（机械制造及其自动化专业论文）面向镁合金血管支架的薄壁微管加工工艺研究.pdf

摘要 面向镁合金血管支架的薄壁微管加工工艺研究 研究生：汤平利指导教师：易红 东南大学机械工程学院 摘要 本文以生物可降解镁合金血管支架用薄壁微管加工为背景，以a z 9 1 d 镁合金为研究对象，根据 细晶强化理论和超塑成型方法，提出了镁合金薄壁微管加工工艺，并付诸实践进行实验验证。运用 各种测试手段较系统和深入地研究了各道工艺以及各种工艺参数对合金组织结构和力学性能的影响 及其作用机理。 ( 1 ) 本文以细化晶粒，提高镁合金力学性能为主线，介绍了镁合金的传统塑性变形、剧烈塑性 变形和超塑成型方法，综合前人的镁合金塑性变形研究成果，提出了a z 9 1 d 镁合金薄壁微管加工工 艺。 。 ( 2 ) 将铸态a z 9 1 d 镁合金在4 1 0 。c 均质化处理2 4 h ，分别在2 7 5 和3 2 5 下以挤压比4 ：1 成 形出0 3 0 m m 的棒料。通过金相组织观察、硬度测试、室温拉伸和高温拉伸等实验手段，分析了比 较了不同挤压温度对合金组织和力学性能的影响。 ( 3 ) 将挤压出的棒料加工成e c a p 挤压试样，将试样分成两组，一组在2 0 0 。c 下按b c 路径变 形6 道次，另一组则采用降温变形的方式，首先于2 0 0 下按b c 路径变形2 道次，再于1 8 0 。c 下按 b c 路径变形4 道次。通过测试，分析比较了挤压态和e x e c a p 变形后的试样组织和力学性能的改 变；比较了挤压温度对后续e c a p 变形出的制品的组织和力学性能影响；对比了不同e c a p 变形工 艺对制品的组织和力学性能的影响。 ( 4 ) 将e x e c a p 变形出的合金加工成0 7 2 x 0 6 m m 的管材，在2 5 0 。c 下分别以不同拉拔速度 进行超塑性成型实验，在l m m m i n 的拉拔速度下成功成形出6 5 x 0 5 m m 的管材；在0 5 m m m i n 的 拉拔速度下一次成形出5 x 0 。4 m m 的管材。本文中讨论了这两种工艺对管材硬度的影响。 ( 5 ) 利用商业有限元软件d e f o r m t m 3 d 模拟了均质化处理j 亓的a z 9 1 d 镁合金分别在2 7 5 。c 、 3 0 0 c 和3 2 5 。c 的初始挤压温度下的成形过程，讨论了挤压温度对峰值压力、挤压温度和表面破坏程 度的影响。 关键词：生物可降解，支架，薄壁微管，挤压，e x e c a p ，超塑成型 a b s t r a c t s t u d y o fm i n it u b em a n u f a c t u r i n gp r o c e s sf o rb i o d e g r a d a b l e m a g n e s i u ma l l o yc o r o n a r ys t e n t s b yt a n gp i n g l i s u p e r v i s e db yy ih o n g s c h o o lo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g a bs t r a c t i tw a sb a s e do nt h em i n it u b em a n u f a c t u r i n gp r o c e s sf o rb i o d e g r a d a b l em a g n e s i u mc o r o n a r ys t e n t s a z 91 dm a g n e s i u ma l l o yw a sc h o s e nt ob et h eo b j e c t b a s e o nt h eh a l l p e t c ht h e o r ya n ds u p e r p l a s t i c d e f o r m a t i o nm e t h o d ，ap r o c e s sh a v eb e e np r e s e n t e df o rm a n u f a c t u r i n gt h em i n it u b e as e r i e se x p e r i m e n t s h a db e e nd o n et op r o v et h ei d e ao ft h ep r o c e s s i no r d e rt oa n a l y s i st h ee f f e c t so fe a c hp r o c e s sa n dt h e v a r y i n gp a r a m e t e r so f e a c hp r o c e s so nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f a z 91dm a g n e s i u m a l l o ys y s t e m i ca n dd e e p l y , m a n yk i n d so