CN102513440A

CN102513440A - 获取优越高温力学性能镁合金成形件的方法及装置

Info

Publication number: CN102513440A
Application number: CN2011104218384A
Authority: CN
Inventors: 周建忠; 谢小江; 黄舒; 陈寒松; 杨晶; 樊玉杰; 季杏露; 左立党; 安中伟
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2031-12-16
Also published as: CN102513440B

Abstract

本发明公开了一种获取优越高温力学性能镁合金成形件的方法及成形装置。本发明装置主要包括：凹模、激光器、温度传感器、微型加热器等。本发明方法是利用温激光喷丸中的动态应变时效强化、温热成形及高压高应变速率的激光喷丸快速成形技术使镁合金加热到120~150°C进行高速贴模成形，将镁合金板材置于工作腔内的凹模上并贴上能量转换体；将工作腔抽至真空，结合微型加热器与激光器进行温激光喷丸镁合金板材高速贴模成形。因利用了温激光喷丸技术，在成形件内形成位错钉扎效应及纳米析出物，使镁合金成形件具有优越的高温抗蠕变、高温高强度等高温力学性能，同时也实现了镁合金板材的温热高应变速率成形，提高了镁合金成形性能及成形效率。

Description

获取优越高温力学性能镁合金成形件的方法及装置

技术领域

本发明涉及镁合金成形领域及激光加工领域，特指获取优越高温力学性能镁合金板材成形件的成形装置及方法。主要用于提高镁合金的成形性能及高温力学性能，为镁合金板材塑性成形提供了一种新型有效的技术。

背景技术

镁合金作为21世纪的绿色工程材料，具有广阔的发展前景。而由于镁合金的特殊结构，镁合金为密排六方晶体结构，在常温下只有基面{0001}三个滑移系数可以发生变形，因此在室温下塑性加工性能很差，这是镁合金塑性加工成形方法较少的重要原因；同时，由于镁合金密度很小、比强度高等优势以及汽车、飞机的减轻趋势，已经广泛应用于航空发动机、汽车发动机及空冷发动机等关键零部件的制造，对于这些关键零部件，它们的服役温度都集中在100°C~300°C之间，这就要求镁合金必须具有良好的高温力学性能及高温抗蠕变性能，但是当前镁合金成形制品在高温环境下（100°C~300°C）使用时，其强度与蠕变性能会大幅度下降，下降幅达可达56%~60%，大大降低了镁合金部件的使用寿命，大大限制了镁合金的使用范围。因此，镁合金室温塑性成形难、高温力学性能与高温抗蠕变性能比较差等缺陷极大地限制镁合金工业化大批量生产及在汽车行业与航空航天领域的应用。

目前镁合金产品主要采用压铸成形等方法来生产，如公开号为CN1386600A的中国专利，其成形方法是：先用将镁合金加热到620°C~720°C，使其熔化；然后将熔化的镁合金注入到模具中去，最后通过压铸机来压铸成形；如公开号为CN101386946A的中国专利，其成形方法是：先配置好镁合金中各种元素的含量，然后放入熔炼机中进行熔炼；最后压铸成形。虽然这些方法可以以高镁合金的铸造性能，可以铸造处各种形状的复杂零件，但是也存在一些不足：(1)产品规格尺寸受限、力学性能较差，；(2)各种铸造缺陷如疏孔、气孔、缩孔和夹杂难以避；(3)整个成形过程中需要用到众多复杂的模具；(4) 镁合金成形件高温高强度及高温抗蠕变性能等高温力学性能比较差；(5)都是在高温低应变速率下成形，且成形件容易氧化等；(6)无法实现镁合金板材的微成形(um或者亚um量级)。

传统的镁合金成形方法都是在高温下进行，高温加工具有变形度高、工艺控制复杂，且成形后得到的镁合金成形件的高温力学性能及高温抗蠕变性能较差，很难满足高温下的使用要求，镁合金容易氧化及燃烧等缺陷。如果采用塑性成形方法则可以有效的避免压铸成形的大部分缺陷。

