低密度鎂鋰合金性能強(qiáng)化與精密成形技術(shù)

武練梅 易滿滿 李志亮 盧 振 王長(zhǎng)瑞

（1 北京電子工程總體研究所，北京 100854）

（2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，哈爾濱 150001）

（3 南京航空航天大學(xué)大學(xué)直升機(jī)傳動(dòng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016）

0 引言

針對(duì)新一代國(guó)防武器裝備關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件高比強(qiáng)度、高比剛度要求，節(jié)省燃料消耗、增強(qiáng)火箭的運(yùn)載能力、提高飛行速度和有效載荷比等成為近幾年研究熱點(diǎn)，輕質(zhì)高強(qiáng)合金的使用需求愈發(fā)強(qiáng)烈［1-2］。目前，鎂鋰合金是世界上最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，因具有優(yōu)良的比強(qiáng)度、良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性、優(yōu)異的機(jī)械加工性能和低溫成型性能及超輕等優(yōu)點(diǎn)，成為迅速崛起的新型工程材料［3-4］。雖然鎂鋰合金有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是如何發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，規(guī)避其鑄造困難，實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，是目前研究的重點(diǎn)。鎂鋰合金有著熔煉需精確控制、成本高、合金低密度和高強(qiáng)度無(wú)法兼得、耐高溫性能差、易腐蝕等缺陷。因此，低密度鎂鋰合金性能強(qiáng)化及其強(qiáng)化機(jī)理與精密成形研究具有重要戰(zhàn)略意義。

ESTRIN等［5］對(duì)Mg-4Li-1Ca（LX41）合金進(jìn)行兩步軋制和退火處理，發(fā)現(xiàn)合金在比強(qiáng)度、應(yīng)變硬化能力、延展性方面獲得極大提升。這是由于兩次軋制處理使合金晶粒得到了細(xì)化，退火處理減弱了織構(gòu)強(qiáng)度。JIA 等［6］將Mg-16Li-2.5Zn-2.5Er（LZ162-2.5Er）合金先下擠壓隨后進(jìn)行冷軋，發(fā)現(xiàn)合金比強(qiáng)度得到了顯著提高。李瑞紅等［7］對(duì)LA91 鎂鋰合金在不同加工狀態(tài)下的顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)軋制態(tài)合金較擠壓態(tài)合金的力學(xué)性更好，抗拉強(qiáng)度達(dá)176 MPa，伸長(zhǎng)率達(dá)40%。TAKAHIRO 等［8］通過(guò)在通道模頭（MDFC）中進(jìn)行熱處理和多方向鍛造的工藝組合，制備了具有高強(qiáng)度和塑性變形能力的Mg-Li-Al（LA143）合金。CAO 等［9］通過(guò)多向鍛造和軋制（MDFR）制備了新型的雙相占主導(dǎo)的細(xì)晶粒（5.5 μm）Mg-6.4Li-3.6Zn-0.37Al-0.36Y 合金，得到合金最高拉伸強(qiáng)度為286 MPa，伸長(zhǎng)率為31.8%。劉旭賀等［10］過(guò)真空感應(yīng)熔煉及擠壓變形制備了鑄態(tài)及擠壓態(tài)的Mg-11Li-3Al-xZr合金，發(fā)現(xiàn)鑄態(tài)合金晶粒粗大，擠壓變形過(guò)程中發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶使晶粒細(xì)化，抗拉強(qiáng)度顯著提高。DROZD 等［11］對(duì)LA43 以及LA45 合金進(jìn)行應(yīng)力松弛試驗(yàn)，揭示了熱激活過(guò)程機(jī)理。結(jié)果顯示，合金中的Li 元素使得基體滑移更為容易，降低了多晶體變形中產(chǎn)生的流動(dòng)應(yīng)力。SONG等［12］在Mg-Li-Al基合金中加入了Be元素，揭示了強(qiáng)化相對(duì)β基體晶格畸變和α-Mg析出的影響。WANG等［13］等發(fā)現(xiàn)腐蝕性能和點(diǎn)蝕嚴(yán)重程度主要?dú)w因于α-Mg 基體相的晶化結(jié)構(gòu)。ZENG 等［14］發(fā)現(xiàn)細(xì)晶組織提高了合金的力學(xué)性能和耐蝕性，使點(diǎn)蝕轉(zhuǎn)變?yōu)檎w腐蝕。SHI 等［15］發(fā)現(xiàn)添加劑EDTA 使得形成的氧化膜薄且均勻，綜合耐蝕性能好，Na2B4O7則使得形成的氧化膜厚且致密，抗點(diǎn)蝕能力強(qiáng)。

本文采用低密度鎂鋰合金，通過(guò)精密近凈成形工藝，實(shí)現(xiàn)薄壁筒形件尺寸精度和性能的雙提升。通過(guò)鑄態(tài)、鍛態(tài)和筒形件原位性能對(duì)比研究，提出鎂鋰合金薄壁筒形件等溫超塑性雙向擠壓近凈成形工藝方法，擬實(shí)現(xiàn)其高精度成形、力學(xué)性能顯著提升。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

