低密度鎂鋰合金性能強化與精密成形技術

武練梅 易滿滿 李志亮 盧 振 王長瑞

（1 北京電子工程總體研究所，北京 100854）

（2 哈爾濱工業(yè)大學材料學院，哈爾濱 150001）

（3 南京航空航天大學大學直升機傳動技術重點實驗室，南京 210016）

0 引言

針對新一代國防武器裝備關鍵結構件高比強度、高比剛度要求，節(jié)省燃料消耗、增強火箭的運載能力、提高飛行速度和有效載荷比等成為近幾年研究熱點，輕質高強合金的使用需求愈發(fā)強烈［1-2］。目前，鎂鋰合金是世界上最輕的金屬結構材料，因具有優(yōu)良的比強度、良好的導熱導電性、優(yōu)異的機械加工性能和低溫成型性能及超輕等優(yōu)點，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，但是如何發(fā)揮其優(yōu)點，規(guī)避其鑄造困難，實現工程應用，是目前研究的重點。鎂鋰合金有著熔煉需精確控制、成本高、合金低密度和高強度無法兼得、耐高溫性能差、易腐蝕等缺陷。因此，低密度鎂鋰合金性能強化及其強化機理與精密成形研究具有重要戰(zhàn)略意義。

ESTRIN等［5］對Mg-4Li-1Ca（LX41）合金進行兩步軋制和退火處理，發(fā)現合金在比強度、應變硬化能力、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化，退火處理減弱了織構強度。JIA 等［6］將Mg-16Li-2.5Zn-2.5Er（LZ162-2.5Er）合金先下擠壓隨后進行冷軋，發(fā)現合金比強度得到了顯著提高。李瑞紅等［7］對LA91 鎂鋰合金在不同加工狀態(tài)下的顯微組織和力學性能進行了研究，發(fā)現軋制態(tài)合金較擠壓態(tài)合金的力學性更好，抗拉強度達176 MPa，伸長率達40%。TAKAHIRO 等［8］通過在通道模頭（MDFC）中進行熱處理和多方向鍛造的工藝組合，制備了具有高強度和塑性變形能力的Mg-Li-Al（LA143）合金。CAO 等［9］通過多向鍛造和軋制（MDFR）制備了新型的雙相占主導的細晶粒（5.5 μm）Mg-6.4Li-3.6Zn-0.37Al-0.36Y 合金，得到合金最高拉伸強度為286 MPa，伸長率為31.8%。劉旭賀等［10］過真空感應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)現鑄態(tài)合金晶粒粗大，擠壓變形過程中發(fā)生動態(tài)再結晶使晶粒細化，抗拉強度顯著提高。DROZD 等［11］對LA43 以及LA45 合金進行應力松弛試驗，揭示了熱激活過程機理。結果顯示，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生的流動應力。SONG等［12］在Mg-Li-Al基合金中加入了Be元素，揭示了強化相對β基體晶格畸變和α-Mg析出的影響。WANG等［13］等發(fā)現腐蝕性能和點蝕嚴重程度主要歸因于α-Mg 基體相的晶化結構。ZENG 等［14］發(fā)現細晶組織提高了合金的力學性能和耐蝕性，使點蝕轉變?yōu)檎w腐蝕。SHI 等［15］發(fā)現添加劑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，抗點蝕能力強。

本文采用低密度鎂鋰合金，通過精密近凈成形工藝，實現薄壁筒形件尺寸精度和性能的雙提升。通過鑄態(tài)、鍛態(tài)和筒形件原位性能對比研究，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，擬實現其高精度成形、力學性能顯著提升。

1 實驗材料及方法

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

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

拉伸性能測試在Instron公司生產的Instron 5500R電子萬能材料試驗機上進行。最大載荷為±200 kN，高溫拉伸最高溫度為350 ℃，采用引伸計測量變形量。拉伸性能測試試樣標距為10 mm，總長度為30 mm。壓縮性能測試在DSI科技聯合體公司生產的Gleeble-1500D動態(tài)熱力模擬試驗機上進行。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，其宏觀形貌見圖1。試樣軸線方向與熱壓方向平行，端面和側面通過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

