AZ31鎂合金板材自阻加熱超塑成形及電流宏微觀作用分析

張凱鋒，劉涇源

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001）

近年來，隨著航空航天、汽車工業(yè)和電子工業(yè)的迅速發(fā)展，人們試圖通過降低產(chǎn)品的自重以降低能源消耗和減少污染，促使鎂合金的基礎(chǔ)研究和開發(fā)取得了很大的發(fā)展［1—5］。由于鎂合金的六方晶體結(jié)構(gòu)，室溫下塑性成形性能較差，難以通過傳統(tǒng)的沖壓方法加工，因而大大限制了其在結(jié)構(gòu)零件方面的應(yīng)用，因此，研究輕合金高溫成形性能，采用超塑成形方法，可以擴(kuò)大其實(shí)際應(yīng)用范圍，且具有較大的經(jīng)濟(jì)意義［6—9］。傳統(tǒng)超塑成形方法加熱時(shí)間長、能耗大，為克服以上缺點(diǎn)，將電流引入到成形過程中。目前，國內(nèi)外已有眾多學(xué)者致力于自阻加熱成形的研究，如日本的K Mori等人［10］提出的自阻加熱沖壓方法，對超高強(qiáng)度鋼SPFC980Y板材進(jìn)行了熱沖壓工藝試驗(yàn)，該方法將板材加熱至800℃只用了2 s的時(shí)間，極大地提高了加熱效率。J.Yanagimoto等人［11］設(shè)計(jì)的連續(xù)自阻加熱軋制工藝，不僅節(jié)約了能源，還克服了傳統(tǒng)熱軋工藝中加熱速度與成形速度不協(xié)調(diào)的缺點(diǎn)，極大地提升了工藝的整體效率。此外自阻加熱技術(shù)在熱模鍛、拔絲［13—18］等領(lǐng)域也得到了應(yīng)用。電流的引入不僅可以節(jié)約能源、提高成形效率，還會對材料的組織性能產(chǎn)生影響，其中最主要的就是電致塑性效應(yīng)（Electroplastic effect，EP effect）。Troitskii O.A［19］，H Conrad［20］等人的研究表明:外加電場可有效地降低材料在拉伸過程中的流動應(yīng)力，提高材料延伸率，降低應(yīng)變硬化，從而提高金屬的塑性。此外，脈沖電流還會對材料損傷進(jìn)行自我修復(fù)，具有止裂與細(xì)化晶粒的作用［21—22］。

基于上述原因，文中將電流引入到AZ31鎂合金超塑成形工藝中，研究鎂合金自阻加熱性能，設(shè)計(jì)自阻加熱超塑成形裝置，確定合適的工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)鎂合金的超塑脹形。通過對試樣成形性能及組織演變的分析，得到電流在鎂合金成形過程中對變形機(jī)制的影響作用。

1 AZ31鎂合金自阻加熱超塑脹形裝置

AZ31鎂合金自阻加熱超塑成形裝置如圖1所示。裝置由加熱電源、夾持電極、陶瓷模具、上壓板、進(jìn)氣板、模具架等組成。其中電源采用的是大功率的直流脈沖電源，其峰值電流可達(dá)3000 A。夾持電極及導(dǎo)線采用低電阻率、高密度的黃銅材料，并使其截面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于待加熱脹形件的截面積，從而保證絕大部分的焦耳電阻熱施加在脹形件上。為保證裝置的絕緣及密封性能，采用陶瓷制作成形模具，板材與上下壓板之間通過云母墊片絕緣。成形過程中，首先將待成形坯料夾持在夾持電極上，并施加足夠的夾持力，以保證電極與坯料間的良好接觸，防止火花放電，保證有效加熱;加熱電源、夾持電極和待成形坯料形成通電回路，這樣電源輸出的電流流經(jīng)坯料時(shí)會產(chǎn)生大量的焦耳熱，使其在短時(shí)間內(nèi)被加熱至超塑成形溫度。

