高性能軋制鎂合金研究進(jìn)展

（吉林大學(xué) 汽車材料教育部重點實驗室 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長春 130025）

鎂合金由于具有高比強(qiáng)度、低密度和易回收利用等優(yōu)點，被譽為21 世紀(jì)的綠色工程材料[1—3]。隨著能源危機(jī)日益嚴(yán)重及輕量化需求增加，作為最有潛力的輕量化金屬材料，鎂合金板材在汽車、航空航天等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景[4]。軋制作為一種適用于工業(yè)大批量生產(chǎn)的加工方式，能夠有效地細(xì)化晶粒組織，提高鎂合金板材的力學(xué)性能[5]，其制備的鎂合金板材受到了廣泛關(guān)注[6]。鎂合金為密排六方結(jié)構(gòu)，室溫下可開啟的滑移系有限，且在軋制過程中極易形成強(qiáng)基面織構(gòu)、易產(chǎn)生邊裂[5,7]、成形性差，獲得的板材往往塑性較低[8—10]，因此，研發(fā)低成本、高效率的軋制成形技術(shù)生產(chǎn)高性能鎂合金板材是近年來研究的焦點。

為了提高鎂合金板材的成形性，目前工業(yè)生產(chǎn)中多采用多道次小壓下量結(jié)合多次中間退火的熱軋工藝[10]。近年來，吉林大學(xué)WANG H Y 課題組采用13道次小壓下量降溫軋制制備了具有等軸細(xì)晶組織的Mg-9Al-1Zn （AZ91）鎂合金，其室溫下抗拉強(qiáng)度高達(dá)382 MPa，300 ℃下伸長率高達(dá)697%[11]；但是，該工藝涉及到多次中間加熱與保溫，不利于降低能源消耗和生產(chǎn)成本，因此，仍需對先進(jìn)低成本軋制工藝進(jìn)行探索研究。

文中主要介紹近年來采用先進(jìn)軋制成形方法，如襯板控軋、非對稱軋制、交叉軋制、累積疊軋、電脈沖輔助軋制及鑄軋，在鎂合金板材制備方面的最新研究進(jìn)展，并對此進(jìn)行總結(jié)與展望。

1 襯板控軋

研究表明，采用單道次大壓下量軋制可獲得具有優(yōu)異綜合力學(xué)性能的混晶結(jié)構(gòu)組織[12]，但這一過程對板材施加較大的剪切力，易導(dǎo)致邊裂，從而限制可生產(chǎn)板材的寬度[13]。為了解決這一問題，吉林大學(xué)WANG H Y 等[14]研發(fā)了新型襯板控軋技術(shù)（Hardplate rolling，HPR），即在軋制樣品上下表面分別附加一塊硬質(zhì)合金襯板，與樣品同時送入軋輥中進(jìn)行軋制，如圖1 所示。與傳統(tǒng)多道次小壓下量軋制技術(shù)相比，HPR 技術(shù)在保證對板材邊部控形的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了單道次大壓下量（～90%）軋制。盡管HPR 引入的應(yīng)變量與大塑性變形技術(shù)（Severe plastic deformation，SPD）相比仍然很小，但遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)軋制單道次壓下量（～20%），在提升軋制效率方面具有極大的潛力[17]。采用HPR 制備的AZ91 合金具有混晶結(jié)構(gòu)組織和弱織構(gòu)（如圖2 所示），實現(xiàn)了強(qiáng)塑性同時提升，板材抗拉強(qiáng)度高達(dá)370 MPa，均勻伸長率大于20%。

圖1 襯板控軋示意圖[14]Fig.1 Schematic diagram of hard-plate rolling (HPR)

在襯板控軋過程中，樣品與軋輥無直接接觸，熱傳遞主要是從襯板傳向軋輥，極大降低了樣品的冷卻速率，減小了實際軋制溫度與理論軋制溫度間的誤差。ZHA M 等[12]認(rèn)為在軋制過程中樣品熱損失的降低促進(jìn)了局部動態(tài)再結(jié)晶，從而有利于形成具有弱基面織構(gòu)的再結(jié)晶晶粒。其次，傳統(tǒng)軋制中軋輥與樣品為線接觸，而在襯板控軋中軋輥對襯板施加剪切力將其咬入，襯板與樣品為面接觸，這一過程成功地將傳統(tǒng)軋制中樣品所受的剪切應(yīng)力部分轉(zhuǎn)變?yōu)榱搜胤ㄏ颍∟ormal direction）的壓應(yīng)力，有效緩解了邊裂問題[14]。

