任晨輝，宋世雄

（中冶東方工程技術(shù)有限公司，山東 青島 266555）

由于鎂合金具有密度低、比強(qiáng)度高、阻尼減震性和生物兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，使得鎂合金在交通、醫(yī)療、電子、軍工等領(lǐng)域得到普遍使用，且使用趨勢(shì)不斷擴(kuò)大。但在使用及研究過程中，鎂合金的不足之處也逐漸顯現(xiàn)出來，其缺點(diǎn)主要包括塑性較差、絕對(duì)強(qiáng)度低、耐腐蝕性差等，這些缺點(diǎn)限制了鎂合金的應(yīng)用和發(fā)展。大量試驗(yàn)結(jié)果顯示，細(xì)化鎂合金的晶?？梢约せ罾庵婊葡档?，有效改善其塑性加工成形性能，同時(shí)提高其綜合力學(xué)性能。

與其他晶粒細(xì)化的變形方法相比，強(qiáng)塑性變形可以在材料尺寸基本不變的前提下，對(duì)材料進(jìn)行反復(fù)變形，從而獲得較大的累積變形量，使材料的晶粒得到細(xì)化。當(dāng)前，對(duì)鎂合金進(jìn)行SPD變形的方法主要有等通道轉(zhuǎn)角擠壓、累積軋制、高壓扭轉(zhuǎn)、多向鍛造等[1]。本文對(duì)這幾種強(qiáng)塑性變形加工工藝的基本原理進(jìn)行了綜述，并分析了各種方法的局限性及發(fā)展方向。

1 鎂合金強(qiáng)塑性變形加工工藝

1.1 等通道轉(zhuǎn)角擠壓（ECAP）

等通道轉(zhuǎn)角擠壓（Equal channel angular pressing, ECAP）工藝所用特殊模具由兩段斷面相同的通道構(gòu)成，合金在外力作用下通過通道完成變形。由于ECAP變形工藝變形前后合金試樣的斷面基本不變，因此經(jīng)過多次變形后可獲得較大的總變形量。

ECAP變形的主要參數(shù)包含擠壓道次、模具結(jié)構(gòu)、擠壓溫度和擠壓路徑等。 其中擠壓道次和模具結(jié)構(gòu)（即模具內(nèi)角和外角）是影響試樣總變形量的主要參數(shù)，試樣的總變形量計(jì)算方法見式1

其中：n為擠壓道次；φ為模具內(nèi)角；ψ為模具外角。

楊寶成等[2]對(duì)ZAM63-1Si進(jìn)行ECAP試驗(yàn)，分析了變形次數(shù)對(duì)晶粒細(xì)化效果及第二相Mg2Si分布的影響。結(jié)果表明，經(jīng)過1次ECAP變形后，鎂合金的和顯著提升，2～4次ECAP變形后，和提升幅度較小，但延伸率提升顯著。作者認(rèn)為，1次ECAP擠壓后，試樣基體晶粒顯著細(xì)化，而2～4道次ECAP擠壓后，晶粒尺寸并未繼續(xù)減小，只是更加均勻，因此和變化不明顯。 但2～4道次擠壓過程中，粗大的第二相逐漸破碎成顆粒并均勻的分布在基體中，從而提升試樣延伸率。

根據(jù)合金在各擠壓道次之間的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和方位的差別，可將ECAP擠壓變形分為A、BA、BC、C，其中A是指合金在各個(gè)變形道次之間不轉(zhuǎn)動(dòng)；BA是指合金在各個(gè)變形道次之間轉(zhuǎn)動(dòng)90°，相鄰兩次轉(zhuǎn)動(dòng)方位相反；BC是指合金在各個(gè)變形道次之間轉(zhuǎn)動(dòng)90°，轉(zhuǎn)動(dòng)方位保持一致；C是指合金在各個(gè)變形道次之間轉(zhuǎn)動(dòng)180°。劉英等[3]以AZ31為對(duì)象，分別實(shí)施4種不同路徑ECAP擠壓試驗(yàn)，經(jīng)過12道次ECAP后，4種不同變形路徑得到的晶粒大小均為8～10μ m，但力學(xué)性能差別很大。其中經(jīng)過A、C路徑擠壓后合金的延伸率略有提高，但經(jīng)過BA、BC路徑擠壓后合金的延伸率提高至40%～50%。 X射線衍射結(jié)果顯示， A、 C路徑擠壓后（0001）晶面織構(gòu)依然存在較為集中的現(xiàn)象，而 BA、BC路徑變形后（0001）晶面織構(gòu)分布相對(duì)分散，從而提升合金的延伸率。