为了解决在较低温度（＜0.5T_m，T_m为镁合金熔点的绝对温度）下对镁合金板材进行成形，国内有一些专利采用了塑性成形方法，目前对于镁合金板材的成形技术主要有：挤压、扎制、拉深成形、冲压成形。由于镁合金材料在室温下塑性成形性能比较低，而提高成形温度可以大大提高镁合金板材的成形性能，因此当前镁合金板材的塑性成形都是在一定温度下进行的，即温热成形。如公开号为CN1903473A的中国专利，其成形方法是：先加热压边圈和凹模到170°C—180°C，再模具表面涂润滑剂，再对镁合金板材坯料表面涂润滑剂，然后再将镁合金板材坯料加热到170°C—180°C，其次对凸模进行加热70°C—100°C，最后开始利用凸模进行拉深成形，得到所需的镁合金成形件。该专利虽然能够在较低温度下制备出所需的镁合金成形件，且材料的利用率也比较高，但是也存在一定的不足：（1）由于其描述的成形温度170°C—180°C超过了镁合金发生动态应变失效的温度范围，且成形的应变速率比较低，所以无法提高镁合金成形件的高温高强度、高温抗蠕变性能等高温力学性能；（2）整个系统只有一个电阻加热棒，缺乏有效的温控模块，不能有效精确控制板材表面的温度；（3）整个成形过程都是暴露在空气中，很容易引起镁合金成形件表面氧化，即：无法保证镁合金成形件的表面质量；（4）使用了专用模具，加工灵活性比较差；（5）该专利的方法和装置只适用于大型尺寸(mm量级以上)的成形，对于镁合金的微成形(um或者亚um量级)是无法实现的。如公开号为CN101209478A的中国专利，其成形技术是采用了非等温冲压成形，该专利所涉及的技术方案虽然能够实现在较低温度下制备出所需的镁合金成形件，且有效防止了在成形件凹模圆角处发生断裂，但是也存在着一定的不足：（1）该专利无法提高成形件高温高强度、高温抗蠕变性能等高温力学性能；（2）该专利的装置增加了冷却系统、恒温系统，导致整个成形装置的异常复杂化；（3）整个装置只有一个热电偶及加热板，缺乏有效的精确温控模块；（4）整个装置体现的成形过程都是一种开放式的成形环境，很容易氧化镁合金成形件表面，从而无法保证成形件的表面质量。如公开号为CN1903473A的中国专利，其采用温热拉伸工艺成形，其成形工艺是：加热压边圈和凹模—模具涂润剂—坯料涂润剂—坯料加热—凸模预热—拉伸成形，此专利虽然能够在较低温度（＜0.5T_m，T_m为镁合金熔点的绝对温度）下对镁合金板材进行成形，且材料的利用率很高，成形尺寸及精度较高，但是也存在不足：(1)需要用到复杂的专用模具，成形工艺非常复杂；(2)成形应变速率较低，生产效率较低；(3)整个成形过程缺乏有效的防氧化措施；(4)得到的成形件的高温高强度及高温抗蠕变性能等高温力学性能比较差；(5)该专利涉及到的装置没有公开有效的温控模块装置，不能精确控制镁合金板材的温度；(6)该专利的方法只适用于大型尺寸(mm量级以上)形件的成形，无法实现镁合金的微成形(um或者亚um量级)。

随着激光喷丸技术的出现，在一定程度很好的解决了传统的利用专用模具带来的加工柔性差、成形应变速率低、无法实现镁合金板材的微成形(um或者亚um量级)等不足，如授权号为CN101332538B的中国专利，其成形技术是：先将材料加热到一定温度，然后把高频高压的激光冲击波作为力源及高能的激光束作为热源，借助凹模进行高速贴模微成形。该专利虽然能对室温下难塑性成形的材料进行成形，且能再成形的同时达到强化成形件的目的，但是也存在一定的不足：（1）该专利对板材进行预热，其主要目的只是以单一的成形为目的，且是其成形特点是边加热边成形，也就是很有可能在温度未达到材料发生动态应变时效温度时，成形已经完毕，由于没有具体指明加热温度为材料发生动态应变时效的温度及没有公开任何有关成形件内部的微观组织等信息，且该专利提到：其技术效果只是可以细化表层晶粒及使组织均匀，故提高的是成形件的室温力学性能，并不能提高高温力学性能，即：没有公开任何有关成形件高温力学性能的信息，故该专利也就无法提高成形件高温力学性能；（2）整个成形都是在开放式的环境下进行的，缺乏有效的防氧化措施及装置，很容易引起成形件表面氧化，无法保证成形件的表面质量；（3）整个方案中并没有公开任何的有关精确温控模块，无法精确测量材料表面的成形温度；（4）由于该专利是利用两束激光分别进行冲击与加热，需要用到两台激光设备，极大的提高的制造成本。