ft e s t i n gm e t h o d sw e r eu s e d t h em e c h a n i s m so f t h ei n f l u e n c e s h a v eb e e ni l l u s t r a t e d f i r s t l y , t h es p i r i to ft h i sp a p e ri st og e ta nu l t r a f i n eg r a i nb yw h a tt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw o u l db e p r o m o t e d t h ec o n v e n t i o n a lp l a s t i cd e f o r m a t i o n ，s e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o na n ds u p e r p l a s t i cf o r m a t i o n m e t h o d sw e r ei n t r o d u c e d c o m b i n e dw i t ht h er e s u l t so ff o r m e rr e s e a r c h e so nt h ed e f o r m m i o no f m a g n e s i u ma l l o y s ，ap l a s t i cd e f o r m a t i o np r o c e s so ff a b r i c a t i n gt h em i n it u b ew a sg i v e no u t s e c o n d l y , t h ea sc a s t e ds a m p l e so fa z 9 1 dm a g n e s i u ma l l o y sw e r eh o m o g e n i z e di n4 1 0 f o r2 4 h ， t h e s es a m p l e sw e r ee x t r u d e di n t o0 3 0 m mw i t ha ne x t r u s i o nr a t i o4 ：1a t2 7 5 ；a n d3 2 5 b ym e a n so ft h e m i c r o s t r u c t u r eo b s e r v a t i o n ，h a r d n e s st e s t ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e st e s ta tr o o ma n dah i g h e rt e m p e r a t u r e ， t h ei n f l u e n c eo fe x t r u s i o nt e m p e r a t u r eo nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw a sd i s c u s s e d t h i r d l y , t h o s ee x t r u d e dr o d sw e r em a c h i n e di n t os a m p l e sf o re c a pw i t hag i v e nd i m e n s i o n t h e s e s a m p l e sw e r ed i v i d e di n t ot w op a r t s o n ep a r tw a sp r e s s i n ga t2 0 0 。cf o r6p a s s e sw i t ht h ew e l l k n o w n r o u t eb c ap a r t i c u l a rm e t h o dw a su s e dt op r e s s i n gt h es a m p l e so ft h eo t h e rp a r t t h e s es a m p l e sw e r e p r e s s e da t2 0 0 f o r2p a s s e sa n dt h e np r e s s e da t18 0 f o r 4p a s s e s 。