采用鄭州輕研合金科技有限公司生產(chǎn)的鑄態(tài)和鍛態(tài)低密度鎂鋰合金，主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 低密度鎂鋰合金的化學(xué)成分 %（w）Tab.1 Chemical composition of experimental alloy %（w）

拉伸性能測(cè)試在Instron公司生產(chǎn)的Instron 5500R電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。最大載荷為±200 kN，高溫拉伸最高溫度為350 ℃，采用引伸計(jì)測(cè)量變形量。拉伸性能測(cè)試試樣標(biāo)距為10 mm，總長(zhǎng)度為30 mm。壓縮性能測(cè)試在DSI科技聯(lián)合體公司生產(chǎn)的Gleeble-1500D動(dòng)態(tài)熱力模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。Gleeble熱壓縮模擬試樣尺寸為Φ8 mm×12 mm。

以薄壁筒形件為例，進(jìn)行等溫超塑性雙向精密擠壓近凈成形方法研究，成形溫度280～350 ℃，研究成形后的形性變化。

2 低密度鎂鋰合金成形工藝性分析

2.1 性能分析

通過(guò)研究低密度鎂鋰合金在不同溫度和不同加載條件下的壓縮變形規(guī)律和微觀組織形態(tài)變化規(guī)律，研究低密度鎂鋰合金變形特性，得出其成形性能規(guī)律，其宏觀形貌見(jiàn)圖1。試樣軸線方向與熱壓方向平行，端面和側(cè)面通過(guò)砂紙打磨除去線切割痕跡，并保證兩端面平行度。壓縮溫度為150、200、250、300 ℃，應(yīng)變速率分別為10-3s-1，壓縮量分別為50%和70%，可以看出在不同溫度下試樣都表現(xiàn)出良好塑性。隨著溫度的增加，塑性形變加大，有利于塑性變形。

圖1 室溫及高溫壓縮試樣宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of compression specimens at room temperature and high temperature

熱壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖見(jiàn)圖2，可以看出，在壓縮量為50%和70%下，隨著成形溫度的增加變形抗力降低，材料晶粒界面結(jié)合能降低，有利于塑性變形。相對(duì)于50%壓縮量，壓縮量為70%試樣由于變形量增大，變形抗力增加。兩種情況下當(dāng)應(yīng)變大于0.05以后，整個(gè)應(yīng)力趨于平穩(wěn)，說(shuō)明材料的軟化現(xiàn)象明顯大于加工硬化，表現(xiàn)為較好的超塑性能。隨著溫度的增加，均勻延伸率也呈現(xiàn)一種穩(wěn)定均勻的增長(zhǎng)趨勢(shì)，表明總延伸率的提高是拉伸過(guò)程中出現(xiàn)頸縮后的不均勻變形量增加，及均勻變形階段的貢獻(xiàn)。綜上所述，溫度提高同時(shí)提高了材料塑性和均勻塑性變形能力。

圖2 壓縮量為50%、70%的應(yīng)力-應(yīng)變線Fig.2 Stress-strain curves with 50% and 70% compression

圖3分別為鎂鋰合金高溫壓縮試驗(yàn)后的微觀組織形貌，壓縮溫度為300 ℃，應(yīng)變速率分別為10-3s-1，壓縮量分別為50%和70%。初始材料晶粒比較粗大，并伴有大量的長(zhǎng)條形晶粒［圖3（a）］，對(duì)比發(fā)現(xiàn)高溫變形后［圖3（b）和（c）］材料發(fā)生了明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，組織細(xì)化，說(shuō)明高溫大變形過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了晶粒細(xì)化，大量增強(qiáng)相彌散在晶粒內(nèi)部，起到性能強(qiáng)化作用。

圖3 低密度合金高溫壓縮實(shí)驗(yàn)試樣的微觀組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of low-density alloy high temperature compression test sample

2.2 不同形態(tài)下力學(xué)性能對(duì)比分析

軋制態(tài)低密度鎂鋰合金力學(xué)性能見(jiàn)圖4。常溫下，低密度鎂鋰合金的抗拉強(qiáng)度從鑄態(tài)的115 MPa提升到180 MPa以上，但其延伸率變化不大，分析認(rèn)為，鎂鋰合金在軋制過(guò)程造成沿軋制方向晶粒被拉長(zhǎng)，造成材料各向異性，在抗拉強(qiáng)度提升的情況下延伸率沒(méi)有明顯變化。