自阻加熱超塑成形時(shí)，首先將板坯裁剪成120 mm×60 mm×1.2 mm的長方形小塊坯料，并置于成形裝置中，然后根據(jù)成形溫度選擇合理的加熱電流密度對板材進(jìn)行通電加熱，當(dāng)板材達(dá)到成形溫度后微調(diào)電流使其溫度穩(wěn)定，通過進(jìn)氣管充入一定壓力的氬氣，對坯料施加成形氣壓。AZ31鎂合金的最大成形氣壓為0.8 MPa，為保證成形過程中的變形速度滿足材料的超塑成形要求，應(yīng)選擇合適的加壓速率，直至最終成形貼模。

圖1 自阻加熱超塑氣脹成形裝置Fig.1 The device of resistance heating superplastic forming

2 AZ31鎂合金自阻加熱及成形性能

2.1 AZ31鎂合金自阻加熱性能

當(dāng)電流流經(jīng)金屬板材時(shí)，由于焦耳熱效應(yīng)會使板料內(nèi)能增加、溫度升高;而同時(shí)，由于板料溫度升高，其還會以板料與電極間的熱傳導(dǎo)、板料對外部環(huán)境的熱對流以及熱輻射的方式向周圍環(huán)境散失熱量。在加熱開始階段，板材向外界散失的熱量很少，可以忽略，則脈沖電流產(chǎn)生的熱量與材料內(nèi)能的增量大致相等，板材升溫曲線大致呈線性，且斜率較大（如圖2a所示）。隨著加熱的進(jìn)行，材料的溫度逐漸升高，其熱量散失也越快，此外由于材料的熱導(dǎo)率、電阻率等熱物性參數(shù)也隨溫度而變化，因此材料溫度與通電時(shí)間的關(guān)系不再保持線性關(guān)系，其加熱曲線的斜率逐漸減小。最終當(dāng)輸入的能量與材料損失的熱量相等時(shí)，材料溫度趨于穩(wěn)定，此時(shí)材料處于動態(tài)熱穩(wěn)定狀態(tài)，且電流密度越大，其能夠達(dá)到的穩(wěn)定溫度越高。由于銅電極的橫截面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于板料的橫截面積，且銅的電阻率小于鎂合金的電阻率，因此電極的電阻較鎂合金板材小，升溫主要集中在成形板材上。同時(shí)電極與板料由于溫差的存在會發(fā)生熱傳導(dǎo)，結(jié)果將導(dǎo)致坯料中間區(qū)域溫度較高，兩邊與電極相鄰區(qū)域溫度較低。圖2b給出了板料成形區(qū)溫度場分布，由于成形區(qū)面積較板料整體面積較小，因此板料成形區(qū)溫差不大，在20℃左右，屬于成形可接受范圍。

圖2 AZ31鎂合金加熱性能Fig.2 Heating performance of AZ31

2.2 AZ31鎂合金自阻加熱成形性能

圖3為AZ31鎂合金自阻加熱工藝參數(shù)及采用傳統(tǒng)超塑脹形及自阻加熱成形（電流密度為22.5 A/mm2）的試樣。由圖3可以看出，傳統(tǒng)自由脹形得到的試件高徑比為0.4，將電流引入到脹形后，試樣的高徑比提高到0.42，可見電流可以在一定程度上提高板材的塑性。采用自阻加熱自由脹形的試件，頂部變形量較大，這是由于在成形過程中，材料變形不均勻，試件頂部減薄嚴(yán)重，壁厚的減小會導(dǎo)致該區(qū)域電阻增大，在壁厚較薄處會出現(xiàn)溫度較高的區(qū)域，由于材料在高溫下流動應(yīng)力小，所以會發(fā)生變形集中。采用自阻加熱的脹形件頂部較“尖”，該區(qū)域壁厚較小，有較大的變形量。

