潘復生1,2, 蔣斌,1,2

地球上鎂礦資源豐富，我國是鎂礦儲量最為豐富的國家，大力發展與應用鎂及鎂合金對于緩解鐵鋁金屬礦產資源緊缺難題具有重要意義[1~10]。鎂及鎂合金具有質輕、比強度高、阻尼減振、電磁屏蔽性能優良、儲能特性好等優點，是最有潛力的輕量化材料之一，已在汽車、軌道交通、電子信息、通用工具、航空航天、國防軍工等領域得到規模應用，產生了很好的輕量化效果和顯著的節能減排效應，展現出廣闊的發展與應用前景，在推動碳達峰和碳中和國家戰略過程中將起到不可替代的作用[11~20]。

鎂合金屬于密排六方晶體結構，室溫可動滑移系少，塑性成形能力較差，因此，相對于鐵、鋁金屬材料的變形制品占比超過70%，變形鎂合金在鎂合金應用產品種類中的占比較低，目前應用的鎂合金產品主要是鑄造鎂合金[21~26]。變形鎂合金在室溫或300℃以下塑性成形時柱面和錐面滑移的臨界剪切應力比基面滑移大很多，柱面和<c + a>錐面滑移難以啟動[27~34]。因此，變形鎂合金在室溫或300℃以下塑性加工時，形成很強的基面織構，成形性很差，導致其多向變形困難，進一步二次塑性加工難度很大，需要多次加熱和退火，從而導致加工工序長，成品率低，綜合成本高[35~46]。同時，現有塑性加工主要是采用對稱軋制或擠壓工藝，在逐漸減薄過程中的基面織構越來越強，使變形鎂合金的后續塑性加工成形性能顯著惡化。

針對變形鎂合金塑性成形能力差的問題，近年來國內外研究者開展了大量工作，在高塑性變形鎂合金設計新方法和新理論、塑性加工新技術等方面取得了重要進展，形成了“固溶強化增塑”高塑性變形鎂合金設計理論、變形鎂合金新型非對稱加工技術、往復循環多道次鐓擠開坯技術、擠鍛復合成形技術等重要成果，為變形鎂合金及其塑性加工技術的進一步發展應用提供了重要的科學基礎和技術支持。

1 高塑性變形鎂合金設計和制備關鍵技術

1.1 變形鎂合金“固溶強化增塑”設計新方法

鎂合金是密排六方晶體結構，室溫變形時基面和非基面的臨界剪切應力(critical resolution shear stress，CRSS)差異很大，純Mg錐面滑移CRSS比基面大100倍左右，在變形時能開啟的滑移系以基面滑移為主。因此，鎂合金在塑性變形時常常難以滿足von Mises準則，進而表現出較差的塑性和強烈的各向異性。

重慶大學潘復生團隊提出了“固溶強化增塑”新型鎂合金設計理論[47]，該理論可以為高塑性鎂合金的設計提供重要理論基礎。如圖1[41]，通過增加基面滑移阻力，同時降低基面滑移和非基面滑移CRSS之間的差異，可以在提高強度的同時，激活更多的滑移系來協調變形，進而實現鎂合金強度和塑性同步提升。這些特定元素的選擇，可以在計算模擬的基礎上通過實驗進一步確定，潘復生團隊在過去10多年中做了大量計算和驗證工作，部分結果如表1[47]所示。圖1[47]和表1[47]反映了固溶元素對鎂基面滑移CRSS的影響規律，Mn、Gd、Y、Ca等元素可以顯著增加基面滑移阻力的同時縮小基面和非基面滑移的CRSS差異，有望實現強度和塑性同步提升，從而改善鎂合金的塑性變形能力。

圖1

圖1   鎂合金“固溶強化增塑”設計示意圖[47]

Fig.1   Solid solution strengthening and ductilizing to design new Mg alloys (Δτ, Δτ'—difference of sliding resistance) (a-h)[47]

表1   固溶元素對Mg基面滑移臨界剪切應力(CRSS)的影響[47]

Table 1  Basal CRSS changes of Mg with different solutes[47]

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在Mg-Mn系鎂合金方面，擠壓成形的Mg-Mn二元合金具有優良的綜合力學性能，其抗拉強度、屈服強度和斷裂延伸率分別為248 MPa、213 MPa、29.9%，遠高于同等條件下純Mg的力學性能[48]，這表明Mn元素添加可以起到顯著的固溶強化增塑作用。在Mg-Mn中添加Nd元素[49]，可使該合金的多滑移系的臨界剪切應力趨于一致，變形過程中錐面<c + a>滑移可以協調變形，從而使Mg-Mn-Nd合金呈現出各向同性和高塑性的特征。在Mg-Mn中添加Ce元素[50]，可使合金具備較細小的再結晶晶粒和較弱的基面織構，獲得較優的綜合力學性能。在Mg-Zn系合金中添加Mn元素合金化，形成的Mg-Zn-Mn[51]、Mg-Zn-Mn-Ca/Sr[52,53]，經常規擠壓成形后，其平均晶粒尺寸可細化至約1 μm，室溫強度達300 MPa以上，延伸率近20%。

潘復生團隊發展了超高塑性VK21和VK41等Mg-Gd-Zr合金[54,55]，由于Gd元素的固溶強化增塑作用，該合金室溫延伸率可達60%以上。進一步發展的Mg-Gd-Mn合金[56]仍然具有優良的綜合力學性能，抗拉強度在200 MPa以上，室溫伸長率在20%以上，甚至可以達到30%以上。

將Ca和Ce等微量元素添加至常用AZ31鎂合金中，也可以起到較好的固溶強化增塑作用。通過Ca/Ce微合金化發展的Mg-3Al-1Zn-0.2Ce-0.2Ca合金[57]軋制薄板具有較弱基面織構，塑性應變比(r)為1.05，薄板的平面各項異度(Δr)為0.04，其室溫杯突值(IE)達到6.0 mm，Mg-1.5Zn-0.2Ca-0.2Ce合金[58]軋制薄板的室溫斷裂延伸率達到42.1%，室溫杯突值達到7.7 mm。

