AZ31镁合金板材自阻加热超塑成形及电流宏微观作用分析

张凯锋，刘泾源

（哈尔滨工业大学，哈尔滨 150001）

近年来，随着航空航天、汽车工业和电子工业的迅速发展，人们试图通过降低产品的自重以降低能源消耗和减少污染，促使镁合金的基础研究和开发取得了很大的发展［1—5］。由于镁合金的六方晶体结构，室温下塑性成形性能较差，难以通过传统的冲压方法加工，因而大大限制了其在结构零件方面的应用，因此，研究轻合金高温成形性能，采用超塑成形方法，可以扩大其实际应用范围，且具有较大的经济意义［6—9］。传统超塑成形方法加热时间长、能耗大，为克服以上缺点，将电流引入到成形过程中。目前，国内外已有众多学者致力于自阻加热成形的研究，如日本的K Mori等人［10］提出的自阻加热冲压方法，对超高强度钢SPFC980Y板材进行了热冲压工艺试验，该方法将板材加热至800℃只用了2 s的时间，极大地提高了加热效率。J.Yanagimoto等人［11］设计的连续自阻加热轧制工艺，不仅节约了能源，还克服了传统热轧工艺中加热速度与成形速度不协调的缺点，极大地提升了工艺的整体效率。此外自阻加热技术在热模锻、拔丝［13—18］等领域也得到了应用。电流的引入不仅可以节约能源、提高成形效率，还会对材料的组织性能产生影响，其中最主要的就是电致塑性效应（Electroplastic effect，EP effect）。Troitskii O.A［19］，H Conrad［20］等人的研究表明:外加电场可有效地降低材料在拉伸过程中的流动应力，提高材料延伸率，降低应变硬化，从而提高金属的塑性。此外，脉冲电流还会对材料损伤进行自我修复，具有止裂与细化晶粒的作用［21—22］。

基于上述原因，文中将电流引入到AZ31镁合金超塑成形工艺中，研究镁合金自阻加热性能，设计自阻加热超塑成形装置，确定合适的工艺参数，实现镁合金的超塑胀形。通过对试样成形性能及组织演变的分析，得到电流在镁合金成形过程中对变形机制的影响作用。

1 AZ31镁合金自阻加热超塑胀形装置

AZ31镁合金自阻加热超塑成形装置如图1所示。装置由加热电源、夹持电极、陶瓷模具、上压板、进气板、模具架等组成。其中电源采用的是大功率的直流脉冲电源，其峰值电流可达3000 A。夹持电极及导线采用低电阻率、高密度的黄铜材料，并使其截面积远远大于待加热胀形件的截面积，从而保证绝大部分的焦耳电阻热施加在胀形件上。为保证装置的绝缘及密封性能，采用陶瓷制作成形模具，板材与上下压板之间通过云母垫片绝缘。成形过程中，首先将待成形坯料夹持在夹持电极上，并施加足够的夹持力，以保证电极与坯料间的良好接触，防止火花放电，保证有效加热;加热电源、夹持电极和待成形坯料形成通电回路，这样电源输出的电流流经坯料时会产生大量的焦耳热，使其在短时间内被加热至超塑成形温度。

自阻加热超塑成形时，首先将板坯裁剪成120 mm×60 mm×1.2 mm的长方形小块坯料，并置于成形装置中，然后根据成形温度选择合理的加热电流密度对板材进行通电加热，当板材达到成形温度后微调电流使其温度稳定，通过进气管充入一定压力的氩气，对坯料施加成形气压。AZ31镁合金的最大成形气压为0.8 MPa，为保证成形过程中的变形速度满足材料的超塑成形要求，应选择合适的加压速率，直至最终成形贴模。

