復(fù)合能場鑄軋對AZ61鎂板組織及性能的影響

張歡歡，黃元春,2,，劉勝膽，劉 宇，肖政兵2,，杜志勇

(1.中南大學(xué) 高性能復(fù)雜制造國家重點實驗室，長沙 410083；2.中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410083；3.中南大學(xué) 機電工程學(xué)院，長沙 410083；4.中南大學(xué) 輕合金研究院，長沙 410083)

鎂合金密度低，具有環(huán)保、抗電磁干擾和價格優(yōu)勢，另外其減震性及電磁屏蔽性能良好，能夠極好地滿足當(dāng)今社會對于輕量化及節(jié)能環(huán)保問題的需求，被廣泛應(yīng)用于交通、電子、航空航天和國防軍工等重要領(lǐng)域，是21世紀極具發(fā)展前景的綠色結(jié)構(gòu)材料[1-2]。但鎂合金屬于密排六方晶體結(jié)構(gòu)，滑移系少，塑性不及面心立方結(jié)構(gòu)金屬的塑性，不易加工，阻礙了鎂合金的應(yīng)用，國內(nèi)外眾多學(xué)者雖不斷探索適當(dāng)?shù)氖侄蝸慝@取高品質(zhì)的鎂合金，在一定程度上改善了其塑性差、不易成型等問題，但仍有許多問題亟待解決[3-4]。

研究表明，當(dāng)晶粒小于一定尺寸后，脆塑性轉(zhuǎn)變溫度降低，材料以塑性變形為主。通過微合金化細化晶粒、改變組織結(jié)構(gòu)從而提升鎂合金性能的工藝已日趨成熟，近年來又開發(fā)出了累積疊軋、等徑角擠壓、異步軋制等大塑性變形方法來獲取細小晶粒，并取得了較滿意的效果，但這類工藝工序繁雜、能耗大且細晶強化和織構(gòu)軟化作用共存，因而材料強度提高幅度有限[5-11]。連續(xù)鑄軋工藝生產(chǎn)金屬板材流程短、效率高、可降低成本，但鑄軋后鎂合金板帶晶粒組織不均勻，力學(xué)性能較差，因此研究者在鑄軋過程中通過添加外場以改善其性能[12-13]。施加電磁場，電磁攪拌使液相區(qū)溫度趨于均勻，表面質(zhì)量提升，Mg17Al12相的分布更細小、均勻，延展性有所提高，而超聲波在細化凝固組織、減輕中心偏析、去除氣體及夾雜等方面具有顯著作用，但單獨使用一種外場不能同時改變凝固前沿流動場和溫度場，作用效果有限[14-16]，譚湘夫等[13]通過實驗發(fā)現(xiàn)，施加電磁超聲復(fù)合能場，使兩種能量得以相互疊加，并協(xié)調(diào)作用在熔體中，從而導(dǎo)致晶粒細化的程度和力學(xué)性能的提高均比單一能場更顯著。以上研究極少涉及鎂合金加工性能的探索，而關(guān)于鎂合金鑄軋過程中施加復(fù)合能場的工藝也鮮見報道。

本文作者擬通過在AZ61鎂合金雙輥連續(xù)鑄軋過程中施加電磁超聲復(fù)合能場，制備出鎂合金鑄軋板帶，并與在相同變形溫度、變形速度及后續(xù)軋制工藝條件下生產(chǎn)出的常規(guī)板帶相比較，旨在驗證復(fù)合能場對于鎂合金微觀組織和力學(xué)性能的改善效果，并探索其對于鎂合金深加工整個過程的影響，以便為制定出合理、高效的AZ61鎂合金板帶生產(chǎn)工藝提供指導(dǎo)，使之綜合性能提升且易加工，為該合金尋求更廣闊的應(yīng)用空間。

