镁合金材料是整车减重的重要途径 2021新能源汽车材料产业创新峰会杨建雷演讲实录

8月21日,“2021年新能源汽车材料产业创新峰会”在山东淄博顺利召开,峰会主题为“创新材 赋齐能”,本次活动由“新材料名都”淄博携手国创中心、国创(淄博)中心共同举办。峰会上,来自全国的知名专家学者、企业家齐聚首,共议国内外新能源汽车产业发展的良策,分享先进材料技术研发进展和产业化应用的经验。哈尔滨工业大学(威海)材料科学与工程学院博士杨建雷受邀以“复杂断面镁型材梯度温控变路径锻挤技术”为题进行了专题汇报。

(哈尔滨工业大学(威海)材料科学与工程学院博士杨建雷)

以下为报告实录,在不改变原意的情况下有所调整:

各位同仁,各位专家大家好。

今天我汇报的题目是复杂断面镁型材梯度温控变路径锻挤技术。本次报告分为下面几个部分,第一部分叫做技术的研发背景。众所周知,轻量化在国家军民各领域存在着广泛而迫切的需求,例如在航空航天领域,当飞行器的飞行速度达到3.5Ma时,全弹重量每减去2%,其射程可以增加10%,战斗部的毁伤可以增加15%。例如在汽车领域,当汽车的重量减轻10%,其油耗可以降低6%～8%,燃油的效率可以提高5.5%,制动距离可以减少5%,转向力可以减少6%,因此轻量化属于其核心诉求,我们可以通过选择轻质的材料,或者是轻体的结构来实现轻量化的目标。

这其中镁合金就是目前工程应用中最轻的金属结构材料,其密度约为1.8g/cm3。相比较于铝合金,镁合金密度仅为其2/3。除了其较低的密度以外,还有较高的比强度、比钢度、较好的阻尼减震效果、良好的导热性以及电磁频率性。因此镁合金具有结构减重、结构承载以及功能结构一体化的优势,尤其是变形镁合金经过塑性加工以后,其表现为综合性能更加优异与多样化,比如其组织稳定性更好,成品率更高,强韧性更高,动载服役性更加可靠。其板材、型材、线材和管材及制造具有技术优势,铸造工艺无法代替,那么说高性能的镁合金材料以及轻体结构制造技术,可以使零部件的减重达到20%～60%。因此如何发挥镁合金的轻质特性是目前镁合金研究的一个热点。

另外镁合金具有良好的资源优势,例如世界储量镁合金大约有180亿吨,其中国的储量就在100亿吨以上,占世界储量的80%。相较于铝合金世界储量约为280亿吨,中国的铝土矿大概在42.3亿吨,其进口依赖度在60%以上。另外镁合金具有广阔的市场需求,例如在航空航天领域,航空用镁合金的市场容量大约在8～10万吨,约合200亿元/年。在汽车行业,根据节能与新能源汽车技术路线图,到2030年,单车用镁量要达到45千克,预计镁加工材市场可以达到700亿元/年。在轨道交通领域,轻量化需求潜力巨大,车身用镁整体将减重13%以上,节能可以达到8%。

但是目前镁合金的产业规模较小,例如目前镁合金的产量约在100万吨/年,其中合金的产量约为35万吨/年,其中变形加工材约为5万吨/年,它主要应用在非关键承力或者次承力构件上。相对于铝合金来讲,其产量约3600万吨/年,变形加工材就会达到3000万吨/年,约占整个核心产量的85%,应用领域非常广泛,可以用在所有的领域。

因此现在镁合金的产业存在于它的储量大,需求比较旺盛,但是其产业规模小,应用领域受限,这主要是因为镁合金在塑性加工或者塑性成形过程中,存在几个关键性的问题,没有得到解决。

主要是由于镁合金本身的低对称性的密排六方晶体结构,其变形主要是以基面滑移为主;独立的滑移系较少,应变协调困难;第三是孪生容易开动且表现出极性。那么带来的问题是为了增加其独立滑移系,以改善其塑性,就需要提高我们塑性加工的一个温度,塑性加工的温度的提高且分布不均,中间加热工序就会比较繁琐,就会带来较高的加工成本。另外高温就会引发微观组织粗化且累积变形下形成强基面结构。这将导致镁加工材拉伸塑性及二次成形性较差,轻体构件深加工困难。带来的第三个问题就是由于密排六方结构和强基面结构影响下,孪生就容易开动,可以使镁材的构件承载的各向异性严重和动/静载的服役性严重不足。另外一个问题就是微合金化镁合金的第二相偏聚严重且高温容易粗化,从而带来镁合金变形加工时脆性大,易开裂且镁材的强韧性不足,价格比较昂贵。

基于以上关键瓶颈问题,本课题组实现了几个关键技术的突破。第一个就是我们采用了新型梯度温控加热技术,它主要是针对传统的塑性成形能力差,成形温度高且分布不均,镁材的经济优势不明显。通过新型梯度温控加热技术可以实现一个低成本的成形。它主要是在于研发的新型的梯度温控与高精智能预测系统,大幅提升工艺塑性和挤压变形区控温精度。

例如传统的镁合金由于其较高的导热系数,在成形之前表层的温度相较于心部温度较低,在变形过程中容易开裂。

而在本技术过程中,我们可以实现表层的温度较高,心部的温度较低,从而可以提高表层的工艺塑性。下表我们对比了2mm厚的镁合金板材制备,采用梯度温控和传统的工艺生产的一个对比周期,通过表中可以看到,我们可以达到降低坯料加热需求,可以简化加热工序,缩短生产周期,那么2mm板的制备采用新型梯度温控加热技术,我们可以实现2～3个小时的一个测验周期,而传统的测验技术则需要7-12.5小时。