r o u t eb cw a sc h o s e nt oc o m p l e t et h e w h o l ep r o c e s s t h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r ec o m p a r e db e t w e e ne x t r u d e da n d e x e c a p e dp r o d u c t s t h ed i f f e r e n c e so fm i c r o s t r u c t u r ea n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sb e t w e e nt h e e x e c a p e dp r o d u c t sw h i c hh a dd i f f e r e n te x t r u s i o nt e m p e r a t u r ew e r ed i s c u s s e d i ta l s oa n a l y z e dt h e p h e n o m e n at h a td i f f e r e n td e f o r m a t i o np r o c e s sw i l lp r o d u c e dd i v e r s e m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s f o u r t h 。t h ea l l o y sw h i c hw e r ep r o c e s s e db ye x e c a pw e r em a c h i n e di n t ot u b e s t h ed i m e n s i o no f t u b e sw a s0 7 2 x 0 6 m m s u p e r p l a s t i ce x p e r i m e n t sw e r et a k e nw i t hd i f f e r e n td r a w i n gs p e e da t2 5 0 a t u b ew i t had i m e n s i o no f0 6 5x 0 5 m mw a sf a b r i c a t e du n d e rad r a w i n gs p e e do f1m m m i n a n o t h e rt u b e w i t had i m e n s i o no fm 5 x 0 4 m mw a sd r a w no u tu n d e rad r a w i n gs p e e do f0 5 m m m i n t h ev a r y i n g h a r d n e s so f t h e s et u b e sw a sd i c u s s e d a tl a s t c o m m e r c i a ls o f f w a r eo fd e f o r m t m 3 dw a su s e df o rs i m u l a t i n gt h ee x t r u s i o np r o c e d u r ew i t h a z 91dm a g n e s i u ma l l o y sw h i c hw e r ep r i l i m i n e r yp r o c e s s e db yh o m o g e n i z e d t h ee x t r u s i o nt e m p e r a t u r e s n a b s t r a c t w e r eg i v e na s2 7 5 。c ，3 0 0 ca n d3 2 5 c t h ei n f l u e n c eo f d i f f e r e n te x t r u s i o nt e m p e r a t u r e so nt h em a x i m u m e x t r u s i o nl o a d ，m a x i m u mt e m p e r a t u r ea n dt h ed a m a g ew a sd i c u s s e d k e y w o r d s ：b i o d e g r a d a b l e ，s t e n t ，m i n it u b e ，e x t r u s i o n ，e x - e c a p , s u p e r p l a s t i cd e f o r m a t i o n i i i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 了谢意。 研究生签名：研矛1日期：叩f f 学位论文使用授权声明 中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论 文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包 括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权研究生院办理。 研究生签名：物牟 f 导师签名：j t v ( o 叶俑期： 第一章绪论 1 1 选题背景 1 1 1 生物可降解血管支架 第一章绪论弟一早珀1 = 匕 血管金属内支架已广泛应用于治疗各种血管狭窄性病变，支架在金属材料及其类型上取得了很 大的改进，支架的制作工艺也逐步趋向完善。同时由于血管球囊扩张及支架置入引起的血管内皮损 伤、肌层平滑肌细胞的增生迁移导致的血管再狭窄( i n s t e n tr e s t e n o s i s ，i s r ) 日益引起人们的广泛关 注。 