高壓低溫燒結(jié)AZ91細晶鎂合金及其力學(xué)性能的研究

張文磊,樊建鋒,張 華,董洪標,許并社

(太原理工大學(xué) 新材料界面科學(xué)與工程教育部重點實驗室,山西省新材料工程技術(shù)研究中心,材料科學(xué)與工程學(xué)院,太原 030024)

高壓低溫燒結(jié)AZ91細晶鎂合金及其力學(xué)性能的研究

張文磊,樊建鋒,張 華,董洪標,許并社

(太原理工大學(xué) 新材料界面科學(xué)與工程教育部重點實驗室,山西省新材料工程技術(shù)研究中心,材料科學(xué)與工程學(xué)院,太原 030024)

為了細化鎂合金晶粒,對AZ91粉末采用高壓低溫燒結(jié)方法制備細晶AZ91鎂合金,利用金相顯微鏡和X射線衍射儀(XRD)分析了燒結(jié)體的顯微組織與成分,研究了燒結(jié)時間與致密度和硬度的關(guān)系,揭示了高壓低溫燒結(jié)過程中燒結(jié)體內(nèi)組織的細化與生長機理。結(jié)果表明，在1 200 MPa、300 ℃條件下燒結(jié)48 h后,晶粒平均尺寸約10 μm,致密度達到99.5%;與鑄態(tài)時相比,高壓低溫燒結(jié)法制備的鎂合金,其顯微硬度(HV)值從81.6提高到103。本研究對回收利用工業(yè)鎂合金廢屑、拓展高性能鎂合金研究提供一種新途徑。

AZ91鎂合金;高壓低溫燒結(jié);晶粒細化;顯微硬度

與其他金屬結(jié)構(gòu)材料相比,鎂及鎂合金具有比強度比剛度高、易切削加工等優(yōu)點,被譽為21世紀的“綠色材料”。目前，在汽車、電子、交通、航天航空和國防軍事工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。Mg-Al系合金是鎂合金中工業(yè)應(yīng)用最廣泛的合金之一,其中AZ91又是AZ系列鎂合金的代表。然而,常規(guī)鑄造AZ91鎂合金的微觀組織以及析出相均比較粗大,較差的絕對力學(xué)性能制約了其在高端領(lǐng)域的應(yīng)用[3]。

根據(jù)HallPetch關(guān)系式,隨著合金晶粒尺寸的減小,合金的力學(xué)性能會顯著提高,因此在眾多提高鎂合金力學(xué)性能的方法中,細晶強化是一種非常有效的方法[4-5]。近幾年,國內(nèi)外對鎂合金細晶強化進行了大量研究,應(yīng)用的方法包括合金化法、等徑角擠壓、累積疊軋焊法、氫化脫氫處理法、粉末燒結(jié)法等[6-8],其中粉末冶金法是一種發(fā)展較為成熟的方法,日本學(xué)者在20年前就開始有報道,我國學(xué)者2000年以來也有較多研究。工業(yè)常用的粉末燒結(jié)工藝大多都要先完成粉末顆粒的細化過程,然后再完成后續(xù)燒結(jié),最終獲得組織致密的燒結(jié)合金[9-11]。然而現(xiàn)階段,對于利用大顆粒粉末燒結(jié)來獲得具有細晶組織的鎂合金的研究卻很少,鑒于此,筆者利用大顆粒鎂合金粉末,采用高壓低溫燒結(jié)的方法來制備細晶AZ91鎂合金,并對其組織性能進行分析。希望能開發(fā)一種低成本的細晶鎂合金制備方法,為工業(yè)鎂合金加工的廢屑回收利用提供一種新方法,并為該領(lǐng)域的科研以及工業(yè)生產(chǎn)提供可靠的實驗與理論數(shù)據(jù)。

1 實驗材料及方法

本試驗以工業(yè)AZ91D鎂合金鑄錠為原料,首先對組織粗大的鑄錠進行均勻化處理,處理條件為:420 ℃下保溫10 h,然后在80 ℃熱水中淬火,最終獲得過飽和固溶體;在手套箱內(nèi)惰性氣氛保護下，利用高強度耐磨銼刀制備AZ91粉末顆粒,選取粒度在65～75 μm之間的粉末顆粒作為實驗用粉末,粉末顆粒形貌如圖1所示。

圖1 粉末顆粒形貌圖Fig.1 Microstructure of morphology of powder

高壓低溫燒結(jié)是在惰性氣氛保護下,升溫速度為15 ℃/min。當溫度升到200 ℃時,對模具內(nèi)松裝的鎂合金粉體進行預(yù)壓實；當溫度升高到300 ℃并穩(wěn)定后,再將壓力增加到1 200 MPa;分別在恒壓恒溫下燒結(jié)合金粉末1,24,48 h,獲得組織致密的3種不同時間的鎂合金試塊。冷壓的塊體(2-a)在室溫1 200 MPa下壓制1 h獲得。

