多段半固態(tài)觸變成形與半固態(tài)流變成形、半固態(tài)觸變成形工藝對(duì)Mg-Y-Gd-Zn-Zr系合金的組織性能影響研究

Mg-Y-Gd-Zn-Zr合金作為一種高性能稀土鎂合金，在秉承了傳統(tǒng)鎂合金材料特有的低密度和高比強(qiáng)度等物理特性的基礎(chǔ)上，由于稀土元素的加入具有更好的高溫強(qiáng)度和高溫硬度，能夠確保該材質(zhì)制造的結(jié)構(gòu)部件在高溫、高壓、高過(guò)載等惡劣的服役條件下具有良好的服役表現(xiàn)，進(jìn)而降低了航天、航空、武器裝備的自重，有效地實(shí)現(xiàn)了輕量化。因此，實(shí)現(xiàn)Mg-Y-Gd-Zn-Zr合金結(jié)構(gòu)部件生產(chǎn)的綠色化以及有效提高材料體積利用率和材料性能利用率是目前重大裝備制造中亟待解決的重要問(wèn)題，備受國(guó)內(nèi)外研究者矚目。

有關(guān)硝鹽替代物的研究已涉及不同的添加物類型，以其特異的作用方式單獨(dú)和復(fù)合替代硝鹽的不同作用，如紅曲紅、焦糖色素、亞硝基血紅蛋白色素等替代發(fā)色作用，乳酸鏈球菌素(Nisin)、天然植物提取物、乳酸菌和化學(xué)防腐劑等替代抑菌防腐作用，茶多酚、生育酚及天然植物提取物替代抗氧化作用，以及I+G、麥芽酚等替代增味作用等，但至今還未能找到更為安全、更為廉價(jià)，而又能完全達(dá)到硝鹽多功能的替代添加劑。

半固態(tài)成形技術(shù)是由美國(guó)麻省理工的Flemings等學(xué)者充分利用金屬材料在其固相線溫度和液相線溫度之間所呈現(xiàn)的等軸球狀微觀組織和特殊的成形性能而建立的一種先進(jìn)的金屬材料近凈成形技術(shù)。該技術(shù)自發(fā)明之日起即得到了廣泛的關(guān)注，并取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。日本東京大學(xué)的Kiuchi等學(xué)者指出由于液相賦予了半固態(tài)坯/漿料良好的流動(dòng)性，半固態(tài)成形技術(shù)可以以較低的成形載荷實(shí)現(xiàn)金屬材料的近凈成形。英國(guó)謝菲爾德大學(xué)的Atkinson等學(xué)者通過(guò)改變均布于液相之中的球狀固相粒子的幾何形貌和體積比實(shí)現(xiàn)了對(duì)半固態(tài)坯/漿料的流動(dòng)性和粘性的有效控制，進(jìn)而避免了半固態(tài)制件中枝晶、縮孔等鑄造缺陷的產(chǎn)生。北京科技大學(xué)的康永林、宋仁伯等學(xué)者指出半固態(tài)成形中均勻分布于固相粒子周圍的液相能夠充分地抑制合金成分偏析的產(chǎn)生。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的杜之明、姜巨福等學(xué)者指出當(dāng)金屬坯/漿料中液相體積比較小時(shí)，固相粒子在半固態(tài)加工過(guò)程中相互摩擦甚至擠壓，由此引發(fā)的組織演變能夠提高半固態(tài)成形制件的力學(xué)性能。為了同時(shí)提高重大裝備構(gòu)件制造過(guò)程中Mg-Y-Gd-Zn-Zr系合金的體積利用率和性能效率，確保制件在服役中充分發(fā)揮其材料本身出色的力學(xué)性能，半固態(tài)成形技術(shù)有望在實(shí)現(xiàn)較小的成形載荷和較低的能耗的同時(shí)實(shí)現(xiàn)Mg-Y-Gd-Zn-Zr系合金復(fù)雜構(gòu)件的高效近凈成形。

材料及試驗(yàn)條件

材料

本研究中所選用的材料為擠壓態(tài)Mg-3.75Gd-5.15Y-0.75Zr棒材，原材料的直徑為100mm，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。通過(guò)DSC差熱分析得出Mg-3.75Gd-5.15Y-0.75Zr合金的半固態(tài)溫度區(qū)間為503℃～595℃。

4、錄像視頻。錄制過(guò)程中，我們可以采取分段錄制的辦法，將一段內(nèi)容分解細(xì)化，一是便于錄制多次，從中挑選出最佳的視頻片段，二是在錄制中，方便對(duì)一些構(gòu)造和拆裝的細(xì)節(jié)進(jìn)行拍攝，不至于因?yàn)檫B貫不停頓拍攝影響整體內(nèi)容的銜接。

成形模具及工藝

杭州市富陽(yáng)區(qū)國(guó)土資源行政復(fù)議訴訟情況分析與對(duì)策（王雙鋼） ...................................................................1-49