1.2 累積軋制（ARB）

累積疊軋（Accumulative roll bonding, ARB）工藝原理如圖1所示：將兩塊長(zhǎng)寬相等、厚度均為h的板材表面處理并固定在一起，加熱后軋制成厚度為h的板材。再將軋制后的板制備成尺寸相等的兩塊板，繼續(xù)軋制，直至達(dá)到所需變形量。在ARB變形過程中，如果忽略板材在變形過程中的寬展，則材料在變形前后尺寸幾乎無變化，因此理想狀態(tài)下，可以獲取相當(dāng)大的總應(yīng)變量。與其他劇烈塑性變形技術(shù)相比，ARB變形工藝簡(jiǎn)單，成本低，不需要特殊的設(shè)備或模具，生產(chǎn)效率高，容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

圖1 累積疊軋工藝原理圖

對(duì)于累積疊軋變形工藝，除晶粒尺寸與組織均勻性外，界面之間的結(jié)合質(zhì)量是影響最終性能的另一個(gè)主要因素。目前，對(duì)于疊軋過程中金屬界面之間的結(jié)合機(jī)理仍沒有統(tǒng)一理論，比較認(rèn)可的幾種結(jié)合理論包括：再結(jié)晶理論、金屬鍵理論、擴(kuò)散理論等。一般認(rèn)為，ARB變形時(shí)金屬與軋輥之間的摩擦力與剪切力等的共同作用使金屬表面發(fā)生開裂。在后序變形中，被暴露的金屬之間在軋制力及剪切力的作用下互相融合，形成緊密的結(jié)合面。同時(shí)由于結(jié)合面的應(yīng)力集中，會(huì)導(dǎo)致大量的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，使結(jié)合面處的晶粒更加細(xì)化。郭俊卿[4]等以AZ63鎂合金為材料進(jìn)行累積疊軋實(shí)驗(yàn)，并提出再結(jié)晶和晶界的運(yùn)動(dòng)是導(dǎo)致結(jié)合面“湮沒”的主導(dǎo)因素。

1.3 高壓扭轉(zhuǎn)（HPT）

高壓扭轉(zhuǎn)（High pressure torsion, HPT）工藝是在常溫或0.4Tm以下，對(duì)放置在模具之間的材料施加高壓，同時(shí)旋轉(zhuǎn)下模具，材料由于主動(dòng)摩擦發(fā)生扭轉(zhuǎn)，進(jìn)而出現(xiàn)切向剪切形變和軸向壓縮形變。

在使用過程中，高壓扭轉(zhuǎn)變形工藝又包括無約束型HPT和約束型HPT兩種，其工藝原理如圖2所示。對(duì)于無約束型HPT（如圖2（a）），與金屬接觸的上下模具均無凹槽，金屬在受壓扭轉(zhuǎn)的過程中高度降低，半徑變大。由于金屬自由向外擴(kuò)展，在變形過程中僅有部分金屬與模型接觸而產(chǎn)生剪切變形和壓縮變形。對(duì)于約束型HPT（如圖2（b）），金屬放置在下模具的凹槽內(nèi)，變形過程中外形尺寸基本不改變，但在實(shí)際應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn)。因此一般采用半約束型HPT（如圖2（c）），即限制了金屬向外延展，又保證足夠的形變量。

