鎂合金超塑性研究進展

（東北大學 材料科學與工程學院，沈陽 110819）

鎂合金由于其密排六方晶體結構，室溫變形能力差，但在超塑性條件下可以獲得良好的塑性。超塑性成形使鎂合金材料成形為復雜形狀的部件成為了可能，在工業(yè)上有相當大的應用潛力，因此鎂合金的超塑性研究受到了廣泛重視。

通常認為超塑性是指材料在一定的組織、溫度和應變速率條件下表現(xiàn)出無明顯縮頸的異常高的塑性的能力。LANGDON[1]認為超塑性是多晶材料在斷裂前以各向同性方式表現(xiàn)出很高伸長率的能力，伸長率通常≥400%，應變速率敏感性指數(shù)約為0.5。KAWASAKI等[2]提出超塑性的晶粒尺寸要求＜10 μm，對于實現(xiàn)鎂合金超塑性而言，可以通過熱機械化加工、劇烈塑性變形和低溫球磨獲得細小晶粒，也可以在拉伸時通過連續(xù)動態(tài)再結晶達到細化晶粒的目的。

1 Mg-Al 系合金超塑性

Mg-Al 系合金是目前使用最廣泛的鎂合金，為了使塑性有所提高，大部分的Mg-Al 系合金中均添加了少量的 Zn 元素。MOHRI 等[3]將 5.2 mm 厚的Mg-9Al-1Zn 合金塊在673K 溫度下以每道次10%～20%的壓下率反復加熱、軋制至1.4 mm，軋態(tài)晶粒尺寸為39.5 μm，在溫度為573 K、應變速率為1.5×10-3s-1條件下獲得604%的伸長率。實驗發(fā)現(xiàn)，雖然軋態(tài)晶粒尺寸遠遠高于超塑性所需的細晶尺寸，但試樣在拉伸時發(fā)生了連續(xù)動態(tài)再結晶，從而實現(xiàn)晶粒細化，在真應變?yōu)?.6 時，晶粒尺寸細化至9.1 μm。CHAI等[4]比較了 AZ91 鎂合金在空氣中攪拌摩擦加工（FSP）和水下攪拌摩擦加工（SFSP）的超塑性行為，發(fā)現(xiàn)由于SFSP 加工冷卻速度更快，經(jīng)加工后晶粒尺寸細化至1.2 μm，與FSP 加工后的晶粒尺寸7.8 μm相比，晶粒細化效果更加顯著，并且通過拉伸實驗發(fā)現(xiàn)，二者最佳超塑性變形溫度均為623 K，經(jīng)SFSP加工的試樣在2×10-2s-1應變速率條件下獲得990%的伸長率，表現(xiàn)出優(yōu)異的高應變速率超塑性，相同條件下FSP 試樣僅為158%。MASADA 等[5]研究了AZ61超細晶鎂合金的超塑性，經(jīng)處理后的合金平均晶粒尺寸細化至450 nm，在1×10-3s-1、473 K 的理想超塑性條件下，伸長率最大可達到1140%，此時的應變速率敏感性指數(shù)為0.4。KIM 等[6]將高速比差速軋制應用于鑄態(tài)AZ91 鎂合金，晶粒細化效果顯著，軋制后晶粒尺寸從53 μm 細化至1～2 μm，在1×10-3s-1、573 K 的理想超塑性條件下，伸長率最大可達到830%。