一、背景与意义

高端装备轻量化是永恒的发展主题，是提升服役性能和节能减排的必要手段。为最大限度地提高构件轻量化水平，需满足以下三点：一是充分发挥结构作用，将多个不同结构、多个功能融合为一体的新型轻量化结构；二是选用性能尽可能高的轻质新材料；三是采用提高构件服役性能和低成本制造的新技术，实现高端装备的极限轻量化。镁合金高性能大型结构件，是高端装备轻量化的必然的选择，是提升装备服役性能和节能减排效果的最佳途径。为满足高端装备升级换代和国家重大工程建设需求，该类构件朝着尺寸更大、形状更复杂、力学性能要求更高的整体结构件方向发展，对未来镁合金高性能大型构件的制造技术提出严峻挑战。

最近，中北大学张治民教授团队研究分析了国内外镁合金高性能大型构件的成形现状及发展趋势。分析了镁合金形变强韧化机理及变形参数对其影响规律、高性能大型构件塑性成形特点和大规格锭坯制备现状、归类总结了不同形状特征典型构件的成形现状及特点。针对镁合金大型构件性能的均匀一致性、提高构件成形精度、降低生产成本等关键技术尚未突破，提出镁合金高性能大型构件塑性成形趋势及重点研究方向，为镁合金高性能大型构件在高端产品上的应用提供有益参考。

二、图文导读

镁合金高性能大型构件尺寸大、壁薄、截面变化剧烈、具有局部孔或凸台、纵向或横向高筋等几何特征。伴随构件大型化、复杂化，成形过程传力路径与形变状态具有强不确定性，结构演变、性能与残余应力也随之呈现随机性，尺寸效应显著，对大构件有两方面突出影响：（1）大构件组织性能均匀性控制难。不同部位的变形程度、温度以及冷却速度等的不均匀性，导致构件各部分性能差异大。（2）大构件的成形精度难以控制，特别是局部特征难成形。

（一）高性能镁合金大规格锭胚形变强韧化制备

采用剧烈塑性变形法制备细晶镁合金的技术已经较为成熟，但现阶段的剧烈塑性变形法（多向锻造、往复镦挤）制备的材料都是公斤级，在工程化应用中还有较大的局限性。然而镁合金高性能大型构件，成形加工需用到百公斤级大规格镁合金。目前制约其在高端装备应用的因素主要包括：①由于受到变形不均匀和镦粗高径比的制约，道次变形量不宜过大，无法有效提高镁合金的强韧性，导致抗拉强度难以突破400 MPa、伸长率达到5%-7%；②传统加工方法工序多、生产效率低、能耗大、多次的去头去尾导致材料浪费严重、性能一致性差且综合成本居高不下，不能满足装备批量装备的使用要求。中北大学团队研发了“镦-挤”复合变形技术，是将镦粗和挤压两种变形相融合，通过调节金属流速的挤压大变形与消除难变形区的镦粗大变形相匹配，同步进行挤压与镦粗变形，单道次获得大应变，产生剧烈塑性变形细化组织的一种剧塑性变形方法(图1)。与往复镦挤相比，经济优势显著，显示出可推广应用的优势（表1）。

图1 一次镦挤复合大变形技术示意图

表1 一次镦挤复合大变形技术与往复镦挤变形比较

（二）镁合金高性能大型构件关键成形技术

镁合金大型构件形状复杂程度各异，根据外形特征分为如下几类：高筋筒体类、薄壁高筋异型箱体类、轮盘类、环形件、异形筋板类等。

（1）高筋筒体类结构结构特点：外形尺寸大，各部位壁厚不同，形成截面变化剧烈、壁厚差大。成形难点：无论直筒或锥筒，挤压成形筒体各向异性大，挤压过程中各部位的变形量不同，导致变形不均匀；筒体内环筋难成形，成形后模具不易取出。国内外目前采用挤压、旋压成形、锻件切削加工和旋转挤压等方式制备大型镁合金筒体。从成形效果、本体力学性能及经济性来看，基于“低静水压力”成形原理的三个关键技术：主动抵消摩擦阻力结构设计、拉延辅助挤压以及旋转挤压成形方法在成形大型挤压件上变现出潜在的应用价值。该种先进成形技术大幅提高了大型挤压构件的综合力学性能以及均匀性。成形的大规格高性能筒体见图2。其本体取样力学性能见表2。