在“固溶強化增塑”設計理論指導下，重慶大學以及相關單位發展了含Mn、Gd、Y、Ca、Ce等多種新型高塑性鎂合金，形成了高塑性超高強變形鎂合金、超高塑性鎂合金、低成本高塑性鎂合金等系列新型變形鎂合金，其中16個已批準為國家標準牌號合金，9個已批準為國際標準牌號合金。

1.2 提高變形鎂合金塑性加工能力的材料制備新技術

常規鎂合金的塑性加工能力相對較弱，影響因素眾多，除了鎂合金成分以外，純凈度、晶粒尺寸、組織均勻性等冶金質量對變形鎂合金錠坯塑性加工能力和制品綜合性能有決定性作用。

1.2.1 熔體純凈化

變形鎂合金錠坯的純凈度決定于合金熔體的純凈化處理。鎂合金由于化學性質活潑，熔煉過程中易氧化形成MgO等夾雜，在一定程度上惡化變形鎂合金的塑性加工性能。10多年來，去除MgO夾雜的工藝研究取得較大進展。在添加熔劑凈化方面，通過改變鎂熔體與夾雜之間的界面張力，使夾雜上浮或沉降，具有較好的凈化效果[59]，但容易引入熔劑污染。在澆鑄時加入過濾裝置采用機械攔截，也可實現熔體純凈化[60]。采用MgO泡沫陶瓷或鐵絲網過濾鎂合金熔體，可以起到較好的凈化效果。該方法采用正向重力過濾凈化工藝，是目前廣泛應用的非熔劑凈化方法，簡單易行，但其有效工作壽命大多在30 min左右，無法高效連續工作，在大容量熔體連續澆注過程中極易發生夾雜物堵塞而失效。

潘復生團隊創新發展了“反重力方向過濾技術”，開發了多級逆向反重力過濾工藝與裝置，隨著加料和澆鑄的持續進行，熔體實現逆向反重力流動，過濾介質壽命成倍提升[61]。在此過程中氧化物夾雜被阻擋在過濾板下方，沉降聚集在坩堝底部，經多級連續過濾，澆注出口處的熔體夾雜物含量大幅度降低，且過濾板不會被堵塞。因此，該新型過濾技術能實現高效連續過濾，顯著提升鎂合金熔體質量，已在鎂合金汽車零部件壓鑄、鎂合金航空航天構件鑄造、變形鎂合金錠坯制備等方面得到大規模應用。

鎂及鎂合金在原鎂制備和合金化熔煉過程中，含鐵鎂礦和鐵制工具使大多數鎂合金的初始Fe含量比較高。Fe在Mg中固溶度很低且與Mg的電極電位差異很大，導致鎂合金制品的Fe與Mg基體極易形成微電偶而惡化其耐蝕性能。同時，Fe的存在對鎂合金的力學性能也存在有害影響。為了改善鎂合金的耐蝕和力學性能，除鐵就顯得非常必要。傳統除鐵工藝主要是熔劑法，具有一定效果，但容易帶來熔劑污染。潘復生團隊基于雜質Fe在鎂熔體中熱動力學特性，開發了“熔體變溫自純化工藝”，實現了熔劑純化向無熔劑純化的轉變[62]。通過熱力學和動力學平衡調控雜質Fe在鎂熔體中的溶解度變化，利用熔體變溫處理實現雜質Fe在液相中定向遷移和有效沉降，從而實現鎂合金熔體的深度純化。變溫處理后，AZ31、AZ61和ZK60等變形鎂合金的雜質Fe含量分別降低至15 × 10-6、10 × 10-6和5 × 10-6以下，其中ZK60合金的Fe含量是迄今公開報道的鎂合金最低雜質Fe含量，同時Si等雜質含量也大幅度減少[63]。另外，此處理工藝對新型Mg-Gd-Y-Zn-Zr稀土變形鎂合金也有很好的純化效果，雜質Fe含量可降低至10 × 10-6，變形鎂合金的冶金質量大幅度提升，其耐蝕性能大幅度改善[64,65]。

1.2.2 鑄錠坯晶粒細化

變形鎂合金鑄造錠坯的凝固晶粒尺寸直接影響塑性加工性能，細化凝固組織晶粒尺寸非常重要。鑄態晶粒細化不僅可以減少變形鎂合金錠坯的成分偏析、氣孔、疏松等鑄造缺陷，還可以通過改善柱狀晶組織及改善金屬化合物的分布和尺寸，來改善變形鎂合金錠坯塑性成形性。近年來，鎂合金鑄錠坯的凝固組織晶粒細化方法主要包括微合金化、快速冷卻法、附加振動法、電磁和超聲波攪拌、變質處理、半固態成形等。多種工藝或方法的復合可以實現更好的晶粒細化處理效果。

在微合金化細化晶粒方面，變形鎂合金主要添加Ca、Ce、Y或Sr等微合金元素，這些元素除了抑制晶粒生長作用外[66]，還與Mg基體或添加元素之間形成高熔點化合物，如果這些化合物與Mg基體之間具有較好的晶體學匹配，也能夠產生較好的異質形核和釘扎晶界作用，從而實現鑄錠坯晶粒細化。

采用電磁和超聲波攪拌處理，可顯著細化變形鎂合金鑄錠坯鑄態晶粒。通過電磁力或超聲空化，破碎了在鎂合金凝固過程中形成的樹枝晶，阻礙鎂合金晶粒長大，從而細化晶粒。

在鎂合金中原位生成或加入高熔點金屬化合物，促進凝固非均勻形核，可細化鑄態晶粒。Ali等[67]、Kelly等[68]和Zhang等[69]發展了邊-邊匹配模型，為高效變質劑的設計與發展打下了很好的基礎，發展了一批鎂合金晶粒細化劑和晶粒細化鎂合金。例如，Mg-Al系變形鎂合金可以適當加入Al-Ti-B晶粒細化劑[70]，Mg-Zn系變形鎂合金一般加入Mg-Zr中間合金晶粒細化劑[71]，Mg-Y系變形鎂合金中加入Al2Y[72]或AlN顆粒[73]，鑄態晶粒尺寸可以降低80%~90%，從而產生良好的變質處理效果。