圖2 350 ℃襯板控軋AZ91 合金EBSD 分析[14]Fig.2 EBSD analysis of AZ91 alloys processed by HPR at 350 ℃

襯板控軋制備的鎂合金板材還顯現(xiàn)出優(yōu)異的超塑性。ZHANG H M 等[16]通過襯板控軋（單道次80%壓下量）制備的混晶結(jié)構(gòu)AZ91 鎂合金在300 ℃下伸長率為～580%，呈現(xiàn)出極佳的超塑性。YU Z P 等[17]通過對AZ91-0.4Sn 進(jìn)行單道次襯板控軋和兩道次普通軋制的復(fù)合軋制，獲得近球形第二相及均勻細(xì)晶組織。該合金在200 ℃下拉伸，斷裂伸長率為96%，表現(xiàn)出較好的低溫超塑性?？紤]到均勻粗晶組織通常需要經(jīng)過十幾道次的普通軋制才能獲得與之相似的鎂合金超塑性[12]，襯板控軋在生產(chǎn)超塑性鎂合金方面也具有極大的優(yōu)勢。

將襯板控軋應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)還存在一些問題，如襯板控軋過程中襯板的消耗會造成生產(chǎn)成本的提高，襯板與樣品的位置如何實現(xiàn)快速有效的固定仍需進(jìn)一步研究等。

2 非對稱軋制

目前，生產(chǎn)鎂合金板材的軋制工藝主要為對稱軋制。近年來一些研究表明，與傳統(tǒng)軋制相比，采用非對稱軋制技術(shù)制備的鎂合金無論在力學(xué)性能還是成形性上均有大幅提升。曹東東等[18]發(fā)現(xiàn)非對稱軋制的AZ31 板材抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率均優(yōu)于對稱軋制板材。差速軋制（Differential speed rolling，簡稱DSR）是一種典型的非對稱軋制方法，其特點是上下輥線速度不同。差速軋制會降低外摩擦所形成的水平壓力對變形的阻礙作用，減小軋制變形總壓力，提高生產(chǎn)效率[19]。眾所周知，鎂合金基面織構(gòu)的弱化是提升成形性的可靠手段，而傳統(tǒng)的對稱軋制往往會使其形成強(qiáng)基面織構(gòu)，影響后續(xù)加工過程。KIM W J 等[20]發(fā)現(xiàn)，與對稱軋制板材相比，差速軋制AZ31 板材基面織構(gòu)明顯弱化，如圖3 所示。UCUNCUOGLU S 等[21]對AZ31 鎂合金分別進(jìn)行對稱軋制和非對稱軋制，發(fā)現(xiàn)非對稱軋制板材基面織構(gòu)峰值由于剪切應(yīng)力的引入呈朝橫向（Transverse direction）傾斜的趨勢。

圖3 AZ31 極圖[20]Fig.3 Pole figures of AZ31

ZHOU X 等[22]探究了差速軋制對Mg-8Li-3Al-1Y合金的微觀組織和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)由于強(qiáng)剪切變形的引入，出現(xiàn)了更多被拉長的條狀晶粒。實驗結(jié)果表明差速比和壓下量對鎂合金板材性能有重要影響。在相同的差速比下，其抗拉強(qiáng)度隨著壓下量的增加而提高。當(dāng)壓下量為30%時，采用1∶1.3 的差速比進(jìn)行軋制，板材室溫拉伸性能最優(yōu)，抗拉強(qiáng)度可達(dá)286 MPa，伸長率為7%。此外，KIM Y S 等[23]在300 ℃下對AZ91 鎂合金進(jìn)行高比例差速軋制，獲得了優(yōu)異的超塑性，伸長率高達(dá)830%。

改變受力對稱性的軋制方式也類屬于非對稱軋制。WANG H Y 等[24]提出了一種新的非對稱軋制方法——波形軋制（Wave-shaped rolling，WSR），其示意圖如圖4 所示。通過在板材的下表面添加一塊波浪形模具，使上下表面軋制應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)榉菍ΨQ狀態(tài)，這一步驟使板材基面織構(gòu)明顯減弱，隨后運用傳統(tǒng)軋制將板材壓平。采用WSR 技術(shù)加工制備的Mg-6Al-3Sn（AT63）合金具有優(yōu)異的加工硬化能力，斷裂伸長率高達(dá)22.5%（如圖5 所示）。目前，非對稱軋制主要集中于理論研究階段，應(yīng)用范圍較小，有待進(jìn)行更深入的研究，進(jìn)一步優(yōu)化軋制設(shè)備及工藝參數(shù)。