1 實驗

1.1 實驗設(shè)備與材料

實驗經(jīng)規(guī)格為d400mm×500mm的水平式雙輥鑄軋機分別在常規(guī)(不添加能場)和添加復(fù)合能場兩種情況下采用連續(xù)鑄軋技術(shù)生產(chǎn)出寬250mm、厚5.2 mm的AZ61鎂合金板。在復(fù)合能場的施加過程中，將電磁場導(dǎo)入鑄嘴區(qū)，并將一超聲波變幅桿垂直插入前箱中，再在軋輥和鑄嘴相接觸處，呈45°方向插入另一變幅桿，從而使鎂溶液先經(jīng)過一級超聲波處理，再通過鑄嘴進入具有超聲波和電磁場共存的輥縫中，進行復(fù)合能場鑄軋。兩級超聲波功率均為100W，頻率(20±0.1)kHz；電磁場為三相電流，電流大小10A，換向周期是一完整波形，中心頻率(13±1)Hz。實驗合金的化學(xué)成分如表1所列。

表1 AZ61鎂合金的化學(xué)成分Table1 ChemicalcompositionsofAZ61magnesiumalloy(massfraction,%)

1.2 實驗方法

先按照名義化學(xué)成分要求配置AZ61鎂合金材料，置于封閉電阻熔化爐內(nèi)加熱融化，并撒上覆蓋劑隨爐升溫，熔煉至500℃通入氬氣，阻隔鎂溶液與空氣，防止兩者發(fā)生反應(yīng)。隨后繼續(xù)升溫至715℃，添加精煉劑進行精煉、除渣，靜置20min后進行鑄軋，即將鎂溶體引入兩個旋轉(zhuǎn)并具有冷卻作用的軋輥，使其在結(jié)晶凝固過程中承受壓力及塑性變形，短時間內(nèi)獲得鑄軋板帶的過程。由于AZ61鎂合金板常用于飛機和汽車結(jié)構(gòu)件中，厚度多為3mm左右，因此，為了更好地研究AZ61鎂合金在實際生產(chǎn)與應(yīng)用中的各項性能，將兩類成型鑄軋板再進行5個道次的軋制，使最終板厚為3mm。不同道次間，將鎂合金板置于電阻加熱爐內(nèi)加熱至350℃，保溫1h，表2所列為各道次軋制工藝參數(shù)。本實驗中將常規(guī)方式和復(fù)合能場方式下生產(chǎn)的鎂合金鑄軋板分別定義為A板和B板。

將軋制前和五道次軋制后的A板和B板進行250℃、2h的退火處理后，沿不同方向截取試樣，經(jīng)鑲樣、粗磨、精磨、拋光和腐蝕(腐蝕液為苦味酸4.2g、乙酸10mL、乙醇70mL、水10mL的混合液，腐蝕時間為5~15s)，在LeicaDMI5000M光學(xué)顯微鏡下觀察顯微組織，并經(jīng)專用金相分析軟件OLYCZADSX測量晶粒平均尺寸；采用JSM-6490LV型掃描電鏡(SEM)觀察A、B初始板和終軋板中析出相分布；分別沿與軋制方向成0°、45°和90°方向取樣，進行室溫拉伸試驗，試樣標(biāo)距尺寸為40mm×8mm，拉伸速度恒為1mm/min，并測得各拉伸樣的抗拉強度、屈服強度和伸長率；通過跨距為20mm的三點彎曲試驗，測量A、B初始板和終軋板的彎曲性能。

表2 鑄軋鎂合金板帶的軋制工藝參數(shù)Table 2 Rolling process parameters ofcast-rolling magnesiumalloyplate

2 實驗結(jié)果

2.1 金相顯微組織觀察

AZ61鎂合金A、B初始鑄軋板不同截面金相組織對比見圖1。圖2~4所示分別為第一、三、五道次兩類板材的金相組織。

如圖1所示，A鑄軋板中具有大量尺寸不均勻、呈菊花狀的粗大枝晶網(wǎng)胞，平均晶粒尺寸為90~105 μm，部分達到125μm以上；受軋制力作用，部分晶粒橫向受壓縮徑向被拉長，呈現(xiàn)出一定的方向性，但對其尺寸影響較小，而縱截面的影響更為明顯，晶粒呈纖維狀。而B鑄軋板微觀組織顯著細化，粗大枝晶破碎且無明顯枝晶網(wǎng)胞存在，晶粒平均尺寸僅60~70 μm，在局部區(qū)域出現(xiàn)破碎后的細小晶粒，3個方向上晶粒形貌也出現(xiàn)沿軋制方向的變形趨勢，但形貌差異較小。