1.2.3 錠坯組織均勻化

變形鎂合金鑄錠組織，特別是高合金化變形鎂合金錠坯，易形成成分偏析和低熔點化合物，不僅降低鑄錠的塑性，使隨后擠壓、軋制和鍛造等熱加工更加困難，而且還具有較強的組織遺傳性，使其塑性加工制品的強度和塑性下降，各向異性和腐蝕敏感性增加。近年來，在均勻化工藝改進，特別是低熔點相溶解擴散等的研究工作方面取得了重要進展[74~76]，有效降低了成分偏析導致的有害影響，消除低熔點相在塑性加工過程中的過燒導致的熱裂等缺陷，從而改善了鑄錠組織均勻性和塑性加工性能。潘復生團隊發明了階梯固溶處理高合金化變形鎂合金鑄錠坯的新型工藝[77]，使鑄錠坯組織和成分均勻性很好地滿足后續塑性加工要求。

2 變形鎂合金的新型非對稱擠壓技術

擠壓板材和管型材是變形鎂合金的主要產品形式[78~86]。鋼鐵和鋁合金變形產品一般采用對稱加工，溫度場和應力場越均勻，產品的性能越好。鎂合金傳統擠壓工藝也采用對稱加工，但在擠壓過程中發現鎂合金易形成強基面織構，板型材的持續塑性成形難度加大，導致板型材擠壓效率不高、成品率低、成本極高，二次塑性成形也受到很大抑制。為了突破傳統工藝限制，重慶大學潘復生團隊發展了一系列鎂合金新型非對稱加工技術，鎂合金塑性成形性顯著改善，成果已在部分產品上工業化應用。新型非對稱擠壓工藝主要包括模具結構非對稱和擠壓坯料非對稱2種。

2.1 鎂合金板材非對稱擠壓

在鎂合金板材非對稱擠壓加工時，利用擠壓模具或非均勻溫度場等，構建非對稱應力應變，促進非基面取向晶粒再結晶生長和抑制基面取向晶粒生長，從而弱化鎂合金基面織構，改善塑性成形能力。等通道擠壓(ECAP)曾經是鎂合金中研究最多的非對稱加工技術，當坯料流經通道拐角時，拐角內外側材料流速存在明顯差異而發生非均勻變形，形成非對稱應力應變，從而使擠壓板材基面織構顯著弱化，同時能夠起到細化晶粒的效果[87~93]。Suh等[94]采用等通道擠壓弱化AZ31鎂合金板材的基面織構，織構強度由初始軋制板材的9.5減小至6.5，平均晶粒尺寸由15 μm降至8 μm。與常規軋制AZ31鎂合金板材相比，等通道擠壓板材在室溫U型拉深實驗中的成形性能提高了50%。不過，等通道擠壓制備鎂合金板材只能用于小尺寸特殊鎂合金板材制備，無法用于工業連續生產。

為了實現鎂合金非對稱加工技術的大規模應用，潘復生團隊發展了可工業化連續加工的鎂合金板材新型非對稱擠壓[95~102]，在傳統擠壓模具的基礎上改變模腔結構，設計和加工了多種新型非對稱擠壓模具，使材料在擠壓過程中產生流速差，從而產生較大的剪切變形。與傳統擠壓相比，新型非對稱擠壓的AZ31鎂合金板材基面織構顯著弱化[95~98]。傳統擠壓、階梯式非對稱擠壓和漸進式非對稱擠壓板材的(0002)基面織構強度分別為22.6、18.5和15.6[95,97,98]。

Xu等[99,100]設計了具有單側模角的非對稱擠壓模具，通過改變單側模角(α)研究擠壓過程中非對稱變形程度對AZ31鎂合金板材織構的影響。當α為45°時，擠壓過程中板材厚度方向上的等效應變差異最大，從而使板材的基面織構顯著弱化，沿板材擠壓方向(ED)、寬度方向(TD)和45°方向的延伸率分別達到22.9%、19.5%和22.7%。此外，Xu等[101]在模腔內沿板材寬度方向設計了45°的夾角，在擠壓過程中引入沿板材TD分布的非均勻變形。與傳統擠壓工藝相比，這種具有橫向梯度結構的非對稱擠壓工藝制備的AZ31板材形成了雙峰織構，且織構強度顯著弱化。

Wang等[102]提出了一種非對稱分流擠壓模具，通過分流橋尾部角度的非對稱設計和擠壓焊合界面的摩擦作用引入剪切變形，從而改善擠壓鎂合金板材的織構，提高其成形性能。與傳統擠壓和分流擠壓相比，非對稱分流擠壓過程中材料經歷了更大的剪切變形，使板材晶粒顯著細化，同時使(0002)基面織構的分布更分散，織構強度更低。當非對稱分流角度為90°時，擠壓AZ31鎂合金板材的平均晶粒尺寸細化至5.2 μm，織構強度下降至10.05，室溫杯突值達到3.3，與傳統擠壓相比，杯突值提高了74%。

2.2 鎂合金復合板的非對稱擠壓

Mg/Mg、Mg/Al等新型復合鎂合金板材研究近年來取得重要進展[103,104]，對改善單一鎂合金材料性能具有重要意義。將AZ31變形鎂合金構建為多層坯料，利用坯料間的界面作用，實現非對稱加工的效果。He等[105]將AZ31鎂合金沿軸向分為若干塊，組裝成為同種坯料復合擠壓，在擠壓過程中引入多個界面，可以有效弱化擠壓態AZ31鎂合金<$\mathrm{10}\overline{\mathrm{1}}\mathrm{0}$>纖維織構、細化晶粒。

在鎂合金板材彎曲、拉深和脹形等二次成形工藝中，板材內外側的應力狀態不同。通常板材內側受壓應力，要求較高的抗壓能力；外側受拉應力，要求較好的塑性延伸能力。因此，將AZ31板材外側替換為塑性較好的Mg-RE合金，形成AZ31與Mg-RE合金組成的復合板材，有望提高板材塑性成形能力。Wang等[106]通過分流模擠壓制備了AZ31/W0鎂合金復合板，在復合界面處存在寬度為0.35 μm擴散區，界面焊合強度達到149 MPa。在后續成形中將W0稀土鎂合金復合層置于拉應力區，充分發揮其塑性好的特點，使復合板獲得良好的成形性能，杯突值達到5.3 mm，顯著高于AZ31和W0單一板材的杯突值。