圖3 自由脹形示意圖Fig.3 Free bulging

圖4為采用自阻加熱方法超塑成形的AZ31鎂合金薄壁殼形工件，可以看出，材料變形程度較大，充分發(fā)揮了AZ31鎂合金板材的超塑性能，而且工件表面質(zhì)量良好，表明脈沖電流加熱方法很好地滿足了工藝要求的加熱條件。在自阻加熱過程中，由于采用了脈沖電流直接加熱的方式，極大地縮短了工藝過程中的加熱時(shí)間，整個(gè)工藝耗時(shí)減少至40 min左右，相應(yīng)的能量消耗也大大減少，如采用常規(guī)的超塑成形工藝進(jìn)行本試驗(yàn)，工藝總耗時(shí)約為80 min，以某爐膛容積為2.25×10-3m3，加熱溫度為500℃的小型超塑成形設(shè)備為例，其平均輸出功率（加熱+成形）最小約為1 kW，而文中所用設(shè)備的平均輸出功率僅為650 W。由此可見，脈沖電流輔助超塑成形工藝可提高效率50%，降低能耗65%左右，達(dá)到了超塑成形高效率、低能耗的目的。

圖4 自阻加熱超塑成形的AZ31鎂合金試件Fig.4 The sample of AZ31 alloy formed by resistance heating superplastic forming

3 電流對AZ31合金變形機(jī)制的影響作用

3.1 電流對孿生變形的影響

在AZ31鎂合金脹形過程中會發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，晶粒在晶界處形核，繼而長大。由于脹形所用板材為非細(xì)晶鎂合金板材，具有密排六方晶格結(jié)構(gòu)，滑移系較少，在成形過程中會通過孿生變形調(diào)整晶體取向，釋放應(yīng)力。在板材變形過程中，由于電流會降低再結(jié)晶形核激活能，提高形核率，使晶界處有大量再結(jié)晶晶核形成（如圖5b所示），晶核釘扎晶界，使晶界滑移和轉(zhuǎn)動困難因而引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致自阻加熱試件內(nèi)產(chǎn)生大量孿晶。孿晶通過協(xié)調(diào)變形，釋放應(yīng)力，抑制裂紋和空洞擴(kuò)展，從而提高材料的成形性能。

圖5 AZ31鎂合金脹形試樣組織Fig.5 Microstructure of AZ31 Mg alloy specimens

3.2 電流對位錯(cuò)運(yùn)動的影響

對于非細(xì)晶AZ31鎂合金，在自阻加熱超塑變形過程中，不僅存在著晶界的滑移與晶粒的轉(zhuǎn)動，位錯(cuò)的滑移和蠕變在變形過程中也起到了很大的作用。在變形后的試樣中觀察到了大量位錯(cuò)，如圖6所示。普通脹形位錯(cuò)在運(yùn)動過程中相互交錯(cuò)、塞積纏結(jié)，引入電流后試件中的位錯(cuò)線主要為平直形，可以推斷位錯(cuò)的滑移運(yùn)動能力較強(qiáng)，滑移比較順暢。這表明，在脈沖電流的作用下，取向最為有利的滑移系開始活動，金屬中的漂移電子與位錯(cuò)發(fā)生碰撞產(chǎn)生電子風(fēng)力，拖曳位錯(cuò)前進(jìn)。部分可動位錯(cuò)借助于電子風(fēng)力的作用，運(yùn)動能力更加增強(qiáng)，這使得其他滑移系失去了開啟的必要性，因此在脈沖電流的作用下，滑移線大致呈平行狀，并使得晶界處塞積的位錯(cuò)以滑移或攀移的方式繼續(xù)運(yùn)動，最終與異號位錯(cuò)相遇而湮滅。位錯(cuò)在晶界處以滑移和攀移的方式運(yùn)動，其滑移分量導(dǎo)致晶界滑動，而其攀移分量產(chǎn)生擴(kuò)散通量而導(dǎo)致擴(kuò)散蠕變。可協(xié)調(diào)晶界滑動產(chǎn)生的變形，由于脈沖電流的存在，使得擴(kuò)散所需的激活能降低，擴(kuò)散過程得以加強(qiáng)，伴隨有擴(kuò)散蠕變的晶界滑動效果也有所增強(qiáng)。而對于普通的脹形過程，大量的位錯(cuò)塞積與纏結(jié)，增大了位錯(cuò)持續(xù)運(yùn)動的阻力，使得變形更加困難，從而降低了材料的成形能力。由此可見，在自阻加熱成形工藝條件下，非細(xì)晶AZ31鎂合金超塑變形的機(jī)制主要是位錯(cuò)運(yùn)動協(xié)調(diào)的晶/相界滑動，而脈沖電流的引入，進(jìn)一步增強(qiáng)了這種機(jī)制的作用，提升了AZ31鎂合金的超塑變形能力。