图2 成形的大型高性能筒体

表2 筒体本体取样力学性能

针对内环高筋筒形件的形性一体化控制成形，张治民团队提出了旋转挤压成形技术，通过对筒形件施加累积剧塑性变形实现晶粒细化。在此基础上，自主开发了可实现旋转挤压工程化应用的1250T-40T·m-10rpm多向加载旋转挤压机（图3），实现了构件累积剧塑性变形的同时完美成形出大锥筒高内环筋（筒体直径560 mm，高度517 mm，筋高43 mm，筋厚34 mm）（图4）。该种方法实现了带内高环筋零件的整体塑性成形，为复杂构件的整体成形提供解决方案。

图3 多向加载旋转挤压机

图4 成形的带内环筋的大构件

（2）箱体类构件结构特点：尺寸大、异型、非对称，壁厚差异较大，内含大小不一的型腔，且箱体内含加强筋、形状不规则的凸台、凹坑等结构。成形难点：构件投影面积大，成形力大；箱体不对称的形状特征及复杂的金属流动规律，易产生成形缺陷；局部凸台、加强筋、凹坑等特征结构的精确成形；力学性能要求较高。国内外大多采用模锻、等温挤压、多向加载复合挤压以及强韧化制坯、复合多向加载及局部成形相结合的方式等方式制备大型镁合金筒体。目前，已经成形出大型高性能镁合金箱体（1000 mm * 1000 mm * 190 mm，图5），为大型高性能镁合金箱体结构件的精密塑性成形提供了新途径。

图5 成形的高性能镁合金分动箱箱体构件

（3）轮盘类构件结构特点：直径远大于高度的一类承力零件。成形难点：该类构件形状复杂，变形过程中极易发生材料流动紊乱、出现折叠等缺陷；薄壁结构且力学性能要求高，需要完成良好成形的同时实现材料的强化增加构件的承载能力；成形的大部分部位不加工，对成形工艺和模具要求高。目前国内常见的镁合金轮盘类构件的塑性成形工艺主要有：强力旋压、空心坯料挤压、多次挤压翻边复合成形工艺、等温超塑性模锻成形工艺、液态模锻成形工艺、等温精密锻造等。采用“锻-扩-旋”的复合挤压成形工艺试制的16×6.5英寸镁合金车轮样件已顺利通过了国家标准要求的弯曲疲劳、径向疲劳及冲击三大台架试验检测。采用铸坯预变形和空心坯料挤压成形生产的AZ80合金车轮（图6），通过冲击试验、径向疲劳试验和弯曲疲劳试验，并在多家企业得到应用。

图6 成形的镁合金车轮

（4）环形构件结构特点：曲母线沿中心轴线回转对称，直径大。成形难点：环件尺寸大，对设备要求高；成形的环件各部位不均匀程度大。目前，大型环形构件的生产大都采用多道次锻造、径向-轴向环轧以及挤锻轧集成等工艺技术。采用挤锻轧集成工艺成形出稀土镁合金环形构件（图7）尺寸为外径Ф600-1700 mm、壁厚35-100 mm、高度300-700 mm,其T6态室温和200 ℃时切向、高向力学性能见表3。为镁合金在大型环形件上的应用奠定了基础。

图7 大直径超高强耐高温镁合金壳体件

表3 稀土镁合金壳体T6态室温和200℃的力学性能

（5）筋板类构件结构特征：长度方向尺寸远大于宽度方向；薄壁且变壁厚；带不同厚度无规则分布的网格筋。成形难点：各部位应变不均匀；局部凸台和凹槽特征难成形；厚度薄，成形构件易变形。该类构件多采用预成形+终成形、精密挤压、旋转正挤压、等温压制、闭式模锻等成形方法。挤压的Mg-4Al-1.5Mn-0.5V镁合金散热器挤压件外形长900 mm，宽450 mm，高158 mm单片厚16 mm，总片个数为38，如图8所示。

图8 Mg-4Al-1.5Mn-0.5V大规格镁合金散热器

三、结论与展望

镁合金构件形性一体化控制是发展趋势，对于镁合金大型结构件的塑性成形，通过塑性成形工艺参数设计、优化与控制，实现金属有序流动、组织细化及关键部位纤维合理分布，提高镁合金构件综合性能和承载能力，成为镁合金大型结构件塑性成形领域的研究热点。综合分析各类构件成形存在的共同特性，采取的关键技术：

（1）针对大型构件成形的不均匀，采用多向锻造或镦挤复合等成形技术实现高性能锭坯的均匀制备，并依据大型构件的形状特征和要素逆向设计坯料形状，减小各向异性，为大型构件的均匀成形奠定基础；

