镁合金凝固及成形一体化技术与装备应用基础研究

Magnesium is an important environmentally friendly engineering material in the 21stcentury. However, due to its hexagonal closed packed structure, fewer slip system,bad plasticity, big deformation resistance, sensitive to strain rate and the problems of having interfacial compatibility and deformation coordination between the second phase and matrix phase, it is difficult to adopt conventional plastic deformation methods to achieve its industrial production. On the basis of former continuous casting and extruding , this project proposes through the optimization of equipment structure and real time control of solidifying process to form “technology and equipment of magnesium alloy forming integration”. It integrates the advantages of Conform and Rheoforming technology, is able to achieve the integration and continuation of dynamic solidification, semisolid deformation and solid plastic forming of magnesium alloys. In the meantime, the intensive shear stress field, extending forming, grain refinement mechanism of dynamic recrystallization and semisolid rheoforming mechanism can significantly improve the deformation capability of magnesium alloys and achieve Net-Shape forming in single working procedure of magnesium alloy products at low stress. The research significance of this project lies that the forming mechanism and microstructure evolution during dynamic solidification and intensive shear plastic deformation for magnesium alloys can be analyzed and this project can also provide technical support and equipment prototype for the industrial production of magnesium alloy and composite products with high performance in big sizes.

镁被誉为21 世纪重要的绿色工程材料，但镁为密排六方晶格结构，其滑移系少、塑性差、变形抗力大、对应变速率敏感、并存在第二相与基体相的界面相容性和变形协调性问题，使常规塑性成形方法难以实现其工业化生产。本申请项目在原有铸挤技术的基础上，拟通过装置结构优化和凝固成形过程实时控制，形成“镁合金凝固及成形一体化技术与装置”，它综合了Conform 与Rheoforming 技术的优势，可实现镁合金动态凝固、半固态形变和固态塑性成形的一体化与连续化；同时，通过强剪切应力场、扩展成形，以及动态再结晶的细晶机制和半固态流变成形机制，可显著提高镁合金在高应变速率下的变形能力，并实现低应力下镁合金制品的单工序Net-shape 成形。本项目的研究意义还在于：可以解析镁合金动态凝固与强剪切塑性变形过程中的成形机制和组织演化规律，也可以为高性能、大尺寸镁合金及其复合材料制品的工业化生产，提供技术支持和原型装备。

镁为密排六方晶格结构，当变形程度较大时，会沿孪生区域或沿粗大晶粒的{000}基面产生局部穿晶断裂，限制了金属镁的高温变形能力。采用常规的塑性成形方法，存在材料工艺损失大，加工成本高和生产效率低等一系列工艺问题。因此，深入研究镁合金的塑性变形机制，开发新的合金体系，改进和研制塑性成形技术与相关装备，已成为变形镁合金工业化生产迫切需要解决的首要问题。. 本项目在原有铸挤（CASTEX）技术的基础上，（1）提出了镁合金凝固及成形一体化技术（CASTEX Integral Technology, CASTEX IT）和装置，系统研究了镁及镁合金连续凝固与成形一体化过程的组织演化规律，以及工艺参数对组织性能的影响规律。（2）针对镁合金浇注与熔体保护问题，设计研发了一种镁合金保护浇注系统，浇注时与镁熔体与空气隔绝，避免熔炼中的夹杂气体、氧化、夹杂缺陷，同时，封闭式浇注系统为浇注过程熔体的恒压控制和定量浇注，提供了一种有效的工艺条件控制方法。（3）为实现镁的连续铸挤压过程能建立有效地摩擦力，发明了一种镁连续铸挤过程用增压轴瓦。应用“增压轴瓦”，设置两段式斜坡区结构，通过径向渐进补偿方式，克服金属镁在铸挤过程中的凝固收缩和固态收缩率大的不利影响，使金属镁始终压紧在铸挤辊上，并与增压轴瓦配套使用“梯形轮槽”，可以进一步放大增压轴瓦的增压效果。（4）在 CASTEX IT装置中，嵌入RCAP成形模具，设计了一套粉末固化与合金化成形机，并与振动成形技术结合，设计了一种连续振动式ECAP成形机原型装置。. 根据“控形/控性（控制组织与性能）/控制成本”一体化技术体系的评价方法，其关键数据包括：（1）对于镁及Mg-Zn-Cu合金系，其浇注温度分别为690~710℃/700~750℃，料出模温度分别350～450℃/350～400℃，铸挤辊直径为350~500mm，铸挤辊转速分别7~8rpm/8~10rpm，增压瓦弧度角α分别为75°/80°，轮槽深度分别为30×26mm/35×30mm。（2）对于连续振动式ECAP成形过程，推进速度为1-2.5米/分，振动频率为2800Hz，模外角Φ为110°，振幅为0.3~1μm。