由圖2~4可見，軋制一道次后，兩類板材均呈現(xiàn)鑄態(tài)組織，但晶粒較初始狀態(tài)有所細化，A、B板晶粒平均尺寸分別為75~85μm和55~60μm。經(jīng)三道次軋制后，枝晶演變成圓滑的等軸晶，晶粒大幅細化，兩類板材平均尺寸分別為60~70μm和 25~30μm，其中A板中晶粒發(fā)生明顯再結(jié)晶，大晶粒周圍有細小晶粒圍繞，但組織以粗大晶粒為主，因粗晶內(nèi)部位錯滑移程長，晶界處應(yīng)力集中嚴重，出現(xiàn)部分孿晶現(xiàn)象，而B板再結(jié)晶充分，形核率提高，細化效果明顯且組織分布較均勻，未發(fā)現(xiàn)孿晶。軋制五道次后，微觀組織進一步細化，形核率提高，晶粒大小分別為40~50 μm和15~20μm，A板中孿晶基本消失，但仍處于大小晶粒共存的狀態(tài)，B板再結(jié)晶完全，金相組織處于退火態(tài)，圓滑且均勻細小。

觀察整個組織演變過程可知，B板組織均勻性明顯改善，且細化效果較明顯，晶粒尺寸減小約75%；而A板晶粒尺寸僅減小50%左右，晶粒較粗大，形狀不規(guī)則。A板變形過程中發(fā)現(xiàn)孿晶，孿晶界對位錯運動起到一定的阻礙作用，且根據(jù)Basinski機制可知，孿晶可提高材料加工硬化率，降低其整體變形協(xié)調(diào)性[17-19]。A板和B板最終均發(fā)生再結(jié)晶，但B板再結(jié)晶充分，再結(jié)晶是鎂合金變形時的主要軟化機制之一，其程度大小可以決定微觀性能的好壞，晶粒細小圓滑，晶界易發(fā)生滑動和轉(zhuǎn)動，使組織形貌不易產(chǎn)生方向性和組織缺陷，應(yīng)力分布更均勻，也可進一步為力學(xué)性能及加工性能的改善創(chuàng)造條件[20-21]。

圖1 A、B初始鑄軋板各方向的金相組織Fig.1 MetallographsofAandBinitialcast-rollingplatesindifferentdirections:(a)PlateA,surface;(b)PlateA,crosssection;(c)PlateA,longitudinalsection;(d)PlateB,surface;(e)PlateB,crosssection;(f)PlateB,longitudinalsection

圖2 A板和B板第一道次軋制后各方向的金相組織Fig.2 MetallographsofAandBcast-rollingplatesindifferentdirectionsafterfirst-passrolling:(a)PlateA,surface;(b)PlateA,crosssection;(c)PlateA,longitudinalsection;(d)PlateB,surface;(e)PlateB,crosssection;(f)PlateB,longitudinalsection

圖3 A板和B板第三道次軋制后各方向的金相組織Fig.3 MetallographsofAandBcast-rollingplatesindifferentdirectionsafterthird-passrolling:(a)PlateA,surface;(b)PlateA,crosssection;(c)PlateA,longitudinalsection;(d)PlateB,surface;(e)PlateB,crosssection;(f)PlateB,longitudinalsection

2.2 析出相觀察

鎂合金鑄軋及終軋板析出相掃描顯微電鏡分析照片及成分分析結(jié)果見圖5。如圖5所示，A板中析出相分布不均勻，且大量聚集在晶界處，而B板中析出相減少且不易聚集，分布彌散、均勻，多以釘扎的形式出現(xiàn)在晶界及晶粒內(nèi)部。由箭頭所指區(qū)域析出相成分分析結(jié)果可知，同種情況下，B板中Al和Zn的成分比例明顯減少，Mg元素含量增大，更接近于基體成分，固溶度較大。