王新等[7]針對 3 種高 Ca/Al 比的 Mg-Al-Ca 合金（Mg-3.7Al-3.8Ca，Mg-4.4Al-4.5Ca 和 Mg-4.9Al-5.0Ca）的超塑性行為展開研究，發(fā)現(xiàn)鑄態(tài)鎂合金具有二次相Al2Ca 分布于晶界的枝晶結構，經(jīng)擠壓后，合金的晶粒明顯細化，Mg-3.7Al-3.8Ca、Mg-4.4Al-4.5Ca 和Mg-4.9Al-5.0Ca 的晶粒尺寸分別從67，62，50 μm 細化至為5.5，4.5，3.5 μm，二次相也被細化為更小的粒子，這些合金在400 ℃、3.6×10-4s-1條件下都表現(xiàn)出很高的伸長率，其中Mg-4.9Al-5.0Ca 獲得了572%的最大伸長率。ZHA 等[8]采用常規(guī)軋制制備了含有高體積分數(shù) Mg17Al12球狀顆粒的 Mg-9Al-1Zn(AZ91)細晶合金，晶粒尺寸約為3 μm，研究其在應變速率10-3s-1條件下的超塑性，實驗發(fā)現(xiàn)該合金在250 ℃和300 ℃分別獲得了～563%和～735%的最大伸長率，說明軋后AZ91 合金的超塑性存在于較寬的溫度范圍內（250～300 ℃），在此溫度范圍內伸長率超過500%。RONG 等[9]將襯板軋制應用于Mg-7Al-5Zn 合金，獲得晶粒尺寸約為6 μm 的均勻細晶組織，在300 ℃、1×10-3s-1條件下獲得了～615%的最大伸長率。LEE 等[10]采用快速凝固片狀粉末冶金法制備了AZ91 鎂合金，在初始應變速率為10-2s-1、溫度為623 K 時，獲得了最大伸長率465%，研究認為這種高應變速率超塑性歸功于有效的晶粒細化（平均晶粒尺寸約為1 μm）和組織的高熱穩(wěn)定性。WANG 等[11]研究了攪拌摩擦焊制備的AZ80 鎂合金超塑性變形，發(fā)現(xiàn)攪拌摩擦焊對合金的晶粒細化效果顯著，在3×10-4s-1、350 ℃條件下可獲得606%的最大伸長率。ZHANG 等[12]研究了軋制 Mg-8Al-2Sn（AT82）和Mg-8Al-1Sn-1Zn（ATZ811）合金的高溫超塑性變形行為，實驗發(fā)現(xiàn)，在溫度573 K、應變速率10-3s-1條件下，ATZ811 合金獲得約510%的伸長率，而AT82合金獲得約380%的伸長率。研究認為這是因為在高溫拉伸變形過程中，Mg2Sn 顆粒與基體之間的不協(xié)調變形會導致空洞的形成，與AT82 合金相比，ATZ811合金用1Zn 代替1Sn（質量分數(shù)），Mg2Sn 顆粒減少，均勻性更好，從而抑制了空洞的形成，獲得了優(yōu)異的超塑性。