为此，许多研究者就支架植入后i s r 的机理和预防措施进行了大量的研究，为i s r 的彻底解决 积累了许多经验。研究表明，尽管人们采用了各种方法来防止血管再狭窄的发生，如药物涂层金属 支架减少血栓形成及放射性内支架抑制平滑肌细胞和血管内膜增生，但是金属内支架作为一种永久 性的异物在血管内长期存留可弓l 起血管的慢性损伤，后期可造成血管中层的萎缩、动脉瘤形成及反 应性的内膜增生【l 】。目前开发的临床应用的各种血管支架各有其优缺点，总结它们的优缺点可以得 到理想的血管支架的要求，一般来说理想的血管支架应该具有足够的灵活性以便支架可以剑达冠状 动脉内的任何位置；具有良好的可视性以及在保证最小损伤下的支架的撑开能力；在圆周上具有均 匀分布的强度以及足够的刚性；能够有效减少急性血栓形成和发炎反应，能够阻j = 新生内膜的形成 以及良好的抗凝血性和流体动力学相容性；在植入6 个月后能够自动消失并且病变部位不会再发生 再狭窄1 2 。因此，未来的支架发展目标已经锁定为利用生物可降解材料制作暂时性的人体植入物， 这种植入物不但应当能够在一定时期内具有足够的力学性能支撑住血管，以防止在危险期内病情复 发，而且还应该经过一段较长时间后完全降解1 3 j 。目前国外对生物可降解性血管内支架( b i o d e g r a d a b l e i n t r a v a s c u l a rs t e n t ，b i s ) 的研究已由基础试验进入到临床应用研究，而国内在该方面的研究尚属起步 阶段。 目前常见的生物可降解支架有两大类型，聚合物支架和金属支架。聚合物支架最大的不足就是 其机械性能与金属永久支架相比，它不能保证有同样的支撑力，并且更容易弹性同缩，同时支架材 料相对比较松散，限制了其在小血管的应用1 4 】。而在金属支架中，纯铁和镁合金是最近被用来制作 生物可降解血管支架的两种材料。纯铁( 芝9 9 。5 ) 具有较高的弹性模量，冈而具有非常好的径向强 度，这有利于制造薄肇支架。但是，从理论上来说，由于纯铁的屈服强度与拉伸强度比较接近，因 而利用它制造出来的支架在展开过程中可能会断裂。由于利用纯铁制作可降解血管支架的研究小组 较少以及铁的降解速度较慢，因而相关的研究报道也较少。镁及其合金作为种可降解的植入物， 已经在整形外科中获得了广泛应用能够，镁合金具有密度低，比强度和比刚度高、耐蚀性差等特点， 显示出了比非金属血管支架的优异的性能，网此受到青睐，被用于制作可降解的金属血管支架，国 外已经有研究人员采用a e 2 1 5 1 和w e 4 3 t 6 】等镁合金材料制作可降解的血管支架，并进行了动物试验， 效果非常显著【7j 。国内在该领域的研究工作尚处在起步阶段。 1 1 2 血管支架的主要性能指标 ( 】) 生物相容性是指基体免疫系统对外来异物的耐受能力。是置入人体医用器件的主要技术性 能，要求对生物体不产生明显有害作用，并且不会因为与生物系统直接接触而降低其性能与使用寿 命。 ( 2 ) 径向支撑力是支架对径向外压的抵抗力或支架对作用于其外力的应变力，它决定支架展开 后能否牢i 胡贴附于血管壁。 ( 3 ) 支架伸展型是指压缩后的支架直径同释放后完全展开支架直径之比值，即支架扩张率。理 东南大学硕士学位论文 想的支架扩张率应大于6 ，小于4 的支架不宜使用。 ( 4 ) 支架的顺应性是支架刚性与柔顺性的综合反应。柔顺性好的支架易推送，易通过迂曲血管 就位，但稳定性差。刚性强的支架，在血管内稳定行好，但运送较凼难。因此术前应根据病变血管 部位、病变性质选择刚柔相宜的支架。 ( 5 ) 支架纵向缩短率是指支架释放后，随管径扩大同时可出现非线性缩短，这对于临床使用带 来不利。因此术前必须选择长度和管径相宜的支架。 ( 6 ) 血管内支架直接接触血液，支架设计必须考察材料与血液的相互作用，即血液相容性。影 响支架血液相容性的主要因素有表面粗糙度、表面亲水性与疏水性、表面张力、表面能和表面电荷 等。 1 1 3 生物可降解支架材料选择 一般生物医用材料要求材料必须符合“医用级”标准。其二是溶出物及可渗出物含量低。其三 是具有良好的生物稳定性。其四是良好的机械性能，包括具有良好的强度、弹性、耐疲劳和耐磨性、 尺寸和界面的稳定性、易成型加工等。另外还包括材料便于灭菌、消毒等等【8 】。这些要求是对生物 医用材料的一般性的基本要求，对于各种类别的材料和专门的应用场合还会有着具体的要求。一般 认为，理想的支架材料必须具有良好的抗腐蚀性能，血管内的生物相容性，耐疲劳和良好的m r i 显 影性能。针对于球囊扩张支架材料：较大的弹性模鼙以防i 匕支架的同弹；较低的屈服强度以利于支 架在适当的球囊压力下顺利扩张，并且使得支架在输送系统中便于弯曲；支架扩张后，较高的抗张 强度促使支架在最下体积下达到适合的径向强度，同时，这种性能也使得能够运用壁厚更薄的支架 以增加支架的易弯曲性和易输送性，并且能够将支架输送剑更小的血管之中；恰当的加工硬化率能 够使得支架在扩张时获得理想的强度；扩张过程中的支架还需要高的延展性以抵抗支架变形1 9 l 。 