將常見AZ31鎂合金與鋁合金構建復合坯料，經擠壓加工可得到綜合性能較好的Mg/Al復合板材。Wu等[107]通過“鎂包鋁”的方式擠壓制備了AZ31/7075異質輕合金復合板，復合板的屈服強度達到300 MPa。與相同條件下(坯料溫度為470℃，擠壓速率為4.5 mm/min)擠壓制備的AZ31鎂合金板材相比，AZ31/7075異質輕合金復合板的屈服強度提高了145 MPa。Chai等[108]通過擠壓制備了AZ31/4047雙層異質輕合金復合板，由于AZ31鎂合金和4047鋁合金復合界面處產生了較大的剪切變形，AZ31鎂合金復合層的(0002)織構向ED偏轉。與傳統擠壓的AZ31鎂合金板材相比，AZ31/4047雙層異質輕合金復合板具有更好的彎曲成形性能。Tang等[109]通過分流擠壓和熱軋工藝制備了“鋁包鎂”形式的6063/AZ91/6063復合板材。6063鋁合金和AZ91鎂合金復合界面處形成了由Al3Mg2和Mg17Al12金屬間化合物組成的擴散過渡區。

2.3 鎂合金型材的非對稱擠壓

在鎂合金復雜截面型材的擠壓過程中，經常存在材料流速不均勻的問題。通過在新型模具中設置阻流坎、導流板等非對稱結構，可以較好地平衡擠壓過程中材料流動速率，得到幾何尺寸更加均勻、平直度更好的鎂合金型材。黃東男等[110]設計了3種不同導流角的擠壓模具，通過優化導流角，解決了AZ91鎂合金散熱器型材擠壓過程中的非均勻變形問題，使其截面溫度與流速分布更均勻，得到合格的鎂合金散熱器型材。

代昌浩和李強武[111]采用數值模擬優化了鎂合金薄壁空心型材擠壓過程中的流速分布和應力-應變分布，通過設置阻流坎，使AZ91擠壓鎂合金空心型材截面上流速均方差從改進前的14.53下降至3.25。Bai等[112~115]研究了航空座椅鎂合金空心型材擠壓工藝和擠壓焊合過程，建立了鎂合金三維擠壓極限圖，設計了擠壓焊合物理模擬實驗裝置，實現了鎂合金在三向壓應力狀態下的固態焊合，深入分析了擠壓速率、溫度、靜水壓力和應變等參數對Mg-Al-Zn-RE鎂合金擠壓焊縫質量的影響。進一步通過非對稱擠壓模具設計，得到了良好表面質量，力學性能和彎曲性能的擠壓型材，并成功試制出飛機座椅靠背框架。王敬豐等[116]對超大規格的鎂合金寬幅薄壁中空型材結構和擠壓工藝參數進行優化，使擠壓過程中材料流動速率分布更加均勻，有效避免了充填不足、扭擰卷曲的問題。

2.4 鎂合金管材的非對稱剪切擠壓

鎂合金管材在擠壓過程中常常因坯料組織粗大、變形不均勻而導致力學性能不理想。在擠壓坯料方面，Hu等[117]提出了“正擠壓+一次或多次連續剪切”為變形路徑的坯料制備方法，大大改善和細化了鎂合金棒坯的微觀組織和第二相，弱化了(0002)基面織構。進一步提出了激冷鑄-擠-剪制備高性能鎂合金坯料新方法[118]，促進鎂合金坯料晶粒的多次細化并弱化織構。在擠壓坯料制備基礎上，Hu等[119]提出了擠壓-剪切成形制備鎂合金管材的新工藝，與普通擠壓相比，鎂合金管材擠壓+管壁連續等通道擠壓成形可顯著細化晶粒、提高強度，基面織構顯著弱化[120]，具有更好的綜合力學性能。

3 鎂合金板材軋制技術新進展

軋制是鎂合金板材的主要制備方法，常規軋制過程中上、下軋制工作輥輥面速率相同，在鎂合金板面上形成對稱應力，使板材晶粒c軸幾乎都垂直于軋面，導致鎂板具有強烈的基面織構，后續進一步減薄和二次塑性加工性能嚴重下降[121~124]。為此，常規軋制鎂合金板材，特別是軋制厚度8 mm以下的鎂合金薄板，需要多次中間退火，導致工序較長、工藝復雜，板材軋制成形效率低，生產成本高，極大限制了鎂合金薄板的大規模應用。為此，異步軋制、新型非對稱軋制等工藝近年來受到廣泛關注和重視。

3.1 異步軋制

在異步軋制過程中，由于板材軋機上、下工作輥輥面線速率不同，板材上、下表面受到的摩擦力方向相反，在變形區沿著板材厚度方向引入了剪切變形并在板材中間形成“搓軋區”。由于剪切變形的引入，改變了板材軋制過程中晶粒應力狀態以及再結晶過程與塑性變形機制的關系，從而改變了板材的晶粒取向分布，弱化基面織構，使鎂合金板材后續的塑性加工能力得到改善。

龐靈歡等[125]采用了180 mm軋機在溫度為350℃、單道次壓下率為50%的情況下研究了軋輥表面圓周速率比對AZ31鎂合金板材基面織構的影響，異步軋制使鎂合金板材內部出現剪應力，增加了材料的變形能力，激活了鎂合金的非基面滑移系，特別是柱面滑移，使AZ31板材成形性能顯著提高。Majchrowicz等[126]研究了差速軋制(DSR)剪切變形對Mg-6Sn合金組織、織構和力學性能的影響。與常規軋制相比，異步軋制使Mg-6Sn板材的晶粒明顯細化，基面織構擴展。宋旭東等[127]研究了不同軋制異速比下的擠壓態Mg-3Zn-2(Ce/La)-1Mn合金微觀組織及織構演變，異步軋制板材的組織更均勻細小。Zhang等[128]研究了差速軋制Mg-6Al合金的顯微組織、織構和力學性能，由于異步軋制引入了剪切應變，導致軋制板材的基面極軸向軋制方向(RD)傾斜約20°。

3.2 襯板軋制

常規軋制鎂合金板材易開裂，難以實現單道次大壓下量軋制。為此，Li等[129,130]和Wang等[131]研發了新型襯板控軋技術(hard-plate rolling，HPR)，即在軋制坯料上、下表面分別附加一塊硬質合金襯板，與坯料同時送入軋輥中進行軋制，可實現單道次大壓下量(約85%)軋制，大大提升了軋制效率。