圖4 波形軋制示意圖[24]Fig.4 Schematic diagram of wave-shaped die rolling (WDR)

圖5 由傳統(tǒng)軋制和波形軋制制備的AT63鎂合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線[24]Fig.5 Stress-strain curves of the AT63 alloy sheets fabricated by WDR and direct rolling

3 交叉軋制

大多數(shù)軋制方法均為單向軋制，而鎂合金在單向軋制過程中易形成強(qiáng)基面織構(gòu)，且易呈現(xiàn)出強(qiáng)各向異性，影響板材成形性[25]。與單向軋制相比，李奇等[26]發(fā)現(xiàn)交叉軋制能夠弱化基面織構(gòu)，使組織均勻化。交叉軋制Mg-6Zn-0.5Zr（ZK60）板材的力學(xué)性能有所提升。研究表明，軋制方向的改變有利于板材基面織構(gòu)弱化及各向異性減弱，為板材后續(xù)深沖變形提供了有利條件[27]。

為了探究軋制方向改變的角度對鎂合金組織和性能的影響，LUO D 等[28]分別采用單向軋制、首尾相接式軋制（即每道次與上一道次軋制方向改變180°）和多向軋制（即每道次與上一道次軋制方向改變90°）對AZ31 板材進(jìn)行了8 道次軋制。研究表明，首尾相接式軋制的晶粒細(xì)化效果和基面織構(gòu)弱化效果最佳，因而該樣品力學(xué)性能最為優(yōu)異（抗拉強(qiáng)度為301 MPa，伸長率高達(dá)28.9%）。該工作為進(jìn)一步研究交叉軋制工藝參數(shù)提供了借鑒，對未來高性能鎂合金軋制技術(shù)的發(fā)展起到了推動作用。

4 疊軋

近年來，納米晶和超細(xì)晶材料因顯現(xiàn)出優(yōu)異強(qiáng)度而成為研究焦點。目前，SPD 技術(shù)由于能制備高強(qiáng)超細(xì)晶/細(xì)晶組織被認(rèn)為是提高鎂合金力學(xué)性能的有效手段[29—31]。其中，累積疊軋（Accumulative roll bonding，ARB）作為能夠引入大應(yīng)變的軋制手段受到了廣泛關(guān)注，疊軋示意圖如圖6 所示。ARB 生產(chǎn)效率高、成本低，可實現(xiàn)每道次大壓下量軋制，突破了常規(guī)軋制的局限性，可制備出具有均勻細(xì)晶組織的大尺寸板材[27]。此外，兩塊板材疊軋后會存在結(jié)合面，研究表明結(jié)合面的存在能夠有效抑制裂紋的擴(kuò)展[32]。

圖6 疊軋示意圖Fig.6 Schematic diagram of accumulated roll bonding (ARB)

SAUFAN A 等[33]發(fā)現(xiàn)對Mg-9Li-1Zn 進(jìn)行5 道次ARB，可以充分發(fā)揮應(yīng)變硬化和晶粒細(xì)化作用，實現(xiàn)強(qiáng)度的提高，且ARB 道次越多，引入的塑性變形量越大，強(qiáng)度越高，而塑性呈降低趨勢。TROJANOVA Z 等[34]發(fā)現(xiàn)板材組織均勻性隨ARB 道次的增加而提高。疊軋板材具有強(qiáng)基面織構(gòu)且呈現(xiàn)出平面塑性各向異性，這均不利于后續(xù)加工。針對ARB 樣品的這一局限性，WU H 等[35]運用交叉疊軋制備了具有超細(xì)晶組織的Mg-5Li-Al 合金板材，同時降低了板材的各向異性，并弱化了基面織構(gòu)。該工藝結(jié)合了交叉軋制和ARB 的優(yōu)點，在保持板材伸長率基本不變的前提下，實現(xiàn)了強(qiáng)度的提高。