图1 自阻加热超塑气胀成形装置Fig.1 The device of resistance heating superplastic forming

2 AZ31镁合金自阻加热及成形性能

2.1 AZ31镁合金自阻加热性能

当电流流经金属板材时，由于焦耳热效应会使板料内能增加、温度升高;而同时，由于板料温度升高，其还会以板料与电极间的热传导、板料对外部环境的热对流以及热辐射的方式向周围环境散失热量。在加热开始阶段，板材向外界散失的热量很少，可以忽略，则脉冲电流产生的热量与材料内能的增量大致相等，板材升温曲线大致呈线性，且斜率较大（如图2a所示）。随着加热的进行，材料的温度逐渐升高，其热量散失也越快，此外由于材料的热导率、电阻率等热物性参数也随温度而变化，因此材料温度与通电时间的关系不再保持线性关系，其加热曲线的斜率逐渐减小。最终当输入的能量与材料损失的热量相等时，材料温度趋于稳定，此时材料处于动态热稳定状态，且电流密度越大，其能够达到的稳定温度越高。由于铜电极的横截面积远远大于板料的横截面积，且铜的电阻率小于镁合金的电阻率，因此电极的电阻较镁合金板材小，升温主要集中在成形板材上。同时电极与板料由于温差的存在会发生热传导，结果将导致坯料中间区域温度较高，两边与电极相邻区域温度较低。图2b给出了板料成形区温度场分布，由于成形区面积较板料整体面积较小，因此板料成形区温差不大，在20℃左右，属于成形可接受范围。

图2 AZ31镁合金加热性能Fig.2 Heating performance of AZ31

2.2 AZ31镁合金自阻加热成形性能

图3为AZ31镁合金自阻加热工艺参数及采用传统超塑胀形及自阻加热成形（电流密度为22.5 A/mm2）的试样。由图3可以看出，传统自由胀形得到的试件高径比为0.4，将电流引入到胀形后，试样的高径比提高到0.42，可见电流可以在一定程度上提高板材的塑性。采用自阻加热自由胀形的试件，顶部变形量较大，这是由于在成形过程中，材料变形不均匀，试件顶部减薄严重，壁厚的减小会导致该区域电阻增大，在壁厚较薄处会出现温度较高的区域，由于材料在高温下流动应力小，所以会发生变形集中。采用自阻加热的胀形件顶部较“尖”，该区域壁厚较小，有较大的变形量。

图3 自由胀形示意图Fig.3 Free bulging

图4为采用自阻加热方法超塑成形的AZ31镁合金薄壁壳形工件，可以看出，材料变形程度较大，充分发挥了AZ31镁合金板材的超塑性能，而且工件表面质量良好，表明脉冲电流加热方法很好地满足了工艺要求的加热条件。在自阻加热过程中，由于采用了脉冲电流直接加热的方式，极大地缩短了工艺过程中的加热时间，整个工艺耗时减少至40 min左右，相应的能量消耗也大大减少，如采用常规的超塑成形工艺进行本试验，工艺总耗时约为80 min，以某炉膛容积为2.25×10-3m3，加热温度为500℃的小型超塑成形设备为例，其平均输出功率（加热+成形）最小约为1 kW，而文中所用设备的平均输出功率仅为650 W。由此可见，脉冲电流辅助超塑成形工艺可提高效率50%，降低能耗65%左右，达到了超塑成形高效率、低能耗的目的。

图4 自阻加热超塑成形的AZ31镁合金试件Fig.4 The sample of AZ31 alloy formed by resistance heating superplastic forming

3 电流对AZ31合金变形机制的影响作用

3.1 电流对孪生变形的影响

在AZ31镁合金胀形过程中会发生动态再结晶，晶粒在晶界处形核，继而长大。由于胀形所用板材为非细晶镁合金板材，具有密排六方晶格结构，滑移系较少，在成形过程中会通过孪生变形调整晶体取向，释放应力。在板材变形过程中，由于电流会降低再结晶形核激活能，提高形核率，使晶界处有大量再结晶晶核形成（如图5b所示），晶核钉扎晶界，使晶界滑移和转动困难因而引起应力集中，导致自阻加热试件内产生大量孪晶。孪晶通过协调变形，释放应力，抑制裂纹和空洞扩展，从而提高材料的成形性能。

