调控LPSO层片相Mg-9...热变形行为及热塑性提升机制_田学栋.pdf

第 30 卷 第 3 期2023 年 3 月塑性工程学报JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERINGVol.30 No.3Mar.2023引文格式:田学栋,赵 熹,任贤魏,等.调控 LPSO 层片相 Mg-9Gd-4Y-2Zn-0.5Zr 合金的热变形行为及热塑性提升机制 J.塑性工程学报,2023,30(3):131-142.TIAN Xuedong,ZHAO Xi,REN Xianwei,et al.Hot deformation behavior and thermoplastic lifting mechanism of Mg-9Gd-4Y-2Zn-0.5Zr alloy for regulating LPSO lamellar phase J.Journal of Plasticity Engineering,2023,30(3):131-142.基金项目:山西省科技成果重点推广计划(202104041101033)通信作者:赵 熹,男,1983 年生,博士,副教授,主要从事轻合金变形及强韧化研究,E-mail:zhaoxi_1111 第一作者:田学栋,男,1996 年生,硕士研究生,主要从事轻合金变形及强韧化研究,E-mail:tianxuedong620 收稿日期:2022-07-21;修订日期:2022-12-29调控 LPSO 层片相 Mg-9Gd-4Y-2Zn-0.5Zr 合金的热变形行为及热塑性提升机制田学栋1,赵 熹1,2,任贤魏2,王思琪1,张治民2,郭拉凤1(1.中北大学 航空宇航学院,山西 太原 030051;2.国防科技工业复杂构件挤压成形技术创新中心,山西 太原 030051)摘 要:以挤压态 Mg-9Gd-4Y-2Zn-0.5Zr 合金为研究对象,通过热处理调控出晶内不含和含层片状 LPSO 相的两种合金,进行了热压缩试验。结果表明,含层片状 LPSO 相合金热塑性更好,主要是由于层片状 LPSO 相的扭折及其诱发的连续动态再结晶能有效提升合金的变形协调能力。随后,对含层片状 LPSO 相合金的热变形行为进行了深入研究,发现在低应变速率变形时,软化机制主要以不连续动态再结晶为主。在高应变速率变形时,动态回复和不连续动态再结晶共同作用,造成材料软化。结合应变 0.8 下的热加工图和典型区域微观组织分析,确定最佳成形温度为 440480,应变速率为 0.0010.01 s-1。提出了一种通过调控层片状 LPSO 相提升稀土镁合金热塑性的方法,为挤压态稀土镁合金的后续变形提供了新思路。关键词:稀土镁合金;热压缩;本构方程;LPSO 相;动态再结晶 中图分类号:TG146.2.2 文献标识码:A 文章编号:1007-2012(2023)03-0131-12doi:10.3969/j.issn.1007-2012.2023.03.018Hot deformation behavior and thermoplastic lifting mechanism of Mg-9Gd-4Y-2Zn-0.5Zr alloy for regulating LPSO lamellar phase TIAN Xue-dong1,ZHAO Xi1,2,REN Xian-wei2,WANG Si-qi1,ZHANG Zhi-min2,GUO La-feng1(1.School of Aerospace Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.National Defense Industry Innovation Center for Complex Component Extrusion Technology,Taiyuan 030051,China)Abstract:Taking the extruded Mg-9Gd-4Y-2Zn-0.5Zr alloy as research object,the two kinds of alloy without and with lamellar LPSO phase in the crystal were regulated by heat treatment,and the hot compression tests were carried out.The results show that the alloy with lamellar LPSO phase has better thermoplasticity,which is mainly due to that the twist of lamellar LPSO phase and the continuous dynamic recrystallization induced by lamellar LPSO phase can effectively improve the deformation coordination ability of the alloy.Subsequently,the hot deformation behavior of alloy with lamellar LPSO was studied in depth.It is found that discontinuous dynamic recrystallization is the main softening mechanism under low strain rate deformation.Under high strain rate deformation,dynamic recovery and discontinuous dynamic recrystallization act together to cause material softening.The optimum forming temperature is 