以上的这些理想支架材料所应具有的性能在某些情况下是相互冲突的，这时就需要对一些性能 有所取舍，综合考虑。例如，具有较高的抗张强度的材料一般情况下同时也具备较高的屈服强度。 较高的抗张强度对于获得径向强度是必须的，然而，较高的屈服强度则可能会使得在收缩支架时出 现并不需要的急性同弹现象。同时，较小的晶粒度有益于材料的抗疲劳性能，也能使得材料在加工 是获得好的表面粗糙度，但是它却可能使得屈服强度上升，从而导致过大的急性回弹1 9 】。 支架的力学性能决定于制作支架的管材材料的力学性能，因此，制作支架的材料的选择对支架 的性能和结构具有十分重要的影响。 聚合物作为一种制作生物可降解支架的材料，由于前述的缺陷，故在本文的研究中不与讨论。 目前较为常见的制作血管支架的材料有316 l 不锈钢、钴铬合金、钽、铂铱合金、钛和钛合金和镍钛 合金，但这些合金都属于不可降解材料。由前述已知，纯铁和镁合金可以作为制作生物可降解血管 支架的材料。由于利用纯铁制作可降解血管支架的研究小组较少以及纯铁的降解速度较慢，故多数 文献皆采朋镁合金作为研究对象。 1 2 课题研究意义 血管支架在治疗各种血管狭窄性病变方面获得了广泛的应用，但是作为异源物存在于人体的血 管支架导致的衄管再狭窄却成为又一个摆在人们面前的难题。尽管人们在防止血管再狭窄方面做了 许多努力，如采用药物涂层的方法来抑制平滑肌细胞和血管内膜增生，虽然这些努力起到了一定的 效果，但是并不理想。 研究表明血管支架再狭窄主要发生在接入治疗术后3 , - - 6 个月内，一般在3 个月时达到高峰，而后 缓慢进展，6 个月时多数停止，1 年后则罕有发生再狭窄者。因此支架植入血管后主要是在损伤愈合 的特定时间内对血管起力学支撑的作用，理想的血管内支架应该在完成治疗使命后能够在体内降解 消失。 生物可降解血管内支架的暂时存留性特点与血管再狭窄的时间相吻合，支架在血管内皮化完成 2 第一章绪论 后开始降解，充分的内皮化保持了血管结构的完整、稳定了血管的内环境，当所支撑的狭窄段血管 恢复畅通、内膜修复完成后即降解消失，克服了支架自身的血栓原性及异物性，避免了支架引起的 远期并发症。生物可降解血管内支架具有良好的生物相容性，支架基材内部可带药，携带药物比较 方便灵活，药物快速释放或缓释可预防血管再狭窄，相对于药物洗脱支架释药量增加和释放时间延 长，减少了再狭窄发生的可能性；若同一部位发生再狭窄，在支架降解后还可再次植入治疗；同时 可降解支架可扩展剑药物系统支架应用受到限制的, b j d 科i l u | 。 镁合金具有理想的机械支撑力，良好的生物相容性，且容易降解，其降解产物参与新陈代谢。 因此，镁合金被认为是比较合适的生物可吸收支架材料。 目前国外已有大量关于镁合金制作的血管支架的研究，但是目前我国国内生产用于制作血管支 架的镁合金工业比起发达国家还有一定的差距。目前国内几乎没有能够生产用丁制作支架的镁合金 管材的厂家，这种情况很大程度上是因为国内没有制作镁合金薄壁微管的成熟技术。本课题是利用 镁合金多种塑性成形的方法来制作镁合金薄壁微管，研究结果对于镁合金在其他领域的塑性成形也 具有普遍的指导意义。 1 3 支架管材加工国内外研究现状 血管支架是一种网格状毛细管，支架外径0 8 3 m r n ，壁厚0 0 3 0 6 m m ，长8 , - 一2 0 m m ，网纹梁 的宽度只有2 0 1 5 0 1 a m l j 。 国外对于镁合金支架用管材的加工工艺做详细的论述目前尚未见报道，且在做临床实验时对支 架管材的制作也只是笼统叙述材料的制作，但是仍有某些文献专门论述了利用其他材料如何制作支 架管材或其它薄壁管状医学用品。 p p o n c i n 和j p r o f t 讨论了制作支架的管材应具有的性能，且简单介绍了几种支架管材加工方法【9 j 。 k a z u n a r iy o s h i d a 年l l h i r o a k if u r u y a 利用m a r c 塑性有限元分析工具分析了n i t i 合金的空心拉拔、 固定芯头拉拔、游动芯头拉拔和芯轴拉拔这四种支架管材制作方法，实验结果证实了有限元分析得 出的芯轴拉拔为最佳的拉伸方法【l2 1 。 另外，k a z u n a r iy o s h i d a 等人用有限元分析的方法分析出空心拉拔和芯头拉拔两种拉拔方法拉拔 n i - t i 合金注射针头的最佳工艺参数并用实验证明了分析得出的结论的可行性i l3 1 。 bh e u b l e i n 等人制作了壁厚0 1 5 - - - 0 2 r a m ，长1 0 m m ，外径2 m m 的支架管材，该管材是在挤压后 的a e 2 1 棒材的基础上通过钻孔获得【5 j 。 于宝义等人对镁合金管件挤压成形工艺进行了实验研究，确定了其成形工艺参数。分析了支架 用镁合金薄肇管什在4 0 0 c 挤压成形后微观组织的变化，研究了挤压比对管件微观组织的影响，实验 结果表明，热挤压加工可有效地细化镁合金的组织，随着挤压比的增大，挤压管件的晶粒明显变小。 