2.3 力學(xué)性能及加工性能分析

圖4 A板和B板第五道次軋制后各方向的金相組織Fig.4 MetallographsofAandBcast-rollingplatesindifferentdirectionsafterfifth-passrolling:(a)PlateA,surface;(b)PlateA,crosssection;(c)PlateA,longitudinalsection;(d)PlateB,surface;(e)PlateB,crosssection;(f)PlateB,longitudinalsection

圖5A板和B板析出相分布的SEM像及EDS分析結(jié)果Fig.5 SEMimagesshowingdistributionofprecipitatesinAandBplatesandEDSresults:(a)PlateA,cast-rollingplate;(b)Plate B,cast-rollingplate;(c)PlateA,finishedplate;(d)PlateB,finishedplate

常規(guī)及復(fù)合能場鎂合金板帶軋制前后抗拉強度、屈服強度和伸長率分別在與軋制方向成0°、45°及90°方向上的變化見圖6。由圖6可知，初始狀態(tài)下復(fù)合能場鑄軋板3個方向上的平均抗拉強度、屈服強度以及伸長率分別比常規(guī)鑄軋板的提高10.58%、12.84%和52.17%，而終軋成品板的抗拉強度、屈服強度及伸長率分別比常規(guī)鑄軋板的提高了10.45%、20.56%和65.25%。

圖6 分別與軋制方向成0°、45°及90°時A、B板材的力學(xué)性能Fig.6 MechanicalpropertiesofAandBplateatangleswith rollingdirectionof0°,45°and90°:(a)Tensilestrength;(b)Yieldstrength;(c)Elongation

經(jīng)五個道次軋制后，可明顯觀察到A板顏色暗淡、無金屬光澤且邊緣出現(xiàn)少許開裂，而B板顏色較亮、開裂現(xiàn)象明顯減輕(形貌見圖7)。另外，與初始板對比，采用相同軋制工藝經(jīng)五道次軋制后，A、B終軋板的平均抗拉強度、屈服強度及伸長率分別提高了16.02%、24.19%、71.01%和15.87%、36.01%、85.71%，除抗拉強度的改善較小之外，B板其他性能的提高效果均優(yōu)于A板的。

圖7 A和B終軋板邊部裂紋圖Fig.7 Edgecrackphotosoffinishedplate:(a)Aplate;(b)B plate

鎂合金板材在三點彎曲試驗機上進行彎曲試驗，測試結(jié)果如表3所列。由表3可知，在鑄軋和終軋兩種狀態(tài)下，B板抗彎強度及最大撓度均較大，而最大彎曲抗力均較小。變形抗力小使板材易于加工，且可減少加工工具磨損；而當(dāng)抗彎強度和最大撓度大地，板材彎曲性能好，開裂傾向顯著減小，從而降低加工成本。

3 分析與討論

3.1 復(fù)合能場對鎂合金微觀組織的影響

鎂熔體在電磁場攪拌過程中，受徑向擠壓及切向變形作用，各部位產(chǎn)生小位移震蕩，粗大枝晶在不斷震蕩與相互擠擦中被剪斷并破碎，抑制了枝晶臂的進一步生長。提高形核率，運動狀態(tài)由簡單變?yōu)閺?fù)雜且無規(guī)律，這種運動狀態(tài)使鎂溶液在型壁處冷卻，從而使凝固持續(xù)進行。另外，熱金屬自溶體中心區(qū)域被帶回，結(jié)晶前沿重新融化，從而使整體溫度分布均勻，促進微觀組織均勻分布。電磁攪拌力作用范圍廣，攪拌可使能場的作用傳遞到整個區(qū)域。引入超聲波后，一方面，熔體在震動過程中產(chǎn)生大量微小空化泡，其在超聲波傳遞過程中承受壓力并破裂，粗大晶粒在沖擊波中破碎，晶核大量增殖，未破碎部分經(jīng)塑性變形后，枝晶網(wǎng)胞大幅度退化；另一方面，位于結(jié)晶壁處的晶核受震動作用脫離結(jié)晶壁，并均勻分布在熔體內(nèi)部，成為新的形核質(zhì)點，細化晶粒。超聲波作用過程中，不斷生成的能量可以補充重新形核產(chǎn)生新界面時的能量損失，提高形核率。在復(fù)合能場的共同作用下，兩類能場相互疊加、協(xié)調(diào)產(chǎn)生作用，使震動及攪拌效果得以加強，在電磁震蕩中，鎂溶液中粗大晶粒被不斷破碎，形核率大幅提高的同時，超聲波不斷補給形核時的能量損失，并使溫度場分布均勻，晶核數(shù)增加，再結(jié)晶充分進行，晶粒顯著細化且均勻分布。