采用HPR制備技術不僅能獲得具有良好成形性的鎂合金板材，還可實現難變形鎂合金強塑性同時提升[130]。這歸因于其獨特的混晶結構，即具有強織構的粗大微米晶和具有弱織構的超細晶/細晶混雜的晶粒組織[132]。該混晶組織的形成一方面是由于HPR促進了非均勻變形和局部動態再結晶形核；同時HPR促進高密度亞微米Mg17Al12動態析出，有效抑制細小的再結晶晶粒長大[129~131]。細晶/超細晶和粗晶在拉伸不同階段分別承載塑性變形的協同作用，提高了合金加工硬化能力，使強塑性同時提高[133]。Zhang等[134]通過HPR (單道次80%壓下量)制備的混晶結構AZ91鎂合金在300℃下延伸率約為580%，具有優異的超塑性。考慮到通常需要經過多道次常規軋制才能獲得與之相當的超塑性，HPR在生產超塑性鎂合金方面也具有極大的優勢。

基于HPR技術，Wang等[135]提出了一種新的非對稱軋制方法——波浪形襯板軋制(wave-shaped rolling，WSR)。通過在板材的下表面添加一塊波浪形模具，使上、下表面軋制應力呈非對稱狀態。采用WSR技術加工制備的Mg-6Al-3Sn合金板材基面織構明顯減弱，斷裂伸長率可達到22.5%。

Wang等[136]采用大壓下量控制軋制技術在Mg-1Zn-1Sn-0.3Y-0.2Ca合金中引入少量隨機取向晶粒，成功實現了強弱混雜織構控制，有助于協調局部應變并激活非基面滑移，使延伸率從約15%提升至約27%，同時抗拉強度可達到約255 MPa，為低合金化鎂合金的高性能化和短流程制備提供了新思路。

3.3 厚板側向軋制

常用鎂合金板材具有很強的(0002)基面織構，沿板材TD施加壓應力，可以促進基面側向偏轉，改善基面的空間分布，增大沿TD變形的Schimid因子，但側向壓縮僅適合于處理厚度20 mm以上的厚板。Zhu等[137]研究了預時效-側向軋制耦合工藝對AZ80鎂合金厚板(厚40 mm)微觀組織和力學性能的影響，在200℃下將板材側軋至不同的厚度，變形量為10%~40%，可以顯著提高AZ80鎂合金的力學性能。

Xin等[138]發展了一種通過側向預變形軋制預制孿晶，從而弱化軋制鎂合金板材織構的方法。沿側向(TD)對20 mm厚AZ31板材進行預變形軋制，然后再沿法向(ND)進行軋制，使板材內部出現拉伸孿晶，改變了初始的基面取向，在后續300℃下的軋制過程中單道次的最大變形量顯著增加。

3.4 復合板軋制

鎂合金復合板可充分利用鎂合金和復合坯料的優勢，克服單一板材的缺點。復合軋制是制備鎂合金復合板的常用工藝，可生產大面積和大厚度的同種或者異種金屬層壓復合板[139,140]。吳宗河等[141]探索了壓下率、軋制溫度和軋制速率等多種軋制參數下熱軋7075 Al/AZ31B鎂合金復合板結合強度的變化規律，由于界面元素擴散寬度的增大和鎂合金近界面晶粒組織的細化，鋁鎂合金復合板結合強度隨壓下率增加先升高后降低，但大變形導致Mg基體近界面處產生微裂紋和鎂合金側晶粒異常長大，導致復合板材強度下降。

呂胡緣等[142]研究了軋制道次對AZ31復合板微觀組織與性能的影響。隨著軋制道次增加，板材抗拉強度從260 MPa增加至310 MPa，最后穩定在350 MPa左右。同時，復合板材的非基面織構組分增加。Huo等[143]研究了Al/Mg/Al復合板熱軋工藝，可以在較小壓下量實現冶金結合，但在Al/Mg界面出現了Al3Mg2和Mg17Al12金屬間化合物。

Habila等[144]研究了循環累積疊軋Al1050/AZ31/Al1050復合板材的組織和織構，復合疊軋使AZ31組織細化，呈等軸晶組織，Al1050組織中沿軋制方向平行發展拉長晶粒，結合界面出現Mg17Al12和Mg2Al3相。在復合軋制工藝過程中AZ31表現出強基面織構，Al1050表現出微弱軋制織構。

Tayyebi等[145]在室溫下采用Al5052和AZ31B經3道次的累積復合疊軋工藝制備高強度Al/Mg復合板材。隨著應變增加，軋制方向晶粒被拉長，Mg層發生晶粒細化。Rahmatabadi等[146]采用雙相Mg-Li合金，利用冷軋鍵合工藝制備了3層Al/Mg-Li/Al復合板材，所得復合板材結合強度較好。

3.5 在線加熱軋制

鎂合金板材，特別是鎂合金薄板在熱軋過程中因坯料溫度下降較快，導致鎂合金薄板單道次軋制壓下量低，軋制成形性較差。為了防止軋制過程中坯料溫度過快下降，重慶大學潘復生團隊[147,148]開發了在線加熱軋制(On-LHR)鎂合金薄板技術和裝備，如圖2[147,148]所示。與常規熱傳導加熱鎂合金板坯相比，在線加熱軋制通過電流的熱效應使板材產生熱量，板材加熱效率快。板材加熱和軋制過程中均施加一定的張力，使得多道次軋制板材保持平直，無翹曲缺陷出現。

圖2

圖2   在線加熱軋制設備實物圖及在線加熱軋制設備示意圖[147,148]

Fig.2   Equipment of online heating rolling (a) and its schematic diagram (b)[147,148]

在此基礎上，潘復生團隊開展了在線加熱軋制鎂合金板材的相關研究工作。Pan等[149]采用On-LHR工藝制備了AZ31B板材，其平均晶粒尺寸約為4.1 μm，沿軋制方向的屈服強度、抗拉強度和斷裂伸長率分別為232 MPa、347 MPa和21%，展現出很好的綜合力學性能。Xiao等[150]研究認為On-LHR工藝制備的AZ31鎂合金板材的剪切帶內大部分晶?；嫫叫杏诩羟袔Х植挤较?。隨著道次變形量的增加，剪切帶與RD的夾角逐漸減小，板材屈服強度逐漸降低。

