搅拌摩擦加工镁合金的研究现状分析

王赛香

摘 要：搅拌摩擦加工是在搅拌摩擦焊的基础上发展起来的，目前已在国内外的研究中逐渐被重视起来。在对铝合金进行搅拌摩擦加工的研究上取得一定成果之后，为提高镁合全的塑性加工能力，扩大镁合全的应用范围，搅拌摩擦加工镁合金的研究已经成为国内外的热点。文章综述了搅拌摩擦加工镁合金的最新研究进展。

关键词：镁合金；搅拌摩擦加工；细晶；超塑性

中图分类号：TG453 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）14-0107-02

自开发以来，搅拌摩擦加工（Friction sitr processing，FSP）在铝合金方面的研究报道比较多，主要包括铝基复合材料的制备、铝合金的微观结构改性以及细晶铝合金的超塑性等，对镁合金的研究相对较少。而镁合金是目前工业应用中最轻的金属结构材料，被誉为21世纪最具开发和应用潜力的“绿色材料”，因此，对搅拌摩擦加工镁合金的研究具有重要意义。下面将从材料表面复合、微观结构改性以及细晶超塑性三方面对搅拌摩擦加工镁合金的研究进行介绍。

1 材料表面复合

根据搅拌摩擦加工在加工过程具备剧烈塑性变形的特点，目前已有不少研究者在对铝合金和镁合金复合材料的制备中应用了搅拌摩擦加工，其意在利用搅拌摩擦加工过程中形成金属间化合物作为增强相，从而提交金属复合材料的组织和性能；该金属复合材料的制备主要采用添加增强相材料的方式，最常用的增强材料有SiO2颗粒、SiC颗粒、Al2O3颗粒、C60颗粒等。

此外，搅拌摩擦加工制备金属复合材料还有一种方式就是增强相自生成。

Morisada等人[1]采用搅拌摩擦加工通过对AZ31镁合金板材添加SiC颗粒进行了研究，加工前将SiC颗粒置于板材开的槽中，研究对添加了SiC颗粒的板材进行搅拌摩擦加工，结果表明，加工后合金的晶粒尺寸由79.1 μm细化到6.0 μm，显微硬度Hv由原来的48.0提高到69.3。

研究结果显示，搅拌摩擦加工技术复合材料的显微组织和力学性能都得到了改善，但是由于搅拌摩擦加工过程非常快，添加的第二相粒子多半只是机械混和，且增强颗粒易于团聚或者大部分分布在表层，因此其表面改性的作用还达不到理论上的效果，有待进一步深入研究。

2 微观结构改性

一般而言，铸态组织比较疏松且存在缩孔、树枝晶以及粗大第二相，力学性能较差。传统的方法是采用传统塑性变形对其进行加工，从而提高其力学性能。但传统塑性变形也有其局限，因此研究者仍致力于探究更为合适的方法。

基于目前的研究发现，搅拌摩擦加工在加工过程中能够细化晶粒、破碎第二相以及枝晶组织并使其均匀分布于基体组织中、同时消除铸造孔洞，从而使组织均匀化，进而提高材料各方面的性能。因此，可以大胆地预测当原始组织为铸态的镁合金材料经搅拌摩擦加工后，其显微组织结构变化应该会十分显著，力学性能的改善效果也会比较明显。

