专利名称：提高镁合金可成形性的方法
技术领域：
本发明涉及一种提高镁合金的可成形性的方法。更具体地，本发明涉及一种提高 镁合金的可成形性的方法，其通过照射激光向镁合金的表面提供高能量来控制镁合金的织 构(texture)。
背景技术：
由于镁合金与其他材料相比具有相对较低的密度，在高温下显示出优良的疲劳和 冲击性能，在导电性、导热性等方面出众，以及具有突出的电磁波屏蔽效应，因此它们能满 足各种的工业要求的全面的物理性能，并且因此其工业应用性很高。事实上，由于上述优 点，近来在汽车、飞机、国防工业等领域对镁合金的需求增加。
发明内容
技术问题然而，镁合金由于其六方密堆积(hexagonal close-packed，HCP)结构而没有具有 足够的滑移系(slip system)，因此其可成形性或可加工性不高。由于镁合金在可成形性上必须是优良的，以及在耐热性和抗腐蚀性上也必须是优 良的，以便将镁合金用于各种工业，因此对提高镁合金可成形性的研究已经在积极地进行 了。一个提高镁合金的可成形性技术的实例已经在韩国专利特许公开 No.2005-24735(特许
公开日期2005年3月11日)中公开，上述特许公开专利公开了 一种在环境温度下通过进行极端剪切变形来减少(0002)基平面织构的等通道转角挤压 (equal channel angular pressing,ECAP)方法。这种方法的优点是，当将块体材料(bulk material)穿过弯曲的模具通道时，通过重复地进行强烈的剪切变形获得剪切织构而不会 改变其横截面积，所述剪切织构在一般的轧制过程中无法获得，但是该方法存在很难应用 于镁合金板的大规模生产线的问题。此外，另一个提高镁合金可成形性技术的实例在韩国专利特许公开 No. 2007-107833 (特许
公开日期2007年11月8日)中公开。上述特许公开专利公开了一 种通过用一对应用了剪切变形的辊进行热轧来生产镁合金的方法。该方法通过该对辊对糊 状的板形的镁锭进行若干热轧步骤，保持下辊处于静止状态以便在热轧步骤之间对镁锭进 行剪切变形，以及在最后的热轧步骤中驱动所述下辊用以实现平面变形。根据该方法，虽然 镁合金的可成形性可以通过在(0002)基平面织构中的减少来提高，但是存在的限制是该 方法只能应用于板形材料。因此，随着可成形性(可加工性)的提高，研制出能够成形(加工)为各种形状的 镁合金的需求变得更加普遍。技术方案因此，本发明的一个目的是提供一种提高镁合金的可成形性的方法，该方法通过
3照射激光向镁合金表面提供高能量来控制镁合金的织构。有益效果根据本发明，具有以通过照射激光向镁合金表面提供高能量来控制镁合金的织构 的方式，提高镁合金可成形性的效果。另外，根据本发明，具有通过使用激光向镁合金表面提供高能量并且去除造成镁 合金可成形性恶化的(0002)基平面结构，获得能够增加镁合金可模锻性的非取向织构的 效果。而且，根据本发明，具有提高镁合金以及一般建筑材料或外部涂覆材料的可成形 性的效果，所述镁合金具有包括形状复杂或厚度小的不同形状。
本发明的上述和其他目的以及特征将通过下面结合附图的优选实施例的描述变 得更加清晰，其中，图1是原理性地示出根据本发明的一个实施例的提高镁合金可成形性方法的示 意图；图2是示出根据本发明第一实施例的镁合金AZ31B H24的微观结构的示意图， Nd YAG (Neodymium Yttrium Aluminum Garnet)激光照射所述镁合金 AZ31B H24 ；图3是示出根据本发明第一实施例的镁合金AZ31B H24的晶体取向的电子背散射 衍射(electron back-scattered diffraction, EBSD)图案，Nd: YAG 激光照射所述镁合金 AZ31B H24 ；图4是示出根据本发明第二实施例的镁合金AZ31B H24的晶体取向的极图，镱光 纤激光照射所述镁合金AZ31B H24；图5是示出根据本发明第二实施例的镁合金AZ31B H24的(0002)基平面织构的 反极图，镱光纤激光照射所述镁合金AZ31B H24；图6是示出根据本发明第二实施例制备的镁合金的拉伸试样的规格；以及图7至图9是示出图6中拉伸试样的拉伸测试的结果的示意图。
具体实施例方式根据本发明，提供一种提高镁合金可成形性的方法，该方法包括通过向镁合金的 表面提供能量来控制镁合金的织构。所述能量可以按照将激光照射到镁合金表面的方式提供。所述激光可以是Nd YAG激光。所述激光可以是镱光纤激光。所述激光可以是脉冲激光或者连续激光。所述激光可以在散焦状态下照射。镁合金的一部分可通过提供能量来熔化。镁合金的(0002)基平面织构可通过提供能量来减少。镁合金的无取向织构可通过提供能量形成。在提供能量之前，可以冷轧镁合金被。