经多道次热挤压后，最终成形出t 0 7 x o 5 m m 的薄鼙管件【1 4 j ，并且在他们的专利中提出了一套行之 有效的制作薄壁支架管材的方案，其主要技术特征是，采用自制的镁合金配方，采用气体保护熔炼+ 降铁溶剂精炼的方法，熔炼出镁合金铸锭，然后经过热挤压变形和固溶处理，截取一定长度作为后 续加工的工件。将截取的一端加工成管状，另一端加工成棒状，拉拔前将工件管端加热，采用分阶 段多道次空心拉拔成形的方法，最终可成形出直径在2 1 0 m m ，壁厚均匀、在0 2 0 - - l m m 的超细薄 壁管【15 1 。 哈尔滨工业大学的孙海龙在其硕士论文中指出，在一定条件下，对n i t i 合金管材采用冷拔工艺， 可以制备出适用于支架的薄壁细管材，成形的试验研究表明，胚料表面缺陷对成形管材性能有着严 重的影响，胚料尺寸的选择与目标尺寸有着直接的关系。通过实验数据分析建立了胚料尺寸选择的 经验公式，确定了管材成形最佳工艺参数，即退火温度7 5 0 、道次径缩量0 1 m m 、拉拔速度为9 0 m m h 、 无芯棒拉拔速度为4 0 m m h 1 6 j 。 3 东南火学硕士学位论文 1 4 镁合金的性能和加工现状 1 4 1 镁合金的物理性能 镁的弹性模量e = 4 5 g p a ，切变模量g = 1 7 g p a ，以及比弹性模：量e 9 = 2 5 g p a c m 3 g 。与其它金属材 料相比，镁及其合金的比强度和比刚度高，切削加工性好等优点。镁具有3 s 2 电子层结构，镁的晶体 结构为密排六方( h c p ) 结构，如图1 1 所示。其晶格常数为a = 0 3 2 0 2 n m ，c = 0 5 1 9 9 n m ，c a = 1 6 2 4 ， 其c a 的值与标准的h c p 结构的c a 的值( 1 6 3 2 ) 非常接近【1 7 j 。 n l ( a ) ( b ) 图1 1 密排六方晶格 ( a ) 图1 2 镁合金中的滑移系：( a ) 基面滑移：( b ) 棱面滑移；( c ) 锥面滑移。 图1 2 给出了镁合金中的滑移系示意图。在低于4 9 8 k h , - j ，没的塑性变形限于基面 0 0 0 1 ( 1 l - 0 ) 及 锥面 0 1 2 1 1 0 1 1 ) 。因此，发生塑性变形时，镁晶体只有三个几何滑移系和两个独立滑移系。 温度升高到2 2 5 以上时，由于原子活动能力增强，非基面滑移系与基面滑移系之间的临界剪切 应力差值减小，棱柱面与锥面等潜在非基面滑移系可以通过热激活启动，从而使镁合金的塑性变形 能力得到火幅度提高。 l 。4 2 镁合金塑性成形传统工艺方法 铸造法生产的镁合金晶粒不够细小，存在不同程度的成分偏析现象，不能从根本上解决脆性和 腐蚀问题，难以制备出性能优良的镁合金。粉末冶金环境影响较小，但应用范围有限。另外，镁合 金尤其在4 0 0 以上高温时产生晶粒粗大且组织性能受塑性变形影响很大。实践证明，塑性变形能有 效改善铸造镁合金的力学性能，变形镁合金比铸造镁合金的力学性能具有更高的强度和塑性。镁合 金与其他变形合金一样，也可以通过锻造、轧制、挤压等变形加工工艺进行成形加工。由于镁合金 具有h c p 晶体结构，对称性低，室温滑移系少，冷加工成形凼难，高温下，镁合金中的滑移系增多， 塑性变形变得相对容易，因此镁合金通常在可控的温度下进行变形加工。 ( 1 ) 轧制变形工艺 轧制是指将金属锭块或坯料在轧机旋转着的轧辊辗压下进行塑性变形的压力加工方法。镁合金 厚板在窒温下轧制性能不佳，一般都需要提高到一定温度下才可以轧制。而薄板一般综合采用冷轧 4 第一章绪论 和温轧两种方式生产。镁合金在轧制过程中，应当保证铸态组织得到充分变形，为了达到改善组织 的目的，必须具有一定的变形量。另外，由于多晶镁合金滑移系少，晶粒不易产生宏观屈服而易在 晶界产生大的应力集中，合金很容易发生晶间断裂。镁合金板材在轧制以后一般要进行退火及热处 理，加工组织发生再结晶。其退火温度应选择在靠近完全再结晶温度范围内。 大量的研究表明，轧制变形过程中发生了动态再结晶，有效地细化了晶粒，提高了合金的强度 和延展性【1 8 2 0 1 。 ( 2 ) 挤压变形工艺 挤压是使金属材料产生塑性流动，通过凸模和凹模的间隙或凹模的出口制造空心或断面比毛坯 断面要小的零件的一种工艺放方法，如果毛坯不经加热就进行挤压，便称为冷挤压。如果将毛坯加 热到再结晶温度以下再进行的挤压叫做温挤压【2 。根据挤压时金属流动方向和凸模运动方向之间的 关系，主要分为两大类：正向挤压和反向挤压，如图1 3 所示。 挤压具有比锻造、轧制更为强烈的三向压应力状态，金属可以发挥其最大的塑性。这对于塑性 变形能力较差的镁合金来说尤为重要。挤压变形有助于改变铸造过程中形成的粗大柱状晶，细化铸 态组织，使合金获得更好的力学性能。因此，挤压成形是目前镁合金塑性加工成形中应用最为广泛 的工艺之一。许多研究者在这方面也做了大量的工作。s h h s i a n g 等人运用t a g u c h i 方法设计a z 3 l 和 z k 6 l 的热挤压工艺参数，以期获得具有最佳的机械性能的管材，同时研究了挤压速度，润滑条件等 因素对挤压出的管材的机械性能的影响【2 2 1 。