鎂合金大塑性變形軋制技術研究進展

胡冬， 梅靜， 文仁興

（四川化工職業技術學院，四川 瀘州646005）

0 引言

鎂合金具有高的比強度、比剛度，優良的阻尼性能及防磁、屏蔽、散熱等特性，被譽為21世紀最輕金屬結構材料，具有廣闊的應用前景[1]，因此吸引了國內外大量的學者對其進行研究。目前鎂合金產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良的綜合力學性能，具有更加廣闊的應用空間。而變形鎂合金在加工過程中因其所形成的強烈基面織構嚴重制約了它的室溫成型性能[2]。因此開發變形鎂合金將是未來研究的重點。研究表明，采用大塑性變形技術（SPD）可以制備超細晶組織[3]。

目前已開發的大塑性變形技術主要有等通道擠壓、循環擠壓、高壓扭轉、反復墩粗、變通道擠壓、大比率擠壓、鎂合金往復擠壓等工藝。這些工藝都是通過對金屬材料施加較大的塑性變形,使材料內部晶粒細化,從而提高材料性能。但是關于大塑性變形技術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，而本文主要描述鎂合金大塑性變形軋制技術的研究進展。

1 大塑性變形技術原理

根據hall-page經驗公式[4]，當晶粒尺寸細化到一定程度時，材料強度可以提高。但當晶粒細化到一定程度時（尤其是亞微米甚至納米級），單一機制不再由細晶粒強化，而是由多個機制的耦合作用強化。迄今為止，國內外還沒有對大塑性（SPD）技術進行嚴格的定義，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變，從而達到細化晶粒、增強材料強度的目的。大塑性變形是世界上公認制備超細晶材料的加工工藝方法，目前已擴大到純鋁、純銅等材料。本文主要針對鎂合金大塑性變形在軋制技術上的應用現狀進行了綜述，主要介紹了幾種大塑性變形特種軋制技術，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

2.1 等徑角軋制（ECAR）

等徑角軋制 技 術（ECAR）是由湖南大學陳振華等在 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，通過普通軋制產生的摩擦力提供動力，使鎂合金板材連續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強度不變，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到1.6以上，杯凸值達到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]。普通軋制板的應變硬化指數僅為0.165，遠小于等徑角軋制板材的應變硬化指數。平均塑性應變比和制耳參數分別為2.04和0.57，而經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化，其主要原因還是在退火過程中發生了靜態再結晶。

根據等徑角軋制的優勢，重慶理工大學秦梁杰、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上，ECAR-B工藝增加了一次彎曲，主要結合了軋制變形、剪切變形、單道次彎曲變形，實現鎂合金細化晶粒及織構控制的效果，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化，晶粒取向旋轉幅度更大。退火后，鎂合金板材基面織構變弱，基面織構與非基體織構并存。其室溫成型性能也得到大幅提升，經過ECAR-B后的鎂合金板材退火后室溫IE值達到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，日本學者率先提出累積疊軋工藝，簡稱ARB工藝，它是一種連續制備超細晶組織板材的大應變軋制工藝。研究表明，AZ31鎂合金板材經過5次疊軋之后，其晶粒尺寸細化至1～5 μm，其抗拉強度提高至349 MPa[8]。彎曲變形工藝可以強烈弱化鎂合金板材基面織構，重慶大學徐偉、黃光盛等[9]研究發現，彎曲工藝可以弱化基面取向晶粒的比重，同時降低板材屈服強度，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，因此有望結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，然后進入圖3（b）所示結構進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，隨著循環道次數的增加，非基面取向晶粒的比重顯著增加，導致其板材屈服強度由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種工藝均可實現鎂合金板材剪切變形，從而形成剪切變形織構，大大改善和提高鎂合金板材性能。但同時可以看到，等徑角軋制工藝未能獲得明顯的晶粒細化效果，晶粒反而有粗化現象，此外，等徑角軋制工藝需要多道次軋制，連續積累應變，同時不利于工業化生產。而等徑角軋制-單道次彎曲（ECAR-B）工藝雖然結合了等徑角軋制剪切變形的優勢，但通過等徑角軋制-單道次彎曲積累的應變量也存在不足。

結合這些工藝的優缺點，本文在這些工藝的基礎上提出一種連續剪切彎曲工藝，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為連續彎曲）。RSCB工藝是將普通軋制變形、剪切變形和連續彎曲變形相結合，實現鎂合金的大塑性變形。利用軋制變形產生的摩擦力，使板料通過等高連續剪切彎曲的通道。

研究表明，經過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弱化、非基面織構形成及晶粒細化。

3 結語

隨著輕量化以及新型輕質材料的要求，鎂合金大塑性變形軋制技術也應運而生，協調織構控制和晶粒細化是充分改善鎂合金力學性能及提高鎂合金室溫成型性能的關鍵。但目前大多數鎂合金塑性變形軋制技術僅限于實驗研究，很難大批量商業化應用，其主要原因還是由于軋制過程中鎂合金板材所形成的強烈基面織構。因此，弱化變形鎂合金板材基面織構是今后開發高性能鎂合金板材的研究重點。