On-LHR可大大降低鎂合金邊部裂紋敏感性，確保平直板形和表面質量。Huang等[151]進一步研究了軋制張力對On-LHR制備AZ31鎂合金板材邊裂紋的影響，合適的張力對控制鎂合金板材軋制邊裂和獲得良好軋制板型具有重要作用。此外，劉強等研究認為在線加熱軋制Mg-1.0Al-1.0Sn-0.5Mn[152]和Mg-6.0Al-1.0Sn-0.5Mn[153]板材裂紋明顯低于常規軋制板材。

3.6 寬幅板卷軋制

鎂合金板卷軋制效率高，經過多年研究，鎂合金大規格鑄坯制備和寬幅板卷軋制工藝基礎理論與技術取得了重要進展。東北大學樂啟熾課題組開展了新型電磁場對鎂合金坯料鑄造的三傳及其對凝固行為影響研究[154,155]，開發出了鎂合金大規格高質量扁錠的電磁鑄造技術與裝備[156,157]，成功研制出橫截面為400 mm × 1600 mm、長度達5000 mm的迄今最大鎂合金大扁錠，為大卷重寬幅鎂板卷的軋制生產提供了前提。同時研究了AZ31鎂板輥道輸送溫度行程特征、軋制變形及其熱行為與工藝參數的關系[158~160]，構建了空冷過程溫控模型和近恒溫軋制判據；針對鎂板軋制溫度難以在線檢測的問題，構建了鎂板坯發射率經驗模型，并結合所建立的軋制力半經驗模型輔助感知變形區板溫變化，為寬幅鎂板近恒溫軋制提供了基礎理論支撐。

針對鎂合金寬板軋制易出現邊裂從而導致軋制成材率較低的問題，研究了不同軋制工藝對AZ31鎂合金寬板邊裂的影響，建立了軋制區帶張力軋制模型和邊部失效預判模型[161,162]。通過研究明確了坯料邊部倒角類型對寬板軋制區邊部溫度場和應力狀態的影響，顯著減少了邊裂，大幅提高了寬板的軋制成材率。明確了預軋制、預側壓和大壓下不同組合軋制路徑與制度，顯著改善鎂合金寬板橫向和厚向的變形與組織均勻性，還能通過促進變形過程中的再結晶形核，顯著細化晶粒，促進<c + a>錐面滑移系開動，有效促進連續動態再結晶的發生，從而顯著改善軋板的基面織構和軋制成形性，軋制綜合成材率提高10%以上[163~165]。

4 變形鎂合金鍛造技術新進展

鎂合金鍛造主要用于制備較大尺寸厚板或成形加工高性能復雜構件，大尺寸厚板可以通過機加工成為復雜構件，主要用于高端運動、航空航天、國防軍用等領域。鎂合金由于密排六方結構，其塑性成型能力較差，在大尺寸厚板坯料和復雜構件鍛造成形時，需要掌握鎂合金的鍛造變形行為，在此基礎上發展新型鍛造工藝，改善復雜結構鎂合金成形過程，從而得到高質量的鍛造構件。

4.1 鎂合金鍛造變形行為

一般采用單向壓縮來研究鎂合金鍛造變形行為[166,167]，通過單向壓縮實驗可以模擬實際鍛造過程，基于壓縮應力-應變曲線、試樣形變尺寸(有無開裂、試樣橢圓度等)，以及變形組織演變特性，可繪制鎂合金鍛造成形加工圖[167~170]，為后續鍛造加工提供工藝指導。此外，平面應變條件下的反向擠壓法[171]也可用于鍛造變形行為評價，與單向壓縮相比，該方法的應力狀態比較復雜，其載荷-位移曲線難以直接利用，但其更接近實際鍛造過程，同時考慮了摩擦條件的影響，仍然有很好的指導作用。

常用鍛造鎂合金包括AZ31、AZ61、AZ80等Mg-Al系鎂合金、ZK60等[172]Mg-Zn系鎂合金以及WE43等[173~176]Mg-RE系鎂合金。Madaj等[177]研究認為AZ31鍛造成形性優于AZ61和AZ91，能夠鍛造成形復雜的盒狀零件，但AZ61合金的充型能力、缺口沖擊性能、鍛造溫度敏感性等優于AZ31[178]。AZ80合金擁有優良的鍛造成形性能，可以制備出高質量的鍛造產品[179]。均勻細小的鍛造坯料初始組織有利于實現良好的鍛造質量[180]，Henry等[181]研究認為WE43合金具有寬范圍的可鍛窗口。Panigrahi等[182]采用鍛造和時效處理來調控WE43合金的力學性能，通過合適的鍛造工藝其屈服強度、抗拉強度與延伸率可達到344 MPa、388 MPa和23%。Asqardoust等[183]研究了WE54合金的熱壓縮變形行為，溫度高于300℃時，變形量達到0.6時不會開裂，進一步提高溫度至350~400℃，出現動態軟化效應，為后續鍛造加工提供了參考。

鍛造變形溫度與速率對鍛件成形有重要影響[184]，坯料溫度在實現良好的鍛造成形性能、避免缺陷(開裂、過渡氧化等)、降低能耗等目標之間平衡選擇。采用數控鍛造和非對稱鍛造，在高應變速率下鎂合金仍具有較好的塑性成形能力[185,186]。

4.2 鎂合金大塑性鍛造成形

在鎂合金鍛件的成形過程中，經常存在變形不均勻、性能一致性差的問題，由此開發了適合鎂合金的往復循環多道次鐓擠開坯技術、擴收控制大比率鍛造技術、擠鍛復合一次成形技術等大塑性鍛造技術，大幅提高了鍛件的整體變形量和應變均勻性，從而獲得組織相對均勻，性能相對穩定的鎂合金鍛件。

王強等[187]和耿立業等[188]提出了往復循環多道次擠壓開坯技術，實現了大尺寸坯料的大塑性變形，內部晶粒得到了破碎細化，還消除了坯料內部自身的缺陷(縮孔、縮松等)，消除了不均勻的微觀組織。提出了擴收控制大比率鍛造技術，促進輪盤件模具底部材料的流動、減小“難變形區”，提高了關鍵承力部位變形量，改善了該部位的綜合力學性能，同時減小了成形面積和單位變形力，降低載荷。