以國際標準ISO3369—1975《致密燒結(jié)金屬材料與硬質(zhì)合金密度的測定》中的規(guī)定為依據(jù)，測定合金燒結(jié)前后的相對密度；采用高景深光學(xué)顯微鏡觀察合金燒結(jié)體的顯微組織；使用X射線衍射(XRD)來表征合金燒結(jié)體的物相組成,XRD測試時采用Cu-Kα射線(λ=0.154 056 nm)；使用HVS-1000型顯微維氏硬度儀進行硬度測試。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 熱壓燒結(jié)過程中的晶粒細化與生長機理分析

圖2-a為1 200 MPa壓力下，冷壓1 h后的塊體顯微組織圖,室溫壓制時的壓應(yīng)力使得塊體內(nèi)部顆粒間相互作用并產(chǎn)生塑性形變,顆粒內(nèi)部儲存了一定的畸變能,但是在室溫條件下壓制時粉末變形抗力很高,顆粒內(nèi)部畸變不大,不足以使顆粒發(fā)生再結(jié)晶，并且不會有第二相析出。

圖2-b,2-c,2-d為鎂合金粉末在氬氣氣氛保護下,在1 200 MPa的壓力和300 ℃下,分別熱壓燒結(jié)1,24,48 h后的顯微組織圖片。如圖2-b所示,高壓低溫燒結(jié)1 h后,所有合金顆粒均出現(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象,出現(xiàn)大量尺寸細小的等軸晶,晶粒平均尺寸約為1 μm,且進行再結(jié)晶過程的同時,晶界處生成大量細小第二相顆粒。

為確定第二相成分,對試樣進行X射線衍射測試，圖3中曲線a、b曲線分別為未燒結(jié)合金粉末試樣和燒結(jié)1 h后的合金塊的XRD圖譜。由圖可知，AZ91原始粉末的XRD圖譜中并無第二相峰(曲線a)；而由燒結(jié)1 h后的合金的XRD圖譜可以看出,燒結(jié)后合金內(nèi)部出現(xiàn)β-Mg17Al12相。由此可以確定,圖2中箭頭所示的第二相均為β-Mg17Al12相。當高壓低溫燒結(jié)24 h后(2-c),晶粒與第二相的尺寸明顯長大,而數(shù)量逐漸減少。當高壓低溫燒結(jié)時間延長到48 h后(2-d),合金晶粒與第二相的尺寸仍然出現(xiàn)微小生長,晶粒平均尺寸約為10 μm,但相對于高壓低溫燒結(jié)24 h時的第二相顆粒尺寸,高壓低溫燒結(jié)48 h后的合金內(nèi)部第二相有部分跨過顆粒界面。

圖2 粉末經(jīng)過冷壓后的組織(a)和不同高壓低溫燒結(jié)時間的組織圖(b,c,d)Fig.2 Microstructure of cold pressing and high-pressure and low-temperature sintering at different times:a-cold pressing for 1 h;b-1 h;c-24 h;d-48 h

圖3 合金粉末和燒結(jié)合金的XRD圖Fig.3 XRD figure of powders and sintering alloy:a-powders，b-sintering alloy after 1 h

由圖2-b可知,高壓低溫燒結(jié)過程中，合金內(nèi)部發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶。在燒結(jié)開始階段,粉末顆粒在加熱條件下塑性大大提高,再施加較大的壓力時,粉末顆粒發(fā)生塑性形變,在合金粉體內(nèi)部出現(xiàn)大量缺陷,儲存了一定的畸變能;另一方面,較高的溫度也是促進再結(jié)晶進行的有利條件,從而使粉體內(nèi)部動態(tài)再結(jié)晶得以發(fā)生。此外,高壓低溫燒結(jié)過程中,在應(yīng)力和溫度的同時作用下,AZ91粉末顆粒內(nèi)部出現(xiàn)脫溶現(xiàn)象,產(chǎn)生大量細小的第2相。這時脫溶與再結(jié)晶過程相互競爭,一方面,形變引入的大量缺陷促進脫溶和再結(jié)晶的形核;另一方面,脫溶生成的第2相顆粒反作用于再結(jié)晶形核過程,在晶界起釘扎作用,最終當再結(jié)晶過程完成時,合金內(nèi)部出現(xiàn)大量尺寸細小的等軸晶和第2相顆粒。高壓低溫燒結(jié)1 h后,合金內(nèi)部再結(jié)晶過程已經(jīng)完成,雖然粉體內(nèi)部的畸變能已經(jīng)完全釋放,但組織仍未達到最穩(wěn)定狀態(tài)。因為大量尺寸細小的等軸晶和第2相具有很高的總界面能,屬于高能量點,而能量越高組織越不穩(wěn)定,所以為了降低總的界面能,晶粒和第2相力求長大,如圖2-c,2-d?？偨缑婺茈S著晶粒的長大而降低,趨向穩(wěn)定狀態(tài)。