其中，半固態(tài)觸變成形前需要先將Mg-3.75Gd-5.15Y-0.75Zr合金坯料加熱至成形溫度(550℃)并保溫5分鐘，然后通過(guò)上模以1m/s的下壓速度下行24mm開(kāi)展半固態(tài)流變成形獲得杯形件。半固態(tài)流變成形前需要先將Mg-3.75Gd-5.15Y-0.75Zr合金坯料加熱至高于其液相線溫度(595℃)以上的625℃，在熔融狀態(tài)下并保溫5分鐘，隨后冷卻至成形溫度(550℃)。在冷卻過(guò)程中對(duì)半固態(tài)漿料進(jìn)行電磁攪拌5分鐘，然后通過(guò)上模以1m/s的下壓速度下行24mm開(kāi)展半固態(tài)流變成形獲得杯形件。多段半固態(tài)成形前需要先將Mg-3.75Gd-5.15Y-0.75Zr合金坯料加熱至預(yù)成形溫度(550℃)并保溫5分鐘，再通過(guò)上模以1m/s的下壓速度下行12mm開(kāi)展半固態(tài)觸變預(yù)成形，控溫冷卻至終成形溫度(510℃)并保溫2分鐘，最后通過(guò)上模以0.5m/s的下壓速度下行12mm開(kāi)展半固態(tài)觸變終成形獲得杯形件，如圖3所示。

微觀組織及力學(xué)性能測(cè)試

使用JOEL場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡拍攝的不同成形工藝獲得的Mg-Y-Gd-Zn-Zr合金杯形件的不同區(qū)域的微觀組織照片如圖4所示。采用圖像分析軟件獲得的合金杯形件的不同區(qū)域的液相比和晶粒大小如表2所示。

本研究基于伺服液壓機(jī)和圖1所示的模具搭建Mg-3.75Gd-5.15Y-0.75Zr合金半固態(tài)成形試驗(yàn)平臺(tái)。多段半固態(tài)觸變成形、半固態(tài)流變成形、半固態(tài)觸變成形實(shí)驗(yàn)示意圖如圖2所示。

試驗(yàn)結(jié)果及討論

試驗(yàn)結(jié)果

本研究中使用JOEL場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡拍攝的不同成形工藝獲得的Mg-Y-Gd-Zn-Zr合金杯形件的不同區(qū)域的微觀組織照片，各區(qū)域分割情況如圖4所示。隨后利用專業(yè)圖像分析軟件對(duì)不同成形工藝獲得的Mg-Y-Gd-Zn-Zr合金杯形件的不同區(qū)域的微觀組織進(jìn)行圖像分析。圖像分析的主要目的是獲得鋼鐵材料在各半固態(tài)溫度下的液相分?jǐn)?shù)、固相晶粒尺寸。本研究中使用島津維氏硬度測(cè)試儀測(cè)試不同成形工藝獲得的Mg-Y-Gd-Zn-Zr合金杯形件的不同區(qū)域的顯微硬度。

可以看出，三種不同半固態(tài)成形工藝制備的杯形件的各個(gè)區(qū)域具有較為不同的微觀組織特征，不同工藝制備的杯形件的液相分布情況都是A區(qū)域最多，B區(qū)域次之，C區(qū)域最少。大量的液相集中在杯形件的A區(qū)域并冷卻為樹(shù)枝狀鑄態(tài)組織。在杯形件的B區(qū)域和C區(qū)域也有少量液相殘留在固態(tài)等軸晶的周圍并冷卻為共晶化合物。這一現(xiàn)象是在半固態(tài)成形構(gòu)件中比較常見(jiàn)的液相偏析現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)比不同成形工藝制備構(gòu)件中的液相偏析程度可以看出，多段半固態(tài)觸變成形制備杯形件的液相偏析程度較輕。同時(shí)，A區(qū)域的固相晶粒的尺寸大于B區(qū)域和C區(qū)域，這一趨勢(shì)在多段半固態(tài)觸變成形工藝制備的杯形件中更加明顯。

目前該領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)安全威脅最主要的方面是黑客的攻擊，不法分子利用自身掌握較高的計(jì)算機(jī)技能入侵用戶的系統(tǒng)進(jìn)行肆意破壞和惡意攻擊，使其合法用戶的權(quán)益得不到保障，破壞的程度與黑客的動(dòng)機(jī)存在極大的聯(lián)系，有一部分是對(duì)現(xiàn)實(shí)生活的不滿，從而在網(wǎng)絡(luò)世界中進(jìn)行報(bào)復(fù)社會(huì)，破壞國(guó)家的公共利益；另一部分是為了自身利益，通過(guò)非法手段來(lái)獲取巨大利益。黑客的非法攻擊是一種非常惡劣的行為，應(yīng)采取一切保護(hù)手段共同遏制攻擊行為的發(fā)生。