g g a r c e s 等人采用快速凝固粉末制作的w e 5 4 合金样品， 将该样品在3 2 5 和4 0 0 下按2 0 ：1 的挤压比在专用模具中进行挤压，获得的晶粒度分别为0 6 5 和 1 6 9 m 睇3 | 。t m u k a i 等人将w e 4 3 合金样品在7 9 8 k 的温度下退火处理5 小时，然后在5 7 3 k 的温度下以 1 0 0 ：1 的挤压比进行挤压，得到的合金的平均晶粒度为1 5 9 m 1 2 4 1 。v w e s l i n g 等人在3 5 0 c 对事先经过两 级热处理的a z 9 1 、a e 4 2 、z r e l 、q e 2 2 铸件进行热挤压，得到的挤压件的晶粒度分别为6 ，4 、6 2 、 1 2 矛l j 0 7 9 m 1 2 引。段亚利以a z 3 l 镁合金挤压薄壁管材为研究对象，讨论了模具结构、工艺参数对挤压 过程的影响，并分析了挤压比对试制管材力学性能和显微组织的影响【2 6 | 。 ( a ) ( b ) 图1 3 传统挤压方式：( a ) 正向挤压；( b ) 反向挤压 大量的镁合金挤压实验结果表明，镁合金挤压成形主要受锭坯状态、挤压温度、挤压速度、挤 压比和其它冈素等的影响。 ( 3 ) 拉拔变形工艺 拉拔是将金属坯料通过拉拔模的模孔使其变形的塑性加工方法。拉拔过程中坯料在拉拔模内产 生塑性变形，通过拉拔模后，坯料的截面形状和尺寸与拉拔模模孔出口相同。因此改变，拉拔模模 孔的形状和尺寸，即可得到相应的拉拔成形的产品【2 7 1 。 图1 - 4 臣p 为几种较为常见的管材拉拔方法。空拉主要是以减少管坯的外径为目的，拉拔后的管材 壁厚一般会略有变化，壁厚或者增加，或者减小，经过多次空拉的管材，内表面粗糙，严重时会产 生裂纹：同定芯头拉拔的管材内表面质量比空拉的管材内表面质最高，此法在管材生产中应用最广 泛，但拉拔细管比较困难，而且不能生产长管；游动芯头拉拔是管材拉拔较为先进的一种方法，非 常适用于长管和盘管生产，对于提高拉拔生产率、成品率和管材内表面质量极为有利，但是与i 削定 5 东南大学顶i 学位论文 芯头比拉拨相比，游动芯头拉拔的难度较大，工艺条件和技术要求较高，配模有一定限制；芯轴拉 拔道次加工率较大，但由于需准备许多不同直径的芯轴和增加脱管工序通常在生产中很少采用。 芒辫撵辫 f 尹7 ，r l 耸f 亭尹歹苛。 幽“幽p i u g 幽 ( b ) ( c ) ( d ) 图1 4 拉拔管材的方法：( a ) 空心拉拔；( b ) 固定芯头拉拔；( c ) 游动芯头拉拔( d ) 芯轴拉拔 l43 镁合金剧烈塑一| 生变形工艺 ( ”e c a p 变形工艺 为了提高和改善镁台金变形加工产品的性能，应用剧烈塑性变形是许多金属细化品粒的一种有 效的方法，采用这种方法，晶粒可达亚微米级。目前备受瞩目的可行的剧烈塑性变形( s e v e rp l a s t i c d e f o r m a z i o n ， s p d ) 加工技术是高压扭转( h i 曲 r e s s u r et o n i o n ，h p l ) 【”啪等通道转角挤压技术 ( e q u a l - c h a n n e la n g u l a r p r e s s i n g e x t r u s i o n ，e c a p o r e c a e ) b ”加上。在实际操作中高压扭转在使金 属获得细晶粒方面l 土e c a p 更为行之有散，然而，由于采用e c a p 加工适当大的工件比较容易因而 它的应用比高压扭转更为广泛。 热热 溉热 图1 - 5 e c a p 原理示意图 图l 缶e c a p 变形过程中的四种基本加工路径 2 0 世纪7 0 8 0 年代，前苏联明斯克的一家研究机构的科学家s e g a i 及其助手提出基于太塑性变形 的e c a p 技术脚州。与传统的成形工艺相比，e c a p 的最大优势在于工件的尺寸和形状在加工前后没 有明显政变因而工件可以多次重复挤压，以使工件中累积更高的等效应变，而景积的等效应变在 工件的晶粒细化中具有重要影响。”。图i 阐述了b c a p 的基本原理，e c a p 过程中材料经受近纯剪切 ；写圳刮剐目 第一章绪论 变形。其基本过程为：使材料通过具有一定相交角度，外接弧度甲的等截面通道，在通道的转角处 材料受到应变量很大的近似纯剪切变形，该剪切变形将使材料组织得到很大程度的细化。 e c a p 加工路径有四种方式，相对应的，在按照这四种路径旋转工件的过程中就会产生四种不同 的滑移系统，从而导致材料经e c a p 后将获得完全不同的组织结构。图1 - 6 分别表示了四种e c a p 过程 中四种基本的加工路径：在路径a 中，工件在每道次挤压变形之前不旋转；在b a 路径中中，每道次 挤压之前，工件交替旋转9 0 。；路径b c 中，工件在每道次挤压之前在同一方向上旋转9 0 。；路径c 在每道次间旋转1 8 0 。 2 9 , 3 0 】。 y o s h i n o r i1 w a h a s h i 等人在忽略边界条件如摩擦等作用下，对e c a p j e i 工过程进行了理论分析，综 合考虑了p = o ，妒= 刀一函，以及0 1 0 0 0 的超塑性变形【3 3 副】。