ARB 除了用于制造超細(xì)晶材料以外，還被成功用于復(fù)合板材的制造。研究表明，Mg-Al 層狀復(fù)合材料具有較好的耐腐蝕性能[36]，這有利于擴(kuò)大鎂合金的應(yīng)用范圍。WU K 等[37]運用ARB 制備了Mg-Al 層狀金屬復(fù)合材料。ANNE G 等[38]利用 ARB 制備了Mg-2Zn/Al/Ce 多層復(fù)合板材，發(fā)現(xiàn)與Mg-2Zn 相比，5 道次ARB 后的復(fù)合板材抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別提高了38%和56%，伸長率約為其1.8 倍，并且展現(xiàn)出優(yōu)異的抗腐蝕性能。

5 電脈沖輔助軋制

電脈沖輔助軋制（Pulsed electric current assisted rolling，ER）基于電塑性效應(yīng)，即材料的變形抗力在運動電子的作用下會急劇下降，塑性明顯提高的現(xiàn)象[6]，被用來實現(xiàn)每道次大壓下量變形。

電脈沖輔助軋制對鎂合金力學(xué)性能的具體影響已經(jīng)在許多研究中得到了體現(xiàn)。KUANG J 等[39]發(fā)現(xiàn)電脈沖輔助軋制可以使AZ31 鎂合金產(chǎn)生向TD 分裂的弱基面織構(gòu)，并運用模型分析發(fā)現(xiàn)脈沖電流的引入會導(dǎo)致柱面滑移增強(qiáng)，從而形成了弱基面織構(gòu)，提高了鎂合金板材的成形性。LIAO H M 等[40]對AZ31鎂合金帶材進(jìn)行電脈沖輔助溫軋，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)軋制樣品相比，電塑性輔助溫軋可以加速動態(tài)再結(jié)晶，使樣品斷裂伸長率得到提升，且隨著每道次壓下量的增加而增加。

電流可使裂紋尖端處匯聚充足的熱量，從而使尖端鈍化，抑制裂紋的擴(kuò)展[41]。電脈沖輔助軋制技術(shù)可以實現(xiàn)局部控溫，抑制鎂合金軋制過程中出現(xiàn)邊裂，這對室溫下具有有限滑移系的鎂合金生產(chǎn)具有重要意義。XU Z 等[42]運用電脈沖輔助軋制實現(xiàn)了AZ31鎂合金帶材的生產(chǎn)，并且該生產(chǎn)方式還可通過在回路中增加傳感器等裝置實現(xiàn)生產(chǎn)中的實時監(jiān)控，極具應(yīng)用潛力。由于電脈沖輔助軋制過程中電流流經(jīng)軋輥，且軋輥長期處于高溫，極易造成軋機(jī)的磨損，影響設(shè)備的使用壽命[43]。

6 鑄軋

近年來，鑄軋生產(chǎn)鎂合金板材趨于成熟，其工藝如圖7 所示[44]。該加工方法是將熔融金屬直接澆入軋輥間進(jìn)行軋制，充分利用熔融金屬的殘余熱量，避免了后續(xù)軋制過程中的二次加熱，將板材的鑄造與熱軋工藝合二為一，節(jié)省能源并簡化生產(chǎn)流程，極大提高了鎂板生產(chǎn)效率，可實現(xiàn)自動化生產(chǎn)[44—46]。此外，該方法有利于細(xì)化組織，實現(xiàn)力學(xué)性能的提高[46]。

目前，關(guān)于鑄軋鎂合金板材微觀組織已經(jīng)有了較多研究[44—49]。當(dāng)熔融金屬與軋輥接觸時，柱狀枝晶會沿著垂直于軋輥表面的方向自上而下生長[47]。鑄軋鎂合金板材表層因冷速高，微觀組織為細(xì)小的等軸晶，而板材中間厚度由于冷速低呈現(xiàn)為樹枝晶[48]。BAE J H 等[49]發(fā)現(xiàn)，由于內(nèi)部冷速慢，軋輥后中間厚度區(qū)域為尚未完全凝固的糊狀區(qū)域，該部位存在偏析現(xiàn)象。如圖8 所示，AZ31 板材中存在的Al/Zn 元素中心線偏析，會對板材性能產(chǎn)生直接影響。為此，YANG X L等[44]在鑄軋前增加了一道熔體剪切調(diào)節(jié)步驟。熔體剪切調(diào)節(jié)使鑄軋鎂合金偏析現(xiàn)象得到了明顯改善，獲得了均勻細(xì)晶組織。

圖7 雙輥鑄軋工藝示意圖[44]Fig.7 Schematic diagram of twin-roll casting (TRC)