与本发明最接近的是公开号为CN101590501A的中国专利，其采用的方法是温热电磁冲击成形，先将镁合金加热到100°C~300°C，在对电磁线圈放电产生电磁冲击力对镁合金进行冲击成形，该专利中的技术虽然能够实现在温热条件下对镁合金板材进行成形，相对于传统的压铸成形及温热成形有了很大的进步，但是也存在着不足：(1)整个成形环境是处于一种开放式的环境，即在空气中加热并进行冲击，该专利所述的成形方法过程及装置没有公开任何的防止镁合金板材表面氧化的措施和装置，无法保证成形件表面的质量；(2)该专利的装置只有一个加热棒，没有公开有效精确自动的温控模块，很难精确控制镁合金板材的温度；(3)该专利的加热方式是通过加热棒把模具加热到100°C~300°C，然后通过热传导将热量传递给镁合金板材，这样模具就长期处于高温状态，不但耗能，而且加速了模具的磨损，工作寿命减短；(4)温热电磁冲击成形中的加载压力不能精确控制，工艺过程控制困难；(5)该专利涉及的方法没有公开任何有关成形之后得到的镁合金成形件高温力学性能的信息，即：该专利所涉及的方法只是单一的以塑性成形为目的，不涉及任何有关镁合金成形件高温力学性能的信息；(6)该装置缺乏有效的绝缘措施，只有一个耐热绝缘树脂，安全得不到保证；(7)该专利的方法和装置只适用于大型尺寸(mm量级以上)的成形，对于镁合金的微成形(um或者亚um量级)是无法实现的；(8)该专利的方法只适用于厚度为0.5mm~2.5mm的薄板镁合金板材成形。

综上所述，虽然现有的一些专利所涉及的方法能够实现镁合金板材在较低温度（＜0.5T_m，T_m为镁合金熔点的绝对温度）进行塑性成形，如温热成形（100°C~300°C）等，但是也存在着诸多缺陷，利用目前有关的镁合金的塑性成形技术得到的镁合金成形件的高温高强度、高温抗蠕变性能等高温力学性能比较差和表面质量比较差，这一点是目前镁合金塑性成形技术无法克服的一大障碍。

温激光喷丸技术是一门新型的表面处理技术及新颖的温热变形加工技术，它集动态应变时效与激光喷丸强化于一体，温激光喷丸使材料产生高密度位错，高密度位错与溶质原子相互作用，在材料内部产生位错扎钉效应，有效阻碍了位错的运动，并在材料内部析出纳米析出物，这些纳米析出物使得微观组织更加稳定，有效的阻碍了晶界的滑移，继而提高镁合金高温力学性能及高温抗蠕变性；激光喷丸成形作为一种超高应变率成形方法，对于提高金属板材的成形性能有着独特优势；提高成形温度可以有效提高镁合金板材的塑性变形能力。因此，本发明采用温激光喷丸，集中了温成形与激光喷丸成形的优势对镁合金进行温热高应变率成形，大大提高了成形效率，提高了镁合金的塑性加工性能，并解决了传统加工出来的镁合金零件的高温力学性能及高温抗蠕变性较差。利用温激光喷丸成形无接触加工的特点回避了单一温成形中的润滑及模具强度等问题，提出了一种有效的镁合金板材成形新工艺，具有重要的理论意义和广阔的应用前景。