基于此，在对搅拌摩擦加工铝合金微观结构改性方面进行了大量的研究报道之后，学者也开始了对搅拌摩擦加工镁合金尤其是铸态镁合金的研究。目前，研究学者主要对AZ系、ZK系以及一些稀土镁合金的搅拌磨擦加工进行了相关研究。王快社等[2]人在对铸态AZ31镁合金的搅拌磨擦加工的研究中发现，加工后合金的力学性能都有很大提高，同时经金相组织观察发现，原始铸态组织中的粗大β-Mg17Al12相确实显著破碎，且形成了均匀的再结晶组织；经XRD分析表明，大量破碎的β相分散并固溶到镁合金基体中，产生固溶强化作用。同时，Feng等[3，4]对铸造AZ91镁合金也进行了搅拌摩擦加工，同样加工后的铸造AZ91镁合金的力学性能也得到了显著提高，抗拉强度提高到377 MPa，疲劳强度为105 MPa，伸长率达10%；通过金相组织观察同样发现加工后原始组织中大量粗大网状共晶组织β-Mg17Al12发生了显著破碎和溶解。研究表明，搅拌摩擦加工铸态镁合金确实能够起到显著破碎并溶解β相并对铸态基体组织进行了细化和均匀化，且其显微组织的改善和力学性能的提高也是十分可观的。

3 细晶超塑性

在细晶超塑性方面，目前通过传统塑性变形、剧塑性变形、快速凝固或粉末冶金等方法制备的镁合金均能获得细化的晶粒组织，且在一定条件下均可获得良好的超塑性；尽管如此，上述材料制备技术还是存在着其不足的地方。

相比而言，新兴的搅拌摩擦加工技术因加工过程中不需加热工件、不改变加工工件的形状和尺寸、不受加工环境等特点而使其具有一系列的优势，为制备细晶镁合金材料以及实现超塑性成形提供了新的途径，引起了广大学者的兴趣。

通常而言，材料获得超塑性的两个条件是晶粒尺寸要小（小于10 μm）以及细小晶粒在高温下具有良好的热稳定性。目前，限制超塑性成形的工业化应用的一个主要因素是现有的细晶镁合金材料通常是在较低的应变速率（通常为10-3 s-1～10-5 s-1）下实现超塑性，能否实现细晶镁合金的高应变速率超塑性也引起了学者的研究方向。

目前，不少研究表明，镁合金经搅拌摩擦加工后晶粒细化效果明显，且采用FSP制备的细晶镁合金在超塑性变形方面尤其高应变速率超塑性方面表现出很大的潜力。Zhang等[5]首先对热轧AZ31镁合金进行了搅拌摩擦加工，加工后的AZ31镁合金的晶粒尺寸为11.4 μm，在温度为450 ℃和应变速率为1X10-

2 s-1的条件下延伸率达到268%，可见其具备高应变速率超塑性。

随后，Zhang等又对搅拌摩擦加工铸态AZ91镁合金的超塑性性能进行了研究，其中在温度为300 ℃，应变速率为2X10-

2 s-1时，延伸率达207%，在温度为200 ℃和应变速率为3X10-

3 s-1时，延伸率达204.4%，结果表明，铸态AZ91镁合金经搅拌摩擦加工后的不仅具备高应变速率超塑性，还具备低温超塑形。

参考文献：

[1] Morisada Y.，Fujii H.，Nagaoka T.，et al.Effect of friction stir processing with SiC particles on microstructure and hardness of AZ31[J].Materi-

als Science and Engineering A，2006，（1-2）.

[2] 王快社，王文，郭韡，等.搅拌摩擦加工铸态AZ31镁合金组织与性能研究[J].稀有金属材料与工程，2010，（7）.

[3] Feng A.H.，Ma Z.Y..Enhanced mechanical properties of Mg-Al-Zn cast alloy via friction stir processing [J].Scripta Materialia，2007，（5）.

[4] Ni D.R.，Wang D.，Feng A.H.，et al.Enhancing the high-cycle fatigue strength of Mg-9Al-1Zn casting by friction stir processing[J].Scripta Materialia，2009，（6）.

[5] Zhang Datong，Xiong Feng，Zhang Weiwen，et al.Trans superplasticity of AZ31 magnesium alloy prepared by frictionstm proccssing[J].Nonfer-

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[6] Zhang Datong，Wang Saixiang， Qiu Chen，et al.Superplastic tensile behavior of a finegrained AZ91 magnesium alloy prepared by fricti-

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