因此，利用等通道转角挤压技 术，可使品粒人大细化，从而大幅度提高材科的力学性能。 z e n j ih o r i t a 等人将挤压斤的m g 一0 6 z r 合金进行e c a p 加工( 该方法后米被定义为e x e c a p 力1 1 工) ，又直接对铸态m g - 0 6 z r 合金进行相同次数的e c a p 加工，将所得到的两种材料通过拉伸实验 进行对比发现，相比于直接对铸件进行e c a p 加工，采用e x e c a p 方法加工所得到的材料的延伸率 更高，晶粒度细化明显l l 上m t 拍j 。后来k m a t s u b a r a 等人将e x e c a p 方法运用于m g - 9 a 1 合金，得到 了更为细小的晶粒0 7 1 x m ，再次证实了该现象的存在【37 1 。因此，m i t s u a k if u r u i 等人对m g 一8 l i 进行 e x e c a p j j n 工，分析讨论了不同的挤压速度和挤压温度，对后续的e c a p 力1 1 l 的影响，经e x e c a p 加工过的合金，在1 5 1 0 4 s 。1 的初始应变速率下，得剑了最大延伸率1 7 8 0 【3 引。 ( 2 ) h p t 变形工艺 对h p t 变形工艺进行研究的是b r i d g m a n l 3 9 】。h p t 变形工艺是通过压杆向置于固定不动的模具中 的盘状材料施加很高的压力同时压杆作旋转动作，从而实现扭转剪切变形的一种工艺，如图1 7 所示 2 9 l 。在该工艺中，盘状试样可在高达几个g p a 的压力下发生扭转变形，而试样的尺寸不发生改变， 所以在试样的外侧可引入很大的剪切应变。该工艺中，材料的剪切应变有压杆的旋转所引入，因此 剪切应变量的大小随材料所处位置的半径不同而变化，所以该工艺制备的材料存在从中心向外侧组 织不均匀的现象。但h p t i 艺通常只用于小薄片盘状试样的加工，所以这种组织不均匀性可忽略， 因此该下艺目前尚不具备实际应用价值。 ( 3 ) 累积叠轧变形工艺 累积叠轧( a c c u m u l a t i v er o l l b o n d i n g ，a r b ) 工艺由s a i t o 等人首次提出p w ，其原理如图l - 8 所示 俐。首先将板材均匀分为两份并叠加，然后轧制至原来的厚度，如此反复进行，从而实现很大的变 形而厚度不发生变化，因此a r b t 艺不仅是轧制变形，还包含一个焊合过程( 叠轧焊合) 。在该工艺 中，开裂是个严重的问题，特别是在轧制道次较多时，其边部裂纹往往会扩展至板材中心，但对大 多数金属材料而言，通过一些技术改进则可以避免裂纹的产生。 7 东南人学硕士学位论文 图1 7h p t 工艺示意图 1 4 4 镁合金超塑成型工艺 ，。_ 、 s u r f a c et m a t m e n tl - - - - - - - - 一 d e g r e a s i n g 图1 - 8 a r b 工艺示意图 ( 1 ) 超塑性的意义 材料( 包括金属和暑# 金属材料) 在特定的内在及外在条件下显示出的异常高的塑性称为超塑性 h 1 1 。一般把材料延伸率超过1 0 0 的现象叫超塑性。超塑性的宏观变形特点是人延伸、无颈缩、低流 变应力、易成形等。 超塑性成形是一种新工艺，它可以利用小吨位设备进行具有大变形量的复杂零件的成形。然而 这种工艺也有缺点，主要是成形速度慢。工程应用中应注意发挥超塑成形技术的优越之处，专门成 形其他塑性工艺难易甚至不能成形的重要零件，这样就显示出了超塑工艺的先进性。另外超塑性成 形与传统成形方法相比，生产环境较为复杂，生产过程中不可控因素较多，加上生产经验积累不足， 导致生产工艺的不稳定性。 ( 2 ) 超塑性变形的条件和机理 超塑性的出现首先取决于材料的内在条件、如化学成分、显微组织( 包括品粒大小、形状和分 布等) 及是否具有相变( 包括同素异晶转变，有序无序转变及i 古i 溶脱溶变化等) 能力。具备上述内 在条件的材料，在适当的外在或试验条件下便会产生超塑性【4 1 1 。 对人量的超塑性事例的分析表明，出现超塑性需要以下条件1 4 2 】： ( a ) 在t 0 5 t m 的高温下出现； ( b ) 要求变形速率小( 占1 0 。s 以) ( c ) 要求微观组织为等轴小品粒( 1 0 u m 以下) ，且晶粒稳定，在变形过程中不长大。 金属材料的超塑性，目前普遍认为晶界滑移是最主要的超塑性变形机制，原子与空穴的扩散流 动和位错滑移对晶界滑移起协调作用，即在超塑性变形过程中同时存在扩散蠕变、晶界滑移、位错 滑移或位错蠕变等作用。合金在低温时的变形机制是晶界扩散控制的晶界滑移，而在高温时是晶格 扩散控制的晶界滑移。镁合金在超塑变形过程中主要受晶界滑移控制，通过原子晶界扩散、位错移 动、扩散蠕变、液相原子扩散以及空洞移动扩散等协调机制来协调晶界的滑移。此外还有晶粒的移 动、旋转和换位等协调机制。镁合金处于超塑性状态时，具有优异的塑性和极小的变形抗力，从而 有利于塑性加工。所以，超塑性成形对于强度高而塑性羞的材料显得尤为重要【4 3 】。