本发明首次提出利用温激光喷丸技术来获取具有优良的高温力学性能及高温抗蠕变性能的镁合金成形件，还实现了镁合金板材的温热高应变速率成形，。

经对国内外所有文献的检索结果发现，目前还没有利用温激光喷丸使镁合金成形件产生位错钉扎效应及析出纳米析出物来阻碍位错运动及晶界滑移，继而提高镁合金成形件高温高强度、高温抗蠕变等高温力学性能的相关研究报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种既能实现镁合金板材的温热高应变速率快速成形，同时成形之后又能获取具有优越的高温高强度及高温抗蠕变性能等高温力学性能镁合金成形件的塑性成形装置与方法，克服当前镁合金温热塑性成形方法无法提高镁合金成形件高温高强度及高温抗蠕变性能等高温力学性能、无法保证镁合金成形件的表面质量、成形速率低等不足，提供了一种采用温激光喷丸技术来实现提高镁合金成形件高温力学性能及高温抗蠕变性能的温热高应变速率成形装置及方法。

获取优越高温力学性能镁合金成形件的方法，具体方法步骤如下：

（A）根据所需工件的形状及成形要求设计好凹模的形状、激光冲击成形的运动轨迹，并设置好激光加工参数；

（B）用工业酒精清洗镁合金板材表面，在镁合金板材的上表面贴上能量转换体；

（C）用光学玻璃材料制成工作腔，并将工作腔置于五轴工作台上。

（D）将凹模放在工作腔内，并用螺钉固定好凹模，并将镁合金板材置于凹模上；

（E）用少量硅胶将4个温度传感器紧贴在镁合金板材左下表面，温度传感器、A/D转换器用导线将计算机控制系统连接起来；用导线将微型加热器、电子开关、控制器及计算机控制系统连接起来，微型加热器置于镁合金板材右下表面，通过夹具使二者紧密接触；

（F）在工作腔内设有一个微型加热器，用相应的夹具使微型加热器与镁合金板材紧密接触，并在改工作腔外壁设有一个真空导线接口，所有导线通过该导线接口与外界相连，再将该工作腔抽至真空，真空度为0.001~0.01MPa，再将保护气体充入该工作腔内，最后密封；

（G）启动计算机控制系统，使微型加热器将镁合金板材的温度加热到120°C~150°C，通过4个温度传感器、A/D转换器、电子开关、控制器、与计算机控制系统精确控制镁合金板材的温度，使其温度处于120°C~150°C；

（H）在该温度下，启动激光器，使其发出激光能量为300mJ~40J，光斑直径为200um~4mm、脉宽为20~30ns、频率为8H_Z，搭接率为75%的激光束经过反射镜的作用到达能量转换体上，产生高频高压高应变速率的激光冲击波，镁合金板材在高压高应变速率的激光冲击波的作用下按照计算机控制系统事先设计好的轨迹及加工参数进行高速贴模成形，进而得到所需的工件；

（9）取下能量转换体，打开工作腔的密封空，并往工作腔内充入保护气体，使其冷却至室温。

其中，本发明采用了4个温度传感器，4个温度传感器在计算机上显示温度分别为T1、T2、T3、T4，则镁合金板材的温度为：T=（T1+T2+T3+T4）/4。

其中，将镁合金板材温度加热到120°C~150°C，所述的120°C~150°C是镁合金板材在本发明激光参数下的激光喷丸作用下的发生最优动态应变时效强化效果的温度。