使用維氏硬度測(cè)試儀測(cè)試的不同成形工藝獲得的Mg-Y-Gd-Zn-Zr合金杯形件的不同區(qū)域的顯微硬度見(jiàn)表3。可以看出不同工藝制備的杯形件的硬度分布情況都是A區(qū)域最高，B區(qū)域次之，C區(qū)域最小。為了考量力學(xué)性能分布的均勻程度，同一個(gè)杯形件內(nèi)部最大、最小硬度的差值在表3中得以體現(xiàn)。傳統(tǒng)半固態(tài)流變成形和半固態(tài)觸變成形制備杯形件中最大、最小硬度的差值是多段半固態(tài)觸變成形制備杯形件的2倍，說(shuō)明多段半固態(tài)觸變成形制備杯形件具有更均勻的力學(xué)性能分布。

討論

在三種半固態(tài)成形過(guò)程中，Mg-Y-Gd-Zn-Zr合金的微觀組織演變行為見(jiàn)表4。

造成Mg-Y-Gd-Zn-Zr合金杯形構(gòu)件的組織性能不均勻的主要原因是在半固態(tài)漿料或坯料流動(dòng)過(guò)程中液相和固相在成形載荷作用下的變形特性不同。液相可以自由地通過(guò)固相晶粒之間的液相通道向坯料的自由表面流動(dòng)，包裹在液相中的固相晶粒在在成形載荷作用下主要發(fā)生的是轉(zhuǎn)動(dòng)和沿著液相通道的滑動(dòng)，只有尺寸較小的固相晶粒能夠被向自由表面流動(dòng)的液相裹挾著移動(dòng)較遠(yuǎn)的距離。因?yàn)榇罅康囊合嗪统叽巛^小的固相集中在了杯形件的A區(qū)域，造成了不同成形工藝制造的杯形件A區(qū)域都呈現(xiàn)了樹(shù)枝狀鑄態(tài)組織和較高的硬度。同時(shí)，大量尺寸較大的固態(tài)晶粒殘留在了杯形件C區(qū)域。使用多段半固態(tài)觸變成形制備的杯形件的組織性能均勻性優(yōu)于其他兩種半固態(tài)成形制備的杯形件，其主要原因是在多段半固態(tài)觸變成形過(guò)程中發(fā)生的微觀組織演變行為。首先，部分熔融階段，采用電磁感應(yīng)加熱等簡(jiǎn)單而高效的加熱方式將坯料加熱到特定溫度以獲得理想的半固態(tài)球狀組織。在預(yù)成形階段，以較高的速度對(duì)坯料進(jìn)行初段成形，一方面充分利用高液相體積比半固態(tài)坯料球狀組織良好的流動(dòng)性填充模具型腔，另一方面利用較高的應(yīng)變速率能夠較大程度地推遲并抑制液相偏析在這一階段發(fā)生。在冷卻保持階段，坯料內(nèi)部發(fā)生部分凝固，引起微觀組織形貌變化以及液相體積比降低。最后在終成形階段，以較低的速度完成對(duì)坯料的整體成形，一方面由于液相體積比較低，固相的塑性成形在此階段占主要部分，幾乎沒(méi)有液相偏析現(xiàn)象發(fā)生，從而保證了制件微觀組織和力學(xué)性能的均勻性；另一方面，較低的應(yīng)變速率降低了這一階段的成形載荷，進(jìn)而降低了對(duì)成形設(shè)備載荷的需求。

綜上所述，多段觸變半固態(tài)成形技術(shù)使成形制造技術(shù)不僅能賦予復(fù)雜構(gòu)件精確的形狀尺寸、良好而均勻的力學(xué)性能，而且能充分地發(fā)揮出半固態(tài)成形的近凈成形特點(diǎn)和塑性成形的高性能優(yōu)勢(shì)，符合現(xiàn)代既要高材料質(zhì)量利用率又要高材料性能利用率的綠色制造技術(shù)的發(fā)展要求。

結(jié)束語(yǔ)

本研究以具有較好高溫力學(xué)性能的Mg-Y-Gd-Zn-Zr系合金Mg-5.15Y-3.75Gd-3.05Zn-0.75Zr作為研究對(duì)象，基于伺服液壓機(jī)和杯形件反擠壓模具搭建半固態(tài)成形試驗(yàn)平臺(tái)，充分利用伺服液壓機(jī)行程柔性可控的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并開(kāi)展了Mg-Y-Gd-Zn-Zr系合金的多段半固態(tài)觸變成形、半固態(tài)流變成形、半固態(tài)觸變成形試驗(yàn)，并通過(guò)掃描電子顯微鏡和顯微鏡度測(cè)試儀對(duì)上述三種半固態(tài)成形工藝成形Mg-Y-Gd-Zn-Zr系合金杯形件各個(gè)區(qū)域的微觀組織和力學(xué)性能及其分布情況進(jìn)行分析測(cè)試?；诮M織性能分析結(jié)果，對(duì)Mg-Y-Gd-Zn-Zr系合金在上述三種半固態(tài)成形過(guò)程中的組織演變規(guī)律展開(kāi)討論，得出了觸變—塑變復(fù)合成形對(duì)Mg-Y-Gd-Zn-Zr系合金構(gòu)件微觀組織的均勻性起到積極促進(jìn)作用的結(jié)論。