镁合金挤压焊合机理研究及空心型材挤压的微观组织控制

The extrusion through a porthole die is a main forming method for the hollow profile of magnesium alloys. During the process, a solid billet is split into several metal streams. Before flowing through die orifice, these metal streams are re-bonded in the welding chamber of die. Longitudinal weld-seams may negatively influence product quality, especially ductility and dynamic mechanical properties. The researches on extrusion welding of aluminum alloys were focused on, but few investigations on magnesium alloys were conducted. There are some complicated characteristics in extrusion welding of magnesium alloys, which are different from aluminum alloys. The ultimate aim of this research is to control accurately the microstructure of extruded hollow profile of magnesium alloys. We will investigate the mechanism of extrusion welding of magnesium alloys, and analyze influencing factors of weld-seam formation. The microstructure evolution in welding area will be focused on, including the dynamic recrystallization, grain size and diffusion of welded metal. It is expected to make a breakthrough in physical simulation method of extrusion welding, evaluation method of extruded weld seam and mechanical properties tests of weld seam. The criterion of welding integrity will be established and applied in numerical simulation of the profile extrusion processing of magnesium alloy.

通过分流组合模挤压成形是镁合金空心型材生产的主要方式。在成形过程中，实心坯料被分流孔劈开几股金属流，然后在固态下被挤压焊合，最后从模口流出。挤压中形成的纵向焊缝可能会成为空心挤压型材的薄弱之处，尤其是材料韧性和动力学性能会下降。目前，大多的挤压焊合研究关注的是铝合金型材，由于镁合金与铝合金的晶体结构和成形性能不同，镁合金的热挤压特别是挤压焊合具有自身的复杂特点。因此，本项目将深入揭示镁合金的挤压焊合机理，分析影响挤压焊合的各种因素，控制镁合金空心型材的微观组织，研究镁合金挤压焊合区的动态再结晶、晶粒度变化以及焊缝处材料扩散等。通过研究，拟在一些方面取得突破，包括镁合金挤压焊合的物理模拟方法，焊缝质量评估方法等。建立可靠的适用于镁合金的挤压焊合的准则，并将其应用到空心型材挤压的有限元模拟中，预测挤压焊合质量。

本项目研究背景是变形镁合金空心型材挤压工艺的挤压焊合及微观组织控制。分流模挤压的空心型材存在沿挤压方向分布的焊缝，未焊合、虚焊等焊缝缺陷会影响型材整体的力学性能，同时，镁合金的挤压性能较差，挤压过程中容易出现过热和过烧现象。针对上述问题，本项目开展了镁合金的挤压性能、挤压极限图、挤压焊合的物理模拟、挤压焊合准则的深入研究，并将所建立的挤压极限图和焊合准则应用在矩形管的挤压中，确定了合理的挤压条件，成功挤压出镁合金矩形管，并应用在镁合金飞机座椅的制造中。论文取得的研究成果：.（1）开发了具有封闭焊合腔的挤压焊合物理模拟实验装置，利用该装置实现了镁合金在三向压应力状态下的固态焊合。揭示了挤压速度、温度、焊合界面处的静水压力和应变对焊缝质量的影响。其中，挤压速度和温度对焊缝质量的影响最为显著。较高的温度和较慢的挤压速度有利于镁合金的挤压焊合。.（2）揭示了镁合金的挤压焊合机理。研究了纯镁与镁合金挤压焊合界面的元素扩散。基于挤压焊合机理建立了挤压焊合准则，焊合准则充分考虑了塑性变形以及静水压力驱动的扩散对孔洞收缩的贡献。与已有的挤压焊合准则相比，当前的挤压焊合准则能够给出更准确的预测结果。.（3）分析了挤压工艺参数对挤压载荷、挤压温升和镁合金棒材的表面质量的影响，系统地评价了Mg-Al-Zn-RE镁合金的挤压性能。提出了等效挤压工艺参数及其转换方法，在综合考虑多个挤压影响因素的基础上降低建立挤压极限图的难度。提出了三维挤压极限图及其构建方法，综合地反映材料的挤压性能。.（5）结合挤压极限图和挤压焊合准则确定了镁合金矩形管挤压的理想参数。挤压管材具有良好的力学性能（抗拉强度和延伸率分别达到406 MPa和21.8%）和弯曲性能，通过室温下的弯曲工艺可以制造出飞机座椅的靠背框架。