（2）针对大型构件的投影面积大、成形力大，通过主动抵消摩擦阻力结构设计、拉延辅助挤压、局部加载技术减小成形力；大构件局部加载顺序的合理设计以及各加载道次的无缝衔接，以消除成形缺陷；

（3）针对大型构件局部特征（凸台、凹槽、环筋等）难成形，基于分流、导流成形原理，通过活动镶块、阻尼块等模具结构的设置，合理分配金属流动，使箱体内凸台、沟槽等特征成形饱满；通过旋转挤压或强力旋压整体成形出内筋结构；

（4）针对大型构件成形的一致性差、质量不稳定，采用扩收挤压复合成形、等温超塑性挤压+模锻成形复合工艺、复合挤压+胀形以及模锻-扩口-旋压等复合成形工艺，减少成形工序，提高构件成形的一致性和质量稳定性。

基于高端装备发展对尺寸更大、形状更复杂、力学性能要求更高的镁合金高性能大型构件的迫切需求，未来镁合金高性能大型构件的制造技术发展趋势和挑战主要包括五个方面：①镁合金高性能成形件的设计理论及方法；②大规格高性能锭坯的一次剧变形制备控制理论与技术；③大型镁合金高性能构件塑性成形各工序无缝衔接的高效智能生产系统开发；④镁合金大型镁合金构件组批生产的质量稳定性和一致性控制方法及技术；⑤镁合金大型镁合金构件测试评价标准与方法。

四、文章信息

该文章发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2023年第11卷第11期：

[1] Zhimin Zhang, Jianmin Yu*, Yong Xue, Beibei Dong, Xi Zhao, Qiang Wang. Recent research and development on forming for large magnesium alloy components with high mechanical properties [J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2023, 11(11): 4054-4081.

五、中文摘要

镁合金高性能大型结构件，是高端装备轻量化的必然的选择，是提升装备服役性能和节能减排效果的最佳途径。本文通过分析研究镁合金形变强韧化机理及变形参数对其影响规律、镁合金高性能大型构件塑性成形特点和高性能大规格锭坯制备、典型构件整体塑性成形，归纳总结出镁合金大型高性能现有成形技术现状及特点；针对镁合金大型构件性能的均匀一致性、提高构件的成形精度、降低生产成本等关键技术尚未突破，限制了该类构件的工程化应用，制约了高端装备轻量化水平的现状，提出了镁合金高性能大型构件塑性成形趋势及重点研究方向，为镁合金高性能大型构件塑性成形取得重大突破，扩大镁合金在高端产品上的应用提供一些有益的参考。

六、英文摘要

The lightweight of high-end equipment relies on high mechanical properties magnesium (Mg) alloy structural components, because it is the best way to improve equipment service performance and reduce energy consumption. This article summarizes the current progress and characteristics of large-scale high-performance Mg alloy components by analyzing the strengthening-toughening mechanisms, characteristics of plastic forming, and the preparation of large high mechanical properties forging blanks. Due to the lack of breakthroughs in the key technologies for forming large-scale Mg alloy components, their uniformity of mechanical properties and consistency are poor, the forming accuracy of components is low, and the production cost is high, which limit their engineering application and restrict the lightweight level of high-end equipment. In view of the above problems, the forming trends and research directions of large-scale and high mechanical properties Mg alloy components are proposed in this paper. It can provide help for the breakthrough of the key technology of large-scale Mg alloy components with high mechanical properties and expand the application of Mg alloy in high-end products.

七、作者简介

第一作者/通许作者简介：

张治民（第一作者），中北大学教授，博导，国防973首席、国家重大专项技术首席、国务院特贴专家、全国优秀教师、国防科技精密塑性成形创新团队带头人、中北大学学术委员会主任。先后主持国家“863”、国防“973”、国家重点基金、国防基础科研重点、装备发展部共用技术等项目。获国家科技进步二等奖1项、省部级科技进步一等奖5项、二等奖14项；中国专利优秀奖、中国兵工学会科技进步特等奖、何梁何利基金科学与技术进步奖；授权发明专利136项(美国4项)，发表论文200余篇；制定工艺规范48个，团体标准2项。

于建民（通讯作者），教授，博导，山西省学术技术带头人、青年“三晋学者”。主要从事高性能轻质构件的成形、强韧化。主持和参研国家级、省部级科研项目30多项，先后获国家科技进步二等奖、山西省技术发明一等奖、二等奖及国防科技进步二等奖，发表SCI论文50余篇，授权国家发明专利28项（美国发明专利4项）。