镁合金板材轧制技术新进展
发布日期：2023-09-06 浏览次数：758
轧制是镁合金板材的主要制备方法，常规轧制过程中上、下轧制工作辊辊面速率相同，在镁合金板面上形成对称应力，使板材晶粒 c 轴几乎都垂直于轧面，导致镁板具有强烈的基面织构，后续进一步减薄和二次塑性加工性能严重下降。为此，常规轧制镁合金板材，特别是轧制厚度8 mm以下的镁合金薄板，需要多次中间退火，导致工序较长、工艺复杂，板材轧制成形效率低，生产成本高，极大限制了镁合金薄板的大规模应用。为此，异步轧制、新型非对称轧制等工艺近年来受到广泛关注和重视。
1 异步轧制
在异步轧制过程中，由于板材轧机上、下工作辊辊面线速率不同，板材上、下表面受到的摩擦力方向相反，在变形区沿着板材厚度方向引入了剪切变形并在板材中间形成“搓轧区”。由于剪切变形的引入，改变了板材轧制过程中晶粒应力状态以及再结晶过程与塑性变形机制的关系，从而改变了板材的晶粒取向分布，弱化基面织构，使镁合金板材后续的塑性加工能力得到改善。
庞灵欢等采用了180 mm 轧 机 在 温 度 为350℃、单道次压下率为50%的情况下研究了轧辊表面圆周速率比对AZ31镁合金板材基面织构的影响，异步轧制使镁合金板材内部出现剪应力，增加了材料的变形能力，激活了镁合金的非基面滑移系，特别是柱面滑移，使 AZ31 板材成形性能显著提高。Maj‐chrowicz等研究了差速轧制(DSR)剪切变形对Mg-6Sn合金组织、织构和力学性能的影响。与常规轧制相比，异步轧制使Mg-6Sn板材的晶粒明显细化，基面织构扩展。宋旭东等研究了不同轧制异速比下的挤压态Mg-3Zn-2(Ce/La)-1Mn合金微观组织及织构演变，异步轧制板材的组织更均匀细小。Zhang等研究了差速轧制Mg-6Al合金的显微组织、织构和力学性能，由于异步轧制引入了剪切应变，导致轧制板材的基面极轴向轧制方向(RD)倾斜约20°。
2 衬板轧制
常规轧制镁合金板材易开裂，难以实现单道次大压下量轧制。为此，Li 等和 Wang 等研发了新型衬板控轧技术(hard-plate rolling，HPR)，即在轧制坯料上、下表面分别附加一块硬质合金衬板，与坯料同时送入轧辊中进行轧制，可实现单道次大压下量(约85%)轧制，大大提升了轧制效率。
采用 HPR 制备技术不仅能获得具有良好成形性的镁合金板材，还可实现难变形镁合金强塑性同时提升。这归因于其独特的混晶结构，即具有强织构的粗大微米晶和具有弱织构的超细晶/细晶混杂的晶粒组织。该混晶组织的形成一方面是由于HPR促进了非均匀变形和局部动态再结晶形核；同时 HPR 促进高密度亚微米 Mg17Al12动态析出，有效抑制细小的再结晶晶粒长大。细晶/超细晶和粗晶在拉伸不同阶段分别承载塑性变形的协同作用，提高了合金加工硬化能力，使强塑性同时提高。Zhang等通过HPR (单道次80%压下量)制备的混晶结构 AZ91 镁合金在300℃下延伸率约为580%，具有优异的超塑性。考虑到通常需要经过多道次常规轧制才能获得与之相当的超塑性，HPR在生产超塑性镁合金方面也具有极大的优势。基于 HPR 技术，Wang 等提出了一种新的非对称轧制方法——波浪形衬板轧制(wave-shapedrolling，WSR)。通过在板材的下表面添加一块波浪形模具，使上、下表面轧制应力呈非对称状态。采用WSR技术加工制备的Mg-6Al-3Sn合金板材基面织构明显减弱，断裂伸长率可达到22.5%。Wang 等采用大压下量控制轧制技术在 Mg1Zn-1Sn-0.3Y-0.2Ca合金中引入少量随机取向晶粒，成功实现了强弱混杂织构控制，有助于协调局部应变并激活非基面滑移，使延伸率从约15%提升至约27%，同时抗拉强度可达到约255 MPa，为低合金化镁合金的高性能化和短流程制备提供了新思路。
3 厚板侧向轧制