Zeng等[189~191]和王鋒華等[192]建立了僅含一個待定參數的鎂合金熱變形本構模型和動態再結晶動力學模型，成功預測了不同工藝條件下鍛造成形力及再結晶晶粒體積分數。提出了擠鍛復合一次成形技術，其原理是在反擠壓筒形件模具頂部設計一圈外法蘭，在變形初期，使材料受壓縮向下流動，充滿底部型腔；在變形中期，材料沿筒壁流動，與擠壓方向相反；在變形后期，材料沿水平方向充填法蘭。該技術能很大程度上增大材料的整體變形量和應變均勻性，并成功用于大尺寸構件的制備加工。

4.3 鎂合金輪轂鍛造成形

輪轂是汽車簧下旋轉部件，輕量化和阻尼減振效果顯著。鍛造鎂合金輪轂具有組織致密、力學性能優良等特點，已在特種車輛和高端賽車領域得到大量應用。鍛造鎂合金輪轂制備工藝主要包括等溫擠壓、鍛旋復合等工藝。采用等溫超塑性模鍛可一次性成型近終形的AZ80汽車輪轂，抗大氣和鹽水環境中疲勞性能良好，可獲得比鋁合金輪轂高出約30倍的減震性能以及16%以上的綜合節油率[193]。

為了降低輪轂塑性成形過程中所需的載荷，王強等[194~196]提出了空心坯料反擠壓省力成形方法，空心坯料擠壓過程中在輪輻部分由于非對稱成形而獲得大變形量，等效應變較傳統擠壓提高2倍，使輪轂平均晶粒直徑約6.5 μm，比傳統擠壓輪轂晶粒更細小均勻[196]，力學性能得到明顯提升，疲勞壽命明顯提高[197]。

4.4 鎂合金特種構件鍛造成形

鎂合金特種構件主要用于航空航天領域中結構復雜和較高力學性能要求的支架、筋板、錐管、環件等。張浩等[198]和韓修柱等[199]采用Mg-10Gd-2Y-0.5Zn-0.3Zr合金鍛造成形陀螺儀支架，針對成形過程中金屬流動規律復雜、筋板充填困難等問題，通過有限元模擬、坯料形狀優化、分瓣凹模設計等，改善了金屬在復雜模具型腔內的充填能力，并降低了等溫成形載荷，成形出表面質量良好的稀土鎂合金支架。

徐文臣等[200]通過分析成形過程金屬流動充填規律，利用分瓣模具結構和等溫成形技術，可整體一次性精密成形形狀復雜的Mg-9Gd-3Y-0.6Zn-0.5Zr薄腹非對稱高圓弧筋類鍛件，且構件組織細小均勻，消除了圓弧筋抽料和側耳充不滿等缺陷。李理和劉建才[201]采用等溫鍛-擠復合成形法，在管壁引入較強的剪切變形，調控組織和基面織構，成功制備了EW94鎂合金薄壁錐管。

多向鍛造通過大塑性變形工藝使坯料組織細化，進而提高鎂合金的綜合力學性能[202,203]。Zhang等[204,205]利用多向鍛造預處理+模鍛終鍛的兩步成形法制備了AZ31鎂合金環件，環件中心區域的等效應變分布相對均勻，晶粒尺寸細小，在較低變形溫度下形成單峰基面織構，在較高變形溫度下形成雙峰非基面織構。

5 鎂合金板材的非對稱改性

鎂合金軋制或擠壓板材通常具有強烈(0002)基面織構，沖壓、彎曲、拉深等二次塑性成形能力較差。為了提高鎂合金軋制板材的力學性能與后續塑性加工能力，調控其織構顯得尤為重要?；诜菍ΨQ加工原理，重慶大學近年來發展了預變形處理、單向多道次彎曲變形、連續彎曲變形等多種針對AZ31鎂合金板材的非對稱改性工藝，顯著提高了AZ31鎂合金板材的塑性成形能力。

5.1 預變形處理

近年來，基于預變形的鎂合金織構改性工藝得到了較多發展[206~215]，通過小應變量冷變形工藝在鎂合金板材中引入{$\mathrm{10}\overline{\mathrm{1}}\mathrm{2}$}拉伸孿晶或位錯來實現織構取向改性[207,209,211]，再通過低溫退火使特定晶粒取向保留。通過控制預變形量來調整變形孿晶的比例，得到合適的預變形退火織構[216]。

預變形方向平行于c軸才能形成足夠的拉伸孿晶，He等[209]根據LAZ331合金的加工硬化行為來確定合適的預拉伸應變量，并沿TD進行預拉伸，從而大幅度減弱平面力學性能各向異性，有效提高其室溫成形性能，室溫杯突值比擠壓態LAZ331合金板材提升近80%。預壓縮處理也可弱化基面織構和提高板材塑性成形能力。壓縮方向垂直于c軸有利于{$\mathrm{10}\overline{\mathrm{1}}\mathrm{2}$}拉伸孿晶形成，也可從多個方向分別進行預壓縮，以得到{$\mathrm{10}\overline{\mathrm{1}}\mathrm{2}$}-{$\mathrm{10}\overline{\mathrm{1}}\mathrm{2}$}雙孿晶。He等[213]采用預壓縮對強基面織構的軋制態AZ31鎂合金板材進行處理，首先沿TD預壓縮，隨后沿RD預壓縮，經低溫退火處理后，AZ31鎂合金板材的基面織構顯著弱化、織構分布更加對稱，其室溫杯突值從3.8 mm增加到處理后的5.7 mm。