2 Mg-Zn 系合金超塑性

KWAK 等[13]采用高速比差速軋制制備了超細晶Mg-13Zn-1.55Y（ZW132）合金，軋后晶粒尺寸為1～2 μm，在473 K、10-3s-1和523 K、10-3s-1條件下分別獲得了455%和1021%的優(yōu)異的超塑性。FIGUEIREDO等[14]將ZK10 鎂合金進行等徑角擠壓加工，經(jīng)擠壓后平均晶粒尺寸從約12.9 μm 細化至約5.2 μm，在1×10-4s-1、523 K 條件下拉伸獲得了750%的伸長率。KIM 等[15]對Mg-6Zn-0.5Zr 合金進行低溫間接擠壓細化晶粒，研究擠壓后合金在250 ℃溫度下的拉伸性能。擠壓后合金的平均晶粒尺寸約為 1.6 μm，在0.01 s-1的應變速率條件下拉伸伸長率高達800%。謝廣明等[16]對不同F(xiàn)SP 轉速下的Mg-7Zn-1.2Y-0.8Zr 合金試樣進行超塑性測試，從結果看，不同條件下FSP試樣的伸長率都表現(xiàn)出了良好的塑性，對于800 r/min轉速下的FSP 試樣，在400 ℃、1×10-3s-1條件下實現(xiàn)了440%的最大伸長率，1200 r/min 轉速下的FSP試樣，在450 ℃、3×10-3s-1條件下實現(xiàn)了1100%的最大伸長率，轉速增加至1600 r/min 時，在450 ℃、1×10-2s-1條件下實現(xiàn)了1200%的最大伸長率。尚霞等[17]探究了不同的FSP 轉速處理對Mg-7.5Zn-1.2Zr鎂合金超塑性產生的影響，發(fā)現(xiàn)所有FSP 轉速條件下得到的合金伸長率均在200%以上，表現(xiàn)出良好的塑性，其中，當FSP 轉速為500 r/min 時，合金在420 ℃、1×10-3s-1條件下獲得440%的伸長率，轉速為1000 r/min 時，合金在460 ℃、5×10-3s-1條件下獲得1050%的最大伸長率，不同F(xiàn)SP 轉速處理的Mg-7.5Zn-1.2Zr 合金的應變速率與伸長率的關系如圖1 所示。YIN 等[18]研究了經(jīng)熱擠壓加工和時效處理的Mg-7Zn-5Gd-0.6Zr 合金的低溫超塑性，結果表明，該合金在1.67×10-3s-1、250 ℃條件下的超塑性伸長率為863%，并且伸長率隨著拉伸溫度的升高而增大。LEE 等[19]將鑄造 Mg-9.48Zn-1.71Y-0.44Zr-0.02Mn-0.008Cu-0.0068Fe-0.0004Ni（ZWK920）合金進行高速比（速比為2 和3）差速軋制，得到超細晶鎂合金，在443 K、10-3s-1條件下獲得了400%～440%的伸長率，并且在473 K、10-3s-1條件下獲得580%～730%的伸長率，實現(xiàn)了低溫超塑性。SUZAWAA 等[20]研究了采用新型工藝加工的細晶Mg97Zn1Y2合金，試驗發(fā)現(xiàn)該合金在673 K、3×10-2s-1高應變速率條件下獲得了約1000%的最大伸長率。相較于Mg-Al 系合金來說，Mg-Zn 系更容易獲得優(yōu)異的超塑性。

圖1 不同F(xiàn)SP 轉速處理的Mg-Zn-Zr 合金的應變速率與伸長率的關系Fig.1 Relationship between elongation and strain rate of Mg-Zn-Zr alloy treated at different FSP rotation speed

