【論文介紹】一種細(xì)化AZ31鎂合金的固液兩相區(qū)復(fù)合擠壓工藝

航空材料學(xué)報期刊

2021年6月24日 11:25

【論文介紹】一種細(xì)化AZ31鎂合金的固液兩相區(qū)復(fù)合擠壓工藝的圖1

研究背景

鎂合金因密排六方的晶體結(jié)構(gòu)特點，室溫成形性差。細(xì)化晶粒是一種可以提高金屬構(gòu)件強(qiáng)度的同時，又能有效改善塑性和韌性的方法。等通道轉(zhuǎn)角擠壓能在幾乎不改變試樣截面尺寸和形狀的情況下實現(xiàn)材料的組織細(xì)化和性能提升，具有工藝流程短，耗能少等優(yōu)點。針對以上情況，基于“縮短流程，工藝耦合”的想法，將傳統(tǒng)等通道轉(zhuǎn)角工藝與半固態(tài)成形技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計開發(fā)出一套新型半固態(tài)擠壓剪切復(fù)合成形工藝，從而達(dá)到高效，經(jīng)濟(jì)的制備組織細(xì)小均勻鎂合金的目的。

主要創(chuàng)新點

提出全新的半固態(tài)擠壓剪切復(fù)合成形工藝，獲得了晶粒細(xì)化、織構(gòu)弱化、組織均勻化的AZ31鎂合金擠壓組織，為探究鎂合金材料的加工工藝和改善相應(yīng)組織性能提供了新思路。

通過有限元數(shù)值模擬及實驗研究，制定了合理的工藝參數(shù)和成形方案，并探究了半固態(tài)復(fù)合成形工藝擠壓過程的組織演變規(guī)律。

主要研究結(jié)果結(jié)論

固液兩相區(qū)復(fù)合成形的試驗流程圖見圖1。在700 ℃下融化AZ31鎂合金，同時加熱模具至350 ℃并保溫；將融化的AZ31鎂液倒入在液壓機(jī)上組裝好并保溫的模具中，等待適當(dāng)時間后進(jìn)行擠壓。上述整個過程都用熱電偶和溫度巡檢儀測溫，擠壓速度為50 mm/s。共進(jìn)行了一次不加轉(zhuǎn)角和兩個不同轉(zhuǎn)角的固液兩相區(qū)復(fù)合擠壓實驗。

【論文介紹】一種細(xì)化AZ31鎂合金的固液兩相區(qū)復(fù)合擠壓工藝的圖2

值得注意的是，變形區(qū)從上至下的基面極圖的極值強(qiáng)度先略微上升，到變形區(qū)出口時又迅速下降。結(jié)合不同部位的再結(jié)晶分布圖來分析固液兩相區(qū)擠壓過程的組織演變及織構(gòu)弱化原因。圖3為圖2各部位所對應(yīng)的再結(jié)晶分布圖，圖中藍(lán)色表示再結(jié)晶區(qū)域，紅色表示變形區(qū)域，黃色表示亞結(jié)構(gòu)區(qū)域。傳統(tǒng)擠壓在擠壓過程中的變形是由滑移和孿晶協(xié)調(diào)進(jìn)行的，變形過程中的狹長大晶粒大部分為變形區(qū)，小晶粒全部為再結(jié)晶小晶粒，并在變形階段出現(xiàn)明顯的孿晶結(jié)構(gòu)。而固液兩相區(qū)擠壓過程明顯不同，熔體在（560±10） ℃時開始擠出，此時熔體為固液混合狀態(tài)，靠近模具壁的位置固相率更高，為初生的α-Mg枝晶；進(jìn)入變形區(qū)之后凝固過程中的結(jié)晶潛熱和變形過程中的剪切效應(yīng)導(dǎo)致α-Mg枝晶臂斷裂和熔合，破碎枝晶周圍形成了元素富集，可以促進(jìn)形核；而剩余的液相部分凝固后形成了粗大的晶粒，儲存的殘余應(yīng)力較少。