圖8 鑄軋AZ31 的元素的EPMA 圖[49]Fig.8 EPMA figures of TRCed AZ31 alloys

為了進(jìn)一步探索鑄軋鎂合金板材的特征，YU Q L 等[50]對不同成分的鑄軋鎂合金板微觀組織和織構(gòu)演化進(jìn)行了深入觀察，發(fā)現(xiàn)鑄軋純鎂板材中無枝晶且存在孿晶，而鑄軋Mg-8Al-2Sn（A8S2）板材中存在大量枝晶且第二相偏析嚴(yán)重。他們采用具有強(qiáng)穿透力的中子衍射技術(shù)實現(xiàn)了對鑄軋鎂合金板材大塊體織構(gòu)的測量，實驗結(jié)果如圖9 所示。研究發(fā)現(xiàn)，鑄軋純鎂板材呈現(xiàn)強(qiáng)基面軋制織構(gòu)，而A8S2 板材呈現(xiàn)沿TD擴(kuò)展的弱基面織構(gòu)。此外，WATARI H 等[51]對鑄軋AZ31 板材的熱軋工藝參數(shù)和退火溫度進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)400 ℃的軋制溫度可以有效避免邊裂現(xiàn)象，結(jié)合350 ℃下2 h 的退火處理有利于獲得較好的成形性。

圖9 中子衍射測量的鑄軋純鎂和鑄軋A8S2 的(0002)極圖[50]Fig.9 (0002) pole figures of TRCed pure magnesium,TRCed A8S2 alloys measured by neutron diffraction

雙輥鑄軋技術(shù)作為一種高效板材制備手段，已經(jīng)在多個國家得到了成熟的發(fā)展與應(yīng)用，但是，鑄軋時鎂合金液流狀態(tài)和凝固過程復(fù)雜，其組織和性能調(diào)控仍存在挑戰(zhàn)，這需要對鑄軋鎂合金板材組織及鑄軋成形過程進(jìn)行深入研究，探索并模擬其具體凝固過程，為獲得無缺陷且組織均勻的高性能鎂合金板材提供理論支撐。

7 結(jié)語

隨著能源消耗問題日益嚴(yán)重以及輕量化需求的不斷增加，鎂合金板材應(yīng)用范圍愈發(fā)廣闊，而高性能鎂合金板材的制備與自動化生產(chǎn)是研究的熱點。為進(jìn)一步實現(xiàn)其快速發(fā)展，許多研究者聚焦于此并不斷創(chuàng)新優(yōu)化，主要包括以下幾個方面。

1）研發(fā)低成本高性能鎂合金板材短流程制備技術(shù)。生產(chǎn)適合工業(yè)應(yīng)用的高性能鎂合金板材，制備工藝尤為重要。目前，許多先進(jìn)軋制手段在制備高性能鎂合金板材方面極具潛力，但其工藝窗口較窄，在實際生產(chǎn)中難以對鎂合金板材的組織與性能進(jìn)行有效調(diào)控，仍需更為全面的探索與優(yōu)化，以開發(fā)適合于企業(yè)應(yīng)用的低成本短流程軋制工藝。

2）開發(fā)新型低合金高性能鎂合金。從合金成分設(shè)計方面考慮，某些合金元素的添加往往能帶來巨大的性能提升，如能夠促進(jìn)軋制過程中非基面滑移的開啟，從而弱化基面織構(gòu)，并提高鎂合金的軋制成形性，但高含量合金元素添加會導(dǎo)致生產(chǎn)成本提高以及軋制過程中裂紋的產(chǎn)生，因此，如何在低合金含量軋制鎂合金中獲得較高的綜合力學(xué)性能將成為今后研究的熱點。目前已經(jīng)研發(fā)出一些低合金高性能鎂合金，其性能可與高合金含量鎂合金性能相媲美。

3）進(jìn)一步深入探索組織-性能關(guān)系。目前已有許多研究集中于揭示鎂合金強(qiáng)韌化機(jī)制并建立工藝-組織-性能關(guān)系，為通過組織調(diào)控獲得目標(biāo)性能奠定了基礎(chǔ)。未來研究需進(jìn)一步利用現(xiàn)代先進(jìn)表征方法對大塊材料進(jìn)行更大范圍的深度表征，以更好地指導(dǎo)成分設(shè)計及軋制工藝優(yōu)化。