在提供能量之前，可以热轧镁合金。在提供能量之后，可以退火镁合金。可以通过进行快速热处理将能量提供给镁合金表面。可以通过进行等离子体处理将能量提供给镁合金表面。本发明的实施方式在下面的详细描述中，涉及通过图示示出具体实施例的附图，本发明可以在所述 具体实施例中实施。对这些实施例进行充分地详细描述以使得本领域的技术人员能实践本 发明。应当理解的是本发明的各个实施例，虽然各不相同，但未必是互斥的。例如，在此描 述的与一个实施例相关的特定的功能、结构或特征，在不脱离本发明的精神和范围内，可以 在其它实施例的范围内实现。还应当理解的是，在不脱离本发明的精神和范围内，实施例中 的单个元件的位置或排列可以改变。因此，下面的详细描述不是限制的意义，并且本发明的 范围仅由后附的权利要求所限定，所述权利要求应当与其所具有的权力的等同物的全部范 围一起正确地理解。附图中，在全部示图中相同的附图标记表示相同或相似的元件或功能。下文中，将参照附图详细描述本发明的结构。图1是原理性地示出根据本发明的一个实施例的提高镁合金可成形性方法的示 意图。一般说来，由于在区域中通常只发生基平面的滑移，在所述区域中，(0002)基平面 织构在镁合金中生长，因此塑性变形不容易在形成过程中发生，由此降低镁合金的可成形 性，(0002)基平面织构在所述镁合金中生长。相反，如果(0002)基平面织构的生长被抑制， 或者进一步(0002)基织构转变为无取向织构，那么除了基平面的滑移外，非基平面滑移的 发生会更频繁，因此更容易造成塑性变形。因此，极大地提高了镁合金的可成形性。参考图1，本发明的特征在于，将满足特定条件的高能量提供给镁合金的表面以熔 化镁合金的一部分并且将所熔化的部分返回凝固，因此减少了镁合金的(0002)基平面织 构。根据本发明的一个实施例，能够以向镁合金表面提供高能量的方式通过照射具有 预定级别的能量的激光来控制镁合金的织构。具体地，由于镁合金上被激光照射的区域被 熔化和冷却，镁合金的(0002)基平面织构的生长被抑制或者(0002)基平面织构减少。而 且，可以获得具有非取向织构的镁合金，因此最终提高镁合金的可成形性。根据本发明的一个实施例，激光根据其工作模式可包括脉冲激光和连续激光，激 光根据其能量来源可以包括气体激光、固体激光、染料激光、自由电子激光。激光的实例可 以包括脉冲Nd:YAG激光，连续镱纤维激光等等。所述激光不是必须限制在以上的实例中， 但是任何可以控制镁合金织构的激光可以包括在本发明的激光中。或者，根据本发明，激光可处于散焦状态下照射到镁合金上。这里，激光散焦是指 控制激光的焦点，使得其不在镁合金的表面形成而是在镁合金的内部或外部形成的动作。 如果激光在散焦状态下照射到镁合金的表面，那么可以调整镁合金上的激光的照射范围 (照射面积、照射深度等等)和照射强度，因此防止镁合金局部的熔化并且更精确地控制镁 合金的熔化范围(熔化面积、熔化深度等等)和熔化的程度。—般来说，激光的操作速度快并且可以精确地控制照射区域，以及能够通过局部 地将激光束聚焦到狭小的区域而容易地增加照射区域的能量密度。因此，根据本发明的一个实施例一种提高镁合金可成形性的方法与常规的复杂的热处理过程相比可以容易和精 确地实施，并且进一步地可以作为一种提高小厚度平板形的镁合金和各种形状的镁合金的 可成形性的方法而有效的利用。并且，根据本发明的一个优选实施例，在镁合金上进行热轧之后，激光可以照射到 经热轧的镁合金的表面。通过在热轧之后向镁合金照射激光，可以进一步提高镁合金的可 成形性。此外，根据本发明的一个优选实施例，在镁合金上进行冷轧之后，激光可以照射到 经冷轧的镁合金的表面。通过在冷轧之后向镁合金照射激光，可以进一步提高镁合金的可 成形性。此外，根据本发明的一个优选实施例，在激光照射到镁合金表面之后，可以在镁合 金上进行退火。通过在激光照射后对镁合金进行退火，在镁合金表面上形成的非取向织构 延伸到镁合金内部，因此进一步增强了镁合金的可成形性。如上所述，激光照射过程可以充分地应用于制造镁合金板的大规模生产线，包括 热轧，冷轧以及退火步骤。虽然已经做出了上述关于激光照射以便向镁合金的表面提供高能量的例子的描 述，本发明不是必须限定于此。因此，本发明除了上述激光照射之外可以包括在镁合金表面 进行快速热处理的方法以及在镁合金表面进行等离子体处理的方法，以便向镁合金提供高
