鎂合金超塑性研究進(jìn)展

（東北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110819）

鎂合金由于其密排六方晶體結(jié)構(gòu)，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(fù)雜形狀的部件成為了可能，在工業(yè)上有相當(dāng)大的應(yīng)用潛力，因此鎂合金的超塑性研究受到了廣泛重視。

通常認(rèn)為超塑性是指材料在一定的組織、溫度和應(yīng)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(rèn)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?！?00%，應(yīng)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(shí)現(xiàn)鎂合金超塑性而言，可以通過熱機(jī)械化加工、劇烈塑性變形和低溫球磨獲得細(xì)小晶粒，也可以在拉伸時(shí)通過連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶達(dá)到細(xì)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(fù)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(yīng)變速率為1.5×10-3s-1條件下獲得604%的伸長率。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雖然軋態(tài)晶粒尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于超塑性所需的細(xì)晶尺寸，但試樣在拉伸時(shí)發(fā)生了連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶，從而實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化，在真應(yīng)變?yōu)?.6 時(shí)，晶粒尺寸細(xì)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(xì)化至1.2 μm，與FSP 加工后的晶粒尺寸7.8 μm相比，晶粒細(xì)化效果更加顯著，并且通過拉伸實(shí)驗(yàn)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(yīng)變速率條件下獲得990%的伸長率，表現(xiàn)出優(yōu)異的高應(yīng)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(xì)晶鎂合金的超塑性，經(jīng)處理后的合金平均晶粒尺寸細(xì)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(dá)到1140%，此時(shí)的應(yīng)變速率敏感性指數(shù)為0.4。KIM 等[6]將高速比差速軋制應(yīng)用于鑄態(tài)AZ91 鎂合金，晶粒細(xì)化效果顯著，軋制后晶粒尺寸從53 μm 細(xì)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(dá)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(jié)構(gòu)，經(jīng)擠壓后，合金的晶粒明顯細(xì)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(xì)化至為5.5，4.5，3.5 μm，二次相也被細(xì)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?jǐn)?shù) Mg17Al12球狀顆粒的 Mg-9Al-1Zn(AZ91)細(xì)晶合金，晶粒尺寸約為3 μm，研究其在應(yīng)變速率10-3s-1條件下的超塑性，實(shí)驗(yàn)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(nèi)（250～300 ℃），在此溫度范圍內(nèi)伸長率超過500%。RONG 等[9]將襯板軋制應(yīng)用于Mg-7Al-5Zn 合金，獲得晶粒尺寸約為6 μm 的均勻細(xì)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(yīng)變速率為10-2s-1、溫度為623 K 時(shí)，獲得了最大伸長率465%，研究認(rèn)為這種高應(yīng)變速率超塑性歸功于有效的晶粒細(xì)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(xì)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在溫度573 K、應(yīng)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(rèn)為這是因?yàn)樵诟邷乩熳冃芜^程中，Mg2Sn 顆粒與基體之間的不協(xié)調(diào)變形會導(dǎo)致空洞的形成，與AT82 合金相比，ATZ811合金用1Zn 代替1Sn（質(zhì)量分?jǐn)?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(xì)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(jìn)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(xì)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(jìn)行低溫間接擠壓細(xì)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(yīng)變速率條件下拉伸伸長率高達(dá)800%。謝廣明等[16]對不同F(xiàn)SP 轉(zhuǎn)速下的Mg-7Zn-1.2Y-0.8Zr 合金試樣進(jìn)行超塑性測試，從結(jié)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(zhuǎn)速下的FSP 試樣，在400 ℃、1×10-3s-1條件下實(shí)現(xiàn)了440%的最大伸長率，1200 r/min 轉(zhuǎn)速下的FSP試樣，在450 ℃、3×10-3s-1條件下實(shí)現(xiàn)了1100%的最大伸長率，轉(zhuǎn)速增加至1600 r/min 時(shí)，在450 ℃、1×10-2s-1條件下實(shí)現(xiàn)了1200%的最大伸長率。尚霞等[17]探究了不同的FSP 轉(zhuǎn)速處理對Mg-7.5Zn-1.2Zr鎂合金超塑性產(chǎn)生的影響，發(fā)現(xiàn)所有FSP 轉(zhuǎn)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(dāng)FSP 轉(zhuǎn)速為500 r/min 時(shí)，合金在420 ℃、1×10-3s-1條件下獲得440%的伸長率，轉(zhuǎn)速為1000 r/min 時(shí)，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(zhuǎn)速處理的Mg-7.5Zn-1.2Zr 合金的應(yīng)變速率與伸長率的關(guān)系如圖1 所示。YIN 等[18]研究了經(jīng)熱擠壓加工和時(shí)效處理的Mg-7Zn-5Gd-0.6Zr 合金的低溫超塑性，結(jié)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(jìn)行高速比（速比為2 和3）差速軋制，得到超細(xì)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(shí)現(xiàn)了低溫超塑性。