熱壓縮應力-應變曲線圖見圖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，材料晶粒界面結合能降低，有利于塑性變形。相對于50%壓縮量，壓縮量為70%試樣由于變形量增大，變形抗力增加。兩種情況下當應變大于0.05以后，整個應力趨于平穩(wěn)，說明材料的軟化現象明顯大于加工硬化，表現為較好的超塑性能。隨著溫度的增加，均勻延伸率也呈現一種穩(wěn)定均勻的增長趨勢，表明總延伸率的提高是拉伸過程中出現頸縮后的不均勻變形量增加，及均勻變形階段的貢獻。綜上所述，溫度提高同時提高了材料塑性和均勻塑性變形能力。

圖2 壓縮量為50%、70%的應力-應變線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后的微觀組織形貌，壓縮溫度為300 ℃，應變速率分別為10-3s-1，壓縮量分別為50%和70%。初始材料晶粒比較粗大，并伴有大量的長條形晶粒［圖3（a）］，對比發(fā)現高溫變形后［圖3（b）和（c）］材料發(fā)生了明顯的動態(tài)再結晶，組織細化，說明高溫大變形過程中實現了晶粒細化，大量增強相彌散在晶粒內部，起到性能強化作用。

圖3 低密度合金高溫壓縮實驗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)下力學性能對比分析

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

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)鎂鋰合金進行350 ℃、120 min熱處理后取拉伸試樣，室溫拉伸應力-應變曲線見圖5。應變速率1.3×10-2s-1，最大抗拉強度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制仍然是晶界滑移，室溫條件下晶界滑移會在晶界三角區(qū)或增強相與基體相界處產生應力集中，使晶界滑移受到阻礙。隨溫度升高，原子活動動能增加，依賴于原子間相互作用的臨界切應力減弱，點缺陷的擴散加快，位錯滑移，材料容易進行塑性變形。

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

針對薄壁筒形件鍛造比大，要求材料可實現較大變形量，傳統(tǒng)鍛造方法易出現開裂、起皺等問題，通過等溫超塑性雙向擠壓近凈成形薄壁筒形件，同步進行模具內熱處理，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化和熱處理強化機制，提高結構件力學性能。

3.1 薄壁筒形件精密成形工藝仿真分析

薄壁筒形件的結構設計需通過數值模擬進一步優(yōu)化，數值模擬的前提是必須獲得基本參數，包括熱傳導參數、不同溫度下屈服應力、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，考慮到模型是軸對稱的，選取模型的二分之一進行分析，坯體視為塑性體，模具視為剛體，不考慮其變形問題。鎂鋰合金筒形件成形正擠壓過程的應力場分布云圖見圖6，下模高度310 mm，給定邊界條件位移為108 mm，時間長度30 s，上壓頭擠壓坯料的模擬過程，所受應力為33 MPa，筒形長度為310 mm。

圖6 筒形件成形正擠壓過程的應力場分布云圖Fig.6 Stress field distribution of tubular workpiece during forward extrusion

鎂鋰合金筒形件成形反擠壓過程的應力場分布云圖見圖7，上壓頭高度230 mm，給定邊界條件位移為80 mm，時間長度30 s。

圖7 鎂鋰合金筒形件成形反擠壓過程的應力場分布云圖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 專用熱成形機上進行，擠壓溫度約300 ℃，保溫2 h 后開始正擠壓，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后開始反擠壓。成形后筒形件實物見圖8。成形后尺寸精度可控制在0.01 mm以內。

圖8 薄壁筒形件實物圖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件縱向切取拉伸試樣，室溫拉伸應力應變曲線見圖9。在應變速率為1.3×10-2s-1，最大抗拉強度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現，雙向擠壓過程實現了微觀組織的細化和球形化，性能得以提升，同時消除了鑄態(tài)缺陷，提高了結構產品品質。

圖9 構件本體取樣性能測試Fig.9 Sample performance test of forming parts

4 結論

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，成形后結構件力學性能和延伸率遠高于鑄造態(tài)和軋制態(tài)，成形后結構件精度控制在0.01 mm 以內，為輕質高強需求的薄壁結構提出了一種新的成形途徑。