表3 A板和B板拉伸性能測試結(jié)果Table3 TensiletestresultsofAandBplate

若析出相分布過于集中，基體相的連續(xù)性遭到破壞，容易造成應(yīng)力集中，影響合金的塑性，而彌散分布的析出相可使合金承受較大的變形，塑性提高，并強化合金，因此，在鎂合金板材的生產(chǎn)中應(yīng)盡可能使析出相細化且彌散分布。添加電磁超聲復(fù)合能場后，在攪拌及震動作用下，析出相彌散分布，很好地滿足了此要求。

3.2 復(fù)合能場對鎂合金力學(xué)性能及加工性能的影響

相同條件下，由于鎂溶液始終處于復(fù)合能場的攪拌與震動中，凝固前沿的溫度場和流動場受到影響，且粗大晶粒被破碎，團聚形式變?yōu)榫鶆蚍植?，形核率提高。析出相減少且彌散分布在基體相中，起到釘扎作用，強化鎂合金，并可保持基體相的完整性和連續(xù)性不被破壞，不易形成應(yīng)力集中。綜上所述可知，通過改善鎂合金板材的微觀組織可提高力學(xué)性能，一方面，圓滑、細小晶粒的晶界易發(fā)生滑動、轉(zhuǎn)動及移動，參與塑性變形；另一方面，屈服強度隨晶粒尺寸減小而增大，其關(guān)系可用Hall-Petch公式表示：

式中：2.0σ為材料屈服強度；d為晶粒平均直徑；0σ為晶格摩擦力；K為Petch斜率；0σ和K均為與材料相關(guān)的常數(shù)[10]。此外，晶粒越細小、晶界越曲折，可阻礙裂紋沿晶界的傳播。在相同加工條件下，降低彎曲變形抗力，提高抗彎強度及最大撓度，減輕板材裂紋傾向，從而減少材料及工具損耗，提高成品率，克服鎂合金難加工及成本高的缺陷，使其加工和應(yīng)用空間更加廣泛。

4 結(jié)論

1)電磁超聲復(fù)合能場可有效細化晶粒，使之均勻分布，并在鎂合金板帶鑄軋及整個深加工過程中晶粒細化效果更加顯著。常規(guī)鑄軋板及經(jīng)一、三、五道次軋制后的板材晶粒尺寸分別為90~105μm、75~85μm、60~70μm、40~50μm；而在相同條件下，添加復(fù)合能場軋制后，其晶粒尺寸分別為60~70μm、55~60μm、25~30μm、15~20μm，觀察整個組織演變過程，復(fù)合能場板帶晶粒尺寸減小約75%，而常規(guī)板帶僅細化50%左右。

2)復(fù)合能場使析出相彌散、均勻分布在晶界及晶粒內(nèi)部，而常規(guī)鎂合金板材析出相多以團聚形式聚集在晶界處。

3)復(fù)合能場可大幅提高AZ61鎂合金板帶力學(xué)性能。相對常規(guī)鑄軋板而言，復(fù)合能場鑄軋板的抗拉強度、屈服強度及伸長率分別提高了10.58%、12.84%和52.17%，而終軋成品板的分別提高了 10.45%、20.56%和65.25%，除抗拉強度外，加工完成的復(fù)合能場板帶屈服強度及伸長率的提升率均大于常規(guī)板帶的。

4)復(fù)合能場可改善AZ61鎂合金板材彎曲加工性能。與常規(guī)鑄軋相比，復(fù)合能場鑄軋板軋制后裂紋傾向小，且抗彎強度、最大撓度較大，彎曲抗力較小，可減少加工過程中材料及工具磨損。

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