此外，壓力的加入會改變金屬的平衡凝固溫度，使鎂鋁合金的過冷度增大，加快凝固過程，同時，由于剩余液相形成均勻的溫度場和濃度場，剩余液相處于整體過冷狀態(tài)，在快速冷卻條件下，容易發(fā)生爆炸形核，在剩余的液相中，短時間內(nèi)形成大量的晶核。晶核迅速長大，變得不穩(wěn)定，形成初生枝晶。但由于殘余液相中晶核密度較高，相鄰晶核生長界面前沿的溫度場和濃度場相互重疊，限制了晶粒的進(jìn)一步生長。最后，在殘余液相中得到細(xì)小均勻的等軸α-Mg枝晶。因此在圖2（a）~（d）中的大部分狹長晶粒為黃色，也有部分小晶粒不屬于再結(jié)晶晶粒。圖2（d）雖然是心部組織，但小晶粒的占比也很高。

在臨近變形區(qū)出口時，凝固已完成，在后續(xù)的擠壓過程中發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，進(jìn)一步細(xì)化晶粒的同時，再結(jié)晶也有效的弱化了織構(gòu)，因此產(chǎn)生了織構(gòu)先增強(qiáng)后減弱的現(xiàn)象。且最終組織中含有大量的紅色變形區(qū)域（圖3（e），（f））。

【論文介紹】一種細(xì)化AZ31鎂合金的固液兩相區(qū)復(fù)合擠壓工藝的圖3

圖2 固液兩相區(qū)擠壓變形區(qū)不同部位EBSD數(shù)據(jù)

（a）~（c）a1; （d）~（f）a2; （g）~（i）b1; （j）~（l）b2; （m）~（o）c1; （p）~（r）：c2

【論文介紹】一種細(xì)化AZ31鎂合金的固液兩相區(qū)復(fù)合擠壓工藝的圖4

圖3變形區(qū)再結(jié)晶分布圖

（a）part-a1;（b）part-a2;（c）part-b1;（d）part-b2;（e）part-c1;；（f）part-c2

對不同角度下所得棒材沿擠壓方向進(jìn)行室溫拉伸實驗，結(jié)果見圖4。直擠壓的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較低，分別為198 MPa和289 MPa，伸長率為9.8%。剪切角的加入引入更多的變形量，晶粒內(nèi)部的位錯更多并且晶格畸變加劇，對再結(jié)晶新晶粒的形成起到了促進(jìn)作用，有效細(xì)化晶粒；根據(jù)Hall-Petch公式可知材料的強(qiáng)度隨著晶粒尺寸的減小提高。在熱加工過程中，在晶粒內(nèi)同時進(jìn)行著加工硬化與回復(fù)再結(jié)晶軟化兩個相反的過程，有轉(zhuǎn)角的樣品應(yīng)變量更大，加工硬化更加明顯且無法完全釋放，導(dǎo)致材料強(qiáng)度上升，同時加工硬化也會導(dǎo)致材料塑性下降。此外，復(fù)合工藝擠壓織構(gòu)的強(qiáng)度雖然弱，但沿擠壓方向拉伸時仍為硬取向，不利于滑移系的開動。因此加入剪切角后強(qiáng)度提高而塑性下降；150°下的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度提高到222 MPa和309 MPa；135°下的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度提高到209 MPa和303 MPa；且兩個的伸長率都為8%左右。綜合來看，剪切角為150°時的綜合力學(xué)性能最優(yōu)。

轉(zhuǎn)角樣品變形量大，加工硬化更加明顯且無法完全釋放，導(dǎo)致材料強(qiáng)度上升，同時加工硬化也會導(dǎo)致材料塑性下降。因此，雖然組織細(xì)化，但加工硬化限制了塑性的進(jìn)一步提升。