圖4 軋制態(tài)低密度合金拉伸性能Fig.4 Tensile properties of rolled alloy

軋制態(tài)鎂鋰合金進(jìn)行350 ℃、120 min熱處理后取拉伸試樣，室溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線見(jiàn)圖5。應(yīng)變速率1.3×10-2s-1，最大抗拉強(qiáng)度207 MPa，最大延伸率＞20%，熱處理后延伸率顯著提升。由于鎂鋰合金的主要變形機(jī)制仍然是晶界滑移，室溫條件下晶界滑移會(huì)在晶界三角區(qū)或增強(qiáng)相與基體相界處產(chǎn)生應(yīng)力集中，使晶界滑移受到阻礙。隨溫度升高，原子活動(dòng)動(dòng)能增加，依賴于原子間相互作用的臨界切應(yīng)力減弱，點(diǎn)缺陷的擴(kuò)散加快，位錯(cuò)滑移，材料容易進(jìn)行塑性變形。

圖5 熱壓+熱處理試樣拉伸曲線圖Fig.5 Tensile curves of hot pressed and heat treated specimens

3 低密度鎂鋰合金薄壁筒形件精密成形

針對(duì)薄壁筒形件鍛造比大，要求材料可實(shí)現(xiàn)較大變形量，傳統(tǒng)鍛造方法易出現(xiàn)開(kāi)裂、起皺等問(wèn)題，通過(guò)等溫超塑性雙向擠壓近凈成形薄壁筒形件，同步進(jìn)行模具內(nèi)熱處理，可顯著降低材料變形抗力，大幅提升材料變形量，突破鎂鋰合金的形變強(qiáng)化和熱處理強(qiáng)化機(jī)制，提高結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能。

3.1 薄壁筒形件精密成形工藝仿真分析

薄壁筒形件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)一步優(yōu)化，數(shù)值模擬的前提是必須獲得基本參數(shù)，包括熱傳導(dǎo)參數(shù)、不同溫度下屈服應(yīng)力、材料變形能力等。本模擬選擇的擠壓方式為正反擠壓，建立幾何模型時(shí)，考慮到模型是軸對(duì)稱的，選取模型的二分之一進(jìn)行分析，坯體視為塑性體，模具視為剛體，不考慮其變形問(wèn)題。鎂鋰合金筒形件成形正擠壓過(guò)程的應(yīng)力場(chǎng)分布云圖見(jiàn)圖6，下模高度310 mm，給定邊界條件位移為108 mm，時(shí)間長(zhǎng)度30 s，上壓頭擠壓坯料的模擬過(guò)程，所受應(yīng)力為33 MPa，筒形長(zhǎng)度為310 mm。

圖6 筒形件成形正擠壓過(guò)程的應(yīng)力場(chǎng)分布云圖Fig.6 Stress field distribution of tubular workpiece during forward extrusion

鎂鋰合金筒形件成形反擠壓過(guò)程的應(yīng)力場(chǎng)分布云圖見(jiàn)圖7，上壓頭高度230 mm，給定邊界條件位移為80 mm，時(shí)間長(zhǎng)度30 s。

圖7 鎂鋰合金筒形件成形反擠壓過(guò)程的應(yīng)力場(chǎng)分布云圖Fig.7 Stress field distribution of tubular workpiece during back extrusion

3.2 薄壁筒形件精密成形工藝及本體性能分析

擠壓成形在200 t 專用熱成形機(jī)上進(jìn)行，擠壓溫度約300 ℃，保溫2 h 后開(kāi)始正擠壓，壓力約50 t，壓頭下行速度約0.05 mm/s，完成后拔出正擠壓模頭，更換反擠壓模頭，升溫至300 ℃，保溫2 h后開(kāi)始反擠壓。成形后筒形件實(shí)物見(jiàn)圖8。成形后尺寸精度可控制在0.01 mm以內(nèi)。

圖8 薄壁筒形件實(shí)物圖Fig.8 The physical drawing of a space component

等溫超塑性雙向擠壓近凈成形鎂鋰合金構(gòu)件縱向切取拉伸試樣，室溫拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線見(jiàn)圖9。在應(yīng)變速率為1.3×10-2s-1，最大抗拉強(qiáng)度216 MPa，最大延伸率為25.3%，相比鑄態(tài)和軋制態(tài)性能獲得大幅提升。成形溫度確保了材料超塑性能的實(shí)現(xiàn)，雙向擠壓過(guò)程實(shí)現(xiàn)了微觀組織的細(xì)化和球形化，性能得以提升，同時(shí)消除了鑄態(tài)缺陷，提高了結(jié)構(gòu)產(chǎn)品品質(zhì)。

圖9 構(gòu)件本體取樣性能測(cè)試Fig.9 Sample performance test of forming parts

4 結(jié)論

研究了一種薄壁筒形件的等溫超塑性雙向精密擠壓近凈成形方法，成形后結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能和延伸率遠(yuǎn)高于鑄造態(tài)和軋制態(tài)，成形后結(jié)構(gòu)件精度控制在0.01 mm 以內(nèi)，為輕質(zhì)高強(qiáng)需求的薄壁結(jié)構(gòu)提出了一種新的成形途徑。