[发明专利]生产用于形成净型部件的细晶粒金属片材的设备和方法

说明书

背景技术

1.发明领域

本发明涉及生产强度提高的净成型部件。更特别地，本发 明涉及生产具有微米尺寸晶粒组织的镁合金片材部件(sheet component)，该部件随后可用于强度提高的净成型片材部件的生产。

2.相关技术

在过去的几十年中，镁(Mg)合金的发展受某些障碍限制。 虽然形变镁具有用于制造较薄构件的潜力，但力学性能的各向异性限 制了Mg合金及其形变产品的应用。与大多数广泛使用的结构材料例如 钢和析出硬化铝(Al)合金相比，Mg合金的强度在某些方向相当低。例 如，面内压缩，基面织构Mg合金的屈服强度可仅为85MPa；H24状态 的AZ31B Mg合金片材在横向可具有3.2高值的法向异向性系数(R)。 片材中高值的法向异向性有助于深拉，但可能不适合于其它应用，特 别是当面内强度也是各向异性时。实际上，这种基础元素对于广泛的 合金强化不是友好的基质。

改善抗腐蚀性和可铸性的合金化元素例如Al遗憾地引入 低共熔金属间相。这些以粗且脆的形态包封初生晶粒。此外，正如由 低效的Al加入情形所例示，难以通过晶粒内的细析出物获得有效率的 时效硬化。促进时效硬化的元素例如稀土金属是高成本的、有害于可 铸性并且在抗腐蚀中是低效的。作为这些障碍的结果，强度的提高至 多是微不足道的，十年以来Mg合金例如AZ31和AZ91D仍主导着商业 片材和铸件市场的总吨量(tonnage)。

密排六方(HCP)结构的Mg合金具有有助于力学性能的高度 各向异性的低滑移系对称性。滑移是与位错滑动(glide)有关的晶体学 切变过程，所述位错滑动引起晶态金属大的塑性变形。在室温下，“基 面a”滑移{0001}<1120>占主要，而“棱a”和<c+a>滑移由于它们显 著高的临界分切应力(CRSS)而是困难的，这报道于高应力集中的区域 例如晶界和孪晶界面中。孪生是其中晶体或晶粒的小区域(通常为板 状或透镜状)在结晶学上再取向以适应与母晶体的孪晶关系的形变机 制。通常在多晶Mg中观测到形变孪生用于补偿独立滑移系的不足。最 常见的孪生模式分别是容纳c轴延伸和收缩的{1012}和{1011}孪生。

如果均匀地发生大量的“拉伸”和“压缩”孪生，可在钛 (Ti)和锆(Zr)中产生良好的应变硬化和大的延展性。然而，在Mg中， 孪生是不均匀的，并没有同时开始不同的孪生模式。单一孪生模式不 能完全容纳塑性变形。当在环境温度下基面滑移受到抑制时，孪生变 形可局域化，这导致Mg的低延展性。

两个主要缺陷限制了形变Mg合金的应用。首先，密排六方 晶体结构的对称性具有限制独立滑移系的数目的作用，因此提供了在 接近室温具有差的可成形性和延展性的合金。其次，在提高的温度 (＞300℃)下使Mg合金成形时，虽然有助于克服滑移的限制，但使氧化 问题更为严重。

相对于Al和钢，增强Mg合金的另一种方法是通过晶粒细 化。由得到确认的Hall-Petch关系式，强度与d^-1/2成比例，其中d～ 晶粒尺寸。虽然常规Mg合金片材和挤压物具有10-90μm的晶粒尺寸， 但将晶粒尺寸减小至约1μm或更小(因此是纳米结构且在本文中称 作“超细晶粒尺寸”)提供了使Mg的强度/密度逐渐提高到高于Al 和钢的水平的显著机会。超细晶粒尺寸可使超塑性变形能够在较低温 度下且以较高应变速率进行。在室温下，晶粒细化使许多多晶金属强 化。对于立方结构金属例如Al、铜(Cu)和铁(Fe)正是如此。然而，对 于HCP金属例如Mg合金，晶粒细化还可以导致织构变化和沿某些方向 不足的强化。