短流程铸挤成形Mg-Zn基镁合金线材的合金相图、组织控制与力学性能

本项目在实测Mg-Zn-X（X=Al,Mn,Cu,Zr,RE）三元相图的基础上，通过第一原理计算不同金属间化合物形成焓，并结合CALPHAD方法来计算Mg-Zn基合金相图，并优化合理的热力学参数，设计Mg-Zn基合金成分，明确液/固相区温度以及非平衡下液/固的体积分数；探明不同合金元素对液态镁合金与辊轮型腔间润湿性的影响；揭示浇注温度、合金液流量、冷却水流量、工作辊轮转速、模具预热温度等工艺参数对镁合金在连续铸挤过程中组织变形、演变、线材表面质量的影响规律，获得最终线材的组织及力学性能与上述成形工艺参数之间的内在联系，实现镁合金线材的低成本短流程加工，并揭示镁合金铸挤过程中挤压大变形时的组织演变规律，实现其力学性能改善。同时，通过对Mg-Zn基合金铸挤成形的系统研究，为其他不同体系镁合金、铝合金以及锌合金等线材连续铸挤成形探索新的研究思路。

连续铸挤成形技术将液态金属连续铸造与固态挤压变形合为一体，属短流程，高效节能的工艺。因此,采用连续铸挤成形技术制备镁合金棒/线材具有潜在的开发价值。然而，相关的研究因无法构建稳定挤压力一直没有获得突破性进展，远远落后于镁合金板材连续铸轧工艺的开发。因此，本项目在实测Mg-Zn-X体系相平衡的基础上，采用热力学计算获得潜在的可连续铸挤成形的Mg-Zn基合金成分，并揭示稳态挤压力的热力学本质；进而研究连续铸挤工艺参数对其组织和性能的影响。.在该项目资助下，构建了Mg-Zn-(Al,Cu,Ag)以及Mg-Sn-(Si,Gd)系300-500℃等温截面,及重新测定了Mg-Al(Ag)二元系相图，并优化了上述镁合金体系的热力学参数。实现了Mg-Zn-Cu系ZC63镁合金的连续铸挤成形，其抗拉强度达225MPa，延伸率13%。研究了模具参数对其组织和力学性能的影响。24mm微挤压筒搭配4-7mm不等长定径带模具的铸挤制品力学性能最佳，抗拉强度、延伸率分别为 228MPa、15.8%；18mm微挤压筒搭配4-5mm不等长定径带模具的铸挤制品力学性能最佳，抗拉强度、延伸率分别为247MPa、17.8%。为了更好地控制铸挤过程中的温度场，重新设计了一台既能对铸挤轮冷却，又能对铸挤靴和模具结构进行加热/冷却的铸挤装备，且已经完成了安装调试工作。另一方面对不同镁合金进行了挤压成形，以获得其最佳成形温度。对ZC63镁合金在200~300℃进行了反向挤压，在250℃时，挤压制品力学性能最好，其抗拉强度和伸长率分别为272MPa和14.2%。同时，采用反向热挤压技术开发出了Mg-Ca基高强变形镁合金。Mg-1Ca镁合金经300 ℃挤压后，其屈服强度可达310 MPa，远高于文献中报道的Mg-1Ca二元合金（～185MPa）。镁合金连续铸挤成形工艺以及Mg-Ca基非稀土高强变形镁合金的开发，为进一步扩大镁合金的应用范围具有实际的重要价值。