所述的镁合金板材厚度为：0.2mm~15mm。

所述的温激光喷丸成形轨迹为沿镁合金板材宽度方向作多次直线往复循环搭接喷丸成形运动。

所述的步骤（D）中在凹模与镁合金板材接触部分涂有一层绝热材。

获取优越高温力学性能镁合金成形件的成形装置，它包括了微型加热器、工作腔、夹具、激光器、反射镜、凹模、计算机控制系统、反射镜、螺钉、五轴工作台、控制器和导线接口，将工作腔放在五轴工作上面，五轴工作台与计算机控制系统用导线连接起来；凹模置于工作腔内，用螺钉固定好，镁合金板材置于凹模上，并在镁合金板材上贴上能量转换体，微型加热器置于镁合金板材右下表面，激光器与计算机系统相连，导线接口安装在工作腔外壁，并密封好。其特征在于：本发明装置设有防氧化装置，并设有精确的自动温控模块，以精确控制镁合金板材的温度；防氧化装置是真空状态的工作腔，工作腔开始不为真空状态，工作时将其抽为真空状态，并充入保护气体；精确温控模块由4个温度传感器、微型加热器、A/D转换器、计算机控制系统、电子开关、控制器、夹具、导线、导线接口构成；在镁合金板材左下表面贴上4个温度传感器，温度传感器用导线将A/D转换器、计算机控制系统连接起来；在工作腔内设有一个微型加热器，用相应的夹具使微型加热器与镁合金板材紧密接触，用导线将微型加热器、电子开关、控制器及计算机控制系统连接起来，所述的夹具涂有一层绝热材料，所有的导线都通过导线接口与工作腔外部设备相连，导线接口密封好。

所述的工作腔用光学玻璃材料制作而成，且在工作腔底面及其他几个侧面外壁涂有一层绝热材料的薄膜，顶面涂覆一层增透薄膜，凹模与镁合金板材接触部分涂有一层绝热材料。

本发明利用了温激光喷丸技术中的温热处理提高镁合金板材的塑性变形能力及激光喷丸快速成形等优势使被加热的镁合金板材在温热条件下高速贴模成形。利用温激光喷丸技术中的激光喷丸引起的高频高压高应变速率，使镁合金成形件产生高密度的位错；利用温激光喷丸技术的温热处理，加快了镁合金成形件内的溶质原子得移动，且激活了镁合金板材的其他滑移系数，使镁合金板材获得良好的塑性；溶质原子的扩散形成位错核，随着溶质原子不断的迁移至位错核处，钉扎住位错，形成了位错钉扎效应，有效阻碍了位错的运动，而高密度位错与移动的溶质原子相互作用，导致了在镁合金成形件内部析出大量的纳米析出物弥散分布在晶界处，纳米析出物使得微观组织更加稳定，且有效阻碍了位错的运动及晶界滑移，继而使得成形后镁合金成形件具有良好的高温高强度及高温抗蠕变性能等高温力学性能；本发明是在真空环境下进行成形与强化，有效避免了成形件被氧化。

本发明与现有技术相比，具有以下优势：

（1）本发明采用了温激光喷丸技术对镁合金板材进行温热高应变率塑性成形，极大提高了镁合金的成形效率，完善了镁合金板材成形技术，拓宽了激光加工的应用领域，开辟了激光喷丸成形在镁合金板材成形技术领域中的应用。

（2）因利用温激光喷丸技术，使成形后得到的镁合金成形件具有良好的高温高强度及高温抗蠕变性能等高温力学性能。

（3）本发明设有防氧化装置及措施，有效的防止了镁合金成形件的氧化及燃烧，保证了镁合金成形件的表面质量。

（4）本发明还设有精确的自动温控模块，能精确控制镁合金板材的温度。

（5）本发明是直接对镁合金板材进行加热，避免了对模具加热，减少了模具的高温磨损，延长了模具的使用寿命。

（6）本发明利用了温激光喷丸技术，产生的应变速率高达10⁶/s，对镁合金板材的成形速率很高，可以工业化大批量生产。

（7）本发明采用了温激光喷丸成形技术，只需要凹模即可，避免大规模复杂及专用模具的使用。

（8）本发明采用及温激光喷丸技术，可以进行镁合金板材的微成形(um或者亚um量级)。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为本发明的装置结构示意图。

图2为本发明装置中温控模块自动控制原理图。

图3为本发明实施例凹模的三维形状。

图4为本发明实施例成形件的三维图。

图5为本发明得到的镁合金成形件在200°C，70MPa条件下的蠕变曲线。

图6为4个温度传感器在镁合金板材左下表面的分布图。

图中，1、激光器；2、反射镜；3、工作腔；4、能量转换体； 5、温度传感器；6、凹模；7、五轴工作台；8、螺钉；9、镁合金板材；10、微型加热器；11、电子开关；12、控制器；13、计算机控制系统；14、A/D转换器；15、夹具；16、导线接口。