由圖(2-b)還可知，高壓低溫燒結(jié)1 h,燒結(jié)體內(nèi)部晶粒與第2相尺寸細小,總的界面能較高,從而有助于晶界的遷移,以大晶粒吞食小晶粒的方式生長。隨著晶粒尺寸增大,數(shù)量減少,于是晶界面積減小,總的界面能降低。然而晶粒的生長也受其他因素的限制,晶界處存在大量細小的第2相，以及粉末顆粒晶界處存在的雜質(zhì)和氣孔等,都阻礙了晶界的遷移,減緩了晶粒的生長過程。但是，根據(jù)圖2-b,2-c,2-d可知,在晶粒的生長過程中,第2相也發(fā)生粗化反應(yīng),它與晶粒同時長大的交互作用變得相對復(fù)雜。雖然晶界處的第2相起到釘扎晶界作用,阻礙晶粒生長(如圖2-b所示大量的第2相阻礙晶粒生長,晶粒尺寸非常細小,僅為1 μm左右),但是隨著第2相的粗化及數(shù)量的減少(圖2-c，2-d),對晶粒生長的阻礙作用逐漸減弱,晶粒生長容易進行,使第2相顆粒尺寸增大，數(shù)量減少,晶粒尺寸增大。當熱壓燒結(jié)到48 h，相對燒結(jié)1 h時,晶粒尺寸相對長大了將近10倍。相應(yīng)地,總的界面能也大大降低,已不足以滿足晶粒快速長大的條件,而且第二相顆粒的尺寸和數(shù)量也趨于穩(wěn)定,這時對晶粒生長的促進和抑制作用達成平衡,導(dǎo)致晶粒尺寸趨于穩(wěn)定,最終獲得平均粒徑為10 μm的晶粒。

2.2 熱壓燒結(jié)時間對致密度與硬度的影響

1-cold pressed 1 h;2-1 h;3-24 h;4-48 h;5-casting圖4 合金經(jīng)高壓低溫燒結(jié)后的致密度與顯微硬度變化趨勢圖Fig.4 Changes in the density and hardness of thealloy after high-pressure and low-temperature sintered

圖4-a為合金經(jīng)冷壓1 h和高壓低溫燒結(jié)1,24,48 h后的致密度變化趨勢圖。由圖可知,冷壓條件下(2-a),較大的壓制力能夠獲得一定形狀的塊體,但是其致密度卻很低,僅為86%;高壓低溫燒結(jié)1 h后,燒結(jié)體的致密度顯著提高到98%(2-b);但是,致密度的提高幅度卻隨著燒結(jié)時間的延長而變緩,直到燒結(jié)48 h后燒結(jié)體的致密度達才達到99.5%。在高壓低溫燒結(jié)致密化的初始階段,在外力與溫度相互作用下,粉末顆粒發(fā)生相對滑移和塑性變形,氣孔被“壓碎”,從而燒結(jié)體迅速致密化。隨著燒結(jié)時間延長,顆粒間相互接觸區(qū)會逐漸增大,顆粒接觸區(qū)發(fā)生連續(xù)的塑性屈服,而后在接觸區(qū)形成冪指蠕變區(qū),在顆粒界面,各種蠕變機制導(dǎo)致物質(zhì)遷移[12]。

研究表明[12],熱壓燒結(jié)過程中,完成初步致密化的時間很短,在數(shù)分鐘內(nèi)便能完成,而通常熱壓燒結(jié)的致密化進程卻需要數(shù)小時方能完成。這是因為初步致密化僅為合金顆粒之間的機械結(jié)合,而要完成冶金結(jié)合,顆粒之間必須經(jīng)過原子的相互擴散,而擴散速度相對于機械滑動速度卻很慢,所以完全致密化時間較長。在300 ℃條件下,鎂的自擴散系數(shù)僅為9.97×10-17m2/s,擴散速率非常緩慢。因此,溫度一定條件下,為了使顆粒間發(fā)生冶金結(jié)合,必須延長燒結(jié)時間,使得粉末之間的原子進行充分的相互擴散。當燒結(jié)體完成初始致密化后,隨著燒結(jié)時間的延長,接觸區(qū)蠕變及各種擴散機制的進行,發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶與脫溶現(xiàn)象;晶粒隨著燒結(jié)的進行不斷長大,晶界處顆粒狀第2相也不斷長大并開始慢慢跨過顆粒界面生長;顆粒界面演變?yōu)楹辖鸬木Ы?同時燒結(jié)頸表面原子和空位發(fā)生體積擴散和晶界擴散,合金內(nèi)部孔洞逐漸消失,合金致密度達到最高。