3 Mg-Li 系合金超塑性

鎂鋰合金是世界上最輕的金屬結構材料，目前對Mg-Li 系合金的研究多集中在Li 質量分數(shù)為5.7%～10.3%的雙相鎂鋰合金。LIN 等[21]將 Mg-10.73Li-4.49Al-0.52Y 合金進行等通道轉角擠壓，擠壓態(tài)晶粒尺寸為154.6 μm，實驗發(fā)現(xiàn)試樣在拉伸過程中發(fā)生動態(tài)再結晶，在523K、5×10-4s-1條件下獲得最大伸長率512%，并且在最佳狀態(tài)下，應變速率敏感性指數(shù)m為0.53，變形激活能為89.7 kJ/mol。CAO 等[22]研究了Mg-9.3Li-1.79Al-1.61Zn 的高溫拉伸變形行為，實驗發(fā)現(xiàn)該合金在573 K、1.67×10-4s-1條件下獲得最大伸長率 566.7%，應變速率敏感性指數(shù)為0.527，變形激活能為141.12 kJ/mol。CAO 等[23]研究了經(jīng)多向鍛造和軋制處理的 Mg-10.2Li-2.1Al-2.23Zn-0.2Sr 合金超塑性，研究發(fā)現(xiàn)，鍛、軋后的合金晶粒尺寸小于3 μm，晶粒細化效果顯著，并且在623 K、1.67×10-3s-1條件下獲得最大伸長率712.1%，應變速率敏感性指數(shù)和變形激活能分別為0.884 和91.9 kJ/mol。EDALATI 等[24]研究了超細晶Mg-8Li 合金的室溫超塑性，在室溫300 K（0.35Tm）、1×10-3s-1條件下獲得了440%的伸長率，應變速率敏感性指數(shù)為0.37。ZHANG 等[25]采用擠壓與軋制結合處理雙相Mg-8Li-5Zn 合金，研究其低溫超塑性，發(fā)現(xiàn)處理后的合金在473 K 和423 K 的低溫下都表現(xiàn)出良好的塑性，在溫度為473 K 時，應變速率為10-3s-1的條件下獲得了 1400%的最大伸長率，高應變速率10-2s-1的條件下伸長率也可達620%；在溫度為423 K時，應變速率為10-3s-1時獲得最大伸長率720%。MEHRABI 等[26]對多向鍛造Mg-8Li-1Zn 合金的超塑性進行了研究，在剪切應變速率為 3.3×10-3～1.3×10-1s-1、溫度498～573 K 條件下進行剪切沖孔試驗，應變速率敏感性指標高達 0.51，變形激活能為61 kJ/mol，表明變形機制是晶界擴散控制的晶界滑動。CAO 等[27]采用熱軋、攪拌摩擦加工獲得Mg-8.41Li-1.80Al-1.77Zn 合金，經(jīng)處理后的晶粒尺寸為1.52 μm，在573 K、1.67×10-4s-1條件下獲得最大伸長率489.5%。YANG 等[28]將兩步超塑性變形方法結合應用于擠壓態(tài)Mg-9Li-1Al 合金的超塑性研究，先在573 K、5×10-4s-1條件下進行恒定應變速率預拉伸至伸長率250%，再采用最大應變速率敏感性指數(shù)超塑性變形方法繼續(xù)拉伸變形，最后獲得最大伸長率621.1%。ZHOU 等[29]采用攪拌摩擦加工獲得超細晶Mg-9Li-1Zn 合金，α相和β相的平均晶粒尺寸分別約為0.61 μm 和0.96 μm，在473 K 溫度下，應變速率為10-1s-1和3.33×10-4s-1時伸長率分別可達369%和1104%。