440-480,and the strain rate is 0.001-0.01 s-1 combined with the hot working diagrams with strain of 0.8 and the analysis of typical regional microstructure.A new method was proposed to improve the thermoplasticity of rare earth magnesium alloy by regulating lamellar LPSO phase,which provides a new idea for the subsequent deformation of extruded rare earth magnesium alloy.Key words:rare earth magnesium alloy;hot compression;constitutive equation;LPSO phase;dynamic recrystallization 网络首发时间：2023-03-30 11:09:07网络首发地址：https:/ 21 世纪最具潜力的结构材料1-5,然而常规镁合金在强度和耐热性上的弱势限制了其应用。近年来,在镁合金中添加稀土元素而研发的 Mg-RE-Zn 稀土镁合金内部特有的 LPSO 相使其具有比普通镁合金更优异的强度、韧性和抗蠕变性能6,引起了越来越多学者的关注。塑性变形能够有效细化晶粒,是提升镁合金力学性能的主要手段。ZHAO X 等7通过环形通道转角挤压技术获得具有更均匀的组织和优异性能的镁合金杯形件。FENG J K 等8研究了 AZ31 镁合金的半固态挤压成形,并与常规挤压工艺对比,结果表明表面半固态挤压获得的镁合金组织均匀、晶粒细化,力学性能显著提升。然而镁合金属于密排六方晶体结构,塑性成形能力较差,往往需要多次预变形提升坯料性能。刘正然等9研究了 ZK60 合金往复镦-挤发现,镦挤后的合金力学性能远高于均匀化态合金,随着道次的增加晶粒逐渐细化,边芯组织趋于均匀,伸长率显著增加。ZHAO X 等10研究AZ80 合金低温往复镦-挤也有同样的发现。ZHANG Z M 等11-12研究了 Mg-13Gd-3.5Y-2Zn-0.5Zr 合金往复镦-挤,发现随着变形道次的增加,动态再结晶过程不断进行,由于层片状 LPSO 相和析出颗粒阻碍晶粒的长大,合金的组织和力学性能均得到改善。但是变形镁合金在室温或 300 以下塑性加工时,形成了很强的基面织构,成形性很差,导致其多向变形困难,进一步二次塑性加工难度很大13。镁合金尤其是稀土镁合金的热塑性问题已经成为制约行业发展的关键瓶颈问题。近年来国内外学者研究发现,晶内层片状 LPSO相扭折能够在一定程度上起到协调变形的效果。MENG Y Z 等14研究了 Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr合金压扭变形,发现在滑移不能完全协调变形的情况下 LPSO 相发生扭折,进而提高了材料的塑性变形能力。XU W L 等15研究了 Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr 合金,发现在不同的热变形条件下,滑移、扭 折、动 态 再 结 晶(Dynamic Recrystallization,DRX)和孪晶相继出现,协调塑性变形。JEONG H T 等16对 Mg-8.2Gd-3.8Y-1.1Zn-0.4Zr 合金进行热处理调控晶内层片状 LPSO 相的析出,热变形后发现 LPSO 相的形成显著提高了合金的塑性变形激活能。HAO J Q 等17研究发现挤压前晶内层片状LPSO 相的存在会阻碍挤压后 Mg-2.5Zn-2.5Y-Mn合金中 DRX 晶粒的成核和生长,从而降低动态回复速率。ZHOU X J 等18-19研究了 Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金热变形行为,发现晶间 LPSO 相通过 PSN 机制增加了再结晶体积分数,晶内层片状 LPSO 和针状 LPSO相则抑制了 DRX 的形核和长大。然而,影响镁合金的热变形行为的因素众多,尚需进行系统的研究。把握流变应力、应变速率和变形温度三者的关系(本构模型),是准确描述材料变形行为和预测材料流变应力的关键,建立热加工图更是能够直观的为合金的热成形工艺提供指导20。近年来,多位学者研究并建立了各种稀土镁合金的本构模型来揭示其变形机制。史浩鹏等21研究了 Mg-10Gd-3Sm-1Zn-0.5Zr 合金的热变形行为,建立了相应的本构方程和热加工图。李慧中等22通过对 Mg-10Gd-4.8Y-2Zn-0.6Zr 合金进行研究,发现该合金的峰值应力受到温度和应变速率的影响很大。肖宏超等23对 Mg-10Gd-4.8Y-0.6Zr 合金热变形行为研究后发现,温度升高或者应变速率减小会降低功率耗散系数,表现为材料的可加工性降低。然而目前针对变形态稀土镁合金后续变形行为的研究较少。本文通过热处理调控挤压态 Mg-9Gd-4Y-2Zn-0.5Zr 合金层片状 LPSO 相的析出,力图探明层片状LPSO 相对热塑性的影响机制,并构建相应的本构方程和热加工图,为挤压态稀土镁合金的后续变形提供新思路。1 试验材料与方法试验材料采用挤压态 Mg-9Gd-4Y-2Zn-0.5Zr镁合金棒材芯部区域,具体工艺参数为 510 均匀化 16 h,然后在 430 和 1 mms-1下将直径760 mm 的棒材挤成直径 330 mm 的棒材。挤压态 Mg-9Gd-4Y-2Zn-0.5Zr 镁合金化学成分如表 1所示。表 1 挤压态 Mg-9Gd-4Y-2Zn-0.5Zr 镁合金的化学成分(%,质量分数)Tab.1 Chemical composition of extruded Mg-9Gd-4Y-2Zn-0.5Zr magnesium alloy(%,mass fraction)元素GdYZ