圖4-b為冷壓1 h、高壓低溫燒結(jié)1,24,48 h的合金與鑄態(tài)合金的顯微硬度比較圖。由圖可知,冷壓獲得的塊體顯微硬度很高;熱壓燒結(jié)1 h后燒結(jié)體硬度顯著降低；隨著燒結(jié)時間的延長,合金的顯微硬度降低，但降低幅度不大。經(jīng)過48 h燒結(jié)后的合金顯微硬度(HV)由初始的159下降到103.8,但相對于鑄態(tài)合金的顯微硬度(81.6)，其硬度值仍然是較高的。

在冷壓條件下,合金粉末顆粒塑性較低,而較大的外應(yīng)力卻使得顆粒發(fā)生劇烈的冷變形(如圖2-a所示),產(chǎn)生機械加工硬化,從而使冷壓合金塊體具有較高的顯微硬度。而高壓低溫燒結(jié)1 h后,合金內(nèi)部發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶,出現(xiàn)大量細小的再結(jié)晶晶粒(如圖2-b所示),合金內(nèi)部儲存的變形能被迅速釋放,促使顯微硬度顯著降低。繼續(xù)延長燒結(jié)時間,合金內(nèi)部晶粒與第2相發(fā)生長大,根據(jù)HallPetch關(guān)系式[13]可知,合金的硬度隨著晶粒尺寸增大而顯著降低。當燒結(jié)時間延長到48 h,合金內(nèi)部晶粒與第2相尺寸基本穩(wěn)定,所以纖維硬度不再發(fā)生明顯的變化,但是相比鑄態(tài)合金的硬度仍然有顯著的提高。

3 結(jié)論

1) 在1 200 MPa、300 ℃高壓低溫條件下,燒結(jié)48 h后的AZ91鎂合金,合金內(nèi)部在晶界上均勻分布著大量細小的第2相顆粒,晶粒尺寸約為10 μm,較鑄態(tài)合金明顯細化。

2) 當高壓低溫燒結(jié)48 h后,合金燒結(jié)完全,致密度達到最高,約為99.5%,顯微硬度(HV)約為103.8,相對鑄態(tài)合金仍有27%提高。

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(編輯：龐富祥)

Mechanical Properties of AZ91 Fine Grain Magnesium Alloy Processed by High-pressure and Low-temperature Sintering

ZHANG Wenlei,FAN Jianfeng,ZHANG Hua,DONG Hongbiao,XU Bingshe

(KeyLaboratoryofInterfaceScienceandEngineeringinAdvancedMaterialsTaiyuanUniversityofTechnology,MinistryofEducationTaiyuan030024,China;ShanxiResearchCenterofAdvancedMaterialsScienceandTechnology,CollegeofMaterialsScienceandEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024，China)

In order to refine magnesium grain, AZ91 alloy with refined grains was prepared by high-pressure and low-temperature sintering.The microstructure evolution of sintered alloy was studied by means of metallographic microscope and X-ray diffraction (XRD). The effect of sintering time on the density and hardness of AZ91 alloy was also analyzed. The grain refinement and growth of sintered alloy during high-pressure and low-temperature sintering were investigated. The results reveal that AZ91 alloy was sintered completely after 48 hours under 1 200 MPa and 300 ℃. The average grain size of the sintered alloy was about 10 μm. Moreover, the relative density of the sintered AZ91 alloy was 99.5% and the hardness of sintered alloy prepared by high-pressure and low-temperature sintering increased obviously, from 81.6 HV of the cast alloy to 103 HV. AZ91 alloy with refined grains was prepared by high-pressure and low-temperature sintering, hoping to provide a new method for recycling industrial magnesium alloy chips and expanding high-performance magnesium alloy research.

magnesium alloy;high-pressure and low-temperature sintering;grain refinement;hardness

1007-9432(2015)04-0380-05

2015-01-13

國家自然科學(xué)基金資助項目:HDDR原位壓制成形法制備納米晶Mg-Al合金的機理研究,納米鎂基材料中微觀結(jié)構(gòu)與性能間的關(guān)系研究(50901048,51174143);教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃資助(NCET-12-1040);國家留學(xué)基金資助(1308140098)

張文磊(1988-)，男，安徽阜陽人，碩士生，主要從事鎂合金新材料的力學(xué)性能研究，(Tel)15364818379,(E-mail)971084437@qq.com

樊建鋒(1977-),男,博士,教授,(Tel)13935107463,(E-mail)fanjianfeng77@hotmail.com

TF124

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.04.003