圖6 AZ31鎂合金脹形件的TEM照片F(xiàn)ig.6 TEM morphologies of AZ31 Mg alloy specimens

3.3 電流對空洞的鈍化作用

空洞是材料超塑性變形過程中普遍存在的組織變化。當(dāng)超塑性變形進(jìn)行到一定程度，變形量較大時(shí)，材料內(nèi)部就會出現(xiàn)空洞的形核，隨著變形的持續(xù)進(jìn)行，空洞將會長大。如果成形后的制件內(nèi)部存在大量空洞，特別是較大的V形空洞，就會嚴(yán)重地降低材料的斷裂韌性等機(jī)械性能，對構(gòu)件的使用造成隱患。對于AZ31鎂合金超塑變形，當(dāng)變形持續(xù)進(jìn)行，將會發(fā)生空洞的聚合或連接，最終可能導(dǎo)致材料破壞，這極大地制約了鎂合金材料超塑性能的提升。如圖7a所示，在超塑變形的晶界滑移過程中，如果沒有其他與之相適應(yīng)的物質(zhì)流動過程（如擴(kuò)散蠕變或者位錯(cuò)蠕變）來彌合晶界滑移所造成的空隙，或者這種彌合的速度跟不上空隙發(fā)展的速度，就必然會在三角晶界位置處產(chǎn)生空洞。

圖7 空洞照片F(xiàn)ig.7 Morphology of cavity

在脈沖電流加熱過程中，電流流經(jīng)V形空洞的尖端時(shí)，會在其周圍出現(xiàn)電流的繞流和集中現(xiàn)象，圖8為采用FEM方法計(jì)算的有效電流密度為22.5 A/mm2時(shí)，AZ31鎂合金空洞附近的電流密度分布。由圖8可以看出，在空洞尖端附近區(qū)域，電流的繞流和集中現(xiàn)象明顯，電流密度高達(dá)100 A/mm2以上。如此高的電流密度會在尖端附近產(chǎn)生一個(gè)局部高溫微區(qū)。該區(qū)域內(nèi)的材料甚至?xí)蝗刍沟每斩醇舛蒜g化甚至愈合，可有效避免在該處出現(xiàn)應(yīng)力集中，從而在一定程度上避免空洞的進(jìn)一步發(fā)展，提高材料的成形性能。此外，由于空洞處溫度較高，材料受熱膨脹，在空洞周圍產(chǎn)生熱壓應(yīng)力，抑制空洞長大，對于細(xì)小的空洞甚至可以起到愈合的作用。

圖7c，d為AZ31鎂合金板材自阻加熱超塑變形后內(nèi)部兩V形空洞處的SEM照片（圖中箭頭所示為電流方向），從圖8中可以看出，垂直于電流方向的空洞尖角處有鈍化的痕跡，這在一定程度上避免了空洞在該方向上的進(jìn)一步擴(kuò)展，而在水平方向（電流方向），部分空洞尖角呈尖銳狀，這說明，電流對V形空洞的鈍化、愈合效應(yīng)具有方向性，因此在成形過程中，應(yīng)合理地選擇脈沖電流的方向，以便更有效地利用脈沖電流的這一效應(yīng)，進(jìn)一步提高輕合金板材的成形性能。

圖8 有限元方法計(jì)算的空洞附近的電流密度分布Fig.8 Distribution of the current density near the cavity calculated by FEM

4 結(jié)論

文中分析了在電流作用下鎂合金的變形機(jī)制，研究發(fā)現(xiàn)，電流可以通過促進(jìn)材料的再結(jié)晶形核、位錯(cuò)滑移，來提高材料的塑性，并具有鈍化和阻礙空洞擴(kuò)展的作用。

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