圖2 （a）無約束型HPT（b）約束型HPT（c）半約束型HPT

高壓扭轉(zhuǎn)變形后，金屬的形變可用公式2進(jìn)行計(jì)算。

式中：N為轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，h為金屬高度。

可以通過式3轉(zhuǎn)化為等效變形量

與其他劇烈塑性變形相比，在高壓扭轉(zhuǎn)過程中，鎂合金受到強(qiáng)烈的壓縮和扭轉(zhuǎn)變形，因此在變形前不需要鑄態(tài)鎂合金進(jìn)行均勻化處理，可在室溫下實(shí)現(xiàn)大變形，晶粒細(xì)化效果更佳顯著。試驗(yàn)顯示，經(jīng)過5次HPT加工后，Mg-1Zn-0.13Ca的晶粒減小至150nm，硬度提高至99HV。孫婉婷等[5]對(duì)鑄態(tài)Mg-8.2Gd-3.8Y在室溫下進(jìn)行HPT變形，當(dāng)?shù)刃ё冃瘟吭黾又?時(shí)，晶粒減小至55nm，共晶相在變形過程中破碎并彌散分布，硬度值提高至115HV。夏顯明等[6]以擠壓態(tài)ZK60為材料進(jìn)行高壓扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，結(jié)果表明，應(yīng)變量由試樣芯部至邊緣逐漸增大，邊緣部分晶粒細(xì)化效果更佳明顯。其硬度由芯部至邊緣呈“V”型分布，且隨著HPT變形次數(shù)增加，相應(yīng)位置的硬度逐漸增大。

1.4 多向鍛造（MF）

多向鍛造技術(shù)（Multi-directional forging, MF）原理如圖3所示。單一方向的鍛造容易造成材料內(nèi)部產(chǎn)生各向異性，多向鍛造則是在鍛造過程中不斷改變方向，通過反復(fù)變形實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化。一般鍛造前試樣需要加熱，鍛造溫度為0.1～0.5Tm。

圖3 高壓扭轉(zhuǎn)工藝原理圖

郭強(qiáng)等[7]對(duì)均勻化處理后的AZ80在300℃以上進(jìn)行7道次MF變形，經(jīng)過2次MF變形后，初始大晶粒被破碎，晶粒尺寸由126μm減小至15～25μm，并出現(xiàn)局部的小晶粒。經(jīng)過5次MF變形后，大量的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶使晶粒減小至1～2μm，后序MF變形晶粒細(xì)化效果不顯著。作者認(rèn)為，多向鍛造過程中，合金內(nèi)部產(chǎn)生大量的相互交叉的變形帶，這是導(dǎo)致晶粒細(xì)化的主要原因。同時(shí)在多向鍛造過程中，當(dāng)?shù)刃ё冃瘟窟_(dá)到一定值后，晶粒細(xì)化效果不再顯著。

普通多向鍛造多數(shù)在較低的變形速度下進(jìn)行，為保證變形溫度需要多次加熱，加大生產(chǎn)成本。吳志遠(yuǎn)等[8]對(duì)AZ31進(jìn)行一火高應(yīng)變速率MF變形，研究結(jié)果顯示，當(dāng)應(yīng)變量小于1.32時(shí)，孿晶是造成晶粒細(xì)化的主導(dǎo)原因，晶粒由500μm降低至7.4μm。當(dāng)應(yīng)變量大于1.32時(shí)，熱激活長(zhǎng)大占主要地位，并導(dǎo)致部分晶粒長(zhǎng)大至35μm。高應(yīng)變速率多向鍛造的解決中間加熱問題的同時(shí)，可以達(dá)到同樣的細(xì)化晶粒的效果。

2 結(jié)論

近年來鎂合金的SPD變形研究已經(jīng)取得了大量的研究結(jié)果。但是由于鎂合金經(jīng)SPD變形后晶粒尺寸非常細(xì)小，同時(shí)出現(xiàn)了一些高的屈服應(yīng)力、大幅度提高的塑性及低溫超塑性等特殊的性能。因此在SPD變形過程中，普通塑性變形的變形機(jī)制不能完全適用，一些高溫變形機(jī)制在室溫下也可能出現(xiàn)。

同時(shí)，SPD雖然可以制備出性能良好的鎂合金結(jié)構(gòu)件，但由于尺寸較小，實(shí)際應(yīng)用范圍很小。且一些SPD所需的模具價(jià)格昂貴、工序復(fù)雜，增加生產(chǎn)成本，限制其應(yīng)用和發(fā)展。因此，鎂合金的SPD工藝需要進(jìn)一步改進(jìn)，并開發(fā)新設(shè)備，制備大尺寸結(jié)構(gòu)件，以降低成本，擴(kuò)大使用范圍。