具体实施方式

如图1，实现本发明的装置包括了激光器1、反射镜2、工作腔3、能量转换体4、温度传感器5、凹模6、五轴工作台7、螺钉8、微型加热器10、电子开关11、控制器12、计算机控制系统13、A/D转换器14、夹具15。工作腔3位于五轴工作台7上面，五轴工作台7用导线与计算机控制系统13相连，用螺钉8固定好凹模6，将镁合金板材9置于工作腔3内的凹模6上，用工业酒精清洗镁合金板材9的表面，并在镁合金板材9上贴上能量转换体4，用少量硅胶将4个温度传感器5紧贴在镁合金板材9左下表面，温度传感器5、A/D转换器14用导线将计算机控制系统13连接起来；微型加热器10置于镁合金板材9右下表面，通过夹具15使二者紧密接触，用导线将微型加热器10、电子开关11、控制器12与计算机控制系统13连接起来了；激光器1与反射镜2位于同一直线上，激光器1与计算机系统13相连，所有导线通过导线接口16与工作腔3外部设备相连，导线接口16安装在工作腔3外壁，并密封好。

实施的具体过程如下：

（1）根据所需工件的形状及成形要求设计好凹模6的形状、激光冲击成形的运动轨迹及激光加工参数，激光冲击成形的运动轨迹为沿着镁合金板材宽度方向直线往复搭接喷丸成形运动。

（2）用工业酒精清洗镁合金板材9的表面；并在镁合金板材9的上表面贴上能量转换体4；用光学玻璃制作成工作腔3，将工作腔3置于五轴工作台7上。五轴工作台7用计算机控制系统13控制；将凹模6放在工作腔3内，用螺钉8固定好凹模6，并将镁合金板材9置于凹模6上；用少量硅胶将4个温度传感器5紧贴在镁合金板材9左下表面，温度传感器5、A/D转换器14用导线与计算机控制系统13连接；用导线将微型加热器10、电子开关11、控制器12及计算机控制系统13连接起来，微型加热器10置于镁合金板材9右下表面，通过夹具15使二者紧密接触，用导线将微型加热器10、电子开关11、控制器12与计算机控制系统13连接起来了，所有的导线通过导线接口16与工作腔3外部设备相连；调整好反射镜2的角度，使得激光束垂直照射在镁合金板材9上，激光器1与计算机控制系统13相连。再将该工作腔3抽至真空，真空度为0.001~0.01MPa，再将保护气体充入该工作腔3内，最后密封。

（3）启动计算机控制系统13，使微型加热器10将镁合金板材9的温度加热到120~150°C，通过这4个温度传感器5、A/D转换器与计算机控制系统13精确控制镁合金板材9的温度，4个温度传感器5通过A/D转换器的作用在计算机上显示的温度分别为T1、T2、T3、T4，则镁合金板材温度为：T=（T1+T2+T3+T4）/4；在该温度下，启动激光器1，使其发出激光能量为300mJ~40J、光斑直径为200um~4mm、脉宽为20~30ns、频率为8H_Z、光斑搭接率为75%的激光束经过反射镜2的作用到能量转换体4上，产生高频高压的激光冲击波，镁合金板材9在高压高应变速率的激光冲击波的作用下按照计算机控制系统13事先设计好的轨迹进行高速贴凹模6成形，进而得到所需的工件。

（4）取下能量转换体4，打开工作腔3的密封口，并往工作腔3内充入保护气体N₂，使其冷却至室温。

实施例

用AZ91D镁合金作为温激光喷丸成形实验

1、材料准备

实验所用材料为山西精美合金有限公司提供的AZ91D镁合金铸造板材，试样尺寸为5mm厚、100mm×120mm的长方形，其化学成分如表1所示，将实验材料进行均匀化退火处理，退火温度为230°C，保温1h后随炉冷却。

