镁合金在汽车、飞机、航空航天、3C工业和生物材料等许多领域都具有极大的潜力，尤其是含有稀土元素的镁合金，与传统的镁合金相比，其延展性和强度都有所提高，被广泛用于高性能结构件。管状构件是应用最广泛的金属结构形式之一，其应用广泛性使其塑性成形过程受到重点关注，如旋压成形、挤压成形等。然而，在难加工金属管件的成形过程中，尤其是镁合金和钛合金管件，容易产生微裂纹。这些裂纹降低了管状零件的机械性能和使用寿命，限制了其广泛应用，并使其难以进行后续的塑性变形。此外，由于微裂纹的存在，镁合金容易发生损伤或退化导致结构管构件失效，导致工程应用中产生巨大损失。因此，探索高效低成本修复微裂纹工艺方法，有助于提高镁合金管件的机械性能并延长其使用寿命。

最近，哈尔滨工业大学徐文臣教授和单德彬教授课题组利用脉冲涡流处理（ECPT）稀土镁合金旋压件，实现了镁合金旋压件内部微裂纹快速低成本修复，显著提高了薄壁旋压管件的强度与延伸率。为了进一步提高镁合金旋压件性能，对脉冲涡流处理后的镁合金件进一步进行热处理，发现固溶-时效处理对试样的强度与塑性有明显改善，并揭示了稀土元素对含微裂纹构件热处理过程的影响机理。

本文系统研究了连续脉冲涡流对镁合金旋压试样的影响，镁合金管及ECPT设备设计示意图如图1所示，镁合金旋压试样横截面上微裂纹在多次脉冲涡流处理后，均得到不同程度的修复（如图2所示）。电涡流处理前试样基体表面上存在较多的微裂纹，经过5次脉冲电涡流处理后，区域A处微裂纹已经明显修复，但是区域B的微裂纹并没有闭合。而进一步进行10次与15次实验后，可以观察到B区域以及周围区域的微裂纹逐渐修复。在同样处理次数下，减少散热间隔、实施连续脉冲电涡流处理可以提高镁合金旋压试样的强度与塑性，这主要是由于在脉冲电涡流处理过程中热效应促进了内部微裂纹的修复。但是连续处理会带来镁合金旋压试样在实验过程中产生大量热量累积，使得通电瞬间试样温度急剧升高，有可能使得镁合金旋压试样微裂纹集中区域容易出现局部高温而熔化的现象。

图1 镁合金管及 ECPT 设备设计示意图

图2 镁合金管件试样处理前后的SEM图像变化

a）处理前，b）5次处理后，c）10次处理后，d）15次处理后

重点研究了不同稀土镁合金常用的热处理工艺（固溶、时效和固溶-时效处理）对脉冲涡流处理后的镁合金管件性能的影响，结果如图3所示。旋后试样的平均屈服强度为209.0 MPa，平均抗拉强度为313.2 MPa，平均断裂延伸率为10.2%，而脉冲电涡流处理后试样的机械强度得到提高，其平均屈服强度提高到227.2 MPa，平均抗拉强度为329.1 MPa，平均断裂延伸率为12.5%。经脉冲电涡流处理再固溶处理试样的平均屈服强度为151.5 MPa，平均抗拉强度为247.1 MPa，平均屈服强度与抗拉强度都大大降低了，但是平均断裂延伸率提高至20.01%。脉冲电涡流处理再固溶时效处理的试样强度会提高而塑性降低，最终平均屈服强度为211.2 MPa，平均抗拉强度为334.97 MPa，二者相对于未热处理的试样有所上升，而断裂延伸率为16.26%，相对于未热处理试样有较明显的提高。经脉冲电涡流处理直接时效处理试样平均屈服强度为261.3 MPa，平均抗拉强度为365.2 MPa，二者都明显提高，并且11.1%的平均断裂延伸率相对于原始旋压试样略微上升。

图3 脉冲电涡流处理及热处理后的镁合金试样机械性能

本研究还对经脉冲电涡流处理后再热处理后试样微裂纹周围区域进行组织分析，由于稀土镁合金中稀土元素中Gd和Y含量较高，对Gd和Y元素分布进行EDS分析。从图4中可以看出，经脉冲电涡流处理再固溶处理试样表面Gd与Y稀土元素分布比较均匀。而在固溶时效处理后，试样表面稀土元素在裂纹边缘含量明显较高，说明在时效的过程中，β’析出相向微裂纹表面出现偏聚。试样直接时效处理后，裂纹表面也能观察到Gd与Y稀土元素的积聚。析出相在裂纹表面的偏聚有利于较小宽度微裂纹的填充，而在多次脉冲电涡流处理后，镁合金旋压管件内微裂纹已经非常窄，析出相的填充对微裂纹愈合应该更明显的促进作用，这可能是相对于镁合金旋压件，经脉冲电涡流处理再时效处理试样和经脉冲电涡流处理再固溶时效处理试样分别比直接时效处理试样和直接固溶时效处理试样的机械性能提高更显著的原因。

图4脉冲电涡流处理再热处理后试样的SEM与EDS分析图

a）固溶试样的SEM形貌，b-c）固溶试样中Gd、Y元素的EDS分析，d）固溶-时效试样的SEM形貌，e-f）固溶-时试样中Gd、Y元素的EDS分析，g）直接时效试样的SEM形貌，h-i）直接时效试样中Gd、Y元素的EDS分析

最终通过以上实验结果，建立脉冲涡流处理镁合金管件试样内部裂纹愈合机制模型，如图5所示。由于热旋压过程中充分的动态再结晶，未经脉冲涡流处理的旋压试样微观结构具有较低的位错密度（图5a）。固溶处理后晶粒尺寸显著增大，导致强度明显降低（图5b）。在随后的时效处理过程中，析出相出现在基体中，并在裂纹表面附近偏析（图5c），这导致了试样的强化。就脉冲涡流处理试样而言，多次脉冲涡流处理后，试样的微裂纹变窄，位错密度增加（图5d）。固溶处理后，脉冲涡流处理试样的晶粒尺寸也显著增加，但位错密度下降更明显（图5e），因此强度下降比未经脉冲涡流处理的旋压试样更明显。随后的时效过程也会导致微裂纹周围析出相的偏析，因此狭窄的微裂纹更容易被析出相颗粒填充并可能愈合（图5f）。因此，在固溶/时效处理后，脉冲涡流处理试样的强度比旋压试样的强度提高更为显著。当仅采用时效处理来处理试样时，微裂纹周围也会发生析出相偏析，但时效处理期间相对较低的温度很难改变晶粒尺寸和位错密度。由于脉冲涡流处理工艺后的微裂纹较窄，脉冲涡流处理试样的强度改善比未经处理的试样更明显，因为微裂纹愈合效果更高。

图5 固溶-时效处理后的脉冲涡流试样和旋压试样的微裂纹愈合机制

综上所述，本研究利用连续脉冲电涡流处理修复了镁合金旋压管件内的微裂纹，并通过热处理与脉冲涡流处理协同作用实现了对镁合金管件组织性能的调控，有效提高了镁合金旋压件的综合性能，为提高稀土镁合金薄壁管件服役性能打下了基础。

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