改善效果也會比較明顯。

基于此，在對攪拌摩擦加工鋁合金微觀結構改性方面進行了大量的研究報道之后，學者也開始了對攪拌摩擦加工鎂合金尤其是鑄態鎂合金的研究。目前，研究學者主要對AZ系、ZK系以及一些稀土鎂合金的攪拌磨擦加工進行了相關研究。王快社等[2]人在對鑄態AZ31鎂合金的攪拌磨擦加工的研究中發現，加工后合金的力學性能都有很大提高，同時經金相組織觀察發現，原始鑄態組織中的粗大β-Mg17Al12相確實顯著破碎，且形成了均勻的再結晶組織；經XRD分析表明，大量破碎的β相分散并固溶到鎂合金基體中，產生固溶強化作用。同時，Feng等[3，4]對鑄造AZ91鎂合金也進行了攪拌摩擦加工，同樣加工后的鑄造AZ91鎂合金的力學性能也得到了顯著提高，抗拉強度提高到377 MPa，疲勞強度為105 MPa，伸長率達10%；通過金相組織觀察同樣發現加工后原始組織中大量粗大網狀共晶組織β-Mg17Al12發生了顯著破碎和溶解。研究表明，攪拌摩擦加工鑄態鎂合金確實能夠起到顯著破碎并溶解β相并對鑄態基體組織進行了細化和均勻化，且其顯微組織的改善和力學性能的提高也是十分可觀的。

3 細晶超塑性

在細晶超塑性方面，目前通過傳統塑性變形、劇塑性變形、快速凝固或粉末冶金等方法制備的鎂合金均能獲得細化的晶粒組織，且在一定條件下均可獲得良好的超塑性；盡管如此，上述材料制備技術還是存在著其不足的地方。

相比而言，新興的攪拌摩擦加工技術因加工過程中不需加熱工件、不改變加工工件的形狀和尺寸、不受加工環境等特點而使其具有一系列的優勢，為制備細晶鎂合金材料以及實現超塑性成形提供了新的途徑，引起了廣大學者的興趣。

通常而言，材料獲得超塑性的兩個條件是晶粒尺寸要小（小于10 μm）以及細小晶粒在高溫下具有良好的熱穩定性。目前，限制超塑性成形的工業化應用的一個主要因素是現有的細晶鎂合金材料通常是在較低的應變速率（通常為10-3 s-1～10-5 s-1）下實現超塑性，能否實現細晶鎂合金的高應變速率超塑性也引起了學者的研究方向。

目前，不少研究表明，鎂合金經攪拌摩擦加工后晶粒細化效果明顯，且采用FSP制備的細晶鎂合金在超塑性變形方面尤其高應變速率超塑性方面表現出很大的潛力。Zhang等[5]首先對熱軋AZ31鎂合金進行了攪拌摩擦加工，加工后的AZ31鎂合金的晶粒尺寸為11.4 μm，在溫度為450 ℃和應變速率為1X10-

2 s-1的條件下延伸率達到268%，可見其具備高應變速率超塑性。

隨后，Zhang等又對攪拌摩擦加工鑄態AZ91鎂合金的超塑性性能進行了研究，其中在溫度為300 ℃，應變速率為2X10-

2 s-1時，延伸率達207%，在溫度為200 ℃和應變速率為3X10-

3 s-1時，延伸率達204.4%，結果表明，鑄態AZ91鎂合金經攪拌摩擦加工后的不僅具備高應變速率超塑性，還具備低溫超塑形。

參考文獻：

[1] Morisada Y.，Fujii H.，Nagaoka T.，et al.Effect of friction stir processing with SiC particles on microstructure and hardness of AZ31[J].Materi-

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[2] 王快社，王文，郭韡，等.攪拌摩擦加工鑄態AZ31鎂合金組織與性能研究[J].稀有金屬材料與工程，2010，（7）.

[3] Feng A.H.，Ma Z.Y..Enhanced mechanical properties of Mg-Al-Zn cast alloy via friction stir processing [J].Scripta Materialia，2007，（5）.

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