表1 实验用AZ91D镁合金板材化学元素成分表（%，质量分数）

Al

Zn

Mn

Cu

Fe

Ni

Si

杂质

Mg

9.1

0.53

0.20

＜0.025

＜0.0004

＜0.001

＜0.05

0.01

余量

2、成形过程

（1）按照图5所示成形件的形状及成形要求设计好凹模6的形状、激光冲击成形的运动轨迹及激光加工参数，其中，激光喷丸成形轨迹为沿镁合金板材9的宽度方向作多次直线往复循环搭接喷丸成形运动，凹模形状如图3所示。

（2）用工业酒精清洗该镁合金板材9的表面；并在镁合金板材9的上表面贴上能量转换体4。

（3）将工作腔3置于五轴工作台7上。五轴工作台7用计算机控制系统13控制；将凹模6放在工作腔3内，用螺钉8固定好凹模6，并将镁合金板材9置于凹模6上；用少量硅胶将4个温度传感器5紧贴在镁合金板材9左下表面，温度传感器5、A/D转换器14用导线与计算机控制系统13连接；用导线将微型加热器10、电子开关11、控制器12及计算机控制系统13连接起来，微型加热器10置于镁合金板材9右下表面，通过夹具15使二者紧密接触，用导线将微型加热器10、电子开关11、控制器12与计算机控制系统13连接起来了，所有导线通过导线接口16与工作腔3外部设备相连；调整好反射镜2的角度，使得激光束垂直照射在镁合金板材9上，激光器1与计算机控制系统13相连。

（4）将该工作腔3抽至真空，真空度为0.001~0.01MPa，再将保护气体充入该工作腔3内，最后密封。启动计算机控制系统13，使微型加热器10将镁合金板材9的温度加热到150°C，通过4个温度传感器5、A/D转换器与计算机控制系统13精确控制镁合金板材9的温度，4个温度传感器5通过A/D转换器在计算机上显示的温度分别为：T1=1149.5°C、T2=149.5°C、T3=150°C、T4=151°C，则镁合金板材温度T=（T1+T2+T3+T4）/4=150°C,通过精确温控模块的作用使镁合金板材9处于150°C左右；在该温度下，启动激光器1，使其发出激光能量为30J、光斑直径为2mm、脉宽为25ns、频率为8H_Z、光斑搭接率为75%的激光束经过反射镜2的作用到能量转换体4上，产生高频高压的激光冲击波，镁合金板材9在高压高应变速率的激光冲击波的作用下按照计算机控制系统13事先设计好的轨迹进行高速贴凹模6成形，进而得到所需的工件，。成形结果见图5。

（5）取下能量转换体4，打开工作腔3的密封口，并往工作腔3内充入保护气体N₂，使其冷却至室温。

3、后续测量。

（1）利用本发明得到镁合金成形件的高温力学性能见表2。

以强度、最大残余压应力及硬度等三个参数在不同温度下来描述镁合金成形件的高温特性。用HV—1000型显微硬度仪测试镁合金成形件在不同温度下表层的硬度；用X—350A型X射线衍射仪测量镁合金成形件在不同温度下的残余应力；做不同温度的单拉实验来测量强度。

从表2中可以看到，利用本发明得到的镁合金成形件在60°C时，其强度、最大压应力及硬度等几乎是不变的；在100°C时，强度下降了4%,最大残余压应力下降了3.5%，硬度下降了5%；在200°C时，强度下降了7%,最大残余压应力下降了6%左右，硬度下降了8%左右；在250°C时，强度下降了12%,最大残余压应力下降了11%左右，硬度下降了13%左右；在300°C时，强度下降了17%左右,最大残余压应力下降了15%左右，硬度下降了18%左右。

根据镁合金当前的服役温度来看，主要集中在100~300°C居多，而利用本发明得到的镁合金成形在此服役温度范围内具有良好的高温力学性能，在300°C时，其屈服强度仍然能达到269.75MPa，最大下降率才17%左右。

表2 本发明得到的成形件高温力学性能

（2）利用本发明得到成形件的高温抗蠕变性能见图5与表3。

用电子万能蠕变试验机测试利用本发明得到的镁合金成形件的高温抗蠕变性能。镁合金成形件在200°C，70MPa条件下进行实验，测试时间为500h。从图6可以看到，利用本发明得到的镁合金成形件具有明显的第二阶段蠕变特征，在500h时间内没有出现蠕变第三阶段。测试结果为：在500h的蠕变实验过程中均未发生断裂；经过500h后，镁合金成形件的总蠕变延伸率为2.12%，稳态蠕变速率为3.51×10^-8/s。