图5 AZ31镁合金胀形试样组织Fig.5 Microstructure of AZ31 Mg alloy specimens

3.2 电流对位错运动的影响

对于非细晶AZ31镁合金，在自阻加热超塑变形过程中，不仅存在着晶界的滑移与晶粒的转动，位错的滑移和蠕变在变形过程中也起到了很大的作用。在变形后的试样中观察到了大量位错，如图6所示。普通胀形位错在运动过程中相互交错、塞积缠结，引入电流后试件中的位错线主要为平直形，可以推断位错的滑移运动能力较强，滑移比较顺畅。这表明，在脉冲电流的作用下，取向最为有利的滑移系开始活动，金属中的漂移电子与位错发生碰撞产生电子风力，拖曳位错前进。部分可动位错借助于电子风力的作用，运动能力更加增强，这使得其他滑移系失去了开启的必要性，因此在脉冲电流的作用下，滑移线大致呈平行状，并使得晶界处塞积的位错以滑移或攀移的方式继续运动，最终与异号位错相遇而湮灭。位错在晶界处以滑移和攀移的方式运动，其滑移分量导致晶界滑动，而其攀移分量产生扩散通量而导致扩散蠕变。可协调晶界滑动产生的变形，由于脉冲电流的存在，使得扩散所需的激活能降低，扩散过程得以加强，伴随有扩散蠕变的晶界滑动效果也有所增强。而对于普通的胀形过程，大量的位错塞积与缠结，增大了位错持续运动的阻力，使得变形更加困难，从而降低了材料的成形能力。由此可见，在自阻加热成形工艺条件下，非细晶AZ31镁合金超塑变形的机制主要是位错运动协调的晶/相界滑动，而脉冲电流的引入，进一步增强了这种机制的作用，提升了AZ31镁合金的超塑变形能力。

图6 AZ31镁合金胀形件的TEM照片Fig.6 TEM morphologies of AZ31 Mg alloy specimens

3.3 电流对空洞的钝化作用

空洞是材料超塑性变形过程中普遍存在的组织变化。当超塑性变形进行到一定程度，变形量较大时，材料内部就会出现空洞的形核，随着变形的持续进行，空洞将会长大。如果成形后的制件内部存在大量空洞，特别是较大的V形空洞，就会严重地降低材料的断裂韧性等机械性能，对构件的使用造成隐患。对于AZ31镁合金超塑变形，当变形持续进行，将会发生空洞的聚合或连接，最终可能导致材料破坏，这极大地制约了镁合金材料超塑性能的提升。如图7a所示，在超塑变形的晶界滑移过程中，如果没有其他与之相适应的物质流动过程（如扩散蠕变或者位错蠕变）来弥合晶界滑移所造成的空隙，或者这种弥合的速度跟不上空隙发展的速度，就必然会在三角晶界位置处产生空洞。

图7 空洞照片Fig.7 Morphology of cavity

在脉冲电流加热过程中，电流流经V形空洞的尖端时，会在其周围出现电流的绕流和集中现象，图8为采用FEM方法计算的有效电流密度为22.5 A/mm2时，AZ31镁合金空洞附近的电流密度分布。由图8可以看出，在空洞尖端附近区域，电流的绕流和集中现象明显，电流密度高达100 A/mm2以上。如此高的电流密度会在尖端附近产生一个局部高温微区。该区域内的材料甚至会被熔化，使得空洞尖端钝化甚至愈合，可有效避免在该处出现应力集中，从而在一定程度上避免空洞的进一步发展，提高材料的成形性能。此外，由于空洞处温度较高，材料受热膨胀，在空洞周围产生热压应力，抑制空洞长大，对于细小的空洞甚至可以起到愈合的作用。

图7c，d为AZ31镁合金板材自阻加热超塑变形后内部两V形空洞处的SEM照片（图中箭头所示为电流方向），从图8中可以看出，垂直于电流方向的空洞尖角处有钝化的痕迹，这在一定程度上避免了空洞在该方向上的进一步扩展，而在水平方向（电流方向），部分空洞尖角呈尖锐状，这说明，电流对V形空洞的钝化、愈合效应具有方向性，因此在成形过程中，应合理地选择脉冲电流的方向，以便更有效地利用脉冲电流的这一效应，进一步提高轻合金板材的成形性能。

图8 有限元方法计算的空洞附近的电流密度分布Fig.8 Distribution of the current density near the cavity calculated by FEM

4 结论

文中分析了在电流作用下镁合金的变形机制，研究发现，电流可以通过促进材料的再结晶形核、位错滑移，来提高材料的塑性，并具有钝化和阻碍空洞扩展的作用。

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