能量°在上述应用快速热处理和等离子体处理的情况下，与激光照射类似，也可以通过 熔化镁合金的一部分来抑制(0002)基平面织构或者获得非取向织构。并且，快速热处理和 等离子体处理也可以充分地应用于制造镁合金板的大规模生产线，包括热轧，冷轧以及退 火步骤。在下文中，将详细地描述根据本发明的一个实施例通过向镁合金照射激光来控制 镁合金织构和提高其可成形性的过程。(第一实施例)本发明第一实施例中，脉冲Nd:YAG激光照射到镁合金上，然后观察经激光照射区 域的微观结构以检查由于激光照射造成的镁合金织构的改变。在本实施例中，使用组分为95. 77wt%的镁，3. 27wt%的铝和0. 96wt%锌的AZ31B H24镁合金，并且使用Miyachi Technos公司制造的脉冲Nd:YAG激光器。在该实施例中，激 光的波长为l，064nm，激光的最大电功率(峰值功率)为4kW，激光束直径为3nm，并且激光 照射时间为20msec。图2是示出根据本发明第一个实施例的镁合金AZ31B H24的微观结构的示意图， Nd:YAG激光照射到所述镁合金。图2中关于红色实线的右上部分代表未经激光照射的部 分，关于红色实线的左下部分代表经激光照射的部分。参考图2，可以看到经激光照射部分的晶粒度大小与未经激光照射部分的晶粒度 大小相比显示出明显的增加。镁合金的微观结构的这种改变是通过使用激光照射的熔化和 冷却步骤造成的。图3是示出具有图2所示微观结构的镁合金AZ31B H24在法线方向(Normal Direction, ND)的晶体取向的电子背散射衍射(EBSD)图案。
6
在图3中，与关于图2中红色实线的右上部分对应的区域表示图2中未经激光照 射的部分，并且与关于图2中红色实线的左下部分对应的区域表示图2中经激光照射的部 分。并且，图3中红色标示的部分显示镁合金具有{0001}晶体取向的织构(见图3的色坐 标)°参考图3，可以看出未经激光照射的镁合金的大部分标示为红色，并且因此显示具 有{0001}晶体取向的织构的基本微观结构，而经激光照射的镁合金显示由红色标示的较 小的部分并且由与红色不同的其他颜色标示，并且因此显示具有{0001}晶体取向织构的 更小的微观结构和在微观结构中与{0001}晶体取向不同的晶体取向的增加。因此，可以 发现镁合金的(0002)基平面织构可以通过向镁合金照射激光而显著减少，并且镁合金的 (0002)基平面织构可以更进一步转变成镁合金的非取向织构。(第二实施例)在本发明的第二实施例中，脉冲镱光纤激光照射到镁合金上，然后观察经激光照 射区域的微观结构来检查由于激光照射造成的镁合金织构的变化。并且，在本发明的第二 实施例中，激光照射过的镁合金经过加工用于制造拉伸试样，然后在拉伸试样上进行拉伸 测试来观察由于激光照射造成的镁合金可成形性的改变。在本实施例中，使用组分为95. 77wt%的镁，3. 27wt%的铝和0. 96wt%的锌的 AZ31B H24镁合金，以及使用IPG Photonics公司制造的脉冲镱光纤激光器(型号名称 “YLR-1600”)。在该实施例中，激光的波长为l，070nm，激光的最大电功率(峰值功率)为 4kW，激光束直径为3nm，并且激光照射时间为20msec。图4是示出根据本发明的第二实施例的AZ31B H24镁合金在法线方向(ND)的晶 体取向的极图，镱光纤激光照射到所述镁合金。在图4中，和图3相似，具有{0001}晶体取 向织构的镁合金的区域也是用红色标示。参考图4可以看出，在激光照射前，当在生长镁合金的晶体取向为{0001}的织构， 即，(0002)基平面织构，时，极图中示出大量红色集中于中心部分，在激光照射后，镁合金中 的晶体取向为10001}的织构，S卩，(0002)基平面织构，变弱，示出极图中红色的量减少并且 红色分散在整个极图上。在后面要描述的镁合金的(0002)基平面织构的反极图上也清楚 地看到这种在织构上的改变。图5是根据本发明第二实施例的镁合金AZ31B H24的(0002)基平面织构的反向 极图，镱光纤激光照射到所述镁合金AZ31B H24。参照图5，可以看出红色更广泛的分散在激光照射后的反极像上。基于这种结果， 可以发现，由于激光照射，镁合金的(0002)基平面织构明显地变弱，并且在一定程度上，镁 合金的织构转变成为非取向织构。图6是示出根据本发明第二实施例制备的镁合金的拉伸试样的规格。如图6中所 示，根据该实施例制备的镁合金的拉伸试样是依据美国实验与材料协会(ASTM)的标准进 行加工和制备的。图7至图9是示出图6中拉伸试样的拉伸测试的结果的示意图。在本实施例中，使用由Instron公司生产的拉伸测试器(型号名称“5584Fl00r Model Frame")，并且应变率设置为10_4/秒。参考图7至图9，可以看出显示了从镁合金拉伸试样的拉伸测试结果得到的应