5.2 單向多道次變形

單向多道次彎曲(RUB)[216,217]變形處理工藝是將板材放置于特殊支撐裝置上，在張力作用下進行多次往復運動。板材經過支撐裝置頂部時，外側受平行于基面的拉應力作用，內側則受壓應力作用，呈現出非對稱狀態，在板材厚度方向構建梯度剪切應變，在晶粒內形成不同的孿生組分。在后續的單向多道次彎曲中，基面滑移便變得更加有利，再加上孿生的作用，晶粒取向與應力狀態不斷發生變化，從而造成晶粒c軸由ND朝著RD傾斜[218,219]，經退火后實現晶粒c軸傾轉，從而弱化(0002)基面織構，使織構分布更加彌散，最終提高板材的塑性成形性能[220]，板材的力學各向異性也得到顯著改善[221]，室溫杯突值由3.2 mm提高至6.2 mm，并展現出較高的成形極限曲線(FLC)[222]，在室溫和100℃時，薄板的最小極限應變分別提高了約79%和約104%，呈現出較好的室溫和微溫成形性能，可以成功地冷沖出手機外殼[223]。

5.3 連續彎曲變形

在單向多道次彎曲工藝基礎上，根據鎂合金板材彎曲變形特點，潘復生團隊提出了一種效率更高的可工業化應用的連續彎曲變形工藝(continuous bending，CB)[224,225]，如圖3[224,225]所示。可通過調整上下模之間的距離來改變彎曲角度，通過改變上下模的頂頭數量來改變單道次內累積應變，也可以進行多道次變形，增加累積變形量。AZ31鎂合金板材經連續彎曲變形處理并退火后，其宏觀織構顯著弱化并更加發散，室溫塑性得到明顯改善，其IE杯突值提高了1.3倍[226]。

圖3

圖3   連續彎曲實驗裝置圖[224,225]

Fig.3   Continuous bending experiment (V—velocity of sheet, T—pull force, θ—bending angle of sheet)[224,225]

6 新型非對稱加工技術在大尺寸鎂合金產品制備中的應用

鎂合金室溫塑性差，塑性成形難，特別是大尺寸板材、大尺寸中空型材和超大尺寸環件等大型產品和構件的塑性成形，由于尺寸大、結構復雜等，加工難度很大，如何提高坯料塑性加工成形性和改善成形過程的工藝性，一直是變形鎂合金塑性加工領域的難題。

對于鎂合金板材軋制易邊裂、大尺寸寬幅板材難以加工等問題，重慶大學系統開展鎂合金軋制板坯散熱與溫度調控、裂紋萌生與擴展行為等研究，發展鎂合金板材非對稱恒溫擠壓技術和近恒溫寬幅鎂合金板軋制技術，成功研發出1.5~2.2 m寬大尺寸鎂合金板材(圖4)，部分板材已在汽車上示范應用。

圖4

圖4   AZ31鎂合金寬幅板材(1.5~2.2 m寬)

Fig.4   Wide sheet of AZ31 magnesium alloy (The width is 1.5-2.2 m)

對于鎂合金大型寬幅擠壓型材組織性能不穩定等問題，重慶大學研發了非對稱擠壓加工新技術包括坯料加熱、模具結構優化、矯直等，揭示了鎂合金在擠壓過程中的流變行為和變形機制，突破鎂合金擠壓型材擠壓過程中的組織與性能協同調控關鍵技術，成功研發了多款復雜結構鎂合金型材，部分型材已在地鐵、高鐵、城鐵等軌道交通車廂上大量應用，并在世界上率先開發出502 mm寬超大鎂合金中空型材(圖5a)。

圖5

圖5   鎂合金寬幅型材(502 mm寬)和鎂合金大尺寸環件(直徑3.49 m)

Fig.5   Wide profile (width is 502 mm) (a) and large circular component (diameter is 3.49 m) (b)

采用傳統大錠坯與中心開孔工藝制備大型鎂合金環件難度很大，潘復生團隊創新提出了通過離心鑄造-環軋復合成形新工藝，利用離心鑄造工藝制備超大尺寸環形坯料，進一步采用環軋工藝，控制內環和外環的軋制變形及其非對稱剪切應力，成功制備直徑3.49 m的超大尺寸鎂合金環件(圖5b)。

7 結束語

在碳達峰和碳中和戰略背景下，輕量化、綠色化、環保以及節能減排受到各個領域的愈發重視。作為最輕的金屬結構材料，變形鎂合金將在新能源汽車、軌道交通車輛、電子信息、高端裝備、生物醫用器械、航空航天、國防軍工等領域得到更加廣泛的應用，起到不可替代的輕量化和節能減排作用。變形鎂合金塑性加工技術作為變形鎂合金的核心技術，是變形鎂合金更大規模應用的關鍵和核心之一。

過去幾年，高塑性變形鎂合金及塑性加工技術取得了重要進展。① 發展了“固溶強化增塑”的合金設計理論，開發了一批高塑性高成形性變形鎂合金；② 發展了無熔劑純凈化技術、復合純凈化技術和反重力過濾技術，Fe等雜質和氧化物夾雜物含量大幅度降低，明顯改善了塑性和成形性；③ 發展了一系列新型非對稱加工技術并實現了工業化應用，使變形鎂合金基面織構顯著弱化，成形性明顯提高；④ 開發了往復循環多道次鐓擠開坯技術、擴收控制大比率鍛造技術、擠鍛復合一次成形技術和多向自由環鍛技術等大塑性鍛造技術，實現了高強韌鎂合金大型環件/輪盤件的高效均質制備；⑤ 開發了寬幅鎂板近恒溫軋制技術，實現了大卷重寬幅鎂板卷高精度軋制，顯著改善了鎂板軋制成形性和組織與性能均勻性。

為了實現變形鎂合金應用的大規模增長，未來急需開展的重要工作包括：① 加強材料基因組工程技術應用，進一步發展低成本高強韌、高成形性變形鎂合金，形成更多的高成形性變形鎂合金牌號，發展更多的鎂合金板材專用合金、鎂合金管型材專用合金和鎂合金鍛件專用合金；② 研究氧含量的精確測試方法，強化雜質氧的控制，發展變形鎂合金整體純凈化新技術和新裝備；③ 發展鎂合金板材軋制專用裝備和新型非對稱加工裝備，發展鎂合金板材織構調控新技術和新裝備，發展超薄、超寬、高精度、高成形性變形鎂合金板材；④ 發展高強韌變形鎂合金擠壓模具設計與加工成套技術，發展寬幅鎂合金型材高效制備加工技術，發展高精度型材熱處理和矯直等精整技術與裝備，發展超寬、高精度變形鎂合金型材；⑤ 發展等溫軋制技術和大尺寸復雜構件鍛造成套技術和裝備。

來源--金屬學報