SUZAWAA 等[20]研究了采用新型工藝加工的細(xì)晶Mg97Zn1Y2合金，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該合金在673 K、3×10-2s-1高應(yīng)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(zhuǎn)速處理的Mg-Zn-Zr 合金的應(yīng)變速率與伸長率的關(guān)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(jié)構(gòu)材料，目前對Mg-Li 系合金的研究多集中在Li 質(zhì)量分?jǐn)?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(jìn)行等通道轉(zhuǎn)角擠壓，擠壓態(tài)晶粒尺寸為154.6 μm，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)試樣在拉伸過程中發(fā)生動態(tài)再結(jié)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(yīng)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(shí)驗(yàn)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(yīng)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(xì)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(yīng)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(xì)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(yīng)變速率敏感性指數(shù)為0.37。ZHANG 等[25]采用擠壓與軋制結(jié)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(shí)，應(yīng)變速率為10-3s-1的條件下獲得了 1400%的最大伸長率，高應(yīng)變速率10-2s-1的條件下伸長率也可達(dá)620%；在溫度為423 K時(shí)，應(yīng)變速率為10-3s-1時(shí)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(jìn)行了研究，在剪切應(yīng)變速率為 3.3×10-3～1.3×10-1s-1、溫度498～573 K 條件下進(jìn)行剪切沖孔試驗(yàn)，應(yīng)變速率敏感性指標(biāo)高達(dá) 0.51，變形激活能為61 kJ/mol，表明變形機(jī)制是晶界擴(kuò)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(jié)合應(yīng)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(jìn)行恒定應(yīng)變速率預(yù)拉伸至伸長率250%，再采用最大應(yīng)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(xì)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(yīng)變速率為10-1s-1和3.33×10-4s-1時(shí)伸長率分別可達(dá)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(diǎn)之一。YANG 等[30]研究了Mg-9.4Gd-4.1Y-1.2Zn-0.4Zr 合金的高應(yīng)變速率超塑性，合金經(jīng)攪拌摩擦加工后，晶粒細(xì)化至約3 μm，通過400 ℃和425 ℃溫度下的超塑性拉伸實(shí)驗(yàn)（超塑性拉伸試樣圖片見圖2）發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變速率在1×10-2～3×10-1s-1范圍內(nèi)時(shí)，兩種溫度條件下的伸長率均＞1000%；應(yīng)變速率為3×10-2s-1時(shí)，兩種溫度下的超塑性伸長率均在3300%以上，并且在溫度425 ℃、應(yīng)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(yīng)變速率敏感性指數(shù)約為0.6，說明其主要變形機(jī)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(yīng)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(jī)制是晶格擴(kuò)散控制的晶界滑動。MOVAHEDI-RAD 等[32]研究了添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的Ag 在523～598 K 溫度范圍內(nèi)對擠壓Mg-8.5Gd-2.5Y-0.5Zr 合金超塑性的影響，實(shí)驗(yàn)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(yīng)變速率敏感性指數(shù)不高于0.32，而加入Ag 后的應(yīng)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(jī)制為晶格擴(kuò)散調(diào)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(jìn)行剪切沖孔試驗(yàn)，結(jié)果表明在723 K 時(shí)表現(xiàn)出了超塑性，最大應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)角擠壓（ECAP）、高壓扭轉(zhuǎn)（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(yàn)表明最佳超塑性溫度分別為723，723，623 K，應(yīng)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(jié)果表明，在超塑性流動的最佳溫度下，晶界擴(kuò)散控制的晶界滑動是變形的主導(dǎo)機(jī)制。HOSEINI-ATHAR 等[36]研究了反復(fù)模壓變形（CGP）加工后的擠壓Mg-2Gd 合金超塑性，經(jīng)4 個(gè)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(yīng)變速率的剪切沖孔實(shí)驗(yàn)，在673 K 溫度下獲得峰值應(yīng)變速率敏感性指數(shù)0.49，此時(shí)變形激活能為113 kJ/mol，表明主要變形機(jī)制是晶界擴(kuò)散控制的晶界滑動。

圖2 應(yīng)變速率為3×10-2 s-1時(shí)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(jié)語

綜上所述，目前實(shí)現(xiàn)鎂合金超塑性可以通過兩種方式：①通過熱機(jī)械化加工、劇烈塑性變形和低溫球磨獲得細(xì)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(jié)晶獲得晶粒細(xì)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(dá)到400%以上，對于一些超細(xì)晶鎂合金來說，其理想條件下的伸長率能達(dá)到1000%以上，表現(xiàn)出優(yōu)異的超塑性。

鎂合金在輕質(zhì)合金領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，近幾十年來獲得了大量的關(guān)注和研究，雖取得了一定的進(jìn)展，但仍存在一些問題，比如鎂合金熔鑄工藝復(fù)雜且存在一定的危險(xiǎn)性，需要進(jìn)一步改善，以及被廣泛應(yīng)用于超塑性材料制備的大塑性變形加工方式雖能顯著細(xì)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(yīng)用，有必要進(jìn)一步研究更多細(xì)化晶粒的方法；除此之外，目前關(guān)于鎂合金超塑性的研究多集中在高溫、低應(yīng)變速率的條件下，同時(shí)兼顧低溫、高應(yīng)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(shí)間。