7力-应变曲线和伸长率。这里，应力-应变曲线是通过测量施加到拉伸试样的应力和拉伸 样本与该应力相应的应变而获得的曲线，伸长率(即应变率)是指通过用在应力-应变曲 线的断裂点处的拉伸样本的延伸长度除以拉伸试样的初始长度而获得的数值，其可以用作 评估镁合金可成形性的一个指数。首先，参考图7中黑色实线标示的应力-应变曲线，未经激光照射的镁合金拉伸 试样显示334. OMpa的极限抗拉强度(ultimate tensile strength, UTS)以及在断裂点处 13. 65%的伸长率。另一方面，参考图8中红色实线标示的应力-应变曲线，经镱光纤激光照射的镁合 金拉伸试样显示315Mpa的极限抗拉强度以及在断裂点处27. 07%的伸长率。这里，激光的 功率设置为350W并且激光扫描速度设置为25m/min(在激光器的第一照射条件下)。此外，参考图9中红色实线标示的应力-应变曲线，经镱光纤激光照射的镁合金拉 伸试样显示335MPa的极限抗拉强度以及在断裂点处32. 90%的伸长率。这里，激光的功率 设置为200W并且激光扫描速度设置为20m/min(在激光器的第二照射条件下)。参考图8和图9，黑色实线标示的应力_应变曲线表示作为对比实例的未经激光照 射的镁合金拉伸试样的应力_应变曲线。根据拉伸测试的结果，如果激光照射到镁合金拉伸试样，可以看出与未经激光照 射的情况相比，镁合金拉伸试样的可成形性被极大的改善。也就是说，经激光照射的镁 合金拉伸试样的伸长率(激光器第一照射条件下的27. 07%和激光器第二照射条件下的 32. 90%)大于未经激光照射的镁合金拉伸试样的伸长率(13. 65%)的两倍还多，并且因此 可以看出，镁合金的可成形性通过激光照射显著地提高了。虽然已经参考具体的细节，例如实际的元件、有限的实施例和附图，描述了本发 明，但是还有对本发明理解提供更详尽的解释的说明并且本发明不限于上述的实施例。然 而，本领域的技术人员应该理解，可以根据该描述进行各种改进和变型。因此，本发明的范围不限于上述的实施例，但是应当由后附权利要求及其等同物 所限定。
权利要求
一种提高镁合金可成形性的方法，所述方法包括通过向所述镁合金的表面提供能量来控制所述镁合金的织构。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述能量以将激光照射到所述镁合金的所述表面 上的方式提供的。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述激光是Nd:YAG激光。
4.如权利要求2所述的方法，其中，所述激光是镱光纤激光。
5.如权利要求2所述的方法，其中，所述激光是脉冲激光或连续激光。
6.如权利要求2所述的方法，其中，所述激光以散焦状态照射。
7.如权利要求1所述的方法，其中，通过提供所述能量来熔化所述镁合金的一部分。
8.如权利要求1所述的方法，其中，通过提供所述能量减少所述镁合金的(0002)基平 面织构。
9.如权利要求1所述的方法，其中，通过提供所述能量而形成所述镁合金非取向织构。
10.如权利要求1所述的方法，其中，在提供所述能量之前冷轧所述镁合金。
11.如权利要求1所述的方法，其中，在提供所述能量之前热轧所述镁合金。
12.如权利要求1所述的方法，其中，在提供所述能量之后退火所述镁合金。
13.如权利要求1所述的方法，其中，通过执行快速热处理来将所述能量提供给所述镁 合金的所述表面。
14.如权利要求1所述的方法，其中，通过执行等离子体处理来将所述能量提供给所述 镁合金的所述表面。
全文摘要
本发明公开一种提高镁合金可成形性的方法。根据本发明的提高镁合金可成形性的方法通过照射激光向镁合金的表面提供高能量来控制镁合金的织构。
文档编号C22F3/02GK101903555SQ200980000239
公开日2010年12月1日 申请日期2009年2月27日 优先权日2008年7月8日
发明者吴奎焕, 姜熙新, 徐廷, 朱永昶, 河硕濬, 洪承希, 金世宗, 金正五, 韩与南 申请人:首尔大学校产学协力团