攪拌摩擦加工鎂合金的研究現(xiàn)狀分析

王賽香

摘 要：攪拌摩擦加工是在攪拌摩擦焊的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，目前已在國(guó)內(nèi)外的研究中逐漸被重視起來(lái)。在對(duì)鋁合金進(jìn)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(kuò)大鎂合全的應(yīng)用范圍，攪拌摩擦加工鎂合金的研究已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外的熱點(diǎn)。文章綜述了攪拌摩擦加工鎂合金的最新研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：鎂合金；攪拌摩擦加工；細(xì)晶；超塑性

中圖分類號(hào)：TG453 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）14-0107-02

自開發(fā)以來(lái)，攪拌摩擦加工（Friction sitr processing，F(xiàn)SP）在鋁合金方面的研究報(bào)道比較多，主要包括鋁基復(fù)合材料的制備、鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)改性以及細(xì)晶鋁合金的超塑性等，對(duì)鎂合金的研究相對(duì)較少。而鎂合金是目前工業(yè)應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，被譽(yù)為21世紀(jì)最具開發(fā)和應(yīng)用潛力的“綠色材料”，因此，對(duì)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(fù)合、微觀結(jié)構(gòu)改性以及細(xì)晶超塑性三方面對(duì)攪拌摩擦加工鎂合金的研究進(jìn)行介紹。

1 材料表面復(fù)合

根據(jù)攪拌摩擦加工在加工過(guò)程具備劇烈塑性變形的特點(diǎn)，目前已有不少研究者在對(duì)鋁合金和鎂合金復(fù)合材料的制備中應(yīng)用了攪拌摩擦加工，其意在利用攪拌摩擦加工過(guò)程中形成金屬間化合物作為增強(qiáng)相，從而提交金屬?gòu)?fù)合材料的組織和性能；該金屬?gòu)?fù)合材料的制備主要采用添加增強(qiáng)相材料的方式，最常用的增強(qiáng)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?gòu)?fù)合材料還有一種方式就是增強(qiáng)相自生成。

Morisada等人[1]采用攪拌摩擦加工通過(guò)對(duì)AZ31鎂合金板材添加SiC顆粒進(jìn)行了研究，加工前將SiC顆粒置于板材開的槽中，研究對(duì)添加了SiC顆粒的板材進(jìn)行攪拌摩擦加工，結(jié)果表明，加工后合金的晶粒尺寸由79.1 μm細(xì)化到6.0 μm，顯微硬度Hv由原來(lái)的48.0提高到69.3。

研究結(jié)果顯示，攪拌摩擦加工技術(shù)復(fù)合材料的顯微組織和力學(xué)性能都得到了改善，但是由于攪拌摩擦加工過(guò)程非?？?，添加的第二相粒子多半只是機(jī)械混和，且增強(qiáng)顆粒易于團(tuán)聚或者大部分分布在表層，因此其表面改性的作用還達(dá)不到理論上的效果，有待進(jìn)一步深入研究。

2 微觀結(jié)構(gòu)改性

一般而言，鑄態(tài)組織比較疏松且存在縮孔、樹枝晶以及粗大第二相，力學(xué)性能較差。傳統(tǒng)的方法是采用傳統(tǒng)塑性變形對(duì)其進(jìn)行加工，從而提高其力學(xué)性能。但傳統(tǒng)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(fā)現(xiàn)，攪拌摩擦加工在加工過(guò)程中能夠細(xì)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(shí)消除鑄造孔洞，從而使組織均勻化，進(jìn)而提高材料各方面的性能。因此，可以大膽地預(yù)測(cè)當(dāng)原始組織為鑄態(tài)的鎂合金材料經(jīng)攪拌摩擦加工后，其顯微組織結(jié)構(gòu)變化應(yīng)該會(huì)十分顯著，力學(xué)性能的改善效果也會(huì)比較明顯。

基于此，在對(duì)攪拌摩擦加工鋁合金微觀結(jié)構(gòu)改性方面進(jìn)行了大量的研究報(bào)道之后，學(xué)者也開始了對(duì)攪拌摩擦加工鎂合金尤其是鑄態(tài)鎂合金的研究。目前，研究學(xué)者主要對(duì)AZ系、ZK系以及一些稀土鎂合金的攪拌磨擦加工進(jìn)行了相關(guān)研究。王快社等[2]人在對(duì)鑄態(tài)AZ31鎂合金的攪拌磨擦加工的研究中發(fā)現(xiàn)，加工后合金的力學(xué)性能都有很大提高，同時(shí)經(jīng)金相組織觀察發(fā)現(xiàn)，原始鑄態(tài)組織中的粗大β-Mg17Al12相確實(shí)顯著破碎，且形成了均勻的再結(jié)晶組織；經(jīng)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(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用。同時(shí)，F(xiàn)eng等[3，4]對(duì)鑄造AZ91鎂合金也進(jìn)行了攪拌摩擦加工，同樣加工后的鑄造AZ91鎂合金的力學(xué)性能也得到了顯著提高，抗拉強(qiáng)度提高到377 MPa，疲勞強(qiáng)度為105 MPa，伸長(zhǎng)率達(dá)10%；通過(guò)金相組織觀察同樣發(fā)現(xiàn)加工后原始組織中大量粗大網(wǎng)狀共晶組織β-Mg17Al12發(fā)生了顯著破碎和溶解。研究表明，攪拌摩擦加工鑄態(tài)鎂合金確實(shí)能夠起到顯著破碎并溶解β相并對(duì)鑄態(tài)基體組織進(jìn)行了細(xì)化和均勻化，且其顯微組織的改善和力學(xué)性能的提高也是十分可觀的。

3 細(xì)晶超塑性

在細(xì)晶超塑性方面，目前通過(guò)傳統(tǒng)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(xì)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(shù)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(shù)因加工過(guò)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(huán)境等特點(diǎn)而使其具有一系列的優(yōu)勢(shì)，為制備細(xì)晶鎂合金材料以及實(shí)現(xiàn)超塑性成形提供了新的途徑，引起了廣大學(xué)者的興趣。

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

目前，不少研究表明，鎂合金經(jīng)攪拌摩擦加工后晶粒細(xì)化效果明顯，且采用FSP制備的細(xì)晶鎂合金在超塑性變形方面尤其高應(yīng)變速率超塑性方面表現(xiàn)出很大的潛力。Zhang等[5]首先對(duì)熱軋AZ31鎂合金進(jìn)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(yīng)變速率為1X10-

2 s-1的條件下延伸率達(dá)到268%，可見其具備高應(yīng)變速率超塑性。

隨后，Zhang等又對(duì)攪拌摩擦加工鑄態(tài)AZ91鎂合金的超塑性性能進(jìn)行了研究，其中在溫度為300 ℃，應(yīng)變速率為2X10-

2 s-1時(shí)，延伸率達(dá)207%，在溫度為200 ℃和應(yīng)變速率為3X10-

3 s-1時(shí)，延伸率達(dá)204.4%，結(jié)果表明，鑄態(tài)AZ91鎂合金經(jīng)攪拌摩擦加工后的不僅具備高應(yīng)變速率超塑性，還具備低溫超塑形。

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