第二个就是针对塑性加工过程温度高,加工材经济优势不明显,基于我们的梯度温控的专利技术,完善了逆向温控的工装,优化了模具结构设计,研发形成了镁合金变形加工材冷温强塑变挤压技术,其工业化的意义在于突破了较低温度下难以塑变的一个行业禁区,使我们的塑性加工流程短,能耗低,可以实现高效低成本的目标。

该技术的指标可以达到其坯料的塑变温度较常规的塑变温度可以低于100～250℃,那么常规一般都是在400℃以上,采用梯度温控挤压技术,我们可以实现100～250℃的一个挤压,可以实现锻/挤/轧无中间加热,生产效率可以提高200%,能耗可以降低30%,性能可以获得较大的提高。

基于梯度温控工装,我们可以通过削弱摩擦的不利影响,提高我们的工艺塑性,来控制实现镁合金棒材冷温大挤压比成形,充分的细化组织,大幅提高轻体构件用镁合金的性能,以及质量稳定性。

例如下图中,以采用AZ31B镁合金为例,可以看到铸态的、常规挤压,以及采用新型梯度温控挤压所获得的镁合金的组织形态。

可以看到铸坯的晶粒尺寸可以在500um以上,常规挤压一般都会在100um左右。通过新型梯度温控挤压,可以实现大幅度的晶粒细化,例如采用10℃挤压,晶粒尺寸可以达到1.4um,其屈服强度可以增加到305MPa,抗拉强度可以提高到405MPa,延伸率可以达到16%。在常温下进行挤压,延伸率可以达到23%。而国标的条件下,其屈服强度为140MPa,抗拉强度为220MPa,延伸率为7%。

因此相较于国标,AZ31B的强度提升50%～100%,塑性可以提高100%以上,要高于5083铝合金,相当于6061铝合金。

另外基于模具结构的设计及处理,拓展研发了多项微晶镁合金加工材冷温强塑变挤压成形技术,建设了相关的产线,然后开发了系列产品,提高了经济效益,拓展了应用的领域。例如高精度大截面的镁合金薄壁的管材型材挤压,通过温控加模具材料的设计以及模具结构设计,解决了型材的缺损、起皱、龟裂的问题,提高了管型材的质量以及生产效率。本技术实施了以通讯杆、电动踏板车以及折叠担架为代表的示范性的应用。

另外基于冷温塑性加工,实现了组织细化,匹配挤压、轧制及镦粗工艺来构建基面织构调控工艺,形成了组织性能的预测的基础模型;为面向终端产品逆向设计的镁合金变形加工材的塑性加工工艺设计提供了数据支撑。

其次基于挤压/轧制复合实现板材织构弱化控制,形成了适于冲压成形的板材低温挤压轧制技术,突破了传统单纯来追求晶粒细化的塑性改善设计模式,现在该技术具有很好的普适性,例如通过变路径的这种板材的轧制挤压,其对商用ZK61镁合金板材的室温延伸率可以稳定在30%以上,最高可以达到46%,而国标仅为12%。

另外通过该技术可以提高板材的成形性,其室温的成形性要远高于市面上的板材,与6061铝板相当,例如右下角是对镁和铝板材塑性成型的对比,比如延伸率,该技术的延伸率可以达到30%～45%,市面上是小于20%,国标的要求是8%～12%。另外室温成形的一个重要的指标叫做杯突值和相对弯曲半径,该技术的杯突值可以达到8～9,市场上的杯突值基本上都是小于5,而相对弯曲半径r/t≤1.0,提升幅度都在100%～200%以上。

另外基于孪生抑制实施形成了适于复杂载荷服役的镁合金型材的复合挤压技术,解决了传统的变形镁合金构件各向异性大,复杂载荷承载能力差等安全隐患,提高了使役性能,利于扩展其在结构、承载上的应用。

例如下图可以明显的看到,常规的挤压其抗拉起步强度和抗压起步强度存在很大的差异,比如抗压屈服强度在200MPa左右,而该技术的抗拉屈服强度在312MPa,就是说通过这种复荷挤压技术,其抗压强度和抗拉强度基本上保持一致,而常规工艺,抗压强度和抗压强度的比值仅为0.5～0.7,其各向异性较大,这说明其抗压能力不足。现工艺可以实现抗压强度和抗拉强度的比值等于一,且表现出高强的特征。

基于微观组织调控,研发的承载用高性能镁合金管型材冷温强塑变挤压技术已经实现了在新能源客车型材、轮椅管材上的应用,其强韧性较现有的水平提高了20%以上。

例如可以做到最大直径186mm的管材,以及镁合金用的车身的型材,以及镁合金的防撞梁,以及镁合医用的轮椅,都可以获得很好的应用,这些产品特点在于,第一,其性能指标要比国标提高20%～50%,各向异性要小于10%,另外还有优异的塑韧性,其塑韧性可以稳定高于30%以上。

现有镁合金管型材规格可以做到∅100至∅300毫米,壁厚在2-20毫米,预期可以实现外轮廓到∅600～∅800毫米,性能指标可以通过该技术实现,例如ZK61,我们的抗拉屈服强度可以达到262MPa,抗拉屈服强度还可以达到335MPa,延伸率可以达到21%,抗压强度可以达到282MPa。较现有的国标,例如屈服强度,国标要求的是245MPa,延伸率要求到6%,通过该工艺可以极大的改善变形加工材的各向异性。