4 Mg-Gd 系合金超塑性

Gd 是提高鎂合金耐熱性的有效元素，Mg-Gd 系鎂合金由于具有良好的超塑性成為研究的熱點之一。YANG 等[30]研究了Mg-9.4Gd-4.1Y-1.2Zn-0.4Zr 合金的高應變速率超塑性，合金經(jīng)攪拌摩擦加工后，晶粒細化至約3 μm，通過400 ℃和425 ℃溫度下的超塑性拉伸實驗（超塑性拉伸試樣圖片見圖2）發(fā)現(xiàn)，應變速率在1×10-2～3×10-1s-1范圍內時，兩種溫度條件下的伸長率均＞1000%；應變速率為3×10-2s-1時，兩種溫度下的超塑性伸長率均在3300%以上，并且在溫度425 ℃、應變速率3×10-2s-1條件下獲得3570%的最大伸長率。在 400 ℃和 425 ℃、1×10-2s-1～3×10-1s-1條件下，合金的應變速率敏感性指數(shù)約為0.6，說明其主要變形機制是晶界滑動。ZHANG 等[31]采用熱擠壓工藝制備了 Mg-7Y-4Gd-1Zn-合金，研究發(fā)現(xiàn)，擠壓態(tài)合金在470 ℃、1.7×10-4s-1條件下獲得最大伸長率700%，應變速率敏感性指數(shù)為0.55，變形激活能為200.5 kJ/mol，主要變形機制是晶格擴散控制的晶界滑動。MOVAHEDI-RAD 等[32]研究了添加質量分數(shù)為2%的Ag 在523～598 K 溫度范圍內對擠壓Mg-8.5Gd-2.5Y-0.5Zr 合金超塑性的影響，實驗發(fā)現(xiàn)，不含Ag 和含Ag 的合金晶粒尺寸分別為8 μm和3 μm，無Ag 合金的應變速率敏感性指數(shù)不高于0.32，而加入Ag 后的應變速率敏感性指數(shù)約為0.5，變形激活能為181 kJ/mol，說明主要變形機制為晶格擴散調節(jié)的晶界滑動。ALIZADEH 等[33]將等徑角擠壓加工的Mg-5Gd-0.4Zr 合金進行剪切沖孔試驗，結果表明在723 K 時表現(xiàn)出了超塑性，最大應變敏感性指數(shù)約為0.47，變形激活能約為110 kJ/mol。LI等[34]將多向沖擊鍛造應用于 Mg-9.0Gd-3.0Y-0.5Zr合金，研究發(fā)現(xiàn)鍛后合金在 435 ℃、1×10-3s-1，450 ℃、1×10-3s-1和450 ℃、5×10-4s-1條件下伸長率均＞200%，并且在450 ℃、5×10-4s-1條件下獲得最大伸長率300%，應變速率敏感性指數(shù)為0.32。ALIZADEH 等[35]研究了經(jīng)擠壓、等通道轉角擠壓（ECAP）、高壓扭轉（HPT）處理后的Mg-5Gd-4Y-0.4Zr 合金超塑性，擠壓、ECAP 和HPT 處理后晶粒尺寸分別為～(4.6±0.2) μm，～(2.2±0.2) μm，～(72±5) nm，剪切沖孔試驗表明最佳超塑性溫度分別為723，723，623 K，應變速率敏感性指數(shù)分別為0.42±0.05，0.46±0.05，0.50±0.05，變形激活能分別為117±5，101±5，110±5 kJ/mol。這些結果表明，在超塑性流動的最佳溫度下，晶界擴散控制的晶界滑動是變形的主導機制。HOSEINI-ATHAR 等[36]研究了反復模壓變形（CGP）加工后的擠壓Mg-2Gd 合金超塑性，經(jīng)4 個周期CGP處理的合金，平均晶粒尺寸為4.3 μm，通過不同溫度和剪切應變速率的剪切沖孔實驗，在673 K 溫度下獲得峰值應變速率敏感性指數(shù)0.49，此時變形激活能為113 kJ/mol，表明主要變形機制是晶界擴散控制的晶界滑動。

圖2 應變速率為3×10-2 s-1時不同溫度下超塑性拉伸試樣Fig.2 Superplastic tensile specimens at a strain rate of 3×10-2 s-1 at different temperatures

5 結語

綜上所述，目前實現(xiàn)鎂合金超塑性可以通過兩種方式：①通過熱機械化加工、劇烈塑性變形和低溫球磨獲得細小晶粒，通常獲得的晶粒尺寸＜10 μm；② 在拉伸過程中通過連續(xù)再結晶獲得晶粒細化。從近年來的研究可以發(fā)現(xiàn)，不同體系的鎂合金經(jīng)過不同的處理方法，理想條件下的超塑性伸長率均能達到400%以上，對于一些超細晶鎂合金來說，其理想條件下的伸長率能達到1000%以上，表現(xiàn)出優(yōu)異的超塑性。

鎂合金在輕質合金領域有著廣闊的應用前景，近幾十年來獲得了大量的關注和研究，雖取得了一定的進展，但仍存在一些問題，比如鎂合金熔鑄工藝復雜且存在一定的危險性，需要進一步改善，以及被廣泛應用于超塑性材料制備的大塑性變形加工方式雖能顯著細化晶粒，但由于尺寸限制等原因，很難在工業(yè)上大規(guī)模應用，有必要進一步研究更多細化晶粒的方法；除此之外，目前關于鎂合金超塑性的研究多集中在高溫、低應變速率的條件下，同時兼顧低溫、高應變速率的研究不多，若能在這些方面多加研究，可大大節(jié)約工業(yè)成本和時間。