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耐热镁合金是汽车发动机及其传动机构零部件的理想材料,随着汽车工业的快速发展,汽车用耐热镁合金板具有广阔的市场前景。商业用AZ和AM系列镁合金耐热性能不理想,主要原因为AZ和AM系列合金中大部分Mg17Al12相平行于Mg基体滑移面(0 0 0 1),Mg17Al12相熔点低(462 ℃),高温下易软化,难以有效钉扎晶界和位错,因此其耐热性能差。在镁合金中加入Sn元素能够形成热稳定性(熔点778 °C)好和硬度值(119 HV)高的耐热强化相Mg2Sn。由于Sn元素价格低,Mg-Sn合金是极具潜力的耐热镁合金。目前镁合金板材的制备大多采用热轧方法,存在工艺流程长和成本高的缺点。为了短流程制备高性能耐热镁板材,在国家自然科学基金重点项目(资助号:51034002)资助下,课题组开发了剪切/振动耦合作用下半固态金属流变轧制成形方法,采用剪切/振动耦合场制备半固态金属浆料,浆料直接进入由凸-凹辊组成的封闭型腔中轧制成形,它将传统固态加工工艺的铸锭—加热—轧制等多道工序融为一体,具有高效节能的特点。本文研究了剪切/振动耦合作用下Mg-3Sn-lMn合金流变轧制成形,主要取得了以下成果:(1)获得了剪切/振动耦合作用下Mg-3Sn-lMn合金流变轧制成形组织演化规律。斜板表面熔体的冷却速率和内部切应力随着斜板振动频率和振幅增加而增加。熔体内部切应力使品核脱离斜板表而向熔体内部运动,从而细化了合金组织。从倾斜板浇注口到出口,初晶尺寸逐渐减小,品粒形状逐渐向球形转化。半固态浆料轧制成形过程中,Mg-3Sn-1Mn合金发生二次结晶,品粒变形不明显,晶粒细小圆整。(2)建立了 Mg-3Sn-IMn合金流变轧制成形过程中型腔内部合金流动剪切本构关系数学模型:(m = e89.8-0.1421,n = 0.039t-24.27,(634<t<640)。沿两辊中心连线方向,距离轧辊越近,合金所受切应力越大;从轧制型腔入口到出口,合金所受切应力先增加后减小,在轧制出口附近出现了峰值;随着轧辊转速和轧辊半径增加,合金所受切应力增大;随着板材轧制厚度增加,合金所受切应力减小;随着合金熔体温度降低,合金所受切应力增大。(3)获得了 Mg-3Sn-1Mn合金流变轧制成形过程中热流耦合场分布规律。从倾斜板浇注口到出口合金温度线性降低;从倾斜板浇注口到出口合金流动速度逐渐增加,距离倾斜板表面越近,合金流动速度越小。从轧制型腔入口到出口合金温度逐渐降低,离轧辊越近合金温度越低。模拟结果表明,Mg-3Sn-1Mn合金流变轧制成形合理浇注温度为670～730 ℃,轧制速度为0.052～0.087 m/s。(4)获得了工艺参数对Mg-3Sn-1Mn合金连续流变轧制成形制品组织性能的影响规律。随着合金浇注温度升高,制品晶粒平均直径增加,伸长率和抗拉强度降低;晶粒平均直径随着轧辊转速的降低而减小;随着倾斜板振动频率增加,制品晶粒平均直径先减小后增加,抗拉强度和伸长率先增加后减小。当浇注温度为670°C,轧辊转速为0.052 m/s,振动频率为60 Hz时,制备了 4×160 mm的Mg-3Sn-1Mn合金板材。该制品常温抗拉强度达到175 MPa,伸长率达到5.6%;150°C拉伸时,抗拉强度达到159 MPa,伸长率达到61.4%,其常温和高温力学性能均优于研究报道的 Mg-3Sn-1Mn-0.87Ce 合金。(5)获得了 La元素对连续流变轧制成形Mg-3Sn-1Mn合金板材组织性能的影响规律。当La元素含量为0.2 wt.%时,La元素完全固溶在Mg基体中,Mg-3Sn-1Mn-0.2La合金中主要含有Mg2Sn相;当La元素含量为0.6 wt.%时,在α-Mg晶界附近出现一种山Mg17La2、Mg2Sn、La5Sn3共生的板条状化合物,其平均长度为380 nm;当La元素含量达到1.0 wt.%时,该板条状化合物平均长度增加到565 nm,该板条状化合物与Mg基体沿[1 0-1-2]Mg方向共格,垂直于晶界生长,能够钉扎晶界和位错;当La元素含量为1.4 wt.%时,板条状化合物平均长度增大到2300nm,但其强化作用减弱。制备的Mg-3Sn-1Mn-1.0La合金板材常温抗拉强度为226 MPa,伸长率为7.4%;150°C拉伸时,抗拉强度达到194 MPa,伸长率达到65%,该制品常温和高温力学性能均优于研究报道的Mg-3Sn-1Mn-0.87Ce合金。