常用镁合金板材具有很强的(0002)基面织构，沿板材TD施加压应力，可以促进基面侧向偏转，改善基面的空间分布，增大沿TD变形的Schimid因子，但侧向压缩仅适合于处理厚度 20 mm 以上的厚板。Zhu等研究了预时效-侧向轧制耦合工艺对AZ80镁合金厚板(厚40 mm)微观组织和力学性能的影响，在 200℃下将板材侧轧至不同的厚度，变形量为10%~40%，可以显著提高AZ80镁合金的力学性能。Xin等发展了一种通过侧向预变形轧制预制孪晶，从而弱化轧制镁合金板材织构的方法。沿侧向(TD)对 20 mm 厚 AZ31 板材进行预变形轧制，然后再沿法向(ND)进行轧制，使板材内部出现拉伸孪晶，改变了初始的基面取向，在后续300℃下的轧制过程中单道次的最大变形量显著增加。
4 复合板轧制
镁合金复合板可充分利用镁合金和复合坯料的优势，克服单一板材的缺点。复合轧制是制备镁合金复合板的常用工艺，可生产大面积和大厚度的同种或者异种金属层压复合板。吴宗河等探索了压下率、轧制温度和轧制速率等多种轧制参数下热轧7075 Al/AZ31B镁合金复合板结合强度的变化规律，由于界面元素扩散宽度的增大和镁合金近界面晶粒组织的细化，铝镁合金复合板结合强度随压下率增加先升高后降低，但大变形导致 Mg 基体界面处产生微裂纹和镁合金侧晶粒异常长大，导致复合板材强度下降。采用双相Mg-Li合金，利用冷轧键合工艺制备了3层Al/Mg-Li/Al复合板材，所得复合板材结合强度较好。
5 在线加热轧制
镁合金板材，特别是镁合金薄板在热轧过程中因坯料温度下降较快，导致镁合金薄板单道次轧制压下量低，轧制成形性较差。为了防止轧制过程中坯料温度过快下降，重庆大学潘复生团队开发了在线加热轧制(On-LHR)镁合金薄板技术和装备，如图所示。与常规热传导加热镁合金板坯相比，在线加热轧制通过电流的热效应使板材产生热量，板材加热效率快。板材加热和轧制过程中均施加一定的张力，使得多道次轧制板材保持平直，无翘曲缺陷出现。
在此基础上，潘复生团队开展了在线加热轧制镁合金板材的相关研究工作。Pan等采用On-LHR工艺制备了 AZ31B 板材 ，其平均晶粒尺寸约为4.1 μm，沿轧制方向的屈服强度、抗拉强度和断裂伸长合力学性能。Xiao等研究认为On-LHR工艺制备的AZ31镁合金板材的剪切带内大部分晶粒基面平行于剪切带分布方向。随着道次变形量的增加，剪切带与RD的夹角逐渐减小，板材屈服强度逐渐降低。
On-LHR可大大降低镁合金边部裂纹敏感性，确保平直板形和表面质量。Huang等进一步研究了轧制张力对On-LHR制备AZ31镁合金板材边裂纹的影响，合适的张力对控制镁合金板材轧制边裂和获得良好轧制板型具有重要作用。此外，刘强等研究认为在线加热轧制Mg-1.0Al-1.0Sn-0.5Mn和Mg-6.0Al[1]1.0Sn-0.5Mn板材裂纹明显低于常规轧制板材。
6 宽幅板卷轧制
镁合金板卷轧制效率高，经过多年研究，镁合金大规格铸坯制备和宽幅板卷轧制工艺基础理论与技术取得了重要进展。东北大学乐启炽课题组开展了新型电磁场对镁合金坯料铸造的三传及其对凝固行为影响研究，开发出了镁合金大规格高质量扁锭的电磁铸造技术与装备，成功研制出横截面为400 mm × 1600 mm、长度达5000 mm的迄今最大镁合金大扁锭，为大卷重宽幅镁板卷的轧制生产提供了前提。同时研究了AZ31镁板辊道输送温度行程特征、轧制变形及其热行为与工艺参数的关系，构建了空冷过程温控模型和近恒温轧制判据；针对镁板轧制温度难以在线检测的问题，构建了镁板坯发射率经验模型，并结合所建立的轧制力半经验模型辅助感知变形区板温变化，为宽幅镁板近恒温轧制提供了基础理论支撑。
针对镁合金宽板轧制易出现边裂从而导致轧制成材率较低的问题，研究了不同轧制工艺对AZ31镁合金宽板边裂的影响，建立了轧制区带张力轧制模型和边部失效预判模型。通过研究明确了坯料边部倒角类型对宽板轧制区边部温度场和应力状态的影响，显著减少了边裂，大幅提高了宽板的轧制成材率。明确了预轧制、预侧压和大压下不同组合轧制路径与制度，显著改善镁合金宽板横向和厚向的变形与组织均匀性，还能通过促进变形过程中的再结晶形核，显著细化晶粒，促进