表3 镁合金成形件在200°C，70MPa条件下的稳态蠕变速率与总蠕变延伸率

Alloys	ε/(10^-8s^-1)	ε_t/ %
			AZ91D	3.51	2.12%

Claims

1.获取优越高温力学性能镁合金成形件的方法，其特征在于，具体步骤如下：

（A）根据所需工件的形状及成形要求确定凹模的形状、激光冲击成形的运动轨迹，并设置好激光加工参数；

（C）将用光学玻璃材料制成的工作腔置于五轴工作台上；

（E）用硅胶将4个温度传感器紧贴在镁合金板材左下表面，微型加热器置于镁合金板材右下表面，通过夹具使二者紧密接触；

（F）在改工作腔外壁设有一个真空导线接口，所有导线通过该导线接口与外界相连，再将该工作腔抽至真空，真空度为0.001~0.01MPa，再将保护气体充入该工作腔内，最后密封；

（G）启动计算机控制系统，使微型加热器将镁合金板材的温度加热到120°C~150°C；

（H）在该温度下，启动激光器，使其发出激光能量为300mJ~40J，光斑直径为200um~4mm、脉宽为20~30ns、频率为8H_Z，搭接率为75%的激光束经过反射镜的作用到达能量转换体上，产生高频高压高应变速率的激光冲击波，镁合金板材在高压高应变速率的激光冲击波的作用下进行高速贴模成形，进而得到所需的工件；

（I）取下能量转换体，打开工作腔的密封空，并往工作腔内充入保护气体，使其冷却至室温。

2.如权利要求1所述的获取优越高温力学性能镁合金成形件的方法，其特征在于，所述4个温度传感器的显示温度分别为T1、T2、T3、T4，镁合金板材的温度为：T=（T1+T2+T3+T4）/4。

3.如权利要求1所述的获取优越高温力学性能镁合金成形件的方法，其特征在于，所述的镁合金板材厚度为0.2mm~15mm。

4.如权利要求1所述的获取优越高温力学性能镁合金成形件的方法，其特征在于，所述的温激光喷丸成形轨迹为沿镁合金板材宽度方向作多次直线往复循环搭接喷丸成形运动。

5.如权利要求1所述的获取优越高温力学性能镁合金成形件的方法，其特征在于，所述步骤（D）中在凹模与镁合金板材接触部分涂有一层绝热材料。

6.获取优越高温力学性能镁合金成形件的装置，其特征在于，包括了激光器（1）、反射镜（2）、工作腔（3）、能量转换体（4）、温度传感器（5）、凹模（6）、五轴工作台（7）、螺钉（8）、微型加热器（10）、电子开关（11）、控制器（12）、计算机控制系统（13）、A/D转换器（14）、夹具（15）；工作腔（3）位于五轴工作台（7）上面，五轴工作台（7）用导线与计算机控制系统（13）相连，用螺钉（8）固定好凹模（6），将镁合金板材（9）置于工作腔（3）内的凹模（6）上；4个温度传感器（5）和A/D转换器（14）通过导线与计算机控制系统（13）连接；微型加热器（10）、电子开关（11）、控制器（12）与计算机控制系统（13）通过导线依次连接，通过夹具（15）使微型加热器（10）与镁合金板材（9）紧靠在一起；激光器（1）与反射镜（2）位于同一直线上，激光通过反射镜（2）反射指向五轴工作台（7），激光器（1）与计算机系统（13）相连，工作腔（3）内的所有导线通过导线接口（16）与工作腔（3）外部设备相连，导线接口（16）安装在工作腔（3）外壁，并密封。

7.如权利要求7所述的获取优越高温力学性能镁合金成形件的装置，其特征在于，所述工作腔（9）用光学玻璃材料制作而成，且在工作腔（3）底面及侧面外壁涂有一层绝热材料的薄膜，顶面涂覆一层增透薄膜。